Arduinoをオンラインで教える：ライブ授業のためのカメラ、シミュレーター、アプリ

4つのことを最初に準備しておけば、ビデオ通話でもArduinoをオンラインで教えることは十分にできます。1つ目に、キットは生徒の手元になければなりません。配線をするのも、コードを書き込むのも先生ではなく生徒です。2つ目に、カメラのアングルが2つ必要です。1つは生徒の顔を映し、もう1つはスマホホルダーからブレッドボードを真上から映します。3つ目に、生徒はパソコンの画面を共有します。そうすれば、Arduino IDEのコード、エラーメッセージ、シリアルモニタの数値を、生徒と同じタイミングで見られます。4つ目に、その授業のプロジェクトを前日に送っておきます。生徒は通話の前に、部品リストと回路図をスマホで開いておけます。この4つがそろっていれば、教室ほどはっきり回路が見えなくても不具合を見つけられます。見る作業は生徒が行い、どこを見るかを先生が伝えるからです。不具合のほとんどは、電源からコードへと進む6つの質問の順番に沿って確認すれば、数分で見つかります。

この記事では、オンライン授業の技術面と指導面を扱います。カメラと音声の準備、授業前に送るもの、1分ごとの授業の流れ、リモートでのデバッグ、グループ授業の進め方です。講座を週ごとにどう計画するかはArduino教室の始め方の記事で、ブラウザでの回路づくりはTinkercadでArduinoをシミュレーションのガイドで説明しているので、ここでは繰り返しません。例はすべて同じ前提に立っています。生徒はArduino Unoのスターターキットとパソコンを持っていて、先生も自分の机で同じキットを使って教えます。

オンラインのArduino授業でカメラが1台では足りない理由

ノートパソコンのカメラに映るのは生徒の顔で、机の上のブレッドボードではありません。ボードをカメラの前に持ち上げてもらっても解決しません。ワイヤーが揺れ、ジャンパーワイヤーが抜け、角度が刻々と変わり、13番ピンと12番ピンの区別もつきません。そのため、オンラインのArduino授業の基本の構成は3つの映像です。コミュニケーションのための顔用カメラ、回路のための俯瞰カメラ、コードのための画面共有です。顔用カメラは見た目以上に大切です。生徒が眉をひそめた瞬間こそ、口に出していないつまずきに気づける瞬間だからです。授業でいちばんよく見る映像は俯瞰カメラになります。ワイヤーがどの穴に入っているかを示せるのは、この映像だけだからです。画面共有は、教室で生徒の肩越しにのぞき込む習慣の代わりになります。生徒がコードを書き、コンパイルし、シリアルモニタを読む間、生徒と同じものを見られます。

技術的な準備：先生側と生徒側

高価な機材は必要ありません。2台目のカメラは、たいていの家にすでにあるスマホです。どのビデオ通話アプリを使うかも、それほど重要ではありません。画面共有、チャット欄、2台目の端末から同じ通話に参加する機能は、今ではよく使われるアプリのほとんどにあります。グループ授業をする予定なら、ブレイクアウトルームの機能があるかどうかも確認しておきましょう。下の表に、両側に必要なものを並べました。

いちばん役に立つコツはこれです。生徒はスマホから同じ通話にもう一度参加し、その参加者の名前を、たとえば「Emma - 回路」のように変更します。スマホではマイクをミュートにし、スピーカーの音量をゼロにします。そうしないと、2台の端末がお互いの音を拾って、通話がハウリングだらけになります。前面カメラではなく背面カメラを使うと映像がより鮮明になり、鏡像の問題もなくなります。前面カメラでは、多くのアプリで自分のプレビューが左右反転して表示され、ピンの表記が読みにくくなります。スマホは横向きに持ち、ブレッドボードとArduinoを同じ画面に収め、充電器につないだままにしておきます。45分のビデオ通話は、スマホの電池をすぐに消耗させます。授業が始まったら、俯瞰カメラの映像を固定しましょう（多くのアプリに「ピン留め」や「スポットライト」の機能があります）。そうすれば、ほかの人が話すたびに映像が切り替わることはありません。

授業前に送るもの：24時間ルール

オンライン授業でいちばんもったいない時間は、通話中にドライバをインストールしたり、足りない抵抗を探したりして過ぎていく時間です。これを避けるため、授業の遅くとも1日前に生徒へ短いメッセージを送り、下のリストを済ませておくよう頼みましょう。プロジェクトのリンクは、BlueGraysでプロジェクトを開いてシェアをタップすれば作れます。アプリがインストールされていれば、送ったリンクは生徒のスマホでそのプロジェクトを直接開きます。こうすれば、生徒は授業が始まる前に必要な部品のリストと回路図を見ておけます。

