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素粒子物理学を題材とした遠隔授業の実践 片岡 佐知子、松山 豊樹 （奈良教育大学 理数教育研究センター） Report of Distance Learning on Particle Physics Sachiko KATAOKA, Toyoki MATSUYAMA, （Center for Educational Research of Science and Mathematics, Nara University of Education） 要旨：奈良教育大学 理数教育研究センターでは、理工系の研究機関・大学と連携し、各機関で実施されているアウ トリーチプログラムの教材化や学習プログラムを考案し、先端科学が解明した基礎概念を理数教育に環流させる取り 組みを推進している。 高エネルギー加速器研究機構（KEK、茨城県つくば市）では、高校生を対象としたサイエンスキャンプなどのア ウトリーチ活動に取り組んでいる。そこで、キャンプで蓄積されたノウハウを活かして、学校現場においても生徒達 が最先端の素粒子実験に触れることのできる中学生向けの学習プログラムを考案した。そして、大阪大学との連携に より、KEK、奈良女子大学附属中等教育学校、熊本県南小国町立南小国中学校の 3 地点をインターネット回線で結 んだ遠隔合同授業、及び実習授業を 3 回にわたって実施した。本稿では、素粒子物理学をテーマとした授業内容とア ンケート結果について報告する。 キーワード：アウトリーチ Outreach、 素粒子物理学 Particle Physics、 遠隔授業 Distance Learning、 1 ．はじめに を理数教育に環流させる取り組みを行っている2）。言 わば学校現場と研究現場との橋渡しである。 研究で得られた成果を広く社会と共有することを目 この取り組みの一環として、高エネルギー加速器研 的とした情報発信活動はアウトリーチ活動とよばれ 究機構（KEK）の協力のもと、教室で最先端の素粒 る。この推進により、研究機関・大学は講演会や出前 子実験に触れることのできる学習プログラムを考案 授業、サイエンスキャンプなど様々なアウトリーチプ し、KEK、奈良女子大学附属中等教育学校、熊本県 ログラムを実施している。 南小国町立南小国中学校の 3 地点をインターネット回 「小学校理科教育実態調査及び中学校理科教師実態 線で結んだ遠隔合同授業、及び実習授業を 3 回にわた 1） 調査に関する報告書」 によると、「理科の理解が進ん って実施した。以下、素粒子物理学をテーマとした授 でいる児童・生徒を更に伸ばすために、外部の専門家 業内容とアンケート結果について報告する。 との連携が必要であると思うか」との問いに対し、肯 2 ．素粒子物理学を題材とした学習プログラム 定的に回答した中学校理科教員の割合は77％で、学校 現場におけるアウトリーチ活動の実践を希望する教員 は少なくない。しかし実際には、「外部の理科の専門 KEKで実施されているBelle実験3）, 4）は、世界15の国 家が、児童・生徒に科学や科学技術について教える機 と地域から約400名の研究者が参加する国内最大規模 会」が年に 1 度もない中学校の割合は78%と高く、外 の素粒子実験である。1999年の実験開始以来、小林・ 部との連携の必要性を感じながらも実現できていない 益川理論の検証や新粒子の発見、新しい物理法則の探 状況がある。 索など、重要な役割を果たし続けている。 Belle実験 そこで、奈良教育大学 理数教育研究センターでは、 の研究成果は2008年の小林博士、益川博士のノーベル 理工系の研究機関・大学と連携して、各機関で実施さ 物理学賞受賞にも大きく貢献した。 れているアウトリーチプログラムの教材化や授業プロ Belle実験グループでは、アウトリーチ活動の一環 グラムの開発を推進し、先端科学が解明した基礎概念 として、2005年より高校生を対象としたサイエンス 181 片岡 佐知子・松山 豊樹 キャンプに取り組んでいる5）, 6）。キャンプは 3 泊 4 日 た、第 3 回遠隔合同発表会では、宇宙航空研究開発機 の日程で開催し、全国から集まった20名の高校生が 構（JAXA）の超高速インターネット衛星「きずな」 Belle実験で実際に使用されている装置や実験データ の衛星回線を利用し、高精細映像での超鏡を用いて授 を活用した体験型学習プログラムに取り組む。また、 業を行った。 実験を行ってから結論を導くまでの科学プロセスを体 図 1 に今回の遠隔授業の実施体制を示す。 験できる学習の場となるよう、実験を行うだけでなく、 実験結果の考察、発表をプログラムに盛り込んでいる。 