天体ライブ配信教材の開発と実践

中学第二分野
天体ライブ配信教材の開発と実践
宮城県大崎市立古川東中学校 齋　藤　弘一郎
（業績分担者）宮城教育大学　高　田　淑　子
＊　＊＊　（業績分担者）国立天文台　水沢 VERA 観測所・石垣島天文台　宮　地　竹　史
（業績分担者）宮城県仙台市立吉成中学校　門　脇　駿
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目　的
中学校で行う天体の観察は、さまざまな制約があり
授業中だけでは不十分である。一方で、観察をシミュ
レーションソフトやモデルで置き換える学習には疑問
が残る。
そこで、インターネットや IT 機器を活用し、天体
のライブ配信を行い、その記録を用いて学習を展開で
きる教材を開発した。
Ⅰ．太陽の日周運動ライブ配信「ぜんてん」
太陽の日周運動を撮像した画像から、季節による変
化を導き、季節による日周運動の違いを調べさせる。
Ⅱ．昼の金星のライブ配信「金星ライブ望遠鏡」
図 1　ぜんてん概要
生徒が学校で活動する昼に金星を観察することで、
その満ち欠けや視直径の変化を調べさせる。
Ⅲ．地球儀モデル「地球儀全天カメラ」
地球儀とカメラによる太陽の日周運動、季節による
違い、観測地の緯度経度による違いをモデルで再現
し、観察結果と関連づけて理解させる。
概　要
Ⅰ．「ぜんてん」
魚眼レンズをつけた全天カメラを屋外に設置し、太
陽を撮像する。画像を常時インターネット上に配信す
ると共に、データを蓄積することで、授業時に季節ご
との比較ができる（http://zenten.miyakyo-u.ac.jp/）
全天カメラは仙台市と、石垣市の 2 カ所（緯度経度
が約 15°異なる）に設置した。
図 2　ぜんてん公開ウェブサイト
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さいとう　こういちろう　宮城県大崎市立古川東中学校　教諭　〒 989-6117　宮城県大崎市古川旭 4-5-1
☎（0229）24-0444　E-mail [email protected]
たかた　としこ　宮城教育大学理科教育講座　教授　〒 980-0845　宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 149
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みやじ　たけし　国立天文台水沢 VERA 観測所・石垣島天文台　副所長
☎（022）214-2415
〒 907-0024　沖縄県石垣市新川 1024-１☎（0980）88-0013　かどわき　しゅん　宮城県仙台市立吉成中学校　教諭　〒 989-3205　宮城県仙台市青葉区吉成１-12-１☎
（022）
279-3800
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Ⅱ．「金星ライブ望遠鏡」
望遠鏡に CCD デジタルアイピースを取り付け、昼
の金星を撮像し、室内のモニタにワイヤレスでリアル
タイムで配信する。金星の満ち欠け、視直径の変化を
継続的に観察する。
望遠鏡を含めた機器はその都度設置、回収が可能で
ある。設置から配信まで 1 人で行った場合でも所要時
間が 30 分程度である。
構築に必要な機材の合計価格は 182,162 円（コン
ピュータを除く）である。
図 4　地球儀全天カメラ概要
図 3　金星ライブ望遠鏡概要
写真 2　地球儀全天カメラと白熱灯
教材・教具の製作方法
Ⅰ．「ぜんてん」
写真 1　撮影した金星（左）、屋内のモニタに配信（右）
1．撮像部
ネットワーク対応カメラに魚眼コンバージョンレン
ズ（魚露目 8 号）を両面テープで接着する。ケース（タ
カチ：防水防塵ボックス）に穴（φ 2.4cm）を開け、
アクリルドームでカバーする。カメラをケースに入れ
屋外に設置した。
カメラとのデータの送受信は無線で行うと配線は
100V 電源のみである。カメラ材料費は 50,000 円ほど
で、ネットワークと電源の確保ができれば設置可能で
ある。
Ⅲ．「地球儀全天カメラ」
地球儀に固定した魚眼レンズ付き小型ワイヤレスカ
