分光実験 テ ラーニン 天文学 7
天文教育 2016 7 月号 Vぞl.28 Nぞ.4
分 光 実 験
テ
ラ ー ニ ン
天 文 学
藤 田 あ 美 信 州 大 学 工 学 部
Spectroscopy Lab in an Activity-Based Astronomy Course
Akimi Fujita (Faculty of Engineering, Shinshu University)
概 要
体 集 析 中 隠 情 報 体
び 体 間 様 子 探 求 文 物 理 学 あ 学 基 盤 あ
物 質 相 互 作 用 概 念 的 理 解 講 義 室 内 輝 線 や 吸 線 観 測 実 験
探 求 学 習 過 去6 間 渡 実 施 実 験 ワ 中 心
学 生 主 体 協 学 習 効 果 測 開 発 学 概 念 調 査 Light
and Spectroscopy Concept Inventory-LSCI [1] 実 施 所 学 生 学 び ン
能 動 参 加 型 授 業 け ン 以 あ 文 学 基 概 念 理 解
実 験 体 験 的 要 素 要 あ 示 唆
Abstract
Light is the main means by which astronomers study most astronomical phenomena. Thus, spectroscopy, the study of dispersed light based on the interaction between matter and light, lies at the heart of astrophysics. In order to promote the conceptual understanding of spectroscopy and its use in astronomy, “Spectroscopy Lab” is developed to observe emission and absorption lines in an ordinary classroom and has been incorporated into an introductory astronomy course for use by collaborative student learning groups. The effectiveness of this lab-based, learner-centered instruction as well as students’ conceptual understanding are evaluated by a research-validated assessment tool, “Light and Spectroscopy Concept Inventory (LSCI) [1],” and the results demonstrate that the students’ learning gains on this topic are greater than or equal to the gains observed in activity engagement astronomy courses at American universities. This suggests the importance of incorporating “hands-on,” “eyes-on” observations/activities in astronomy courses. (Received: 15 April, 2016, Accepted: 19 June, 2016)
1 . め に
文 学 日 米 両 国 大 学 け 自 然 科 学
系 教 養 科 目 最 学 生 人 気 あ 科 目
１ う あ ほ 学 生
地 球 外 生 命
い い 言 葉 惹 星
学 習 学 問 や 占 星 学 勘 い 文 学
授 業 選 択 う 学 生 々
何 教 え う ？ 宇 空 間 距
時 間 形 態 感 覚 掴 広 大
宇 け 地 球 陽 系 存 考 え
け 目 的 大 学 学 ぶ 必 要 い
あ う や ン ネ 素 晴 い
情 報 画 像 動 画 等 溢 い あ
教 養 文 学 い 学 生 基
的 物 理 法 則 理 解 適 応 宇
現 象 探 求 方 法 学 ぶ い
う ？
文 学 最 要 物 理 概 念 ― 電 磁 波
― あ 多 く 文 学 者 考 え [2][3]
文 学 者 体 放 析
宇 現 象 解 明 い く あ 例 え
目 見 え 視 目 見
え い X線 赤 外 線 波
あ 目 見 え い 宇 観 様 々
姿 見 え く 陽 い ― 陽
赤 い い う 素 朴 概 念 持 い 学 生
