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例会速報 2016/11/20 慶応義塾高校
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授業研究：探求型授業実践の試み 小河原さんの発表
小河原さんが、昨年6月の授業研究（2年物理基礎の探求型実験）に続いて、今度は3年物理の授業実践を紹介してくれた。背景となっているのは、2010年から物理科共通で行われている授業アンケートだ。2名の先輩教員に比べ、自身のアンケート結果が低く、その評価について留学中に考えるところから試行錯誤が始まっている。
生徒にとって試験の結果は、特に内部進学校ではとても重要であろうが、試験は大学4年生あたりから徐々に少なくなってくる。その後の社会人生活のほうが長いことを鑑みると、試験で点を取ることだけを重要視してほしくないと考えるようになったそうだ。勉強は、大学で研究室に入って以降、研究へと移行する。それを見据え、今から研究に向けて「探求的に学習する姿勢」を意識してほしいと訴える。
小河原さんの具体的な取り組みとしては、以下の4点の紹介があった。
(1)探求課題を課す
例1.力のモーメントの計算が合わないのはなぜ？
例2.コマにどのような模様が見える？
例3.単振り子と同期する単振動の伸びはどれだけか？
(2)体験、予想から法則、原理を導入する
例1.VORTX上の小球の運動観察からケプラー第一、第二法則へ
例2.磁石を動かしたとき、コイルに生じる誘導起電力はどのような物理量に関係あるか
(3)探求的な実験課題を設定する
例1.熱気球の製作（滞空時間の長い熱気球を作るにはどうしたらよいか）
例2.メートルブリッジ（ビニールテープで覆われた4種類の抵抗をあてる）
(4)生徒実験で誤差の原因を考察させる
例1.平行板コンデンサー（実験値が理論値より大きいのはなぜか）
例2.直線電流が作る磁場（1cm、5cmで測定される磁場から計算した電流の予想値が異なるのはなぜか）
このような取り組みを行いながらも、生徒の「解答待ち」の傾向は根強く、挫折感を味わうこともしばしばという。ぜひ、今後とも試行錯誤を続けながら、探究的学習に興味をお持ちの先生方と情報交換を行っていきたいとのこと。
はてなんだくん 市原さんの発表
市原さんは、ご長男を連れての発表。多分、ＹＰＣの歴史上最年少の発表者だろう。
発表テーマは「はてなんだくん」という幼児用おもちゃ。レジでバーコードをスキャンする真似ができる。商品のカード、たとえば人参のカードをスキャンすると、「人参、○円です。ポイントカードはお持ちですか？」とレジがしゃべるのだが、後半のセリフには何通りかあり、はじめはランダムに思えた。
しかし、カードの同じ場所（右上や左下など）をスキャンすると、同じセリフを返してくる。どうやら、そのカードの表面に情報が書き込まれていて、場所によってその情報が違うらしいことがわかった。
スキャンすることで読み込むコードは、バーコードやQRコードのように、目で見えるものではなく、スクリーンコードと呼ばれる技術で、見えないコードが埋め込まれているらしい。スマホ顕微鏡で商品カードの表面を拡大してみると、印刷のドットにかぶせるように、小さな黒いドットの一見不規則な配列パターンが見えてくる。「見えない」というのは「透明」ということではなく、本来の印刷に重ねてあっても目立たず、それでいて専用カメラによれば暗号が読み取れる印刷パターンのようだ。市原さんが以下のサイトを紹介してくれた。
参考URL１：http://www.apollo-japan.ne.jp/technology/screencode/
参考URL２：http://www.apollo-japan.ne.jp/qa_sccd.pdf
５色ＬＥＤキャンドルセット 山本の発表
ダイソーの「LEDキャンドルライト2P」はスイッチやボタン電池(CR2032)もついて2個入り108円とお買い得だが、ついている自己点滅のオレンジ色LEDはちょっとショボい。そこで、このLEDを高輝度の赤・黄・緑・青・白のLEDにすげ替える。するとご覧のようにカラフルな実験用光源に早変わり。コンパクトで使い勝手がよい。炎キャップをかぶせると、クリスマスを盛りあげるカラフルな装飾にも・・・。
分散の大きい回折格子を通して観察してみる。色の順に並べるとそれぞれの波長の違いがよくわかる。白色LEDは青色LEDの光で蛍光体を励起して、蛍光の連続スペクトルで光っている。よく見ると、強い青のスペクトルがあり、緑との間にやや暗いギャップがある。そこから長波長側が蛍光スペクトルである。いわゆる「ブルーライト」の意味も納得できる。ルミノーバなどの蓄光テープにそれぞれの色の光を当ててみると、青色だけが蛍光体を励起できることがわかる。青色LEDのノーベル賞の意義はそこにある。