メラで、太陽の日周運動等を再現する。
従来の方法では、カメラの画角により自転に伴って
カメラの向きが変わり、画面上の方位が変化するため
方位の把握が困難であった。魚眼レンズを取り付ける
ことで、カメラを天頂方向へ固定したまま、全天球上
を視野に入れることができる。画面の上下左右が常に
北南東西に対応し、方位や高度の把握が容易である。
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写真 3　全天カメラ
2．サーバー部
カメラの画像をインターネットに公開するためのプ
ログラムを自作した。プログラムの主な機能は、カメ
ラ画像の取得、加工（目盛り、時刻、観測地名の合成）、
画像保存、公開用 Html テキストおよびカレンダー用
Html テキストの作成である。これらを Perl 言語で作
成し制御した。
Ⅱ．「金星ライブ望遠鏡」
1．望遠鏡部
手動で昼の金星を導入するのは困難なため、自動導
入可能な経緯台（Vixen : SkyPod 経緯台）を用いる。
小型の望遠鏡（Kenko : SE-120　f=600mm）を搭載し、
バローレンズ（× 2）により焦点距離を延長、CCD
デジタルアイピース（Celestron : NexImage）で撮像
する。
フリップミラーを用いてズームアイピースを取り付
け、導入から撮像のワンタッチで切り替え可能にした。
デジタルアイピースでの撮像ではピント調節が微動
になるため、モーターフォーカサーを取り付けた。
輝く金星が収まる。金星を視野中央に合わせた後、フ
リップミラーをデジタルアイピース側に切り替える。
撮 像・ 配 信 PC の モ ニ タ を 見 な が ら、 モ ー タ ー
フォーカサーでピントを合わせる。
室内のモニタ PC をリモートデスクトップ機能で、
撮像・配信 PC に無線接続し、金星のライブ映像を室
内のモニタに配信する。金星の自動追尾を行うが、30
分ごとに望遠鏡の向きを手動で微調整する必要がある。
慣れれば設置から配信まで 30 分程度で行える。配
信終了後は機材一式を撤去する。
Ⅲ．「地球儀全天カメラ」
防犯用のワイヤレス小型カメラに、全天カメラに使
用した魚眼レンズ（魚露目 8 号）を取り付け、地球儀
に取り付ける。
地球儀はアクリル半球を 2 個合わせて、内側から
キャノンペーパークラフトの地球儀を貼り付けた。カ
メラ用三脚に固定したため、地軸の傾きを変えること
ができる。画像はカメラ付属のレシーバーで受信し、
スクリーン等に表示する。
カメラは 9V 電池で動作するため、ワイヤレスでの
使用が可能である。
写真 4　金星ライブ望遠鏡の構築
2．撮像、映像配信 PC
PC にデジタルアイピースを USB 接続し撮像する。
同時に SkyPod 経緯台とクロスケーブルで接続し、天
文シミュレーションソフト（ステラナビゲータ 9）の
望遠鏡コントロール機能を用いて望遠鏡を操作する。
3．室内のモニタ
無線 LAN ルーターを用いて、屋外に設置した撮
像・映像配信 PC と、室内のモニタ PC を接続する。
室内のモニタに画像を配信すると共に、室内からの望
遠鏡の遠隔操作を可能とした。
4．望遠鏡設置から配信までの手順
配 信 を 行 う に は、 屋 外 に 望 遠 鏡 一 式 を 設 置、
SkyPod 経緯台に撮像・映像配信 PC を接続する。鏡
筒を水平西に向けた後、太陽を導入し、白い板にファ
インダーごしの太陽を投影し同期する。
この後、金星を導入するとファインダー内に明るく
写真 5　地球儀全天カメラの製作
学習指導方法
Ⅰ．「ぜんてん」
1．太陽の日周運動の記録
全天カメラによる冬至の太陽の位置を 1 時間ごと透
明半球（ヤガミ : 目盛り入り透明半球）に記録する。
記録は内側からシール（エーワン : カラーラベル透明
タイプ）を貼り付ける。
記録から日の出、日没の時刻、昼夜の長さを求め、
南中高度、南中時刻を求める。
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2．季節によるちがい
同様に夏至、秋分の太陽を記録し、その記録から、
日の出、日没の時刻、昼夜の長さを求め、南中高度、
南中時刻を求める。季節によって、これらが変化する
