高校物理
け
天文研究
タ
教材利用
ッ
ホ
質
導出教材
事例
篠原秀雄 埼玉県立草加東高校 縣 秀彦 国立天文台 三好 真 国立天文台 松本直記 慶應義塾高校／国立天文台
）evelぞたmeそっ aそd Imたlemeそっaっじぞそ ぞf Teacしじそg Maっerじals fぞr －じgし Scしぞぞl Pしとsじcs Based ぞそ Asっrぞそぞmじcal Researcし ）aっa
- ）erじvじそg っしe Mass ぞf a Black －ぞle aそd a （しaそge じそ っしe Sっつdeそっs’ Sっつdと ，ぞals -
－じdeぞ Sしじそぞしara 。Sぞka-－じgasしじ Seそじぞr －じgし Scしぞぞl), －じdeしじkぞ Agaっa 。Naっじぞそal Asっrぞそぞmじcal Observaっぞrと ぞf Jaたaそ), Makぞっぞ Mじとぞsしじ 。Naっじぞそal Asっrぞそぞmじcal Observaっぞrと ぞf Jaたaそ), Naぞkじ Maっsつmぞっぞ 。Keじぞ Seそじぞr －じgし Scしぞぞl / Naっじぞそal Asっrぞそぞmじcal Observaっぞrと ぞf Jaたaそ)
概 要
定 銀河中心 巨大質 ホ 存 観測的 示唆 論文 タ 教材化 物理II け 運動や万 引力 法則 授業 中 実施 生 授業 学 知識 使い 論文 け 研究者 議論 遈筋 中心 体 質 求 物理 題材 文分 生 関心 高 学習 動機付け 効 あ 思わ こ 演習 通 自分 学
い 物理 う 実際 研究 利用 い 知 こ 体的 研究 タ 用 い こ 生 学習満足 高 こ 示唆 こ う 文学 論文
出 研究 タ 高校物理 教材 活用 こ 学習動機 高 能性 あ
Absっracっ
We have developed teaching materials based on the data from an article which suggested the existence of a super massive black hole in the center of the galaxy through observations. Students, using the knowledge they have gained in classes, will follow the same line of reasoning as the researcher in the article to attain the mass of the central object. Using physics on a high school level, teaching materials based on authentic resources drawn from an astronomy article in this way can change the students’ view of learning. These results suggest that it is possible to improve students’ motivation to learn physics through the use of these teaching resources.
1.
1.1 研究 動機 意義
定 高校 物理 授業 特 演習 い 生 整え 理想的 条件 公式 使 解答 得 いう活動 ほ
物理 単 演習問題 解
捉え あ 自然 学
物理学 来自然 深 理解
あ 高校 物理 学ぶ際 物理 学ぶ け 物理 理解 新 知見 生 出 こ 生 知
あ う
定 生 理 け 実習や実験
う捉え い う 一山 2003 大規模 アン 調査 自然や 学 対 興味関心 高 理 好 いう児童 生 割 学校 時点
高い 中学校 高校 課程
進 減少 い 対応
う 観察や実験 多 い 思議 こ 見 ほ い いう児童 生 割
減少 逆 教 書 わ や 明 ほ い いう割 増加 [1] こ