多 い ― 実 ７ 色 く 見
連 続 的 連 ７ 色 所 々 色 け
い わ く 性 質
物 質 相 互 作 用 物 理 概 念 理 解
例 え 星 温 化 学 組 大
質 知 々 星
距 や 星 間 空 間 存 物 質 布 や
物 理 求 文
学 学 ぶ 一 番 学 生 躓 く
特 学 あ [4] 例 え 原 子
吸 線 放 射 勘 い 続 け
学 生 多 い[5]
学 生 実 際 手 足 使 い 現 実 関 連
問 題 組 最 効 果 的
物 理 概 念 理 解 数 十 わ
物 理 教 育 研 究 明 [6][7]
文 学 教 育 い 例 え
ン 大 学 文 学 入 門 授 業
学 探 求 具 ソ 用 い
Project LITE: Light Inquiry Through Experiment 使 用 能 動 参 加 的 実 験 要 素
入 い [8] 日 中 等 教 育
い 器 使 探 索[9]や
実 際 星 析 通 学 習[10]
行 わ い 論 文 物 質
相 互 作 用 概 念 的 理 解 深 講 義 室 内
あ ゆ 析 宇 現 象 探 求 方
法 学 ぶ 実 験 Spectroscopy Lab 紹
共 実 験 前 後 学 生
学 関 概 念 的 理 解 測 結 果 示
2. 実 施 に つ い
以 紹 実 験
ン ン 大 学 Teresa Schulz教 授 共 開
発 始 あ 著 者 実 験
入 現 代 文 学 入 門 授 業
Astronomy 101 ン ン 大 学
い 2010 2012 け 8 岐
阜 大 学 い 25 前 期 1
信 州 大 学 い 26 27
前 期 1 担 当 27
前 期 工 学 部 修 士1,2 生 対 象 現 代 文 学 入 門 授 業 全 英 語 行 表1
表1 各 大 学 に け 授 業 形 態
注 ： 全 大 学 に い 学 期 15週
岐 阜 大 学 び 信 州 大 学 教 員 講 義
極 力 控 え 協 探 求 型 授
業 ニ ン 文学
ン
ン 大
岐 阜 大 信 州 大 信 州 大
工
対 象 教 養 教 養 教 養 修 士
授 業 数 週2 週1 週1 週1
授 業 時 間
150 90 90 90
学 生 数 30人 前 後
50人
以
50人
以
6人
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天文教育 2016 7 月号 Vぞl.28 Nぞ.4 Activity-Based Astronomy 目 指
い 実 験 授 業 筋 け い く ワ
ョ 方 式[11]や 課 題 ワ
基 盤 議 論 探 求
ュ 方 式[12]
形 式 ン ョ ン 風[13]
劇 入 能 動 参 加 型 ュ
開 発 い ュ 方 式 ワ
Lecture-Tutorials for Introductory Astronomy[14] 抜 粋
著 者 許 得 訳 使 用 い
教 科 書 一 使 い い 一 方
学 内 e-Learning ネ ワ 使 用 ワ ン 及 び 関 連 文 献 や 動 画
い く 文 学 入 門 け 学 生 理 解 教 科 書 有 無 相
関 関 い い う 研 究 結 果 あ あ
[15]
情 報 得 物
質 相 互 作 用 理 解 必 要 あ
教 養 い 簡 単 原 子 構 造 理
解 連 続 放 射 あ い 輝 線
発 吸 線 生 出 物 理 的 状 況
( 法 則) 理 解 け
い 全15週 2週 合 計3時 間 使 実 験 行 い 時 Lecture-定
Tutorials for Introductory Astronomy
原 子 構 造 学 ぶ 原 子(Light
and Atoms) 法 則 学 ぶ
(Type of Spectra)
ワ 使 い ュ 行 う
実 験 4-5人 組 学
学 ぶ 前 学 生 電 磁 波 性 質 や 黒 体 放 射
い 学 び 熱 灯 蛍 灯 LED,定
身 近 あ 源
観 察 連 続 輝 線
い 触 い
3. 分 光 実 験
実 験 輝 線 実 験 吸 線 実 験 わ
ワ 用 意 い
寄 格
子 約5315 /cm 使 用 図
1: 単 価35 ン 実 験 結 果
視 記 録 色 鉛 筆 使 用 い
図1 分 光 ラ ス お16が
3.1 輝 線 ス ペ ト ル
輝 線 実 験 大 学 基 礎 物 理 学 授 業 必 使 わ 高 電 電 源 装 置
管 使 う 図2 高 価 特
日 実 際 目 あ ゆ 単 一 発
輝 線 見 聞 一 見
効 果 あ 思 わ
主 水 素 立 宇 観 察 水
素 線 非 常 役 立 特 水 素Balmer線
視 領 域 あ 中 最 明 い
Hα輝 線 652nm 波 長 赤 あ 有