ことを見つけ、その原因について推測する。
過去の画像を印刷し掲示することで、金星の満ち欠
けや、視直径の変化を比較することができる。
写真 6　全天カメラ画像、秋分（上）、夏至（左）、冬至（右）
写真 9　金星の画像を印刷し廊下に掲示
写真 7　目盛入り透明半球への記録
3．緯度による違い
仙台市と石垣市の記録の違いを予想し、全天カメラ
の画像から透明半球に記録し、比較することで緯度や
経度の違いによる見え方を考える。
同様に赤道、北極における各季節の太陽の動きにつ
いて推測する。
授業ではこれらの画像を比較し、内惑星としての金
星の公転運動と見え方の関係を考える。その際、望遠
鏡のレンズによる倍率は同じであることを補足する。
Ⅲ．「地球儀全天カメラ」
「ぜんてん」の記録によって導かれた、季節による
日の出や日没の時刻、昼夜の長さ、南中高度が異なる
原因を地球儀全天カメラで再現し考える。
教室中央に白熱灯（太陽）を設置、地球儀全天カメ
ラを春夏秋冬の位置にそれぞれ移動し、地球儀を回転
（自転）させ、画面に映る太陽の動きから地軸の傾き
と日周運動の関係を考える。
写真 8　昼夜の長さ、南中高度の違いを考える
Ⅱ．「金星ライブ望遠鏡」
ライブ配信を定期的に行う。ライブ配信の際に、
AVI 形式の動画ファイルとして保存する。さらに画
像処理ソフト（RegiStax）で処理する。
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写真 10　地球儀全天カメラで再現
その他補遺事項
Ⅰ．金星ライブ望遠鏡の入手先
テレスコープセンター　アイベル
ホームページアドレス　http://www.eyebell.com/
Ⅱ．本実践は日本学術振興会科学研究費補助金奨励研
（2008）
、日本科学協会笹川科学研究助成実践（2010）
、
武田科学振興財団 中学校理科教育振興奨励（2010）
の助成を受けて行った。
最新情報などはブログ「K’s 理科実験室」
http://tovu3110.blog19.fc2.com/ で公開している。
Ⅲ．謝辞
写真 11　地球儀全天カメラによる画像
公転面に対して地軸を 90°にすると、地球がどの位
置でも日周運動が同じになることが再現できる。
赤道や北極における各季節の日周運動について、カ
メラを地球儀の北極、赤道に取り付けて再現する。磁
石で固定しているため取り外しが容易である。
実践効果
全天カメラの画像、地球儀全天カメラを用いて平成
20〜22 年度、美里町立不動堂中学校、大崎市立古川
東中学校の 3 年生を対象に授業実践を行った。
授業後に行ったアンケートの結果は以下の通りである。
本実践は宮城教育大学大学院派遣（平成 19〜20 年
度）における研究を中心にまとめたものです。このよ
うな機会を与えていただいたことに感謝いたします。
宮城教育大学理科教育講座高田淑子教授、同環境教
育実践研究センター鵜川義弘教授をはじめ多くの皆様
からご指導いただきました。また、石垣島への全天カ
メラ設置には国立天文台 VERA プロジェクト / 石垣
島天文台の宮地竹史氏をはじめ多大なるご支援を頂き
ました。この場を借りて感謝申し上げます。
授業実践を行った美里町立不動堂中学校、大崎市立
古川東中学校の生徒、保護者、先生方に感謝いたします。
仙台市に設置した全天カメラは、この度の震災によ
る落下で原稿執筆時には画像配信できていません。
最後に、被災された方々に心からお見舞い申し上げ
ると共に、今後の復興に向けて、微力ながら、被災地
の理科の教師として、できることを精一杯行っていき
たいと思います。
興味を持って学習できたか。
季節ごとの違いを理解できたか。
透明半球の記録から日の出や日没の時刻
や昼夜の長さを調べることができたか。
緯度による日周運動の違いが理解できたか。
できた
どちらかといえばできた
どちらかといえばできなかった
できなかった
図 5　授業後のアンケート結果（単位は人）
金星ライブ望遠鏡による配信は平成 22 年度に行い、
撮像した画像を用いて、金星の公転と満ち欠け、視直
径の変化の授業を行った。
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