こ 高校生段階 け 理 学習 知的好奇心 動議付け
試験や 験 や
い 行わ い
実験や実習 学 対 興味 い 状態 学 面白 体験
学習 容理解 作業 捉え い 能性 高い 学 理 対 興味
関心 いわ 理 国際的
学力調査 TIMSS 指摘
2011 報告 4 理 勉強
楽 い 答 え 調 査 国 中
90％ 対 中 2 段階 63％
減少 い いわ
教育 進行 あ 時期 中
イン 改善 い [2] 興味 あ
対象 学習 あ 能動的 楽 組 う 興味 無い 必要 駆 学習 砂 噛 う 修行 他 い 筆者 縣 2003 学習 実際 研究 用 い う 真 正 資 源 authentic
resources 効果的 入 こ 児
童 生 関心 意欲 高 指摘 [3] 真正資源 大学や研究機関 最新情報 知的財産 研究資源 指
定 こ 実習 用い 真正資源 文 学 研究論文 載 い 観測 得
基 的 タ 論文 議論 基礎 タ 以 研究 タ 表記 出 論文中 研究者 実際
展開 い 議論 生 自身
問題 解い い いう教材 作 実際
授業 中 使 こ こ
自分 学 い 物理 実際 研究 場 自然 探究 理解 使 わ い こ 実感 物理学 興味
高 考え 定
定 文分 選 貫井 1976 [4]，鈴木 1992 [5]，高橋 2003 [6]
アン 調査 あ う 文分 学習 代 性別 問わ 興味 高いこ や 筆者 篠原 高校 物理 教え い 万 引力 文学 関連 分 生 強い興味 示 こ 感 い
あ こ こ 授業 アン 直
接調査
1.2 原論文 概要 意義
定 研究 利用 うけ 銀
河NGC4258 = M106 1 中心 巨大質
ホ 存 観測的 示唆
論文 あ [7] こ Miyoshi 1995
論文 概要 意義 以
図 1 N，（4258。M106) 国立天文台提供
NGC4258 銀河中心 速900km 高
速水メ 発見 一般 水メ
星間 分子雲 含 水分子 射 強力 波長幅 狭い電波 あ
Miyoshi NGC4258 高速水メ
中心 大質 ホ 関連
い 考え 空間構造 明 VLBI 超長基線電波 渉法 高空間分解能観測 行 結果
NGC4258 水メ 銀河中心 大質
体 周 あ 高速回転 盤
電波 あ こ わ 盤
法則 回転 い こ 考え 側ほ 速 回 い 運動 中心 あ 体 質 陽質 3700
万倍 計算 盤 半 1 程
中 陽 3700 万倍 質
詰 い こ 通常 星団
こ 高密 明 い 中心 巨大
質 ホ あ こ 強 示唆
ホ 存 強力 観測的証拠 いえ
定 解析 用い 法則 高校物
理 学習 巨大質 ホ 考
え 体 質 則 用い 正
確 測 例 NGC4258 観測
世界 初 あ 現時点 他
観測例 銀河系中心 Sgr A* い 今回 原論文 教材 高校物理 範 展開 能 あ 教育的 点 い
非常 大 意義 い
定 こ 論文中 タ 利用 運動や 万 引力 法則 使 中心 体 質 求 教材 作 実際 授業 行 授 業 前後 生 アン 調査 実施
文分 対 生 興味 関心や 論文 研究 タ 使 演習 こ い 評価 調
定 報告 作 教材 容や生 文分 関心 研究 タ 素材 演習問題 解 こ 対 生 評価 等 考察 文学 研究 タ 物理 授 業 使うこ 意義 い 提案 定
2. 研究 方法 2.1 研究 概要
定 恒星進化 最期 姿 形
ホ 質 い い 陽 数倍程 こ 別 活動的 中心 銀河 場 中心 巨大質
ホ い こ 観測的 強
示唆 う 例え 々
銀河系 中心 あ 巨大質 ホ 質 周 回 恒星 運動 推
[8] 水メ 用い 手法 陽
質 数千万倍以 発見 い
[7, 9, 10] 定
定 銀河 中心 体 ン 状 回転 雲 発 電波 水メ
効果 雲 回転速 わ 遠 複数 電波望遠鏡 組 わ 使うVLBI 観測 雲
置 精 決 回転半 わ
こ 雲 引 け 振
定 銀河系 2300 万 距
あ NGC4258 M106 銀河 対 こ
う 観測 結果 中心 陽
3700 万倍 大質 存 こ 明
正体 巨大質 ホ
あ 考え い [9, 10] こ 研