1. 部品リスト：部品の名前と数量を、抵抗の値も含めて伝えます。生徒は部品を机に並べ、俯瞰カメラで撮った写真を送ります。足りないものがあれば、1日前にわかります。
2. プロジェクトのリンク：アプリのシェアで送ったプロジェクトです。生徒は回路図を拡大して確認し、部品リストの数量を自分のキットと照らし合わせます。
3. Arduino IDEのインストール：生徒は自分のOSに合ったバージョンをインストールし、1回起動して、初回起動時にダウンロードされるボードのパッケージが終わるまで待ちます。
4. テストの書き込み：「ファイル」>「スケッチ例」>「01.Basics」>「Blink」を開き、「ツール」メニューでボードとポートを選んで書き込みます。ボードのLのLEDが1秒ごとに点滅すれば、パソコン、ケーブル、ドライバの準備はできています。その画面のスクリーンショットか短い動画を先生に送ってもらいます。
5. 通話のリハーサル：授業前に5分間の試しの通話をします。スマホからの2回目の参加、マイクのミュート、俯瞰カメラの角度を確認します。
6. スマホホルダーと照明：ホルダーが机に設置され、ライトが横から当たり、ブレッドボードの下に白い紙が敷いてある状態にします。
7. BlueGraysのアカウント：生徒はアプリにログインしておきます。無料のプロジェクトなら、ほかに必要なものはありません。プレミアムのプロジェクトを使う場合は、コードを事前に利用しておいてもらいます。

45分のオンラインArduino授業の計画

下の流れはマンツーマンの授業向けで、2つの無料プロジェクトを続けて使います。まずLDRで光の強さを測定でLDRの値をシリアルモニタで読み、次に同じ回路にLEDを加えてLDRで作る常夜灯に進みます。この2つの組み合わせはオンライン授業にとても向いています。シリアルモニタの数値は画面共有でもはっきり見え、生徒が手でLDRを覆った瞬間に値が下がるのを、2人とも同時に確認できるからです。どちらのプロジェクトも、BlueGraysで回路図、コード、コードを理解のセクションつきで完全に無料です。

この流れの核心は27〜30分です。常夜灯のコードのしきい値は50で、読み取った値が50を下回るとLEDが点きます。しかし、部屋の明るさはそれぞれ違います。生徒の部屋が明るいときに600、手でセンサーを覆ったときに120なら、しきい値50ではLEDは一度も点かず、生徒は回路が壊れていると思い込んでしまいます。そこで、まず測ってもらいます。「明るいところではいくつ？手で覆うといくつ？」生徒は2つの数値を答え、そのほぼ中間のしきい値を自分で選んでコードを変更します。プロジェクトのコードを理解にある自分で試すの課題でも、しきい値を300に上げて違いを観察するよう求められます。オンライン授業でこれを生徒自身の測定と結びつけると、「回路が壊れている」という思い込みを防げるうえに、シリアルモニタが何のためにあるのかも教えられます。ボーレートの設定とプロッタについては、Arduinoのシリアルモニタのガイドを参照してください。

リモートでのデバッグ：「見せて」の順番

オンライン授業では、回路に手を伸ばすことができません。不利に見えますが、うまく使えば指導上の利点になります。生徒が「動きません」と言ったとき、何をすればよいかを教える代わりに、毎回同じ順番で質問します。そうすることで、生徒に「見る」方法を教えられます。ルールは簡単です。電源から始め、コードに向かって進み、1つのステップでは1つのことだけを見ます。生徒は「たぶん大丈夫です」とは言えません。カメラで見せるか、画面で読み上げるかのどちらかです。下の6つのステップで、初心者がいちばんよくする失敗を1つずつ取り除けます。

カメラでワイヤーをたどるときは、指先でさしてもらいましょう。ペン先ならさらによく、ブレッドボードのどの穴かを指よりはっきり示せます。ピンを数えるときは、ボードの端から始めてもらいます。「GNDから右に数えてください。何番目の穴ですか？」ブレッドボードの列の番号と文字を声に出して読んでもらいましょう。「c12です」と言うほうが、「そこの穴です」と言うよりずっと間違いが少なくなります。また、俯瞰カメラではボードが上下逆に見えることがあり、生徒の右が先生の左になる点にも注意してください。方向を伝えるときは「右」「左」ではなく、「USBの側」「GNDと書いてある側」「ブレッドボードの真ん中の溝」のように、ボード上の目印を使いましょう。

