causal SW:電子工作応用教具作成用素材の情報共有コミュニティー

完成 2023.08.19 公開（2024.08.04 更新） © CC BY 4+ visibility4528

完成 © CC BY 4+

2023.08.19 公開（2024.08.04 更新） visibility4528

電子工作苦手先生も、あの児童のあの気づきになるあんなモノ、と思いついとき、お手軽に調理して完成させられる素材がcausal SW(コーザルスイッチ)。
その情報蓄積・共有場所 (動画は字幕有で)

link https://sunshine150.wixsite.com/kzjs

sell civictech, IMU, touch_sensor, causalSW

マウザーヒーロー賞 by マウザー・エレクトロニクスヒーローズ・リーグ 2023
商業アイデア書M5Stack Japan Creativity Contest 2023

動画

開発素材: デバイス

Arduino

DFPlayer mini

WS2812B

ATOMS3

causal SW (コーザルスイッチ)

API

M5StampS3

システム構成

(動画は字幕有で)

仕様改定履歴

(2023/1/15) ハードウエア改定
- 上記システム構成図の回路基板PCB ver.2( , 2A) に示すように、外部機器の電源On/Off制御などを外付け回路なしで可能としました。
- 使用例は次の記事 causal SW:応用調理例_外部機器On/Off制御を参照ください。BDアダプターを接続可能ですが、機能をよく理解した上でご使用ください。
- 回路基板PCBの色調：ver.2( , 2A)は緑、ver.1Aは赤
(2023/3/24) ソフトウエア改定
- タッチセンサー動作の音源ファイル再生タイミングとして、従来の標準（タッチした瞬間に再生）に加え、タッチしてから離した瞬間に再生させることも可能としました。
- 詳細は、下の「causal SWを電子工作応用教具にする調理内容」をご覧ください。

このリンクで、causal SWの作例や授業実践記録などの一覧をご覧いただけます

Please watch the above video with subtitles (English and Japanese subtitles available)
上の動画は、字幕表示ありでご覧ください（日と英の字幕あり）

なお、causal SWは、公益財団法人学習情報研究センター主催による、令和6年度学習デジタル教材コンクールにて、日本児童教育振興財団賞を受賞しました。

causal SWは電子工作応用教具作成用の素材

　多くの日本の学校で、児童個人対応でタブレットなどの情報端末が貸与されましたので、大きな効果があがることを期待しています。一方で、一般のタブレットデジタル教材にては十分な教育効果をあげにくい、例えば次のような児童もいます。

知的や視覚の障害により、画面表示では理解が難しいが、触ったり握ったりできる具体物ならば、認識しやすい、興味を持ちやすい、児童
身体的な障害により、小さなアイコン表示を正確にタップすることは難しいが、手のひらサイズほどのタッチセンサーなら安定して操作できる児童
身体的な障害により、画面を見ながら画面をタップ操作することは難しいが、わずかにでも意識的に動かせるところの動きを加速度センサーで検知できる児童
集中力の維持が難しいが、好きなもの、例えば電車、猫、アニメキャラなどの具体物や音なら集中力を長く維持できる児童

例えば因果関係(causal relationship)理解や運動継続などの目標達成のためには、個の特性を踏まえ何が有効かを一番考える担任教諭が、さらなる個別最適化には電子工作を応用するのが有効とわかった場合でも、新たな技術習得が必要となったら限られた時間の中では難しい、という現実もあります。

そこで、電子工作とプログラミングの必要な部分を調理済み素材として提供するのが ‘causal SW’(コーザルスイッチ)です。身近な材料と道具により入力と出力を付け加えれば、電子工作応用教具に仕上げられます。特別支援学校や教具作成に限らず、ゲームやイベント対応など、幅広く使われることも期待しています。

causal SWに込めた工夫

　’causal SW’の基本機能は、センサーよりの入力を検知すると、その入力番号に対応した音などの出力をすることです。先生が思い描いた幅広い調理を可能な素材となるべく、次のような工夫をしています。