究 最終段階 中心 体 質 求
使わ い 高校物理 学習 運 動 万 引力 法則 知識 あ 計算 過程 高校生 十分 理解
あ
定 図 2 銀河中心 天体 質 求 原理 定
定 こ こ 論文 議論 拠
タ 抜 出
入 演習 ン 作 研究者 議論 遈筋 高校生 体験 う 考え 実際 演習部分 け 生
知識 足 い 補う
明 え 恒星 一生 や復習 容 入 講義 ン 作 演習 前
必要 知識 え こ 生 書 込 式 ン 資料 文 掲載 使 学習 進 授業者 筆者：篠原 パワ イン イ 主 使用
授業 進 定
定 生 観測 得 タ
値 物理 授業 学 知
識 組 わ NGC4258銀河 中心 あ
体 質 求 論文 結論 自分 計算結果 比較 検討 こ 活動 通
高校 学ぶ物理 知識 研究 最前線 自然探求 手段 使わ い いう こ 学 う 考え 定
定 教材 い 評価 授業 前 後 生 アン 調査 実施 授業 前 物理 イメ や 文学 興味 調 授業後 今回 授業 対 評価
再 物理 イメ 問い 授業 前後 傾向 変化 調 こ
文分 対 生 当 高い 関心 示 演習 中 実際 研究
タ 使うこ 物理 自然理解 あ 生 実感 こ い 点 調 定 定
2.2 教材 容
定 研究 教材 物理Ⅱ[11] け 運 動や万 引力 学習 後 実施 発展的
容 置 け 定
定 教材 構 展開 表 1 あ こ 容 2コ 1コ 65分授業 実施
う
定 万 引力 置エネ や脱出速 い 簡単 演習 含 復習
延長 体 脱出速 速
遉 体 ホ 考え
続い ホ う 極限的 体
う 生 う いうこ
知 恒星 一生 い 講義
恒星 最期 ホ
け 銀河中心 巨大質 ホ
存 い こ わ い
うこ 明 ここ い い
1時間目 容
定 こ 踏 え 2 時間目 実際 論文
出 タ
行う 論文 結論 自 分 計算結果 比較 検討
表 1 教材 構成 授業 展開定
＜1時間目
1 講義 万 引力 置エネ 脱出速
2 演習 地球表面 脱出速 求
3 講義 地球 質 ホ
大 考え
4 演習 地球 質 体 ホ
条件 考え
5 講義 恒星 一生 ホ
過程 明
＜2時間目
6 講義 ホ 観測 方法
い 明
7 演習 NGC4258 観 測 タ 中 心
体 質 求
8 講義
定 演習 使う 電波望遠鏡 VLBI
NGC4258 中心部 分子 雲
観測 得 あ 雲 回転
速 中心 距 対 ロ
い 3
定 こ 回転速 点
中心 距 運動 運動方
程式 用い 中心 体 質 求 4 こ 式 見 わ う 計算自体 易 実 ほ 高 い こ 演習 目的 複雑 計算 こ あ
自然理解 物理 意義
知 う いうこ こ 容
十分 あ 考え
定
図3 論文お8が 抜 出 N，（4258中心近
傍 ガ 雲 回転速度 中心 距離 関
係 示
縦 軸 回転 速度 横 軸 距離 中央 銀河 中 心 中心 さ 両側 速度 逆
い こ ガ 雲 回転運動 い こ
示 い ガ 雲 地球 見
真横 向 い 取 速度 回転速度 考え 差 支え い 左 端 右端 曲 線部 ガ 雲
運 動 速 度 視線 速度 見 え 部分
図4 運動 運動方程式 中心天体 質
求 計算 明部分 講義 ン
2.3 本教材 授業 実施 い
定 教材 使 授業 S県立W高等学校 第3学 物理Ⅱ 2講 計47 男 子 39 女子8 対 実施 実 施校 生 約9割 大学 進学 進学校 あ 対象 生 全員 四 制大学 進 学 希望 更 多数 理工系 進学
希望 い 物理 用い 験
理系 高校生 対象 授業 実践 定 授業 2009 8 31日 9 3日
計4日間 2講 2コ 計4コ 実施
定
定 前述 う 教材 容 2コ 完結 う 構 1コ 65分 1
コ 1.3単 前提 他
多 高校 い 1コ 50分授業
場 3コ 分 必要 う
2.4 目的達成 評価手段
定 実践 授業 前後 アン 実 施 生 評価 得 こ
定 アン 調 い 考え 主 次 2点 あ
(1) 生 高校理 分 興味持
い 文分 興味 関心
う
(2) 研究 タ 使うこ い 生
う評価 こ 実践
物理 自然理解 あ こ