リモートで確認する10ステップのチェックリスト

1. ボードがUSBに接続され、ONのLEDが点いている。
2. ケーブルがデータ通信に対応している。テストの書き込みで動作したのと同じケーブルを使っている。
3. Arduino IDEでボードとしてArduino Unoが選ばれている。
4. 正しいポートが選ばれている。ボードを抜いたときに一覧から消えるポートを、そのボードのポートとして選んでいる。
5. コードがエラーなくコンパイルできる。エラーがあれば、最初の赤い行を声に出して読んでいる。
6. 書き込みが「書き込み完了」（英語表示ではDone uploading）のメッセージで終わり、書き込み中にTXとRXのLEDが点滅した。
7. 回路のすべてのマイナスがArduinoのGNDピンにつながっている。
8. すべてのワイヤーが回路図のとおりのピンに挿さり、ピン番号がコードと一致している。
9. LEDの長い足は抵抗を通ってピンへ、短い足はGNDへつながり、抵抗の色が正しい（必要ならカラーコードツールで確認）。
10. シリアルモニタが開いていて、速度がコードのSerial.beginの値（この授業では9600）と一致し、数値が流れている。

生徒からはっきりした回路の写真を送ってもらう

• 真上から撮る：スマホを机と平行に持ちます。横から撮った写真では、ブレッドボードの列が重なって見え、ワイヤーがどの穴に入っているのかわかりません。
• フラッシュはオフ、ライトは横から：フラッシュを使うと、ブレッドボードの光沢のあるプラスチックに白い反射が写ります。それも、ちょうど見たい場所にです。
• ズームではなく近づく：デジタルズームは画像をぼかします。スマホを近づけて、画面をタップしてピントを合わせれば十分です。
• 表記を写す：Arduinoのピンの表記とブレッドボードの列の番号が、画面に入っていなければなりません。ワイヤーが表記の上を通っている場合は、生徒にそっと横へよけてもらいます。
• 圧縮に注意：メッセージアプリが写真を縮小してしまう場合は、ファイルやドキュメントとして送ってもらいます。
• コードは写真ではなくテキストで受け取る：画面を撮影する代わりに、コードをコピーしてメッセージに貼り付けてもらいましょう。先生は自分のArduino IDEでコンパイルし、行番号を添えて返信します。

オンライン授業でのシミュレーターとアプリの役割

シミュレーターは、オンライン授業の代わりではなく、その横に置くものです。キットがまだ配送中なら最初の授業をブラウザで行えますし、新しい回路を生徒に見せる前に自分の画面で試したり、ボードを持っていない生徒に宿題を出したりもできます。Tinkercadの準備、部品、制限についてはTinkercadでArduinoをシミュレーションのガイドで詳しく説明しているので、ここでは次のことだけ述べておきます。シミュレーションには、ゆるんだワイヤーも、逆向きに挿したLEDも、間違ったポートもありません。しかし、オンライン授業での不具合の多くは、まさにこうしたものです。そのため、生徒がキットを持っている間は、本番の作業は本物のブレッドボードで行います。授業中と授業の合間にアプリが役立つのは、次の場面です。

• 回路図：生徒は回路図をタップして拡大し、ワイヤーを1本ずつズームして確認します。ギャラリーに保存でスマホに保存しておけば、ビデオ通話の画面を開いたままギャラリーで回路図を見られるので、アプリを行き来するより楽です。
• リンクをコピー：ソースコードの横にあるこのボタンは、コードをパソコンで開くためのリンクをコピーします。生徒はリンクを通話のチャット欄に貼るか、自分宛てに送り、パソコンで開いてコードをArduino IDEに移します。リンクは恒久的なものではなく、短時間で無効になるので、宿題はリンクではなくプロジェクト名で出しましょう。
• コードを理解：「このコードの働き」の要約、ステップごとの解説、自分で試すの課題は、授業の合間の宿題にそのまま使えます。たとえば常夜灯の授業のあとの宿題はこうです。LDRで光の強さを測定の「コードを理解」を最後まで終え、測定を1秒に10回行うよう求める「自分で試す」の課題に取り組み、次の授業で画面共有を使って結果を見せる。
• 一緒に作りましょう：生徒が授業を休んだときや、プロジェクトを1人でもう一度やりたいときは、このガイドモードが部品の準備からテストまでステップごとに案内してくれます。
• フォーラム：授業の合間につまずいた生徒は、質問カテゴリーでトピックを立て、回路の写真と、コードを追加で自分のコードを載せます。解決したら解決済みにするで閉じます。先生が返信するときも、同じ「写真3枚ルール」をお願いできます。よい質問の書き方はArduinoのフォーラムでの質問のしかたにまとめています。