触れるセンサー入力を多数接続可能
- タッチセンサー最大１２点、加速度センサー最大3点
- 加速度センサーはワイヤレスで、40mほど離れても使用可能
タッチセンサー自作の自由度確保
- 静電容量が閾値を超えたら’タッチした’と判定します。接続したものの材質、容積、形状によっては、タッチ有無の誤判定をしやすくなりますが、本体電源ON時に全端子の静電容量を実測し、端子ごとに適切な閾値を自動設定
タッチ検知応答タイミングの自由度確保
- タッチした瞬間に応答するのが標準としてまするが、例えば視覚障害児が触察して認知するという用途でも使えるように、タッチ時には反応せずリリース時に応答するようにプログラム変更なしで設定可能
授業での使い勝手
- 意図しない連打防止の時間設定と、加速度センサーの検知閾値設定は、現場で使いながら調整できるボリューム付き
- PCなしで使用可能なので、電源ONですぐに使用可能
- スマホ用USB電源でも使用可能
- アンプ付きスピーカーを接続すれば拡声可能
拡張性
- 拡張端子を使用すれば、プログラム変更なしで、例えば BDアダプターを接続してスイッチ教材対応機器の電源On/Offや、タブレットのタップ操作代替部品を接続しタッチセンサーや加速度センサーにてタップ操作代替可能に
- さらに、プログラミングも取り組む先生なら、作例応用編を参照して、多数のカラーLED点灯制御なども可能
情報共有・蓄積
- センサー作例、教具作例、拡張端子使用作例、授業実践事例、などを自由に閲覧・投稿できるサイトを整備し蓄積中
- 電子工作経験者でレーザーカッターを使用できれば本体も自作できるように、必要な情報を公開準備中
- 現時点は、ニーズ把握と検証のため、複数の近隣特別支援学校で導入ワークショップを開催の上で無償貸与中

causal SWの基本仕様

1. キーパーツ

M5StampS3（メインコントローラー）
MP3player module (音源ファイル再生、DFplayer_mini相当)：１台
（オプション仕様として、３台搭載し擬似３和音対応も可能）
ATOMS3：１点（加速度センサー、検知頻度によっては複数も可能）

2. 入力仕様

タッチセンサー入力：最大12点接続可能
（M5StampS3のGPIOに直結のターミナルブロック）
加速度センサー入力：１点を基本とし、検知頻度によっては複数も可能
（ATOMS3をM5AtomS3とESP-NOW無線接続）
本体電源入力：「DC5V」ジャックにDC5V出力ACアダプター電源(1.0A以上)を接続
（スマホ用モバイルバッテリーも使用可能）
全タッチセンサー共通の、連打防止用インターバル時間の調整ボリューム：（I.T.）
全加速度センサーより受信の加速度計測値に対し、発音を保留する閾値の調整ボリューム（Th.）
MP3音源ファイル入りmicroSD memory card
（各入力番号に対応したファイル名で記録し、MP3player moduleに挿入）
リセットスイッチ (rst)
（本体をリセットしプログラムを再起動）
Bootスイッチ(boot)
（通常は使いません。これを押しながらrstスイッチをワンプッシュすることで、Download Bootモードに切り替え）

3. 出力仕様

スピーカー内蔵
(直径28mm、MP3player moduleのspk出力直結)
audio出力用 3.5mmミニジャック搭載
(MP3player moduleのDAC-L,-R出力直結)
フルカラーシリアルLED 12点搭載
(WS2812B、タッチセンサーON番号・加速度センサー信号強度・調整ボリューム設定値などを表示)

4. 本体ケース

MDF 2.5mm厚板材：レーザーカット
回路基板固定用のM3ナット・ネジ：４セット
ケース上蓋の吸着固定用に、直径6mm 厚2.6mm のネオジウムマグネット：４個