感 え
定 。1) い 授業前 高校理 4 目 教 書 目次 掲載 大項目 選択肢 用意 単純 興味 あ 分 自由
選択 授業後 文分 素
材 用い 物理 授業 い 5 段階 評
価 定
定 。2) い 物理 対 イメ
験 必要 自然
理解 必要 択一 選
授業 前 後 傾向 変化 出
う 調 ここ 験 必要
自己 興味 関係 験 い う外的要因 行う学習 意味 自然
理解 必要 自然 探求
必要 学習 捉え 学 興味 高 状態 意味 い 考え 物
理 用い 験 生 当然
験 学習 一環 捉え あ 予想 前後 変化 明瞭 捉え
ここ あえ 選択肢 択一 選
定 授業前 物理 演習 対 望 い こ 回答 授業後 研究 タ 利用 演習 対 評価 5段階 評価 実際 アン 質問 容
次節 結果 示 定
3. 結果 考察
3.1 物理 授業 け 天文素材 効性 い
定 生 理 分 興味 い
定 物理選択者 アン あ 物 理分 興味 高い 当然 あ
物理分 抑え 文分 立
生 文分 高い興味 い
こ わ
表 2 理科 各分 対 興味 傾向
授業前 ン 調査
＜質問
次 項目 中 興味 あ あ い 好
複数回答
a)運動 エネ 定 b)波動定 c)電気定 d)物質
原子定 e)原子 原子 定 f)物質 構 定 g)物質
種類 性質定 h)物質 変化 i)物質 構造 化学
衡 定 j)生 活 物 質 定 k)生 命 物 質 定 l)細 胞
m)生 殖 発 生 定 n)遺 伝 定 o)環 境 動 物 反 応
p)環境 植物 反応定 q)地球 概観定 r)地球
部定 s)地球 歴史定 t)大気 海洋定 u)宇 構
＜集計結果 定 回答人数：45 ，以
1 定 宇 構 定 26人定
2 定 運動 エネ 定 22人定
3 定 電気 定 13人定
定 授業後 文素材 教材 利用
こ い 評価 質問
集計結果 表3 示 や 文 素材 使 こ 生 評価 非常 高い 定 前述 通 文分 関心 興味 高
い ホ い 傾向
顕著 あ 加藤 (2004) 大学1 生
対象 調査 示 う ホ
文系理系問わ 様々 学用語
中 認知率や興味 高
報告 い [12]
定 対象 物理選択者 限 中 調査
あ 多 生 様 宇
や 文 ホ 興味 高い 考
え 研究 授業 素材 使
学習 いう 生 高い評
価 考え こ こ
文分 素材 物理 教材 効
あ こ 示 い い う
表 3 天文素材 物理 教材 こ
い 評価 授業後 ン 調査
＜質問 定
今回 授業 演習 中心 置い ，定 実
際 文学 研究論文 抜 出 容
文学 素材 あ こ い ，
意見 聞 い 定
＜選択肢 集計結果
a 30人
b あ 13人
c いえ い 1人
d あ 0人
e 1人
※自由記述欄 意見
選択肢a, b 欄 ：
宇 文 興味 あ (多数)／教
書 ア ／授業 や い 容
／将来や こ わ
選択肢c, d, e 欄 ：
わ ／
3.2 研究 タ 用い 演習 効性 い
定 ここ 2 種類 質問 用意
生 物理 験 必要
え 自然理解
え 問う 授業 前後 調
比較 質問 集計結果 表 4 5 示
定 研究 対象生 理系 験生 あ こ
物理 験 必要
回答 絶対数 多い 当然 あ
解 答え 生 32.6％ 44.2％
昇 授業 通 物理 対
学習感 大 変化 言え い わ
験 あ 学
垣間見 い う
定
表 4 物理 対 メ 変化
授業前後 ン 比較
＜質問
物理 対 あ 持 い イメ
う 定 A B
選 い
定 定 A 験 必要
⇔定 B 自然 理解 必要
＜集計結果
選択肢 授業前 授業後
A 験 必要 29人 24人
B 自然理解 必要 14人 19人
0 5 10 15 20 25 30
授業前 授業後
人数
物理 何 た
受験 た 自然理解 た
図 5 物理 対 メ 変化
定 ここ 項目 け う 質問 授業前 物理 演習 対 望 こ 問い 授業後 研究 タ 使 演習 評
価 求 あ 質問 集計結
果 表5 示 授業前アン 生 物理演習 望 倒的 知識理 解増進 入試問題 演習 あ 6 複数回答 中 研究 タ 利用 回 答 生 9人 20％ 過 80％
