| 研究課題/領域番号 |
16K16308
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| 研究機関 | 九州大学 |
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研究代表者 |
鎌滝 晋礼 九州大学, 基幹教育院, 助教 (60582658)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 科学実験 / 教材開発 / プラズマ科学 / アクティブ・ラーニング |
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| 研究実績の概要 |
本研究は、基礎教育から専門教育をつなぐ新しい実用的プラズマ科学実験教材の開発を目的に研究を行っている。「学士課程教育の質的転換」が求められる大学教育現場において基礎教育(教養)分野において改革は確実に進みつつあるが、特に理系学部学生の多くが大学院進学をする大学において、基礎教育と難しい専門教育の内容のギャップは、大きな問題となっている。プラズマ科学の先端研究分野は、宇宙、エネルギー、産業応用等と幅広く、21世紀の科学技術の花形とも言われているが、上述の問題同様、基礎教育とプラズマ科学の専門教育の間に、大きな隔たりがあると言われている。そこで、本研究は、このギャップを埋め、教育効果のある実用的プラズマ科学実験教材の開発を行っている。学生の立場に立つと、プラズマに関連する内容として、高校時に、高校物理の【波】【電気と磁気】【原子】があり、大学初等では、【電磁気学】があるが、プラズマ科学との関連するような記載や実演は少なく、実質的な理解が難しい環境にあると思われる。
そこで、【波動】【電気と磁気】【原子】からプラズマ科学に結びつけたものに特化した実験教材の開発を行っている。また、当初の計画以外において、プラズマは非常に綺麗な発光現象が伴うので、【光】に関連する実験教材も開発している。ただ、【光】は波動性と粒子性の両方があり、【波動】や【原子】との関連も強いので、包括的な学習ができるような教材や授業展開ができるものになっている。今年度は、大学初年次の学生を対象とする高校物理から大学物理を繋げる生活に身近な素材を使ったプリミティブな実験教材の開発を行った。そして、現在、プラズマ計測からプラズマ科学につなげる実用的実験教材を開発中であり、来年度の授業で活用する予定である。そして、開発実験教材を使ったアクティブラーニング型授業実践における教育効果の検証を行う。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
現在までの本研究の達成度は、概ね順調に進んでいる。今年度は、学生の高校時までの知識を大学教育のレベルまで引き上げることを目的とした、生活に身近な素材を使ったプリミティブな実験教材の開発であった。当初計画していた【波動】【電気と磁気】【原子】だけでなく、発光現象をメインとする【光】に関するプリミティブな実験教材の開発を行った。
ブラズマ科学には、電磁波、プラズマ自体の揺らぎ(波動)の理解が必要になる。その理解の前に波の特性に関する実験教材として、光の干渉に関する教材を開発した。ブラズマ中には、電場と磁場が存在し、その中での荷電粒子の運動を理解する必要がある。そのため、電流と磁場によるローレンツ力に関する実験教材を開発した。また、電磁気学の導入として、簡易コンデンサーの作成や静電容量の算出などの行える教材を開発した。
プラズマはガスの違いにより発光色が変わる。原子のエネルギー準位の遷移差により色が変わることを理解するために、分光器を使った実験展開を開発した。また、光の粒子性を確認する上でも、LEDや太陽電池を用いた実験教材を開発した。さらに、これらの教材を使ったアクティブ・ラーニング型の教授法も開発した。
また、理系学部学生、文系学部学生問わず、グールプワークの中で協働学習の一つとして、これらの開発した教材を活用し、どのような学習効果があるかを調査した。その結果、開発した科学実験及び教授法は、科学的知識だけでなく、科学的思考法の養成にも繋がっていることがわかった。実験教材を活用することは、協働活動を円滑に進めるためにも有効であることがわかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
学生の初等時の大学教育の知識をプラズマ科学と実用的に関連させることを目的としたプラズマ計測からプラズマ科学につなげる実用的実験教材を開発中である。プローブ計測、分光器計測が同時に可能で、且つ小型・可動式特注真空容器チャンバーである。プローブ計測から、フーリエ解析(信号処理)を行い、プラズマ中の電流や電圧の揺らぎについて学ぶ。分光器による分光発光スペクトルの測定から、エネルギー準位について学ぶ。現有のガス種の異なる真空管サンプルから様々なプラズマの色の違いとその科学的背景を学ぶ。このような計測を同時にできる実験装置システムを構築し、学生自身にプラズマの発光現象だけでなく、計測結果、解析結果を同時に表示できる解析システムも構築している。
次に、大学物理教育の定量的且つ定性的教育効果の向上(試験点数の上昇と意識の変容)を目的とした開発実験教材を使ったALによる授業実践を行う。ALによる実践授業を行い、開発した実験教材を活かした総合的学習を行う。
有用性の評価と、さらに教育効果を高める実験教材の改善を目的とした開発実験教材の有用性の評価と検証を行う。電磁気学の授業においては、通常の座学のみの授業の試験結果と比較することで、開発した実験教材及び授業実践の定量的評価を行う。また、少人数授業では、インタビューやアンケート調査による意識の変容等の定性的評価を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
演示かつ計測するためのプラズマチャンバーの製作に予定よりも時間がかかったため、次年度に繰り越している。
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| 次年度使用額の使用計画 |
当初計画していた実用的プラズマ科学実験教材開発のための、小型化・可動式・教育用プラズマ計測に特化した真空容器チャンバー費に充てる。
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