งานวิจัยที่สนใจ

หัวข้อ: The Charm — Web-Based IDE แพลตฟอร์มเขียนโปรแกรม จำลองการทำงาน และอัปโหลดโค้ดลงบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านเว็บแอปพลิเคชัน
Web-Based IDE: A Microcontroller Programming, Simulation, and Hardware Flashing Web Application Platform

สารนิพนธ์ หลักสูตรวิศวกรรมศาสตรมหาบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ วิทยาลัยนวัตกรรมด้านเทคโนโลยีและวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยธุรกิจบัณฑิตย์
อาจารย์ที่ปรึกษา: ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.ชัยพร เขมะภาตะพันธ์

📝 บทคัดย่อ

งานวิจัยนี้นำเสนอ The Charm ซึ่งเป็นแพลตฟอร์ม Web-Based IDE สำหรับเขียนโปรแกรมควบคุมบอร์ด Arduino Nano (ชิป ATmega328P) ที่ทำงานผ่านเว็บเบราว์เซอร์ทั้งกระบวนการ โดยมีเจตนารมณ์เพื่อทำให้การเรียนรู้ การเขียนโปรแกรมและหุ่นยนต์เบื้องต้นเข้าถึงได้ง่ายขึ้นสำหรับผู้เรียนทุกช่วงวัย ทั้งเด็กเล็ก เด็กโต และผู้ใหญ่ โดยแก้ปัญหาความยุ่งยากของซอฟต์แวร์พัฒนาแบบดั้งเดิมที่ต้องติดตั้งโปรแกรม ติดตั้งไดรเวอร์ และตั้งค่าพอร์ตสื่อสาร ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญในห้องเรียนที่เครื่องคอมพิวเตอร์มีข้อจำกัดด้านสิทธิ์การติดตั้งซอฟต์แวร์ หรือเป็นอุปกรณ์ ที่ไม่รองรับการติดตั้งโปรแกรมเดสก์ท็อป

ระบบพื้นฐานที่พัฒนาขึ้นประกอบด้วยสามส่วนหลัก ได้แก่ (1) Hybrid Code Editor ที่ให้ผู้ใช้สลับเขียนโปรแกรมระหว่างรูปแบบบล็อกคำสั่ง (Google Blockly) และภาษา C/C++ (Monaco Editor) แบบสองทิศทาง (2) Interactive Simulator สำหรับจำลองการทำงานของบอร์ดและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ บนหน้าเว็บก่อนใช้งานกับฮาร์ดแวร์จริง เพื่อลดความเสี่ยงต่อความเสียหายของอุปกรณ์ และ (3) ระบบอัปโหลดไฟล์ Binary (.hex) ลงบอร์ดจริงผ่าน Web Serial API ร่วมกับโปรโตคอล STK500 โดยไม่ต้องพึ่งพาโปรแกรม หรือไดรเวอร์เสริมใด ๆ

1. ความเป็นมาและความสำคัญของปัญหา

การเรียนรู้การเขียนโปรแกรมและการต่อวงจรหุ่นยนต์เบื้องต้นเป็นทักษะสำคัญต่อผู้เรียนทุกช่วงวัย แต่การเรียน การสอนด้านไมโครคอนโทรลเลอร์ในปัจจุบันยังเผชิญอุปสรรคสำคัญ 3 ประการ ได้แก่ (1) ซอฟต์แวร์เดิมมีความซับซ้อน ในการติดตั้ง ต้องติดตั้ง Arduino IDE ไดรเวอร์ USB-to-Serial (CH340/FTDI) และตั้งค่า COM Port ก่อนใช้งานได้จริง (2) ข้อจำกัดของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ในห้องเรียน เช่น เครื่องที่ล็อกสิทธิ์ผู้ดูแลระบบ หรือ Chromebook/แท็บเล็ต ที่ไม่รองรับโปรแกรมเดสก์ท็อป และ (3) ความเสี่ยงต่อความเสียหายของอุปกรณ์จากการต่อวงจรผิดพลาดโดยไม่มีระบบ ทดลองก่อนใช้งานจริง จากปัญหาดังกล่าว งานวิจัยนี้จึงพัฒนา The Charm ให้ผู้เรียนสามารถ "สลับเขียนบล็อก/ภาษา C ➔ รัน Simulator ➔ อัปโหลดลงบอร์ดจริง" ได้ครบวงจรภายในเว็บแอปพลิเคชันเดียว

2. วัตถุประสงค์ของการวิจัย

แบ่งเป็น 3 กลุ่มหลัก:

2.1 ด้านการพัฒนาแพลตฟอร์มพื้นฐาน

• พัฒนา Web-Based IDE สำหรับเขียนโปรแกรมควบคุมบอร์ด Arduino Nano (ATmega328P) โดยไม่ต้องติดตั้งซอฟต์แวร์เพิ่มเติม
• พัฒนา Hybrid Code Editor ที่สลับรูปแบบ Block-Based (Blockly) และ C/C++ (Monaco Editor) แบบ Real-time สองทิศทาง
• พัฒนา Interactive Simulator จำลองการทำงานของบอร์ดและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนหน้าเว็บ
• พัฒนาระบบอัปโหลดไฟล์ .hex ผ่าน Web Serial API และโปรโตคอล STK500