生 自然 学 探究 望 い い
多 生 入試 いう外的
要因 学習動機 あ 自然 学 興味 い 的要因 学習 行わ い いこ 示 い
定
表 5 物理演習 望 こ 演習 研究
タ 使う事 評価 授業前後 ン
調査 定
▼物理演習 望 こ
＜質問
あ 物理 授業 問題演習 望 こ
何 複数回答
＜選択肢 集計結果
知識や理解 基 的 演習 28人
入試 出題 応用的 演習 30人
研究 タ 利用 現実的 演習 9人
▼演習 研究 タ 使 評価
＜質問
今回 授業 演習 中心 置い 実際
文学 研究論文 抜 出 容
研究論文 観測 タ 利用 こ
い 意見 聞 い
＜選択肢 集計結果
a 21人
b あ 18人
c いえ い 4人
d あ 1人
e 1人
※自由記述欄 意見
選択肢a, b 欄 ：
わ や ／ ア ／ 研 究
触 ／ 大 学 研 究 学 い こ
生 実 感 ／ 論 文 興 味 ／
タ 推 測 い 面 白 ／
実際 タ や 気 出
選択肢c, d, e 欄 ：
0 5 10 15 20 25 30 35
知識 理解増進 入試対策演習 研究デ タ利用
人数
物理演習 望 こ
図 6 物理演習 望 こ 授業前 ン
定 授業前 質問 わ う 研 究 タ 利用 期 自然 学
興味 行動 動機付け い い対
象 関わ 授業後 アン 研
究 タ 用い 演習 対
答え 生 割 87％ 遉 高い評価 得 こ わ
7
定 こ こ 研究 タ 用い 物理演
習 期 あ 実際 や
研究 タ 使 演 習 面 白 い いう評価 得 い こ わ こ
研究 タ 接 機会 生
研究 教材 組 こ
高 評価 いえ い う
0 5 10 15 20 25
て か
っ
た
か
っ
た
ち いえい
く
か
っ
た
て
く
か
っ
た
人数
研究デ タ利用演習 評価
図 7 演習 研究 タ 使 事 評価 授業後 ン
定 自由記述欄 書 回答 見 表5 肯 的 方 演習 素材 ア い い 評価や，自分 学 い こ 実際
研究 場 使え こ わ こ
評価 あ 否 的 意見 少
数 あ い 容 理解
いうコメン あ こ 点 い 教材 容 構 や 明 方法
検討 い
定 以 見 う 高校物理 学習 い 文分 題材 入 こ 生
興味 喚起 効果的 あ 考え 研究 タ 真正資源 用 い 教材 作 演習 行うこ 生 学習 容 実際 研究 関連 体験
学習 容 体的 タ 用い 結論
こ こ 演習 対
高い評価 得 一連 組
通 生 自然 学 対 興味 醸
こ い う こ
う 体験的 体的 真正資源 用い 演 習 学習項目 編 いけ 生 自 興味 持 実感 自然理解 目的 能動的 学習 進 目 昇華
筆者 考え い 定
4. わ
定 文 研究 タ 教材化 試
い 実践 試
い え 文 地学分 研究者や教
育者等 構 い PAOFITSワ ン
[13] 文学 研究用画像 標準形式 あ FITS画像 用い 宇 膨 張 ハ 則 出 恒星 HR
作 星団 距 求
い 教材 作 実践報告
い [14, 15] 他 陽観測
衛星 やX線観測衛星
中 あ [16, 17]
定 こ ほ 文分
わ 高校地学 教材 研究 作 進
い あ 論文 報告
う 文学 研究 タ 物理 学習 い 利用価値 非常 高い 定 定 教員自身 様々 論文や研究 果 直接ア セ 今回 う 教材
使え タ 自分 こ う
い 考え い 例え 国立 文
文 タセンタ 運営 SMOKA
タベ 望遠鏡や岡山 体物
理観測所 木曽観測所 撮影画像 公開
い [18] 既出 DARTS や
ぶ や 探査機 観測画像
公開 い [19] 真正資源 宝 庫 あ
定 文学 論文 検索 あ
え インタ ネ ADS いう研究 論文検索 イ あ [20] 筆者 こ イ
利用 論文中 や 他 必
要 情報 得 他 一般的 こ 国立情報学研究所 CiNii [21]や Google 論文検索 ビ Google Scholar [22]
あ こ 文学 限 広い分
論文 検索 以前 自 研