アンケート調査での参加者の評価は高く、「物理への 興味が深まった」 「議論の大切さを知ることができた」 などの感想が寄せられており、「研究体験」を重視し た学習プログラムは、参加者の科学に対する理解増進 に重要な役割を果たしている。 そこで、キャンプで蓄積されたノウハウを活用し、 以下の点を配慮した学習プログラムを考案した。 ○教室でも素粒子物理学の研究体験が可能なプログ ラム ○中学生まで対象を広げる ○より多くの生徒が研究体験を享受できる枠組みを 構築するため遠隔授業形式で実施する ○実習だけでなく発表の場を設けて、生徒同士の意 図 1 ：遠隔授業の実施体制 見交換を促す 3 ．授業の実践 学習プログラムの開発は、理数教育研究センターが 中心となり、KEKの研究者、学校の教員らと具体的 な授業内容を検討した。授業は「導入」、「実習」、「発 本節では、各授業の実践内容について報告する。各 表」という流れで進めた。表 1 に授業の全体像を示す。 回の参加生徒数を表 2 に示す。南小国中学校では、 3 導入と発表は、KEK、奈良、熊本の 3 地点を接続し 年生を対象とし、第 1 回授業は学年全員の40名が受講 て合同で実施し、実習は、それぞれ異なる課題に取り した。そのうちの希望者15名が第 2 回、 3 回の授業に 組んだ。 参加した。 一方、奈良女子大学附属中等教育学校では、 1 年〜 表 1 ：授業の流れ 3 年の希望者29名が第 1 回授業に参加した。第 2 回授 業は実習の難易度や実験機材の台数を考慮し、 2 ・ 3 年生の希望者のみを対象とした。第 3 回授業では、第 1 回授業の受講者のうち希望者20名が参加した。 表 2 ：各回の参加生徒数 遠隔授業システムの構築は、大阪大学大学院人間科 学研究科の前迫孝憲教授の研究グループが担当した。 遠隔授業では同グループが開発した「超鏡（ハイパー ミラー）」システムを利用した7）, 8）。超鏡とは、遠隔地 点の画像を合成することにより、あたかも同じ場所に いるような仮想空間をモニター画面上に表示させ共有 するシステムである。そのため、遠隔地点間のコミュ 3 ． 1 第 1 回 遠隔合同授業 ニケーションを円滑化させる遠隔学習ツールとして、 （2010年 1 月28日 13：00〜16：00） これまでに様々な実践活動で使用され、その有効性が 確認されている9）, 10）。今回は、つくば、熊本、奈良の 奈良女附属中等教育学校の生徒29名と、熊本県南小 3 地点の画像を合成する超鏡システムを用いた。ま 182 素粒子物理学を題材とした遠隔授業の実践 国中学校の生徒40名がKEKからの授業を受けた（図 保できる授業時間や実験設備の環境などに合わせて、 2 ）。まず始めに、両校からの学校紹介の後、KEKの それぞれの学校で実施可能な実習を選択した。 施設紹介とBelle実験の概要について説明があった。 「Belle測定器が捉えた宇宙線の飛跡から宇宙線の降 その後、素粒子物理学の入門的な講義として、原子〜 り注ぐ角度を調べる」課題は、KEKと熊本間をTV 原子核〜核子〜クォークという物質の階層構造につい 会議システムで接続し、遠隔形式で授業を行った。 ての解説があった。ミクロな世界を観察する方法の具 Belle測定器が測定した宇宙線の飛跡は、イベントデ 体例として、生徒一人一人が「霧箱」を作り、ランタ ィスプレイ（Belleで測定した素粒子反応を表示した ンの芯に使われるマントルから出るα線の飛跡の観察 画面）上で確認できる。これを多数印刷し、定規で宇 を行い、観察結果について、各校から報告し合った。 宙線の飛跡を再構成して角度を測定し、分布を作成し また、生徒同士の交流を目的として、授業の感想を川 た（図 3 ）。得られた分布から、地面に対して垂直方 柳で表現し、お互いの作品を披露した。各校の生徒か 向に降り注ぐ宇宙線の数が水平方向よりも多いことを ら「ライトをね 照らせば見える アルファー線」、 確認した。また、「なぜそのような分布になるのか」 「霧箱の 中に宇宙の 未来あり」などの作品が発表 について考察を加え、理由が大気の層の厚さにあるこ された。 とにたどりついた。なお、南小国中学校の教員は、前 述の高校生対象のサイエンスキャンプを視察し、この 実習の内容を十分に把握していたことから、KEK講 師からの指導をサポートした。 図 2 ：第1回授業の様子（会場は奈良教育大学教育実践 総合センター）。超鏡モニター上で、奈良の生徒 （右）からの質問にKEKの講師（左）が答えている。 図 3 ：Belleのイベントディスプレイを印刷し宇宙線 の入射角度を分度器で測定している様子。 