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理科教育用O2/CO2計測システムの構築とそれを用いた自然探求型の教材開発

研究課題

研究課題/領域番号 21500850
研究種目

基盤研究(C)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 科学教育
研究機関東京工業高等専門学校

研究代表者

高橋 三男  東京工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (40197182)

研究分担者 柚賀 正光  東京工業高等専門学校, 電子工学科, 教授 (40123997)
筒井 健太郎  東京工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (60249761)
堤 博貴  東京工業高等専門学校, 機械工学科, 講師 (30300544)
連携研究者 川島 徳道  桐蔭横浜大学, 医用工学科, 教授 (90112888)
研究期間 (年度) 2009 – 2011
研究課題ステータス 完了 (2011年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2011年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2010年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2009年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
キーワード自然科学教育 / 水学 / 理科 / 物理・化学・生物・地学 / 情報 / 酸素センサ / 酸素 / 二酸化炭素 / 理科教材 / 呼気 / 科学教育 / 燃焼 / 光合成 / 手作り酸素センサ / 二酸化炭素センサ / 科学教育教材 / 呼吸 / 自然探求
研究概要

酸素(O2)と二酸化炭素(CO2)に視点を絞った自然探求型の理科教材は、理科教育における「エネルギー」・「粒子」・「生命」・「地球」の科学の基本概念の育成に重要な役割をはたすものと考えている。そこで本研究では、誰でも簡単に操作できる理科教育のためのO2ガスとCO2ガスを計測するシステム教材を開発した。O2ガスは、簡単に作製できる手作りによる隔膜ガルバニ電池式酸素センサを採用した。この酸素センサは、大気中のO2濃度だけでなく、溶液中のO2濃度も計測できるため理科教材として最適なセンサである。CO2ガスは、固体電解質型センサモジュール(FIGARO : CDM4160-HOO)を使用した。
このシステムは、O2センサとCO2センサを組み合わせて同時に自動計測できるようになっている。センサはUSBによりPCに接続しデータを取り込み、市販の表計算ソフトにより処理できるように計測ソフトを開発した。さらに盲学校の理科教育にも使えるよう、計測データを読み上げる機能を加え、さらに外国の理科教育でも使用できるように日本語から英語による表示が切替できるようになっている。何よりもこのシステムの重要な利点は、人間には無色透明な酸素と二酸化炭素の気体濃度の変化に対して時間を追って視覚することができることである。
探求実験として発表者個人の呼気を例として実験をおこなった。浅く吸い込んだ空気を呼気袋に吹き込んだ場合(浅い呼気)と深く肺まで吸い込んで30秒間息を止めた後の呼気を呼気袋に吹き込んだ場合(深い呼気)の2種類について実験をおこなった。それぞれの実験は、5秒間隔でデータをサンプリングし90秒間計測をおこなった。呼気における酸素と二酸化炭素の経時変化を比較し検討を行った。尚、計測器のキャリブレーションは、大気中の酸素濃度と二酸化炭素濃度と同じに酸素20.9%、二酸化炭素400ppmとして設定した。
実験結果、浅い呼気の場合、酸素濃度は20.9%から18.64%と約2.3%減少した。一方、二酸化炭素濃度は、呼気後17828ppm(約1.78%)となり大気中の二酸化炭素濃度の約45倍増加した。深い呼気の場合、酸素濃度は16.81%と約4.1%減少した。一方、二酸化炭素濃度は、呼気後2485ppm(約2.48%)となり大気中の二酸化炭素濃度の約62倍増加した結果を得ることができた。このように浅い呼気や深い呼気でも、呼気袋とO2/CO2計測システムがあれば、誰でも簡単に呼気の実験をすることができる。しかも定量的に精度よい結果を得ることができる。この計測システムは、自然探求型の理科教材として「生命」の基本概念育成にも大いに期待できる。

報告書

(4件)
  • 2011 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2010 実績報告書
  • 2009 実績報告書
  • 研究成果

    (41件)

すべて 2012 2011 2010 2009 その他

すべて 雑誌論文 (11件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (30件)

  • [雑誌論文] Comparison of the effects of flooding vs.Low-oxygen gas on pea(Pisum sative L, cv.'Alaska')primary roots2012

    • 著者名/発表者名
      Teruo Niki, Mitsuo Takahashi, Daniel K.Gladish
    • 雑誌名

      Plant Root

      ページ: 31-38

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A highly sensitive and temporal visualization system for gaseous ethanol with chemiluminescence enhancer2011

