2015 Fiscal Year Research-status Report

実験で深化させた粒子認識を持つ理科教員を養成するための系統的実験教材開発

Research Project

Project/Area Number	26350222
Research Institution	Hokkaido University of Education
Principal Investigator	田口哲北海道教育大学, 教育学部, 教授 (60281862)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	柚木朋也北海道教育大学, 教育学部, 教授 (00311457)
Project Period (FY)	2014-04-01 – 2019-03-31
Keywords	科学教育 / 化学教育 / 科学教員養成 / 実験・観察 / 原子・分子 / 粒子 / 物質認識
Outline of Annual Research Achievements	理科教員を目指す学生の入学時の粒子認識は，物質は粒子（原子）でできているとの前提を基に演繹的推論だけで身につけてきたものであり，探究的な実験（体験）に基づいて「直接的には見えないが物質は確かに粒子からできている」との確信に至ったものとは必ずしも言えない。そこで，科学者が粒子観を獲得するに至った歴史的実験の再現・追試を含め，「巨視的・微視的双方の視点から，実験に基づいて粒子認識を深化させた理科教員」を養成するための系統的実験教材等を開発することを研究目的とした。今年度は，２６年度に開発した，ディスポーザブルシリンジを活用した「不可視でも気体は質量を持ち種類があることを実感できる実験教材」を用いた実践を引き続き行い，実践結果をもとに本教材の有効性を確認した。この成果は，本年度，論文としてまとめ発表した。また，２６年度から引き続き，「巨視的物質認識を微視的物質認識に繋ぐ実験教材」の開発をおこなった。前年度は，内部が真空のガラス製シリンジを用いて，シリンジに挿入したプランジャーと力センサーを伸縮しない紐でつなぎ，大気圧に逆らってシリンジ本体を手で引く力をセンサーで測定した。この力をプランジャー断面積で割ることで大気圧が求められることは確認済であったが，今年度は，異なる標高地点でこの測定を定温下で行い，大気圧の標高依存性はボルツマン分布則に従うことを明らかにし，この理由を分子密度の標高依存性の点から考察した。この成果については学会で発表した。また，２８年度の研究計画で実施を予定していた「電子の粒子性の検証実験教材の考案」の研究を前倒しで開始した。ポリスチレン粒子のサイズが帯電電気量の実測値に与える影響を，市販の電気素量測定装置にコンピュータ接続CMOSカメラを取り付けて調べた。その結果，ポリスチレン粒子の半径の増大に伴って帯電電気量の実測値が低下する傾向を見出した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason ２７年度は，まず，本学の授業等において，２６年度に開発した実験教材（「不可視でも気体は質量を持ち種類があることを実感できる実験教材」「巨視的物質認識を微視的物質認識に繋ぐ実験教材」）を用いた実践を行い，開発した教材の評価と改善点の洗い出しを行うことを計画していた。これは予定通り実施できた。２７年度に研究計画の見直しを行った結果，２８年度からの研究を予定していた「電子の粒子性の検証実験教材の考案」（電場下の油滴の落下速度の測定から電気素量を求めた科学史上重要な「ミリカンの油滴実験」の効果的な追試法）は，より長い時間をかけて研究を行う必要があると判断し，２７年度から前倒しして研究を開始した。具体的には，油滴をポリスチレン粒子に替え，複雑な補正無しで電気素量eが求められ，電荷の量子化分解能が高い実験法を考案することを目指した。今年度は，ポリスチレン粒子の粒子半径が0.373μmのものと0.512μmのものを用いて帯電電気量の測定をおこなったところ，粒子半径を大きくすると帯電電気量が低下し電気素量eの整数倍の値に実測値が近づいていく傾向を見いだせた。28年度も引き続き，粒子半径を変えて帯電電気量の測定をおこなう予定である。一方，27年度に研究を予定していた「『ブラウン運動によるアヴォガドロ定数Lの測定』の簡便な追試法の検討」については，28年度から研究を開始する予定である。
Strategy for Future Research Activity	28年度からの研究を予定していた「電子の粒子性の検証実験教材の考案」については，27年度から前倒しして研究を開始したが，当初の予想の通り，ポリスチレン粒子の粒子半径を大きくすると帯電電気量が電気素量の整数倍に近づく傾向が見いだせたので，引き続き，粒子半径を大きくして測定を継続する。当初27年度から研究開始の予定であった「『ブラウン運動によるアヴォガドロ定数Lの測定』の簡便な追試法の検討」については，デジタル顕微鏡下でポリスチレン粒子のブラウン運動の動画撮影を行い，画像解析ソフトを用いて一定時間毎の粒子の移動距離を調べることでLを簡便に求める方法を検討する。また，Lの精度に温度や粒子サイズが与える影響も検討し，教材に仕上げる。さらに，スマートフォンの前面カメラを顕微鏡として利用する方策を検討し，「ブラウン運動によるアヴォガドロ定数Lの測定」のICTを活用した実験教材化も試みる予定である。
Causes of Carryover	当初の研究計画を変更し，27年度に研究を計画していた「『ブラウン運動によるアヴォガドロ定数Lの測定』の簡便な追試法の検討」を28年度に行うことにして，28年度に研究開始を予定していた「電子の粒子性の検証実験教材の考案」を27年度に前倒ししたため。
Expenditure Plan for Carryover Budget	27年度に前倒しして開始した「電子の粒子性の検証実験教材の考案」について，実験を担当している大学院生の研究成果の発表（学会発表）の旅費として使用する。また，研究結果の資料整理のための謝金等として使用する。さらに，28年度から研究を開始する「『ブラウン運動によるアヴォガドロ定数Lの測定』の簡便な追試法の検討」に必要な物品の購入に充てる予定である。