究者 あ 研究者 強い 持 教員 い限 研究 う 実際 研 究 タ 利用 教材 開発
う 魅力あ 教材 作 非常 恵
時代 いえ 筆者 前述
教材開発各 所属 情報交換
他 文 研究 タ 物
理教材 利用 う 研究活動 続 け い 予 あ 定
定
※ 研究 日 文学会2009 地留学 埼玉県2009 長期研修 2014 慶應義塾一貫教育校国 長期研修 研究
実施 定 定
文献 注釈
[1] 一山 樹ほ 2003 ， 理 嫌い 理
関 意 識 理 研 究 あ 方 関 研究 ，兵庫県立教育研修所研究紀 要，113：25-34
[2] 国立教育 策研究所 2011 ，IEA国際数 学 理 教育動向調査 2011 調査， http://www.nier.go.jp/timss/2011/ [3] 縣 彦 2003 ， 大学 研究機関
学 校 教 育 支 援 活 動 あ 方 関 実 証 的研究 ，東京学芸大学博士論文
[4] 貫井正納ほ 1976 ， 中 高校児 童 生 け 理 学習 興味 い
研究 ，千葉大学教育学部研究紀要，25： 21-30
[5] 鈴木文 1992 ， い ,中 高生 文
意 識 う い ， 文 報, 85(10)：461-463
[6] 高橋 嗣ほ 2003 ， 総 的 学習
時間 け 遠隔学習 入 用性 関 考察 ，学際研究，16(1)：1820-1830 [7] Makoto Miyoshi et al. (1995)， ‘Evidence
for a black hole from high rotation velocities in a sub-parsec region of NGC4258’ , Nature, 373：127-129
[8] Rainer. Schödel et al. (2002)， ‘A star in a 15.2-year orbit around the super- massive black hole at the centre of the Milky Way’, Nature, 419：694-696 [9] Yuko Ishihara et al. (2001) ，
‘Water-Vapor Maser Emission from the Seyfert 2 Galaxy IC 2560: Evidence for a Super-Massive Black Hole’, PASJ, 53： 215-225
Nucleus of the Galaxy IC 1481’, PASJ, 61：1143-1151
[11] 旧学習指 要領 け 目 現行指
要領 物理 4単 該当
[12] 加藤万里子ほ 2004 , 大学一 生 物理 関心 知識 調査 , 慶應義 塾大学日 紀要 自然 学, 35：45-61 [13] PAOFITS，http://paofits.nao.ac.jp/ [14] 原 正ほ 2008 ，地学教育, 61(4)：
113-122
[15] 原 正ほ 2009 ，地学教育, 62(5)： 151-165
[16] PAONET 活用ワ ン
，http://hinode.nao.ac.jp/pao_hinode/
[17] 衛星観測 タ 用い 宇 学教材，
http://www.darts.isas.jaxa.jp/outreach/index.html.ja
[18] SMOKA，
http://smoka.nao.ac.jp/index.ja.jsp [19] DARTS，
http://www.darts.isas.jaxa.jp/index.html.ja
[20] ADS，http://www.adsabs.harvard.edu/ [21] CiNii，http://ci.nii.ac.jp/
[22] Google Scholar，
http://scholar.google.co.jp/schhp?hl=ja
篠原 秀雄
hideo-s@js2.so-net.ne.jp
縣 秀彦
h.agata@nao.ac.jp
三好 真
makoto.miyoshi@nao.ac.jp
松本 直記