用 あ 例 え Hα輝 線 使 い 放 射 や 衝
撃 波 電 水 素 探 索
外 ネ 電 放 射
衝 撃 波 け 水 素 原 子 輝 線 発
？ 実 験 ： 輝 線 ワ
誘 状 況 原 子 構
造 学 習 ワ 一 部 図
3 示
学 生 用 意
酸 素 ネ ン ン
観 察 既 知 原 子 図
全 正 解 追 加
点 え 追 加 点 狙 い 学 生
や 気 出 く う あ
最 後 管 2種 類
入 発
輝 線 発 宇 体 状 況
明 応 用 問 題 組
図2 高 電 圧 電 源 装 置 水 素 ス ペ ト ル 管
ラ ー 写 真 み 水 素 ス 赤 ン 色 に
発 光 い わ
3.2 吸 収 線 ス ペ ト ル
学 生 吸 線 い 概 念
あ 原 子 吸 線 放 射 ？[5] 例
え 恒 星 観 察 視 線 あ
密 恒 星 大 気 や 星 間 あ
構 原 子 背 景 放 射 一 値
ネ 吸 吸 線
い う 物 理 状 況 理 解 必
要 あ 一 吸
Lee Filter社 舞 演 出 照 明
用 Lee Theatre Color Filters 使 い 熱 灯
図3 輝 線 ス ペ ト ル ワ ー シ ー ト 一 部
分光実験 テ ラーニン 天文学 11
天文教育 2016 7 月号 Vぞl.28 Nぞ.4
図4 原 子 ス ペ ト ル
連 続 放 射 観 察 図5 熱 灯 高 温 高 密 体 恒 星
観 測 観 測 者
体 間 あ 密 雲
(図6)
生 出 吸 線 予 想
立 後 実 際 観 察 結 果 図7 吸
線 表 比 較 全
正 解 追 加 点 え
吸 線 ワ 最 後
ン 問 題 学 生 誘
宇 空 間 あ 水 素 雲
Lymanα吸 線 紫 外 線λ=121nm 地
望 遠 鏡 観 測 ？ 観 察 場 合
い 場 合 あ 理 何
う い う 状 況 観 察 い
図5 Lごご Tしごatrご （ぞlぞr Fじltごrs
図6 白 熱 灯 分 光 ラ ス
明 い う あ 学 生 あ
ゆ 波 長 帯 望 遠 鏡 地 球 大 気 関 及 び
効 果 い 学 い
あ 教 員 誘
い 問 題 あ ’hands-on’
‘eyes-on’ 実 験 通 学 概 念 現 実 問
題 応 用 術 学 け 科 学 い
例 え Lyα吸 線 使 銀 河 間 Lyα
forest clouds 布 や 再 電 歴 史 探 求
効 率 く 遠 方 銀 河 Lyman break
galaxies 発 見 例 あ
議 論 宇 探 求 方 法 学 ぶ
定
図7 Lごご Fじ ltごrs 吸 収 ス ペ ト ル
ル ー 波 長 透 過 率 を
表
4. 光 分 光 学 概 念 調 査 結 果
実 験 通 協 学 習 学
生 及 び 学 基 礎 概 念 理 解
析 宇 探 求
い う 文 学 全 体 像 把 握
問 題 あ 26～27 信
州 大 学 い 研 究 検 証
Light and Spectroscopy Concept Inventory LSCI: 学 概 念 調 査 [1] 和 訳
使 い 学 生 学 概 念 理 解 調 査 LSCI 全26 多 肢 選 択 問 題
電 磁 波 原 子(物 質)構 造 物 質 相 互 作 用 輝 線 吸 線 黒 体
放 射(連 続 放 射) ン ン 法
則 ン 法 則 法 則
基 い 星 温 色 大 関
HR図 基 概 念 理
解 い 問 わ 調 査 実
験 事 前 事 後 あ 文 学 入 門 授 業 第1週 第15週 目 行
表 2 信 州 大 学 26 実 施
教 養 科 目 S14 27 実 施 教
養 科 目 S15 修 士 生 対 象 選 択 科 目
S15MA け LSCI 結 果 示
N 講 生 数 Pre 事 前 調 査 Post
事 後 調 査 け 正 答 率 均 %
Gain ン 事 後 調 査 均 事 前
調 査 均 引 い 差 ＝Post-Pre 正 答 率 伸 び 示 <g> 規 格 化 ン
あ 得 点 昇 能 最 大 昇 幅 対
比 授 業 有 効 性 指 標 以
う 義 [18]：
<g>=(Post% – Pre%) 平 (100 – Pre%)
例 え <g>=0.5 あ 授 業 い 初 期 正 答 率 均 値 50% 昇 見
意 味 調 査 結 果
検 有 意 水 準 5%以
正 規 布 あ 仮 t t 検
値 事 前 事 後 均 ン サ ン
ン 変 動 く 統 計 的 有 意 あ
示 t 布 い 95%信 頼
区 間 外 側 来 確 率 p(有 意 差) 求
p<5% あ 統 計 的 有 意 あ
言 え
S14 工 学 部 い 学 部2 生 以 対
象 行 授 業 あ 講 生 極 端 少
い 信 州 大 学 工 学 部 生 1 松
ン 過 2 工 学 部 あ
長 ン 移 動 1時 間 以 要