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Arakawa, Eri Ando, Xin Wang, Miyajima Kumiko, Hiroyuki Kudo, Hirokazu Saito, Tomoyo Mitani, Mitsuo Takahashi and Koji Mitsubayashi
    • 雑誌名

      LUMINESCENCE

      巻: (in press)

    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [雑誌論文] Comparison of the effects of flooding vs. Low-oxygen gas on pea(Pisum sative L, cv.'Alaska') primary roots2011

    • 著者名/発表者名
      Teruo Niki, Mitsuo Takahashi and Daniel K. Gladish
    • 雑誌名

      Plant Root

      ページ: 31-38

    • URL

      http://www.plantroot.orig

    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [雑誌論文] 紙の変色を用いたに焼け止めクリームの開発2011

    • 著者名/発表者名
      鄭優莉、北折典之、高橋三男
    • 雑誌名

      表面

      巻: Vol.49, No.2

    • 関連する報告書
      2011 実績報告書 2011 研究成果報告書
  • [雑誌論文] CdSセルを用いた盲人用光センサーの開発2010

    • 著者名/発表者名
      柚賀正光, 高橋三男
    • 雑誌名

      東京工業高等専門学校研究報告書

      巻: 第42(1)号 ページ: 91-95

    • NAID

      40018861075

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [雑誌論文] 手作り酸素センサの開発と理科教育への活用(8)-簡易型酸素センサキットの作成と実験例の紹介-2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、園部幸枝、佐藤道幸、山本勝博、堀哲夫、寺谷敞介、松原静郎
    • 雑誌名

      日本理科教育学会全国大会発表論文集

      巻: 第8号 ページ: 269-269

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [雑誌論文] O2/CO2計測システムを用いた燃焼実験の実践2010

    • 著者名/発表者名
      柳澤秀樹、松原静郎、寺谷敬介、高橋三男
    • 雑誌名

      日本理科教育学会全国大会発表論文集

      巻: 第8号 ページ: 271-271

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 理科教育のための02/CO2計測-(2)-赤ピーマンの内呼吸実験-2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、山本勝博、堀哲夫、寺谷敞介、松原静郎
    • 雑誌名

      日本科学教育学会年会論文集

      巻: 34 ページ: 409-410

    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 理科教育のためのCO2/O2計測システム2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男
    • 雑誌名

      東京工業高等専門学校研究報告書 第41(1)

      ページ: 83-90

    • NAID

      40018861046

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [雑誌論文] モルに関する化学計算ソフトウェアの開発2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男
    • 雑誌名

      東京工業高等専門学校研究報告書 第41(2)

      ページ: 77-84

    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [雑誌論文] Stability of Superoxide Ion in Imidazolium Cation-Based Room-Temperature Ionic Liquids2009

    • 著者名/発表者名
      Md. Mominul Islam, Tatsuya Imase, Takeyoshi Okajima, Mitsuo Takahshi, Yoshihiro Niikura, Norimichi Kawashima, Yoshiyuki Nakamuara and Takeo Ohasaka
    • 雑誌名

      J. Phys. Chem

      巻: 113 ページ: 912-916

    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 理科教育のための空気電池を利用した手作り酸素センサーキットの開発2012

    • 著者名/発表者名
      高橋三男・薗部幸枝・佐藤道幸・後藤顕一・林誠一・堀哲夫・山本勝博・寺谷敞介・松原静郎
    • 学会等名
      日本化学会
    • 発表場所
      慶応大学
    • 年月日
      2012-03-27
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 理科教育のための空気電池を利用した手作り酸素センサーキットの開発2012