5. プログラム

本体内蔵M5StampS3と、加速度センサーATOMS3のプログラムは Arduinoにより作成

6. 作成情報

（causal SW本体の作成情報は、公開に向け準備中です）

causal SWを電子工作応用教具にする調理内容

調理例をProtoPediaのcausal SWに順次登録していますので、是非ご覧ください。

一つ以上のセンサーを接続

作例など参考に、タッチセンサーを制作し、タッチセンサー入力端子に接続
作例など参考に、加速度センサーを、振動を検知したいものに固定

各センサー入力に対応した音源ファイルを、音源サイトからのダウンロードや録音をして、作成

入力センサー番号をファイル名にしたmp3音源ファイルを、microSDcardに保存し、MP3player moduleに挿入

microSD cardへの音源データファイルの保存方法（追加仕様版）

個々のタッチセンサー番号対応の音源ファイルを下記ルールで命名し、タッチセンサーの動作に合わせたフォルダーに書き込む
音源ファイル命名ルール
- センサー番号に対応した半角数字4桁で始まるファイル名
  - タッチセンサー(0001〜0012)
  - 加速度センサー(0013〜 )：加速度センサー内の設定値により決まる番号で、標準値は0013
  - 数字4桁に続け、音源の内容をわかりやすくする任意の半角英数字の文字列付加可能
  - 音源ファイルの拡張子は常に .mp3

microSD cardの音源データファイル保管場所

ルート(他のフォルダーの中でなくトップの位置)に、次の名前のフォルダー二つを作成
- フォルダー名「mp3」（半角英数字）
- フォルダー名「10」（半角英数字）

音源ファイルを入れるフォルダーによって、タッチ操作音の再生タイミングを次表のように変えられます。

音源データの保管フォルダーによる再生タイミング

フォルダー名 mp3 10

音のなるタイミングタッチした瞬間タッチして離した瞬間
電源ONして立ち上がる際に、フォルダー名「10」内のファイル有無を確認し、有れば自動的に手を離した時に再生されます。
手を離した瞬間に再生させたいタッチセンサーがある場合のみ、そのタッチセンサー番号の音源ファイルをフォルダー名「10」に入れてください。

フォルダー名	mp3	10
音のなるタイミング	タッチした瞬間	タッチして離した瞬間

保管フォルダーと再生音の例示

フォルダー名	mp3	10	再生音
例1	0001dog.mp3	-	1番にタッチした瞬間に 0001dog.mp3
例2	-	0003cat.mp3	3番にタッチし、離した瞬間に 0003cat.mp3
例3	0005water.mp3	0005fish.mp3	5番にタッチした瞬間に 0005water.mp3、離した瞬間に0005fish.mp3
例4	0013car.mp3	0013train.mp3	加速度センサー振った瞬間に 0013car.mp3 （0013.train.mp3はあっても再生されない）

あとは、電源ONしてすぐ使用開始

音源データの作成・保存以外、調理時や使用時にPCは不要

もし、内蔵スピーカーでは音量不足なら、アクティブスピーカーを接続

電源OFFしてから、本体の「audio out」(3.5mmミニジャック)にアクティブスピーカーを接続
再び電源ONし、アクティブスピーカーの音量を調節し、運用開始

causal SWの起動・停止・リセット方法

起動前の準備

タッチセンサーは、電源投入前に、端子台への接続を含め全ての配線完了を
電源として、USB電源となる５V出力のACアダプター(1.0A以上)か、スマホ用モバイルバッテリーの準備を
micorSDメモリーカードの抜き差しは、電源OFF時に実施を

起動、停止方法

本体に電源SWはありません
「DC5V」ジャックに接続した電源の通電ON/OFF にて、起動停止を
本体への通電開始から起動完了サインまでは、全センサーに触らないこと
（起動時に、タッチセンサーの静電容量を実測して、タッチ有無判定値を設定しているため）
起動完了サイン＝ LED12番から1番に光が流れた後の「ポン」という音

加速度センサーの起動

本体の起動前でも起動中でも、加速度センサーへの通電ONで使用可能に
加速度センサー内プログラムにて、予め次が設定さています。
・無線送信データを受信できる本体（その本体のみが、その加速度センサーに対し反応する）
・送信する番号（本体内のその番号に対応する音源ファイルが再生される）
設定されている、データ受信本体のMACアドレスと送信する番号は、加速度センサーの液晶画面に表示あり
WiFi通信方式を利用しており、数十m離れた本体にワイヤレス送信が可能
近傍機器の影響で誤動作したなら、近傍機器の電源を切って確認を

リセット方法

本体正面内部に見える回路基板上の「rst」スイッチをワンプッシュし、起動完了サインを待ってから再開を
もしタッチセンサーや加速度センサーが急に反応しなくなったら、リセットを