オンラインのグループ授業：4〜8人の生徒をまとめる

マンツーマンの授業では、すべてが先生と生徒の間で進みます。4〜8人のグループでは、3人が同時に「先生、点きません」と言い出すことこそが本当の問題です。ビデオ通話では声が重なると、誰の声も聞き取れません。そのため、ルールは最初の1分で決め、毎回同じにしておきます。全員の俯瞰カメラはオンのまま、マイクは話すときだけオン、助けを求めるときは声ではなく文字で伝える、というルールです。

• 順番待ちの仕組み：つまずいた生徒は、チャット欄に名前と段階だけを書きます（「Max - ポートがない」）。先生はリストを上から順に対応し、メインルームでは1人あたり最大2分とします。それ以上かかる問題はブレイクアウトルームに移します。
• ブレイクアウトルーム：グループを2〜3人ずつのブレイクアウトルームに分けます。各ルームでは1人が回路を組み、もう1人がその俯瞰カメラの映像を見て回路図と見比べ、それから役割を交代します。先生は各ルームを3〜4分ずつ順番に回ります。
• 画面共有のローテーション：段階ごとに1人の生徒が画面を共有し、ほかの生徒は自分の画面と見比べます。ローテーションは授業前に決めておきましょう。そうすれば、学期を通してどの生徒も何回か「発表者」になり、おとなしい生徒にも目が届きます。
• 全員で進み具合を知らせる合図：段階を終えた生徒は、チャットに「完了」と書きます。グループの半分が「完了」と書いたら、次の段階に進むことを伝えます。遅れている生徒は、ブレイクアウトルームで先生と一緒に続けます。
• 早く終わった生徒：「コードを理解」の「自分で試す」の課題や、しきい値の変更のような小さな追加課題を用意しておきます。待っている生徒が退屈せず、順番待ちの列もふさがりません。

具体例を挙げます。6人のオンライングループで常夜灯の授業をするとして、授業時間は60分です。最初の10分は全員がメインルームにいて、接続の確認と部品の数の確認をします。次に3つのブレイクアウトルームを開きます。各ルームでは2人の生徒が15分かけて、お互いの回路を俯瞰カメラで確認しながらLDRの回路を組みます。メインルームに戻ったら、1人の生徒がシリアルモニタを共有し、全員が自分の明るいときと暗いときの値をチャットに書き込みます。6つの違う部屋からは6つの違う数値が出るので、しきい値を人ごとに決める理由が自然にわかります。LEDの追加は再びブレイクアウトルームで行い、最後の10分で各ルームが動いている回路を1回ずつ見せます。

オンライン講座での教育者向けパッケージの使い方

オンライン講座では、生徒が別々の都市に住んでいても、プレミアムのプロジェクトを使う妨げにはなりません。BlueGraysの教育者向けパッケージ（「プロフィール」>「教育者向けパッケージ」）では、5個パックか10個パック、月額か年額のプレミアムコードを購入でき、マイコード画面から1つずつシェアします。シェアするメッセージにはコードとリンクの両方が含まれます。生徒がリンクをタップすると、アプリでコードが入力済みのコードを利用画面が開き、コードを利用ボタンをタップするだけで完了します。生徒はAppleやGoogleのアカウントにカードを登録する必要がありません。支払いは先生のアカウントから1回だけで、自動更新はされません。マイコードでは誰がどのコードを使ったかを確認できるので、コードを利用すると名前、ユーザー名、メールアドレス、プロフィール写真が先生と共有されることを、生徒に前もって伝えておきましょう。パッケージの詳細はクラス向けプレミアムコードで、生徒側の手順は教育者向けコードの使い方で説明しています。

オンライン授業でよくある8つの問題と対処法

オンラインのArduino授業の核心は、生徒が先生の代わりに自分の手と目を使うことです。先生がどこを見るかを伝え、生徒が見て、見せます。この進め方を何回か続けると、生徒には教室での授業以上によい習慣が身につきます。不具合を自分で見つけられるようになるからです。次のオンライン授業をLDRで光の強さを測定とLDRで作る常夜灯のプロジェクトで始めたいなら、どちらもBlueGraysアプリで回路図、コード、「コードを理解」のセクションつきで無料で使えます。リンクは今日から生徒に送れます。