移 全 教 養 必 修 単 数 1
得 う 指 示 け い あ
S15 松 ン 行 一 方S15MA
分光実験 テ ラーニン 天文学 13
天文教育 2016 7 月号 Vぞl.28 Nぞ.4
表2 LS（I 結 果
N
Pre (%)
Post (%)
Gain (%)
<g> t P
S14 7 27.5 54.9 27.4 0.38 5.34 0.001 S15 28 32.1 63.3 31.2 0.46 10.44 0.000 S15MA 5 27.7 73.8 46.1 0.64 5.41 0.003
英 語 け 教 育 け 留 学 生4 1
家 庭 事 情 14 週 来 く
英 語 教 育 け
い 日 人 学 生2 講 留 学 生 日 人 学 生 間 績 差 異
図 8 LSCI け 正 答 率 伸 び( ン) 事 前 正 答 率 対
あ 調 査 事 前 均 27.5%
32.1% 事 後 均 54.9% 73.8%
あ t検 有 意 差 p ~ 0.001 ≪0.05 あ 調 査 正 答 率 伸 び 統 計
的 有 意 あ 示
図 8 LSCI 開 発 者 一 人 あ Bardar 2008:B08 2005～2006
26大 学34 行 調 査 結 果[16]
Rudolph 2013:R13
調 査 結 果[15] <g> 直 線 示 B08
Active Engagement AE ン
ョ ン 使 用 く 伝 統 的 講 義
中 Project LITE 宿 題 課 能 動 的 参 加 型 授 業 結 果 あ Lecture
Tutorials LT 使 用 能 動 参 加 的 授 業
B08 Active Engagement LT AE LT
表 記 B08 Traditional T 伝 統 的 講 義 授 業 結 果 あ B08 Online
for Teachers 文 教 員 対 象 ン ン
行 授 業 結 果 あ R13 LT 使 用 教 科 書 一 使 わ 授 業 結 果 あ
図 明 何 能 動 参 加
的 要 素 入 授 業 け ン
伝 統 的 講 義 け ン 大 い
あ 結 果 Hake 1998 [18]や ン 大 学 物 理 教 育 研 究 [19]
, 力 学 概 念 理 解 調 査 FCI: Force
Concept Inventory 用 い 各 教 育 手 法 比
較 研 究 結 果 一 致 い
実 験 入 授 業
ン B08やR13 ン 以 あ わ
規 格 化 ン 均 比
<g>S = 0.49±0.11sd1
for S14, S15, S15MA (n=3)
<g>AE = 0.27±0.10sd
for B08 AE (n=5)
<g>AE LT = 0.24±0.10sd
for B08 AE LT (n=6)
<g>T = 0.15±0.06sd
for B08 T (p<0.05)2 (n=16)
あ サ ン 数 n 少 い い え
調 査 規 格 化 ン B08 能 動 参 加
的 授 業 規 格 化 ン 2倍 あ
R13 規 格 化 ン<g>R=0.38 比
高 い
1 sd
＝standard deviation 標 準 偏 差
2 B08 伝 統 的 講 義 授 業 結 果 統 計 的 有
図8 LS（I 測 定 教 育 法 効 果
事 前 調 査 値 Prご に 対 事 後 調 査 均 事 前 調 査 均 を 引 い 差 ゲ ン ，aじ そ 分 布 を 表 ッ シ ュ 線 <g> 一 定 値0 .1 0. 25 0.5を 示
5. 考 察
実 験 入 授 業 高 ン
実 験 教 育 効 果 う 識
必 要 あ 高 ン 要 因 考
え 1 講 生 数 2 15 週 中
LSCI 扱 う 文 物 理 概 念 学 時 間
数 3 Lecture Tutorials LT 使 用 あ
1 S15MA ン 46.1％ あ 特 高
い 教 員1人 対 5-6人 少 人 数 授 業 あ 教 員 1人1人 学 生 学 び
注 意 払 い
い う 能 性 あ 講
生 7人 あ S14 ン 27.4% あ
B08 ン 最 高 値 相 当
あ S15MA ン 6割 満 い
講 生28人 S15 ン 31.2%
あ S14 B08 ン 最 高 値
高 い 一 方 期 ワ 等
結 果 断 修 士 生 学 部 生 能
力 及 び 理 解 差 異 最 終 績
秀 あ 学 部 生 6 い 全 員S15
修 士 生 0 あ 研 究 析
対 象 ３ 例 講 生 数
程 高 ン 寄 結 論 付 け
い
参 考 講 生 50人 以 50人 以
分光実験 テ ラーニン 天文学 15
天文教育 2016 7 月号 Vぞl.28 Nぞ.4
表3 受 講 生 数 N 比 較
N >
50
均 学 生