5.外部アクティブスピーカーの接続

内蔵スピーカーの音量では不足の場合、「audio out」(3.5mmミニジャック)にアクティブスピーカーなどを接続

ストーリー

教具作成情報共有のお願い

もしcausal SWを使った教具を実際の授業などで使用された場合は、是非こちらにその概要を投稿願います。その際、開発素材欄にて「causal SW」を選択願います。

もし、私に開示可能情報を送っていただければ、（ご希望であれば情報提供者を匿名にして）「投稿代行」と表示してここに投稿します。「教材自作部」ホームページの連絡欄に情報提供をいただければ幸いです。
是非、causal SWの調理レシピ情報の共有・蓄積にご協力をお願いします。

次の項目を参考に、教具作成情報の概要を共有いただければ、きっと共通点を持っている方の参考になり、より個別最適化された教具の実現がより早まることが期待できます。

教具作成者の所属・お名前(例えば、〇〇特別支援学校小学部担任　〇〇。なお所属やお名前は、匿名やなしでも結構です)
対象者（例えば、特別支援学校小学部3年生重複クラスの４名）
使用授業と使用年月（例えば、2023年9月実施の生活単元学習）
授業の目標や願う姿（例えば、自分の好きな果物にタッチした時だけ自分の好きな曲が流れる、という因果関係を自分で発見する）
教具のタイトル（例えば、「大好きな果物は何の音？ゲーム」）
使用センサー（例えば、マドレーヌカップ用アルミ箔に野菜と果物を載せたタッチセンサー6点を接続。加速度センサーは使用せず）
使用音源（例えば、「効果音ラボ」サイトからダウンロードした乗り物の音を使用）
工夫したところ（例えば、各クラスメンバーが好きでかつ他の児童と重ならない果物や野菜を選んだ）
使用結果（例えば、普段は積極的な反応の少ないAさんが、繰り返しタッチ動作をして音を確認するという、いつもと違う様子が確認できた）
今後に向けて（例えば、Bさんには、テキスト読み上げサイトを使って、名前を呼びかける音源にして、タッチ回数を増やせないか試したい）

などの情報に加えて、作られた教具の写真もぜひ共有をお願いします。
もし動作の関わる教具なら、使っている様子（児童生徒個人は特定できない、あるいは教員が代行）のわかる写真もあれば、より理解が深まります。

causal SW によって期待すること

あの児童の、分かった, できた, 役割果たしたの経験には、あんなモノがあれば、と思いついた時に、身近な材料と道具で、電子工作を意識しない簡単調理にて、教材に仕上げられること。
教材自作方法のメニューに、causal SWの調理という電子工作が追加されること。
対象児が興味を持つ入力に対してその児童を惹きつける出力が返ってくる教具を具現化し、使用意欲や因果関係(causal relationship)の気づき効果を高めること。
調理方法の自由度が高いほど、身近な材料で作り替えが容易なほど、対象児が’ハマる’レシピへの到達が早まること。
そのレシピが共有・蓄積されていけば、個別最適レシピへの到達が容易になること。
近い将来、電子工作を含むデジタルファブリケーションの使用環境が各校で充実し、教材教具自作手法として普通になるきっかけとなること。
教具作りに限らず、その他にも応用展開されること。

causal SW 提案のバックグラウンド

多くの特別支援学校で、幅広い特性を持つ個々の児童生徒に対応するために、教材教具自作の努力が積み重ねられてきています。
ただ、限られた時間の中で、作りたいと思いついた教具自作のためには新たな技術習得が必要、となったら、優先順位を上げてでも頑張って作るのは難しいという現実もあります。
そこで、もし電子工作応用教具になりえる’素材’のキットがあって、その簡単な調理で作りたいものが完成となれば検討対象に入ってくるのでは、と期待して提案するのが ’causal SW’ です。
この提案に至る更なるバックグラウンドは、篠田が、情報科学芸術大学院大学(IAMAS)にて修士研究のフィールドワークとして始めた活動にあります。特別支援教育の現場で、児童生徒に適した授業をするために積極的に自作されている教材・教具に関心を持ち、デジタルファブリケーション技術のワークショップ開催や設計・製作の支援を通じて、より個に適した教材・教具の自作に寄与することを目指し始めた「教材自作部」と名付けた活動です。IAMAS修了後も、IAMASの福祉の技術プロジェクトの協力も得て、活動しています。

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