ダイソーのＬＥＤ懐中電灯mini 山本の発表
これもダイソーの「光り物」の話題。「LED懐中電灯mini」という商品が１年ほど前から店頭に出ていた。改めてよく見ると「単三電池一本使用」と書いてある。1.5VでLEDが光るわけはないが・・・と思って早速購入し、分解してみた。回路はいたってシンプル。トランジスタのようなYX8115という石が見える。抵抗のように見える緑色の素子はマイクロインダクター（47μH）、つまりコイルである。自己誘導で昇圧しているのだろう。YX8115のデータシートは手に入ったが、国内ではパーツとしては手に入らないようだ。
オシロスコープで観察してみると、300kHzほどで矩形波発振していて、電源電圧1.5Vに対し、ピーク電圧は3.6Vも出ている。LEDは約１μS光っては、約2μS休むという点滅を高速で繰り返しているわけだ。蛍光の緩和時間を考えると、連続発光しているように見えるだろう。なお、平均電圧は1.12Vとなるから、エネルギー保存の法則に反してはいない。当然だが。
この回路は、茨城県の根本和昭さんが科学の祭典などに出展している「ジュールスクイーザーNEO」と類似の回路だろうと思い当たった。根本さんが使っている、CL0117という石なら秋月電子で4個100円で手に入る。LED５個まで並列できる昇圧型LEDドライバだ。以後の実験は、これを使うことにした。ブレッドボード上で実験開始。
ちなみに、YX8115もCL0117も電源電圧0.9Vから動作する。古い電池は捨てる前に、「LED懐中電灯mini」でエネルギーを搾り取るとエコだ。
回路構成は全く同じだが、CL0117では発振周波数が135kHzぐらいになる。全く同じ石ではないようだ。マイクロインダクタ47μHを330μHに交換しても、発振周波数はほとんど変化しない。LC発振回路ではないということだ。LED負荷を増やしていくと、ピーク電圧は漸減する。
それでは豆電球（白熱電球）をとりつけたら光るだろうか。例会では、.3V0.15A、3.8V0.3A、1.5V0.5Aの３つの豆電球でクイズにした。ちなみに、乾電池１個に直接つなげば、前二者は暗く光り、1.5Vのが明るく光る。
結果は、前二者がさらに暗く、やっと光るが、1.5Vのは全く光らない。抵抗が小さすぎて出力がショート状態になってしまうのだろう。オシロスコープで見た波形はつぶれていた。
ＬＥＤ Holographic Sphere 車田さんの発表
車田さんが例会に持ち込んだのはクリスマスイルミネーションのLEDランプ。販売元はコストコになっている。星形の輝きがとてもきれい。名前の通りホログラムなのだと思うが、やはり中の構造は気になる。
というわけで、その場で早速分解。中にはLEDが3つ入っていて、ボールの内側にはプリズムシートが貼ってあるようだ。球面をどのように加工しているのか知りたいところ。ホログラムパターンを顕微鏡で観察してみるとヒントが得られるかもしれない。
スマホ顕微鏡のレンズ 車田さんの発表
神奈川理科サークルの関谷さんに教えていただいたスマホ･タブレット顕微鏡の紹介。
ガラスビーズを使うスマホ顕微鏡では、スマホの画面の中心付近から遠ざかると収差が大きくなり解像度が極端に落ちる。一昔前なら、「写ルンです」を分解してプラスチックレンズ（写真左）を手に入れる方法があったが、今はそれも容易ではない。そこで、不要になったCDやDVDのドライブを分解し、ピックアップレンズを利用するとよいとのこと（写真右）。教員という仕事柄、学校から出る廃品にはCD・DVDドライブがあり、無料でレンズを入手することができる。中古のジャンク品ならば安価で手に入る。
このレンズは、焦点距離が短いためスマホ・タブレット顕微鏡に最適で、しかも非球面プラスチックレンズなので画面の隅まで鮮明な画像を映すことができる。iPadなどの大きな画面では非常に有効である。プレパラートくらいのアクリル板の中央に穴を開け、ピックアップレンズを接着剤で付け、アクリル板の両サイドにスポンジを貼って押すことでピント調節している。写真左は千円札の模様、写真右は植物の切片プレパラートを観察しているところ。ニュートンリングのような縞模様が見えているのが興味深い。
四角←→円になるカップ 車田さんの発表