数
(人)
N < 50
均 学 生
数
(人)
Traditional 5 125 11 27
AE 5 98 6 33
AE LT+R13 4+1 84 2 30 S14,
S15,S15MA 0 3 13
記 B08 調 査 様 々 サ
授 業 調 査 対 象 い
2 信 州 大 学 い LSCI 調 査 含
文 物 理 学 概 念 4章 学 習
360 全 授 業 時 間 26% 使 用
15 週 週 90 B08 授 業 内 容 明
い R13 い 420 全
授 業 時 間 18% 使 用 い 10週 週2
ェ120 日 授 業 形 態 異
大 学 け 文 学 入 門 授
業 全 授 業 時 間 履 修 内 容 共 約2倍 得 単 1.5~2倍 あ
信 州 大 学 い LSCI 関 連 課 題 学 ぶ 時 間 数 比 較 的 多 わ け
い
3 信 州 大 学 実 験 時 LT
原 子 Light and Atoms
Type of Spectra ワ
使 い ュ 行
実 験 LSCI 調 査 含 概
念 扱 うLTワ 5 使 用
調査 け 規格 化 ン <g>S = 0.49±0.11sd あ LT 活 用
授 業 規 格 化 ン <g>LT = 0.24±0.10sd <g>R=0.38以 値 あ LT
ュ 調 査 高 ン
唯 一 要 因 い 示 唆 い
高 ン 関 能 要 因 対
わ わ 研 究 析 対 象
３ 例 授 業 け 実 験 入 教
育 手 法 効 果 大 い い 考 え
行 実 験 用 い 教 育 手 法
Pricilla W. Laws Dickinson College 開
発 実 験 や 課 題 授 業 筋 け
い く ワ ョ 方 式[11] 要 素 多 く 含
大 学 初 力 学 授 業 い ワ
ョ 方 式 学 生 概 念 理 解
昇 率 伝 統 的 講 義 昇 率
2-3 倍 以 あ ワ ョ 方 式 入
後 期 昇 率 関 ュ 方
式 昇 率 比 2倍 あ
い う 研 究 結 果 あ [19] 学 生 実 際 手 足 使 い 現 実 問 題 real-world
problems 組 物 理 法 則 発
見 い く い う 誘 発 見 型 授 業 高 い 教 育 効 果 意 味 い 論 文 け 調 査
結 果 力 学 授 業 い 文
学 授 業 い 実 験 体 験 要 素 入
要 性 示 い
わ わ 実 践 結 果
け 高 ン 要 因 述
少 人 数 教 育 寄 能 性 加 え 回 講 生 集 団 何 特 性 や 授 業 者 特 性
あ 能 性 排 除 い 学 実 験
教 育 効 果 明 LSCI
調 査 日 他 大 学 い 行 い 結 果
比 較 必 要 あ
6. わ に
文 学 観 測 科 学 あ 文 学
扱 う 現 実 real-world
あ 文 学 問 題 problems 解 く 析 情 報 抽 出
あ 大 学 教 育 い
実 際 用 い 問 題 解 く 望 い
望 遠 鏡 使 い 学 習 能 近 い 多 く 大 学 望 遠 鏡 け 夜 中 授 業
行 う い あ
ほ 文 学 授 業 伝 統 的 講 義
行 わ い 現 状 あ
実 際 現 実 使
や ュ 問 題 く
学 ぶ う あ
大 学 初 物 理 学 及 び 文 学 授 業 い
伝 統 的 講 義 教 育 効 果 い
明 い 教 員
従 来 授 業 何 能 動 参 加 的 要 素
入 い く あ 意 味 い
初 文 学 授 業 著 者 高
教 育 効 果 望 ワ ョ 方 式 力
学 教 養 授 業 入 試
い [20]
26～27 信 州 大 学 実 施
ニ ン 文 学 授 業 全 授 業
時 間 等 制 限 ン ン 大 学
行 い 実 際 星 銀 河
析 省 い い 日 大 学 い 日
授 業 形 態 授 業 担 当 始 数
多 く 課 題 多 く 情 報 一 方
的 伝 結 局 学 生 自 興 味 あ
1~2 情 報 覚 え い い 一 方 研
究 実 験 学 生 主 体 協
学 習 教 育 効 果 高 い 明
教 員 講 義 20～30 以
抑 え 予 あ 実 際
析 入 ュ 組 い
情 報 伝 限 ネ 予 習
行 い( 転 授 業) 学 生 主 体 現 実 問 題 組 hands-on eyes-on
brains-on 文 学 授 業 ワ
ョ 文 学 開 発 目 指 い
研 究 科 学 研 究 費 補 助 金 基 盤 研 究（ 課 題 番 号「6」501重1 助 け 行 定
文 献
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[20] 藤 あ 美 2016 空 手 力 学 ― 誘
発 見 型 ワ ョ 物 理 入 ― 大 学
物 理 教 育, 22-2, 83
