Development of teaching materials and educational programs for numerical simulations to understand climate change

Research Project

Project/Area Number	21K02886
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 09080:Science education-related
Research Institution	Hokkaido University of Science
Principal Investigator	福原朗子北海道科学大学, 工学部, 講師 (30316244)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	山中康裕北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (40242177)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	数値シミュレーション / 時間発展方程式 / 気候変動 / 将来予測 / 表計算ソフト / 教育プログラム / シミュレーション / 動画
Outline of Research at the Start	本研究では、気候変動の本質を理解する、高校生自らが表計算ソフトを用いて時間発展方程式を解く、教材および教育プログラムを開発する。授業評価を通じて、高校生が「物理基礎」、「数学I」、「情報」等の科目で学ぶ知識に基づいて、どの程度の数値シミュレーションが行えるか？『世の中の様々な現象が、「数学II」で学ぶ初等関数や微分積分で説明できる』ことを、数値シミュレーションを用いてどの程度理解できるか？を明らかにする。全国の高校教員や高校生が「理数探究」や「総合的な探究の時間」に利用できるように、教材や教育プログラムを公開し、主体的・対話的で深い学びに貢献する。
Outline of Annual Research Achievements	高校で学習する知識に基づいて、気候変動の将来予測等の数値シミュレーションの基礎を学ぶ教材および教育プログラムの開発をしている。数値シミュレーションの基礎として、「基礎物理」で扱う等速加速運動、空気抵抗がある質点や復元力が働く質点の運動について、時間発展方程式を解く。８階建ての建物から自由落下させた２種類の素材のボールに関して、表計算ソフトを使って、列が物理量、行が時刻のように表示し、時間、加速度、速度、距離を理解しながら求め、空気抵抗係数を求めるようなプログラムを大学生対象に実施した。本来対象の高校生はコロナ禍のため、実施ができず、研究はやや遅れている。次に、同じく大学生を対象に、観測と数値シミュレーションを対応させたプログラムとして、より高いところから落下させれば予測の精度が上がる一方、実施困難になるという現実に起こりうる課題についてグループ討議する。今後、観測事実を利用して、気候モデルを開発し、将来予を予測するという理解に結び付けるための準備を行う。 2020年に高校生が計算した日本の将来人口予測に加えて、少子高齢化が進んでいない諸外国での人口予測や、過去一定期間の気温を用いた将来の気温上昇の予測など、環境問題・社会問題の本質的な振る舞いが理解できるようなプログラムを開発する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason コロナ禍で対象とする高校との連携講座が開催できなかったため。
Strategy for Future Research Activity	2023年5月以降、今までできなかった高校生対象のプログラムが実施可能となる。遅れを夏以降に取り戻すよう、まずは、2023年8月に高校生対象のプログラムを実施する。12月末までに大学生を対象に高校生と同じ内容で授業を実施し、過去のデータと照らし合わせて検証する。