事後アンケートで、授業の「難易度」と「満足度」 を 5 段階で調査した。回答数は、熊本40名、奈良19名 であった。そのうちの約 4 割の生徒が「難しかった」 「粒子測定器ワイヤーチェンバーの製作」の課題は、 「やや難しかった」と回答したことから、難易度が高 奈良女子大学 理学部物理科学科の高エネルギー物 いと感じたようだが、約 6 割の生徒が「とても満足」 理学研究室の協力により、同研究室にて実施した。 「ほぼ満足」と答えた。また、霧箱実習には皆、熱心 Belle実験をはじめ、素粒子実験領域において広く使 に取り組んでいて、自由記述で「印象に残ったこと」 用されているワイヤーチェンバーを二人一組で自作し として霧箱を挙げている生徒数は 8 割であった。 た。完成したチェンバーに、アルゴン−メタン混合ガ スを注入し、チェンバー中心部に張られたタングステ 3 ． 2 第 2 回発展課題授業 ンワイヤーに高電圧をかけた状態で、チェンバーに密 （奈良：2010年 2 月20日 13：30〜17：00、 封線源（β線源）を近づけると、オシロスコープに信 熊本：2010年 2 月22日 16：00〜18：00） 号が現れることを確認した（図 4 ）。その後、ワイヤ ーチェンバーの動作原理について考察するとともに、 第 1 回目の合同授業の発展課題として、熊本の生徒 ワイヤーチェンバーを 2 段かさねた時の信号の見え方 は「Belle測定器が捉えた宇宙線の飛跡から宇宙線の の変化について、実験を行った。 降り注ぐ角度を調べる」という課題に取り組んだ。ま 第 2 回授業のアンケート調査では、第 1 回目の授業 た、奈良では「粒子測定器ワイヤーチェンバーの製作」 と比べて両校ともに「難易度」が改善され、「難しか の課題を実施した。なお、この両課題は、Belleグル った」「やや難しかった」の回答が減少した。一方、 ープが高校生を対象に実施しているサイエンスキャン 授業間のつながりを調査するために、「第 1 回目の授 プでの実習課題であり、今回は中学生向けに、そして 業で学んだことは課題学習で役に立ったと思うか」と 短期間で取り組める内容に改良した。実習のために確 質問したところ、「そう思う」「ややそう思う」と回答 183 片岡 佐知子・松山 豊樹 4 ．まとめと今後の課題 したのは、奈良では半数、熊本ではわずかであった。 それぞれの授業の関連を明確にする工夫が必要である。 理数教育研究センターは、先端科学が解明した基礎 概念を理数教育に環流させる取り組みの一環として、 KEKの高校生対象のアウトリーチプログラムを中学 生向けに改良し、学校現場においても実施可能な学習 プログラムを考案した。KEKの研究者、学校の教員 らと検討を重ね、教室にいながら素粒子物理学に触れ ることのできる授業を実践した。 「導入」、「実習」、「発表」の授業全体を通じての感 想を調査したアンケートの集計結果を図 6 、図 7 に 示す。「授業に参加するにあたっての個々の目標の達 成度」と「具体的な項目として授業でどのようなこと ができたか」についてそれぞれ調べた。生徒は、授業 図 4 ：奈良の生徒による発表の様子。超鏡モニタ上に への期待や自分なりの目標を持って授業に臨んだと思 は発表資料と生徒の映像が合成されている。 われるが、アンケート結果から全体の約 7 割の生徒が 3 ． 3 第 3 回 遠隔合同発表会 目標を達成できたと感じている。また、具体的な項目 （2010年 2 月24日 16：00〜18：00） としては、「実習を楽しむことができた」「熊本・奈良 の生徒と交流することができた」という回答が多かっ 授業のまとめとして、各校が取り組んだ課題学習に た。合同で素粒子物理学を学んだ成果が反映されてい ついて報告を行った。熊本からは 3 年生の希望者15名、 る。 奈良からは 1 〜 3 年生の希望者20名が参加した。発表 また、「授業に参加したことで、新しい発見や、自 の内容は次の通りである。 分のモノの見方や捉え方に変化がありましたか？」 ⅰ）宇宙線の降り注ぐ角度について（熊本） の問いに対し、「素粒子は身近なものだということが ⅱ）ワイヤーチェンバーの製作（奈良） わかった」、「理科っておもしろい、と思うようになっ ⅲ）霧箱の追実験について（奈良： 1 年生が自主 た」、「宇宙のことは実験をすれば少しずつわかってく ることが、すごいなと思う。難しいけれど、もっとい 的に取り組んだ課題） ⅰ）、ⅱ）は第 2 回の授業で取り組んだ発展課題に ろんなことを知りたい」など、科学への理解の深まり ついての発表である。ⅲ）は第 2 回授業に参加しなか や、興味・関心の向上が示される回答が得られた。