「音の位相」を切り口とした電磁気分野の教材開発

• 研究課題/領域番号: 21H04054
• 研究種目: 奨励研究
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 1210:科学教育関連
• 研究機関: 奈良女子大学
• 研究代表者: 藤野 智美 奈良女子大学, 附属中等教育学校, 国立中等教育学校教諭
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 460千円 (直接経費: 460千円); 2021年度: 460千円 (直接経費: 460千円)
• キーワード: 音 / 電磁気 / フーリエ級数 / オシロスコープ / 電気信号 / ノイズ除去 / 電子キーボード / フィルタ回路

研究開始時の研究の概要

県内の高校生を対象としたアンケート「学んでみたい物理学のテーマと苦手なテーマ」の分析結果に基づき、女子生徒が高い苦手意識をもつ電磁気分野での教材開発を行い、工学部への女子生徒の進学率向上させたいと考えている。分析結果から、「音楽分野と関連する物理」に高い興味があることがわかった。本研究では、相反する印象が抱かれている「音」と「電磁気」に注目した教材開発に取り組み、音の可視化や位相の操作を切り口とした探究活動を目指す。具体的には以下の2つの手法を予定している。
[1]電子キーボードの波形を利用した電流と電位差の関係の探究
[2]ハイパス・フィルターの作成とノイズ除去

研究成果の概要

本研究では、学習者の得意・不得意の印象として、相反する感覚が抱かれている「音」と「電磁気」に注目した教材開発に取り組んだ。主にオシロスコープを活用し、電子キーボードの電気信号を取り、抵抗とコンデンサー、コイルに接続し、オシロスコープを用いて電流や電位差の時間変化を測定したり、得られた電流波形を利用してフーリエ級数の係数を決定した。フーリエ級数をグラフ化し、電子キーボードから取得した波形の生データと比較した。加えて、ハイパス・フィルタ、ローパス・フィルタなどのフィルタ回路を作成し、音源の周波数を変化させたときに特定の周波数帯がカットされる様子を観測した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究を通じて、女子生徒が興味を持ちやすい音の現象から電磁気分野への解析につなげる教材開発ができた。授業後のアンケートでは、工学的探究の面白さと、電磁気的な解析の有用性を体感しやすいという結果が得られた。加えて、音作りという体験を通して波形解析に必要な数学的な理解を深めることが可能となったと考える。本研究を通して、工学的探究を切り口とした