2.2 ด้าน AI และระบบสนับสนุนการเรียนรู้

• ศึกษาแนวทาง AI-Assisted Code Checking ร่วมกับเทคนิค Retrieval-Augmented Generation (RAG) เพื่ออธิบายข้อผิดพลาดของโค้ดเป็นภาษาไทยที่เข้าใจง่าย
• ศึกษาระบบฝึกฝนแบบมีลำดับขั้น (Guided Learning System) และ Block-to-Code Mapping
• ศึกษาแนวทางรองรับภาษาโปรแกรมอื่นในอนาคต (Multi-Language Support)

2.3 ด้านสถาปัตยกรรมเทคนิคขั้นสูงบนเว็บ

• In-Browser Compiler ด้วย WebAssembly (avr-gcc) เพื่อลดการพึ่งพา Cloud Compilation Server
• Full Offline Mode ผ่าน Progressive Web App (PWA)
• Virtual Logic Analyzer / Waveform Monitor สำหรับแสดงสัญญาณ PWM, I2C และ SPI

3. ขอบเขตของการวิจัย

• ฮาร์ดแวร์เป้าหมาย: Arduino Nano v3.0 (ATmega328P) ทั้งบอร์ดแท้และบอร์ดโคลน รองรับทั้ง Old Bootloader (57,600 baud) และ New Bootloader (115,200 baud)
• รูปแบบการเขียนโค้ด: Visual Mode (Google Blockly) และ Text Mode (Monaco Editor) เชื่อมโยงกันแบบ Real-time
• ระบบจำลอง: LED, ปุ่มกด, มอเตอร์/Servo, เซนเซอร์วัดระยะ Ultrasonic
• เบราว์เซอร์ที่รองรับ: ตระกูล Chromium (Google Chrome, Microsoft Edge) ที่รองรับ Web Serial API

4. ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับ

• ลดเวลาเตรียมระบบ (Zero-Setup) — เปิดเว็บแล้วเริ่มเรียนรู้ได้ทันที
• ลดต้นทุนและความเสียหายของอุปกรณ์ผ่านการทดสอบในระบบจำลองก่อน
• เป็นสะพานเชื่อมทักษะจากบล็อกคำสั่งสู่ภาษา C อย่างเป็นระบบ
• เพิ่มความเท่าเทียมในการเข้าถึงการเรียนรู้สำหรับผู้เรียนทุกช่วงวัยและทุกอุปกรณ์
• ลดความคับข้องใจด้วย AI-Assisted Code Checking ที่อธิบายข้อผิดพลาดเป็นภาษาที่เข้าใจง่าย
• รองรับการใช้งานได้แม้ไม่มีอินเทอร์เน็ตผ่าน PWA และ In-Browser Compiler

5. แนวคิดทฤษฎีและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง

เพื่อวางตำแหน่งของ The Charm ในบริบทของงานวิจัยและเครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน ผู้วิจัยได้สืบค้นงานวิจัย และระบบที่เกี่ยวข้อง 7 รายการ ครอบคลุมทั้งงานวิจัยด้านการเปลี่ยนผ่านจากบล็อกสู่ภาษาข้อความ การควบคุมฮาร์ดแวร์ ผ่าน Web Serial API ความสามารถในการใช้งานของโปรแกรมจำลองวงจร ซอฟต์แวร์โอเพนซอร์สที่ใช้สอน Arduino จริง ตลอดจนงานวิจัยด้านผู้ช่วยเขียนโปรแกรมด้วย AI และระบบติวเตอร์อัจฉริยะ ตัวอย่างเช่น Snap4Arduino (Romagosa, Guillén & Edutec Research Group, Citilab) ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์บล็อกสอน Arduino ที่ The Charm ต่อยอดด้วยโหมดสลับโค้ด C/C++ สองทิศทาง การจำลองฮาร์ดแวร์ในตัว และการคอมไพล์/แฟลชในระบบเดียวกัน และ CodeAid (Kazemitabaar et al., 2024) ผู้ช่วยเขียนโปรแกรมด้วย LLM ที่สนับสนุนแนวทาง AI-Assisted Code Checking ของ The Charm โดยตรง

6. คำสำคัญ

7. เอกสารอ้างอิง

• Strong, G., Bresnihan, N., & Tangney, B. (2025). Supporting learners in the transition from block-based to text-based programming: A systematic review. Journal of Computer Languages, Article 101342. doi.org/10.1016/j.cola.2025.101342
• Lengvarský, J., & Žáková, K. (2024). TCLab control via Web Serial API. IFAC-PapersOnLine, 58(26), 49–52. doi.org/10.1016/j.ifacol.2024.10.269
• Erdogan, R., Saglam, Z., Cetintav, G., & Karaoglan Yilmaz, F. G. (2023). Examination of the usability of Tinkercad application in educational robotics teaching by eye tracking technique. Smart Learning Environments, 10(1), Article 27. doi.org/10.1186/s40561-023-00242-0
• Wokwi B.V. (2019–present). Wokwi: Online microcontroller & circuit simulator [Software]. wokwi.com
• Romagosa, B., Guillén, J., & Edutec Research Group (Citilab). (2013–present). Snap4Arduino [Software]. github.com/bromagosa/Snap4Arduino
• Kazemitabaar, M., Ye, R., Wang, X., Henley, A. Z., Denny, P., Craig, M., & Grossman, T. (2024). CodeAid: Evaluating a classroom deployment of an LLM-based programming assistant that balances student and educator needs. Proceedings of the CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI '24). doi.org/10.1145/3613904.3642773
• Crow, T., Luxton-Reilly, A., & Wuensche, B. (2018). Intelligent tutoring systems for programming education: A systematic review. Proceedings of the 20th Australasian Computing Education Conference (ACE '18), 53–62. doi.org/10.1145/3160489.3160492