フェイスブックで紹介されていた、斜めから見ると四角形に見えたり円形に見える形。鏡の前で円筒形を回転させ、実体と鏡に映ったものを同時に見るとそれぞれ四角形と円形に見え、回転させていくと形が入れ替わる。車田さんが例会に持参したものは海ほたるで見つけて食べた「ヨゴリーノ」というお店のジェラートの容器である。食べ終わったあとに容器の底を見ていたら、この錯視を思い出し、実際に斜めから見て回転させると丸と四角が入れ替わることに気がついて驚いた。容器のデザインが偶然にも錯視のデザインになっていたのだ！動画（movファイル888KB）はここ。
斜めから見て回転させると丸と四角が入れ替わる錯視は、立体錯視の第一人者、明治大学の特任教授杉原厚吉 さんのホームページをご覧いただきたい。
モンキーハンティング装置の工夫 天野さんの発表
「木にぶら下がっているサルに銃の照準を合わせ、引き金を引くと、音に驚いたサルは手を離す。弾丸は放物運動で進み、サルは自由落下する。重力による落下距離は初速度や質量に無関係で等しいので、サルの着地点に届くだけの初速度があれば、弾丸はかならずサルに命中する。」いわゆる「モンキーハンティングの実験」である。このごろは動物愛護の観点からサルでない表現をするが・・・
天野さんの装置ではサルに見立てた空き缶に照準を合わせ、筒を吹いて弾丸を発射する。弾丸は裸にしたマンガン単三乾電池。筒はモノタロウの「ブラック丸パイプ３０３」（外径１８ｍｍ、厚さ２ｍｍ、長さ１０００ｍｍ、硬質ＡＢＳ樹脂製、３６９円）がぴったりサイズ。
マンガン電池の亜鉛の陰極容器に触れて電流が流れ、トリガーがかかるようにする。その電流で空き缶を留めていた、永久磁石の磁界と逆向きにコイルの磁界が生じるようにすると、通電により空き缶が自由落下する。
ポイントは、
・ちょうど良い径の筒
・アルミ缶の底に鉄板（マンガン単三乾電池を裸にしたにしたときの部材を利用する）を両面テープで取り付ける。
・今回は＋ドライバーに８つ？で100円のダイソーマグネットを６つ使用しきりぎりで空き缶を留めるようにした。
☆電磁石（コイル）はドライバーの先につくる。（今回は時間がなく、天野さん宅にあったジャンク品のコイルを使った。）
またスイッチが入るのは一瞬なので、２回路小型リレーを使い、一瞬導通すると永久導通する回路をつくった。今回はまだ未完成品だったが次回例会には完成品のお披露目があるそうなので請うご期待。
藤沢市科学少年団夏季活動より 山本の発表
藤沢市科学少年団の夏季活動（東伊豆方面２泊３日）に、１月例会でも紹介した気象データロガーDT-174Bを持参した。合宿中の３日間、背中の荷物の中に放り込んでおいて、休みなく１分間隔で、気温・気圧・湿度を計測し、データを持ち帰った。
東伊豆の観察スポットは海と山に分布しているので、１日のうちに海岸に出たり山に登ったりとアップダウンが激しいので、気圧のデータが特に面白い。行動履歴と容易に照合できる。海岸でのデータで海面校正を行えば、立派な気象データにもなる。当時、太平洋沖から台風が接近中で、気圧が低下中であったこともはっきりわかる。
一方、気温の方は、体温や日射などの影響を受けやすいので、気象データとしてはあまり価値はない。面白いのは、バスの乗り降りや、建物への出入りと対応した、指数関数型の緩和過程を伴うピークが現れることだ。野外は３０℃を越す暑さ、バスや建物は２５℃前後の冷房環境で、気温が不連続的な変化をするからだ。
３日目の河津ループ橋からの天城越えや、大観山経由の箱根越えの気圧変化は見事である。飛行機も面白いが、観光バスの旅でも、気象観測は楽しめる。
報告 SLOW MOTION VIDEO AWARD 2016 武捨さんの発表
武捨さんは、株式会社フォトロンが主宰するスローモーション映像のコンテストにi-Phoneで撮影したハイスピード動画を応募したところ、見事「エンターテイメント賞」を受賞した。そのお披露目があった。
応募した3点のうち、「ロウソク」と「同時落下」の2点合わせての授賞とのこと。応募作品の動画はコンテストのホームページで見られる。他の授賞者の作品は本格的なハイスピードカメラによるもので必見。数万〜数十万fpsで撮影されたものも！主催の株式会社フォトロンのホームページにもスローモーションの動画がたくさん掲載されていて、授業の参考になりそう。
武捨さんの作品からのスナップショット。ロウソクが消えてすぐに、立ち上る煙の上の方に火を近づけると、煙が火を導いて、再び下のロウソクに点火する。煙はパラフィンの細かい液滴や蒸気を含んでいるのでそれに引火するのだ。
難問・奇問で語る世界の物理 宮崎さんの書籍紹介
丸善出版、平成２８年９月１５日発行、物理オリンピック日本委員会訳、２９００円＋税。
オックスフォード大学の入試には面接諮問があるようで、筆者のPovey教授の出した問題の邦訳である。訳者によると、「難問・奇問」とはうたっているが、実際の内容は高校の教材に沿ったもので難解な物理の問題ではない。高校の物理と数学の「ある程度」の内容を理解していれば十分理解可能だ。
