2015 Fiscal Year Research-status Report
大学で学生に自主的に企画させる物理学体験学習と評価法の開発
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26350191
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
三浦 裕一 名古屋大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (30175608)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安田 淳一郎 山形大学, 基盤教育院, 准教授 (00402446)
古澤 彰浩 名古屋大学, 教養教育院, 講師 (20362212)
小西 哲郎 中部大学, 工学部, 教授 (30211238)
齋藤 芳子 名古屋大学, 高等教育研究センター, 助教 (90344077)
中村 泰之 名古屋大学, 情報科学研究科, 准教授 (70273208)
千代 勝実 山形大学, 基盤教育院, 教授 (80324391)
藤田 あき美 信州大学, 工学部, 講師 (50729506)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 系統的講義実験 / 物理学体験学習 / 高等教育 / 学生主体型実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
把握し難い物理的概念や法則を理解させるため、学生に系統的な実験を企画させ、測定結果を互いに発表して議論し理解を深めた。授業の初めに、学生が誤解する傾向を調査するため「力学概念調査」を実施した。その結果「運動の方向に力が働いている」という誤解が７割程度と、最も多かった。調査の対象は、「高校で物理を履修、未履修の学生、及び放送大学の受講者である。高校で物理を履修した集団では誤解がほとんど無かったが、未履修の学生と社会人では、ほとんど同じ傾向が見られた。その結果を元に力学の授業を行った結果、誤解が半減させることができた。しかし、目標とした「誤解が２割以下」には達せず、日常生活から来る「直観的な誤解」が根強いことが分かった。また、セミナーでは測定精度の向上と精度を評価する方法を実践的に考察させた。具体例として、学内のエレベ－ターの加速度を測定した。加速度センサーを直接エレベーターの床に置くと振動の影響を受け、加速と減速を測定する障害となった。そこで、センサーを柔らかく支えることにより、細かな振動の影響を排除できた。しかし、あまりに柔らかい場合、正しい加速度の測定ができなかった。この結果から、現象の速さ（時定数）と最適なセンサーの保持方法を議論した。さらに、加速度を積分して、エレベーターの最高速度と、登った高さを計算し、測定精度を評価した。また、力学法則の基本である「慣性質量と重量の違い」を予備知識の無い人たちに説明する方法を考案させた。これらの結果の一部は27年度に物理学会で口頭発表を４回、論文一編にまとめ発表した。また、開発した実験教材などをＷＥＢサイトで公開しているが、世界に向け発進するため、サイトの英訳を進めている。さらに東海地区の大学教育改善のシンポジウムにおいて、ポスター発表すると共に、物理教育改善のためのワークショップを開催し、互いの実践を披露して意見交換を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
学生の主体性を発揮させるため、系統的な実験を自ら企画させ、その測定結果を互いに発表して議論することを目標としている。その計画は、おおむね順調に進んでいる。
この方法は教育効果の向上が期待できるが、学生が試行錯誤しながら進めるため、時間がかかる。そのため、通常の授業では扱う事項が多いため実践は困難である。そこで、授業内容に関連した事項について課題としてレポート提出させ、次回の授業で議論するなど、授業時間を有効に使う工夫をしている。レポート課題として、物理法則に直接関連した事項を考察させるだけでなく、一般報道された複数の科学記事を比較検討させた。その結果、書いた記者が理解していないと思われる例や、理解に必要な事項が欠けている記事も見つかり、記事を批判的に読み取る練習になった。この試みは、将来 学生が明快な論文を書くための教訓にするためである。
慣性モーメントを理解するための「転がし実験」では、異なる回転体を教材として与えて、課外に学生が自由に実験させる方法も試みられた。実験の前後で科学的推論能力の向上を調査し、論文にまとめ発表した。グループで実験する場合は、他者に引きずられる傾向が問題となった。
学生が実際に行動すると、測定に支障が出る状況に直面する。エレベーターの加速度測定の場合は、移動中の振動が問題になり、その低減方法について議論された。これは計算機のシミュレーションでは経験できないことであり、現実の問題を主体的に解決する体験は、将来の研究活動に大いに役立つと期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
２7年度に得られた情報を元に、学生の主体性を生かした物理学教育の改善を進める。新たな実験と、実験教材を開発すると共に、実験の途中段階における適切なヒントや忠告の与え方と、その効果について調査研究を進める。得られた結果は適宜 物理学会やシンポジウムで発表し、論文にまとめる。また、ＷＥＢサイト上で順次公開していく。
予定している具体的なテーマの例を挙げる。
(1) ケプラーの法則は力学の基本である。しかし調査の結果、潮汐現象の理解につながっていない傾向が分かった。それは、授業で天体を質点として扱うため、現実の天体に働く「重力場の勾配」という概念が欠けているためと思われる。そこで、重力勾配を可視化する実験を考案し、それが潮汐破壊を含む潮汐現象を引き起こしていることを理解させる。
(2) ＬＥＤを用いた光のエネルギーとエネルギー準位差の理解; 発光ＬＥＤは光を受けると発電する。これを利用して、光のエネルギーが周波数（色）に比例していることを示す。具体的には、赤色と青色のＬＥＤを用いる。エネルギーの大きい青色ＬＥＤの光で、赤色ＬＥＤは発電する。しかし、逆に周波数の低い赤色ＬＥＤの光では、いくら光量を多くしても、青色ＬＥＤは発電できないことが分かる。この実験結果から、量子現象であるエネルギー準位の存在と、その準位差を理解させることができる。(3)力学概念調査の結果を用いた教材開発；正答率が低い問題について正しく理解させるための演示実験を学生に企画させる。例えば、「運動の方向と力の方向が異なる場合」を直観的に理解させる実験や、「重量が小さくなっても質量が変わらない」ことを示す実験などが考えられる。
また、「磁石が回転しても磁場（磁力線）が回転しない」ことを示す実験なども考察する。
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| Causes of Carryover |
２７年度には新たな物理実験を開発したものの自作したため、予定よりも教材の開発費用を節約できた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
２７年度の研究結果を元に、新たな教材を開発するために使用する。
実験教材の製作のための材料費や、加工費用、学生から回収したワークシートの解析に使用するソフトなどの購入、及び研究成果の発表に使用する予定である。
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Research Products
(6 results)
