フォーラム理科教育 No

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1 高速撮影を使った理科教材 沖花彰 京都教育大学理学科 キーワード :: 高速撮影, 振動数を数える, 音学習, 交流学習 ( 受付 :2009 月 2 月 4 日 ) 抄録デジタルビデオカメラや高速撮影カメラでものの動きを撮影し, コマ送り再生して見せる理科教材を作成した 10Hzから100Hz 程度のものの動きが細かく観察でき, 生徒の興味関心を引き出すと同時に理解を助ける学習となることが期待される Ⅰ. はじめに 2008 年 1 秒間で最高 1200 コマや 1000 コマの高速撮影が可能なデジタルカメラ (CASIO 社製ハイスピードカメラ EX-F1,EX-FH20) が登場した 購入価格も 10 万円及び 6 万円程度と学校現場でも購入できるくらい安価である そこで, これまでのデジタルビデオカメラ映像のコマ送り再生を使った動画教材と, この高速撮影を使った理科教材を併せて紹介する Ⅱ. これまでの動画教材ビデオ動画のスロー再生を使った学習については平成 20 年 7 月に改訂された中学校学習指導要領解説理科編 ( 文部科学省,2008) にも 振り子や放物運動をする物体, 車の動きなどの物体の運動について, 録画したビデオ映像をコマ送り再生をして提示したり, ストロボ写真で撮影したりするなど, 視聴覚機器の映像などを活用することによってより効果的に生徒の理解を促す工夫をすることも考えられる とあるように学校教育に積極的な活用が望まれている 通常のデジタルビデオカメラで撮影した動画は毎秒 30 コマの静止画からなる さらに通常はインターレースといって1 画面を奇数行と偶数行ごとに分けて 2 回の走査で記録されるが, それを解除することで1 秒間に 60 コマの静止画になる それをコマ送り再生するフリーソフト ( 例えば AVIUTL99) を使うと, 繰り返しが 10Hz 程度の現象を観察することや, 動きの変化を 100 ミリ秒程度の精度で観察することが可能になる 筆者は生徒が 50m 走を行う様子や, 楽器の音が鳴る様子をこの方法で撮影 再生し, 理科の運動の学習 ( 沖花,2006) や音の学習 ( 沖花ほか,2006) に活用する事例を報告している 図 1,2 は中学生の 50m 走の様子を通常のデジタルビデオカメラで撮影し, コマ送り再生したものである 左から右へ 1コマずつ進んでおり6 コマ分が0.1 秒の動きに対応する 図 1は速さが増加する 10m 付近での走る様子を写したもので, 着地してから体が垂直になるまでの様子を表している この間走者は地面から進行方向逆向きに力を受け, 速さが減

2 図 1 50m 走の着地時の様子をコマ送り再生したもの 図 2 50m走の離地時の様子をコマ送り再生したもの る 図 2 は体が垂直になってから離地するまでの様子を表しており この間走者は地面か ら進行方向に力を受け 速さが増す 生徒たちはコマ数から減速時間より加速時間のほう が長いことがわかり 10m付近では加速していることが理解できる このように中学校理

3 科の 運動の規則性 の学習の中で, 自分の走る様子を撮影しコマ送り再生しながら観察することで, 着地から離地までの間に, 足と地面の間でどのような力が及ぼされるかがよくわかり, 速度の変化する運動 ( 加速と減速 ) や作用と反作用の理解に有効であることがわかる 中学校音楽の教科書にはティンパニーは演奏する時, 真ん中をたたくのではなく, 真ん中より 2/3 のところをたたくと記載されている ( 三善ほか,2005) 真ん中をたたいた時と真ん中より 2/3 のところをたたいた時で, 表面の振動がどのように違うのかをビーズをおいてその様子を見比べた 図 3,4 はティンパニーをたたいた時の表面の振動の様子を撮影したもので, これも左から右へ1コマずつ進んで 6 コマ分が 0.1 秒の動きを表している コマごとにティンパニーの上にあるビーズが振動する様子を見ると, 真ん中をたたいた時 ( 図 3) は中心部分のみが大きく振動し持続時間も短いのに比べて, 真ん中より 2/3 の所をたたいた時 ( 図 4) はティンパニーの表面全体が振動していることがわかり持続時間も長い このような映像比較は楽器の演奏と理科を融合した音の学習として役に立つと期待できる 図 3 ティンパニーの真ん中をたたいたときの振動の様子をコマ送り再生したもの 図 4 ティンパニーの真ん中から 2/3 をたたいたときの振動の様子をコマ送り再生したもの

4 このようにビデオ映像をコマ送り再生しながら学習することは中学校理科教育に効果的である 生徒も現象をこまかく観察することで興味を持って学習できる ただし 100Hz 以上の繰り返しをもつ振動や 10 ミリ秒程度の時間分解能を必要とする細かい動きの学習には利用できない Ⅲ. 高速撮影教材今回紹介するデジタルカメラは1 秒間に 300,600,1200 コマの高速動画撮影が可能で, これまでのデジタルビデオカメラの動画より,10 倍から 20 倍速く振動の様子や変化する現象の学習に活用することができる すでにホームページなどにこのカメラを使った高速撮影画像が数多く掲載されている ( 例えば岐阜大学理科教材データベース ) 本研究ではこれを学校での学習に結びつける試みについて報告する 1) 音の学習中学校理科の音学習では 振幅と音の大小の関係 に比べて, 振動数と音の高低の関係 に関する生徒の理解が弱い 国立教育政策研究所の調査 ( 国立教育政策研究所,2001;2003) によると 音の大小によって波形がどう変化するか理解している という内容を問う質問の通過率 / 設定通過率が,65.7%/65%(H15),61.5%/65%(H13) であるのに対し, 音の高低によって波形がどう変化するか理解している という内容の質問では,52.4% /60%(H15),45.7%/60%(H13) となっており, 振動数と音の高低の関係に関する理解が弱いことがわかる これは振動数が見えないことに起因すると思われる 例えば弦の振動で振幅の違いを見て音の大小やオシロスコープでの波形と関連づけて学習することは容易である その一方で可聴音の範囲で振動数の違いを識別することは, 肉眼はもちろん 図 5 ギターの第 6 弦開放をはじいたときの振動の様子を高速撮影したもの