    • 著者名/発表者名
      高橋三男・薗部幸枝・佐藤道幸・後藤顕一・林誠一・堀哲夫・山本勝博・寺谷敞介・松原静郎
    • 学会等名
      平成24年度日本化学会
    • 発表場所
      慶応大学
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 理科教育のための空気電池を利用した酸素センサキットの開発-(1)-ロウソクの消炎反応の実験-2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男, 雑賀章浩, 園部幸枝, 佐藤道幸, 飯田寛志, 大平和之, 石黒光弘, 近藤浩文, 後藤顕一, 林誠一, 山本勝, 堀哲夫, 寺谷敞介, 松原静郎
    • 学会等名
      日本理科教育学会関東支部大会
    • 発表場所
      横浜国立大学
    • 年月日
      2011-12-03
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 理科教育のための身の回りの電池を利用した酸素センサキットの開発2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男, 雑賀章浩, 園部幸枝, 佐藤道幸, 飯田寛志, 大平和之, 石黒光弘, 近藤浩文, 後藤顕一, 林誠一, 山本勝博, 堀哲夫, 寺谷敞介, 松原静郎
    • 学会等名
      日本理科教育学会北海道支部大会
    • 発表場所
      北海道大学
    • 年月日
      2011-10-01
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 理科教育のためのO2/CO2計測-(3)-生姜の内呼吸の実験-2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男, 雑賀章浩, 福司稔, 飯田寛志, 田島公基, 石黒光弘, 近藤浩文, 後藤顕一, 林誠一, 山本勝博, 堀哲夫, 寺谷敞介, 松原静郎
    • 学会等名
      日本科学教育学会
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 年月日
      2011-08-25
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 手作り酸素センサの開発と理科教育への活用-手作り酸素センサキットによるソラマメの内呼吸の実験例-2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、薗部幸枝、佐藤道幸、柳澤秀樹、飯田寛志、田島公基, 石黒光弘、近藤浩文、後藤顕一、林誠一、山本勝博、堀哲夫、寺谷敞介、松原静郎
    • 学会等名
      第61回全国大会日本理科教育学会全国大会
    • 発表場所
      島根大学
    • 年月日
      2011-08-21
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 酸素/二酸化炭素センサの活用2011

    • 著者名/発表者名
      林誠一、後藤顕一、近藤浩文、飯田寛志、松原静郎、松原静郎、高橋三男
    • 学会等名
      第61回全国大会日本理科教育学会全国大会
    • 発表場所
      島根大学
    • 年月日
      2011-08-20
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] 根から放出された水素イオンの可視化による探究実験2011

    • 著者名/発表者名
      清水和樹、高橋信人、日月想、中村駿、高橋三男
    • 学会等名
      第13回化学工学会学生発表会
    • 発表場所
      秋田大学
    • 年月日
      2011-03-05
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] Granules in the cells of maize root tips2011

    • 著者名/発表者名
      Susum Saito, Teruo Niki, Mitsuo Takahashi, Daniel K Gladish
    • 学会等名
      BC2011 XVIII International botanical congress
    • 発表場所
      MELBORNE AUSTRALIA
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 理科教育のための空気電池を利用した酸素センサキットの開発-(1)-ロウソクの消炎反応の実験-2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男,雑賀章浩,園部幸枝,佐藤道幸,飯田寛志,大平和之,石黒光弘,近藤浩文,後藤顕一,林誠一,山本勝博,堀哲夫,寺谷敞介,松原静郎
    • 学会等名
      日本理科教育学会関東支部大会研究発表要旨集
    • 発表場所
      横浜国立大学
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 理科教育のための身の回りの電池を利用した酸素センサキットの開発2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男,雑賀章浩,園部幸枝,佐藤道幸,飯田寛志,大平和之,石黒光弘,近藤浩文,後藤顕一,林誠一,山本勝博,堀哲夫,寺谷敞介,松原静郎
    • 学会等名
      日本理科教育学会北海道支部大会論文集
    • 発表場所
      北海道大学
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 空気電池を酸素センサとして利用するための教材開発2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、山内峯生、堀哲夫、山本勝博、寺谷敞介、松原静郎
    • 学会等名
      日本化学会第5回関東支部大会
    • 発表場所
      東京農工大学
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書 2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 理科教育のためのO2/CO2計測-(3)-生姜の内呼吸の実験-2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、雑賀章浩、福司稔、飯田寛志、田島公基、石黒光弘、近藤浩文、後藤顕一、林誠一、山本勝博、堀哲夫、寺谷敞介、松原静郎
    • 学会等名
      日本科学教育学会年会論文集35
    • 発表場所
      東京工業大学
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 手作り酸素センサの開発と理科教育への活用-手作り酸素センサキットによるソラマメの内呼吸の実験例-2011

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、薗部幸枝、佐藤道幸、柳澤秀樹、飯田寛志、田島公基,石黒光弘、近藤浩文、後藤顕一、林誠一、山本勝博、堀哲夫、寺谷敞介、松原静郎
    • 学会等名
      第61回全国大会日本理科教育学会全国大会発表論文集
    • 発表場所
      島根大学
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 酸素/二酸化炭素センサの活用2011

    • 著者名/発表者名
      林誠一、後藤顕一、近藤浩文、飯田寛志、松原静郎、松原静郎、高橋三男
    • 学会等名
      第61回全国大会日本理科教育学会全国大会発表論文集
    • 発表場所
      島根大学
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] 根から放出された水素イオンの可視化による探究実験2011