一 った奈良の 1 年生有志が取り組んだ自主学習の成果報 方、熊本の生徒からは、「奈良のみなさんは自分たち 告である。奈良女子大学附属中等教育学校の教員の指 の意見をしっかり言うことができて、とても凄いなぁ 導のもと、生徒たちが取り組んだ霧箱の追実験、なら と思う。私たちも見習っていきたい」との感想が寄せ びにガイガーカウンターを用いて身の回りの物からで られた。交流学習としての成果も伺える回答である。 る放射線を測定した結果を発表した。 さらに、学習プログラムの開発の関わった熊本と奈 それぞれの発表に対し、各校から質問が飛び交い活 良、両校の教員 3 名にもアンケート調査を実施したと 発な議論がなされた（図 5 ）。 ころ、学習内容は中学生にとって「やや難しい」と全 員が回答した。コメントとしては、「題材自体は非常 におもしろいが、講義の内容そのものは難解であった」 「 1 回目の講義内容が長く、また、難解であった。た だし、難解だから良くなかったとはいえない。自分た ちの事後の学習や実験、また、報告書をまとめる作業 を通して、難解な素粒子の世界の一端を理解したとい う達成感は大きかった」という意見が寄せられた。ま た、「今後もこのような授業を実施したいか」という 問いには、肯定的な回答が得られたことから、先端科 図 5 ：作成したワイヤーチェンバーに線源を近づけオ 学を題材とした学習プログラムの有効性を確認するこ シロスコープで信号を確認している様子 とができた。今後、理科教材としての継続・発展の可 能性は十分にあると言える。得られた成果をフィード バックして難易度の改善など学習プログラムの見直し を行い、さらなる活動に繋げていきたい。 184 素粒子物理学を題材とした遠隔授業の実践 3 ）S. Kurokawa, Nucl.Instrum. Meth. A499, 1 （2003）． 4 ）A. Abashian et al ., Nucl. Instrum. Meth. A 479, 117（2002） 5 ）片岡佐知子、樋口岳雄 「Belleグループによる体 験型サイエンスキャンプの活動実績」日本物理学 会誌、第65巻 5 号、p364-366（2010） 6 ）片岡佐知子、樋口岳雄 「高校生のための素粒子 サイエンスキャンプ Belle Plus（ベル・プリュス）」 大学の物理教育、第13巻 2 号、p73−77（2007） 7 ）Morikawa,O.,Maesako,T. 図 6 ： 「授業全体を通じて、あなたなりの目標は達成 "HyperMirror: Toward Pleasant-to-use Video されましたか？」 Mediated Communication System”. （回答数：熊本15名、奈良19名） CSCW98:149-158 （1998） 8 ）森川治、山下樹里、福井幸男、佐藤滋 「人に優しい超鏡対話における指差し行為」 情報処理学会論文誌，41（ 5 ） ：1290-1297（2000） 9 ）今井亜湖、山城新吾、松河秀哉、山田雅行、前迫 孝憲、芝尾光儀、奥地耕司、伊原和夫 「インタ ーネットを媒体とした超鏡（HyperMirror）シス テム利用の試み : 日本と韓国の小学校における国 際交流の事例より」 教育システム情報学会誌, 19（ 4 ）:261-266（2002） 10）松河秀哉，今井亜湖，重田勝介，岡野恭子，景 図 7 ： 「授業全体を通じて、具体的にどんなことがで 平義文，前迫孝憲，内海成治，関嘉寛 「衛星 きましたか？」（複数回答） 携帯電話を媒体とした遠隔学習における超鏡 （HyperMirror）システムの利用」 謝辞 日本教育工学会論文誌，28（Suppl.） ：257-260（2004） 大阪大学人間科学研究科の前迫孝憲氏との連携によ り、今回の遠隔授業を実施することができました。前 迫研究室の皆様にお礼申し上げます。また、奈良女子 大学附属中等教育学校、南小国中学校の先生方には、 度重なる打ち合わせやメールのやりとり、奈良、熊 本、KEK各地への訪問など、お忙しい中、多大なる ご協力を賜りました。また、講師を担当して下さった KEKの坪山透氏、樋口岳雄氏、西田昌平氏、奈良女 子大学の宮林謙吉氏に感謝申し上げます。第 3 回の遠 隔授業でお世話になりましたJAXAの皆様、ご協力下 さった全ての関係機関の皆様に、この場を借りてお礼 申し上げます。ありがとうございました。 参考文献 1 ）松山豊樹 「新世紀の理数科教育システムの開発」 奈良教育大学教育実践総合センター研究紀要、 No.17、p137-143（2008） 2 ）科学技術振興機構 理科教育支援センター「平成 20年度 小学校理科教育実態調査及び中学校理科 教師実態調査に関する報告書」 185