5 通常のビデオカメラでもできない そのため振動数と音の高低や波形との関係を直接示した学習ができない 教科書には弦の長さと振動数の大小の関係が図で描かれているが ( 吉川ほか,2006)), 実際には肉眼では教科書のような識別は不可能である 教室で1 秒間に 600 コマから 1200 コマの映像を撮影しコマ送り再生ができれば, ギターの弦の振動数を直接数えたり, 音の高低や波形と比較することができる これまでは非常に高価で特殊なハイスピードカメラを使用しないとそのような映像を撮影することはできず, 学校現場で活用することはまず不可能であった それがこのデジタルカメラの登場で可能となった 図 5 はギターの第 6 弦を開放にして, はじいたときの弦の振動の様子を1 秒間に 600 コマの撮影モードで高速撮影したものである 図を見ると 8 コマでほぼ1 周期に対応しており振動数は 75Hz 程度であることが分かる 第 6 弦を開放にした音は音名で ほ音 ( ホ音 より1オクターブ低い ) であり ( 三善ほか,2005),12 音平均律 * では 82Hz になる このように高速撮影の映像をコマ送り再生することでギターの弦の振動数を数えることができる ちなみに第 6 弦の半分の長さのところを押さえて音を鳴らしてその映像から振動数を読み取るとほぼ 4 コマ分で 1 周期となり, 弦の長さと振動数の関係が楽器からでる可聴音を使って調べることができる これまでは音の高低と振動数を直接比較できないため, 1 音の高低と弦の長さを比較し, 音の聞こえない長い弦の振動 ( 数 Hz 程度 ) で振動数を読みとり, 弦の長さと比較することで弦の長さと振動数の関係を理解し, その結果音の高低と振動数の関係を理解させるか,2 音の高低とオシロスコープを使った波形を比較することであった 1は間接的で2は波形の意味がわかりにくいことから理解が難しかった 今回, 直接可聴音の振動数を数えることができるようになったことで, 振動数と音の高低の関係の理解が進むと同時に, 音学習がより身近なものになると期待できる 2) 交流電圧の学習交流の学習は現在 電流とその利用 の最後に発展学習として若干記載されている 新学習指導要領では正式に交流学習が含まれ, 重要な学習内容の一つとなる 現在教科書には, 交流の学習として発光ダイオードを用いて電流の向きが変わることを理解する教材が紹介されている ( 吉川ほか,2006) 交流の学習としては向きが変わることと同時に強さが変わること, さらにはその変化が1 秒間に 50 または 60Hz であることも述べられているが, それらを調べる学習はあげられていない 旧課程中学校技術家庭科の教科書 ( 鈴木ほか,1998) には, 一般家庭の蛍光灯が交流の周波数で1 秒間に 100( 関東地方 50Hz の倍 ) または 120 回 ( 関西 60Hz) 明暗を繰り返すことが示されている これを高速撮影してコマ送り再生すると, 蛍光灯がちらつくことはもちろん明暗の回数も数えることができる 関東と関西で撮影したものを比較すれば周波数の違いもわかる 図 6,7 はそれぞれ関東と関西で蛍光灯を 600 コマの撮影モードで撮影したものをコマ送り再生したものである 関東のほうは明暗が 6 コマ (1/100 秒 ) で 1 周期, 関西のほうは 5 コマ (1/120 秒 ) で1 周期になっていることがわかる つまり1 秒間にそれぞれ 100 及び 120 回明暗を繰り返すことが生徒たちの目で確認できる 家庭で使われる電源が交流であることを身近な蛍光灯の明るさから確認することで, 理科学習がより身近で生活に密接に結びついていることが理解できるのではないだろうか

6 *12 音平均律とは 1 オクターブで振動数が倍になり,1オクターブの中には半音が 12 あることから半音上がるごとに2 1/12 だけ振動数が大きくなるとして音階と振動数を対応させたもの 最後に 50m 走の学習は附属桃山中学校で実践させていただいた 音学習教材並びに交流学習は高木亜里子氏の協力で作成 撮影を行った ここに感謝します 図 6 蛍光灯を高速撮影したもの ( 関東 ) 図 7 蛍光灯を高速撮影したもの ( 関西 ) 文献沖花彰 2006 理科と体育を融合した新しいカリキュラム. 近畿の物理教育,12,6-11. 沖花彰ほか 3 名 2006 中学校理科実践教育 音楽を理科しよう の開発, 平成 17 年度京都教育大学教育研究改革 改善プロジェクト経費報告書. 岐阜大学教育学部理科教育講座理科教材データベース高速度カメラの世界, 国立教育政策研究所 平成 13 年度 15 年度小中学校教育課程実施状況調査. 鈴木寿雄ほか 120 名 1998 技術家庭上, 開隆堂,p.163, 東京. 三善晃ほか 3 名 2005 中学器楽音楽のおくりもの. 教育出版,p17 p.24( 全 88pp.), 東京. 文部科学省 2008 新学習指導要領 中学校学習指導要領 - 解説 -,135p. 吉川弘之ほか 46 名 2006 未来に広がるサイエンス 1 分野上, 啓林館,p.21( 全 155pp.), 大阪.

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