    • 著者名/発表者名
      清水和樹、高橋信人、日月想、中村駿、高橋三男
    • 学会等名
      第13回化学工学会学生発表会
    • 発表場所
      秋田大会
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書
  • [学会発表] Granules in the cells of maize root tips2011

    • 著者名/発表者名
      Susum Saito, Teruo Niki, Mitsuo Takahashi, Daniel K Gladish
    • 学会等名
      IBC2011 XVIII International botanical congress
    • 発表場所
      MELBORNE
    • 関連する報告書
      2011 実績報告書
  • [学会発表] Development of O2 and CO2 measurement system for science education2010

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Takahashi
    • 学会等名
      The 2010 International chemical Congress of Pacific Basin Societies
    • 発表場所
      Honolulu, Hawaii, U.S.A
    • 年月日
      2010-12-19
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 日焼け止めクリームの評価と改良2010

    • 著者名/発表者名
      鄭優莉、北折典之、高橋三男
    • 学会等名
      2010年材料技術研究討論会
    • 発表場所
      東京理科大学
    • 年月日
      2010-12-03
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] ステンレススチール溶接部位のスケール除去の開発2010

    • 著者名/発表者名
      勝村元美、北折典之、高橋三男
    • 学会等名
      2010年材料技術研究討論会
    • 発表場所
      東京理科大学
    • 年月日
      2010-12-03
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 根の表面近傍電位計測に関する基礎研究2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、永吉浩、仁木輝緒
    • 学会等名
      第33回根研究集会
    • 発表場所
      兵庫県立大学・環境人間学部
    • 年月日
      2010-11-12
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 理科教育のためのO2/CO2計測-(2)-赤ピーマンの内呼吸実験2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、山本勝博, 堀哲夫、寺谷敞介、松原静郎
    • 学会等名
      日本科学教育学会第34回広島大会
    • 発表場所
      広島大学
    • 年月日
      2010-09-12
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 手作り酸素センサの開発と理科教育への活用(8)-簡易型酸素センキットの作成と実験例の紹介-2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男、園部幸枝、佐藤道幸、山本勝博、堀哲夫、寺谷敞介、松原静郎
    • 学会等名
      第60回日本理科教育学会
    • 発表場所
      山梨大学
    • 年月日
      2010-08-07
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] O2/CO2計測システムを用いた燃焼実験の実践2010

    • 著者名/発表者名
      柳澤秀樹、松原静郎、寺谷敞介、高橋三男
    • 学会等名
      第60回日本理科教育学会
    • 発表場所
      山梨大学
    • 年月日
      2010-08-07
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] トウモロコシ根先端組織細胞に見られる果粒について2010

    • 著者名/発表者名
      斎藤進、高橋三男、仁木輝緒
    • 学会等名
      第32回根研究集会
    • 発表場所
      農業機構・中央農業総合研究センター
    • 年月日
      2010-04-20
    • 関連する報告書
      2010 実績報告書
  • [学会発表] 理科教育のためのO2/CO2計測システムの開発(2)2010

    • 著者名/発表者名
      高橋三男
    • 学会等名
      日本化学会
    • 発表場所
      日本大学
    • 年月日
      2010-03-28
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] 食塩の電気分解を利用した効果的な紅茶汚染布の漂白2010

    • 著者名/発表者名
      吉岡眞由子、北折典之、高橋三男
    • 学会等名
      2010年材料技術研究討論会
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書 2010 実績報告書
  • [学会発表] 理科教育のためのO2/CO2計測-(1)-リンゴの呼吸実験-2009

    • 著者名/発表者名
      高橋三男
    • 学会等名
      日本科学教育学会
    • 発表場所
      同志社女子大学
    • 年月日
      2009-08-25
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] 探究実験-ものの燃え方と空気-(1)-ロウソクの消炎-2009

    • 著者名/発表者名
      高橋三男
    • 学会等名
      日本理科教育学会
    • 発表場所
      宮城教育大学
    • 年月日
      2009-08-17
    • 関連する報告書
      2009 実績報告書
  • [学会発表] Development of O_2 and CO_2 measurement system for science education

    • 著者名/発表者名
      Mitsuo Takahashi, Norimichi Kawashima, Tetsuo Hori, Katsuhiro Yamamoto, Shosuke Teratani, Shizuo Matsubara
    • 関連する報告書
      2011 研究成果報告書

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公開日: 2009-04-01   更新日: 2016-04-21  

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