確かに、難易度ごとに星が一つから四つまでつけられており、やさしいものが多いので、授業の質問の材料になるものがありそうだ。面白いものがあったら、また紹介してくれるとのこと。
「たのしい授業」０号 宮崎さんの発表
１９８３年３月創刊０号が発行されて、現在まで刊行が続いている仮説社の雑誌「たのしい授業」。宮崎さんが教員になったばかりのころ、強い味方になってくれた雑誌だ。板倉先生の記事だけでなく、小学校、中学や高校の先生たちの授業実践、「生活指導に追われる日々」や「主任になっていかにこの仕事を乗り切るか」などその頃の新米教師にとって勉強になることばかり。授業は楽しくなければいけないという信念の雑誌なのに、「きびしい授業」というページもあり、実に実践的だ。
宮崎さんは１０年？ほど前に定期購読をやめてしまったので知らなかったそうだが、現在の表紙と違って当時のものは表紙も漢字クイズを載せるなど、１ページも無駄にしないという編集者の思いが伝わってくる。『ぴあ』のようにはみだし記事も毎ページにある。
宮崎さんは例会で「終活期に入った私も『膨大な物理関係書籍』の始末をしなければならなくなり、引き取ってくださるという方にお預けしようと思います。」と語った。
理科教室のAR 鈴木さんの書籍紹介
ＡＲ（Augmented Reality：拡張現実）という技術を導入し、月刊誌『理科教室』の誌面に連動して、動画が見られるようになった。まだ取り組みを始めたばかりの段階で、2016年12月号で初導入だが、口絵の写真に連動して2つの動画が見られるようになっている。実際に紙面を手にして動画を再生すると、その便利さに驚く。COCOAR2というアプリをインストール・起動し、『理科教室』誌面内の「AR対応画像」と書かれている写真にスマートフォンをかざすと、その画像が動き出して動画になる。
12月号では、口絵（JAXA提供の「かぐや教材」）のうち2つの写真にARを組み込んでいる。そのうち1つは、赤・青のアナグリフ画像になっていて、右目に青、左目に赤のセロファンをつけたメガネで見ると、立体映像になる。月面のクレーターや山が立体に見え、月面を飛行しているような素晴らしい動画が目前に現れる。スマホとアプリと赤青の立体メガネを用意するという準備が必要で、ややハードルが高いが、その手間を超える価値が十分にある。
まだ、雑誌や書籍でこの技術を導入しているところはほとんどないようだ。読者で、見方がわからずに家電ショップに『理科教室』を持っていき相談した人がいたそうで、ショップの人が雑誌でこういうのがあるということに驚いていたという。例会では、スマホ上ではなく、同じ動画をパソコン上で再生し、プロジェクタでみんなで鑑賞した。月面の立体映像は、一見の価値がある。
テスト返しレポートによる授業評価 車田さんの発表
車田さんは、中間テスト、期末テストの答案の返却時に、毎回「テスト返しレポート」を課している。テスト返しレポートの表紙の裏に解答を印刷し、表紙にはテスト直しの指示が書いてある。間違えた問題を写し、誤答を書き、なぜ誤答に至ったかを書くという内容だ。公式に代入したところまではあっていたけれど、式変形の際の掛け算と割り算を間違えるというパターンが多い。ｇをｋｇに換算し忘れたり、垂直方向の運動の際、重力加速度の掛け忘れ、小数の計算間違い(0.2の自乗が0.4)などなど。
裏表紙には、テストの自己分析と次回のテストの抱負を書かせている。また、写真のように原点を中心に横軸の左は「わからない」、右は「わかる」。縦軸は原点を中心に上が「おもしろい」、下が｢つまらない｣というｘｙ座標に自分のイメージを★印で書かせ授業評価としている。自己評価については、１大満足、２ほぼ満足、３ふつう、やや不満、おおいに不満と5段階に分けて評価させる。
それをレポートの裏表紙として提出、返却の際には裏表紙のみ切り離し、授業分析に利用している。また、次回の抱負を書かせているので、次の試験前に返すことで、前回の試験の振り返りとなる。
なお、このテスト返しレポートのアイデアは、YPCメンバーである平松さんのものを利用させてもらっているとのこと。
二次会日吉駅前浜銀通り「小青蓮」にて
13人が参加してカンパーイ！慶応例会の時はいつもなじみのこの店で。老若男女打ち解けて和気藹々と科学談義。人数もこのぐらいだと、全員で一つの話ができていい。YPCの活動初期には近くの小さな寿司屋で十人足らずでやっていたこともあったが、このごろは参加者が増えて、そのお店には入りきらなくなってしまった。
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