中 学 第 二 分 野
天体ライブ配信教材の開発と実践
宮城県大崎市立古川東中学校齋 藤 弘一郎
＊ （業績分担者）宮城教育大学 高 田 淑 子＊＊ （業績分担者）国立天文台 水沢 VERA 観測所・石垣島天文台 宮 地 竹 史＊＊＊ （業績分担者）宮城県仙台市立吉成中学校 門 脇 駿＊＊＊＊ ＊ ＊＊ ＊＊＊ さいとう こういちろう 宮城県大崎市立古川東中学校 教諭 〒 989-6117 宮城県大崎市古川旭 4-5-1 ☎（0229）24-0444 E-mail [email protected] たかた としこ 宮城教育大学理科教育講座 教授 〒 980-0845 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 149 ☎（022）214-2415 みやじ たけし 国立天文台水沢 VERA 観測所・石垣島天文台 副所長目 的
中学校で行う天体の観察は、さまざまな制約があり 授業中だけでは不十分である。一方で、観察をシミュ レーションソフトやモデルで置き換える学習には疑問 が残る。 そこで、インターネットや IT 機器を活用し、天体 のライブ配信を行い、その記録を用いて学習を展開で きる教材を開発した。 Ⅰ．太陽の日周運動ライブ配信「ぜんてん」 太陽の日周運動を撮像した画像から、季節による変 化を導き、季節による日周運動の違いを調べさせる。 Ⅱ．昼の金星のライブ配信「金星ライブ望遠鏡」 生徒が学校で活動する昼に金星を観察することで、 その満ち欠けや視直径の変化を調べさせる。 Ⅲ．地球儀モデル「地球儀全天カメラ」 地球儀とカメラによる太陽の日周運動、季節による 違い、観測地の緯度経度による違いをモデルで再現 し、観察結果と関連づけて理解させる。概 要
Ⅰ．「ぜんてん」 魚眼レンズをつけた全天カメラを屋外に設置し、太 陽を撮像する。画像を常時インターネット上に配信す ると共に、データを蓄積することで、授業時に季節ご との比較ができる（http://zenten.miyakyo-u.ac.jp/） 全天カメラは仙台市と、石垣市の 2 カ所（緯度経度 が約 15°異なる）に設置した。 図 2 ぜんてん公開ウェブサイト 図 1 ぜんてん概要Ⅱ．「金星ライブ望遠鏡」 望遠鏡に CCD デジタルアイピースを取り付け、昼 の金星を撮像し、室内のモニタにワイヤレスでリアル タイムで配信する。金星の満ち欠け、視直径の変化を 継続的に観察する。 望遠鏡を含めた機器はその都度設置、回収が可能で ある。設置から配信まで 1 人で行った場合でも所要時 間が 30 分程度である。 構築に必要な機材の合計価格は 182,162 円（コン ピュータを除く）である。 Ⅲ．「地球儀全天カメラ」 地球儀に固定した魚眼レンズ付き小型ワイヤレスカ メラで、太陽の日周運動等を再現する。 従来の方法では、カメラの画角により自転に伴って カメラの向きが変わり、画面上の方位が変化するため 方位の把握が困難であった。魚眼レンズを取り付ける ことで、カメラを天頂方向へ固定したまま、全天球上 を視野に入れることができる。画面の上下左右が常に 北南東西に対応し、方位や高度の把握が容易である。
教材・教具の製作方法
Ⅰ．「ぜんてん」 1． 撮像部 ネットワーク対応カメラに魚眼コンバージョンレン ズ（魚露目 8 号）を両面テープで接着する。ケース（タ カチ：防水防塵ボックス）に穴（φ 2.4cm）を開け、 アクリルドームでカバーする。カメラをケースに入れ 屋外に設置した。 カメラとのデータの送受信は無線で行うと配線は 100V 電源のみである。カメラ材料費は 50,000 円ほど で、ネットワークと電源の確保ができれば設置可能で ある。 図 3 金星ライブ望遠鏡概要 写真 1 撮影した金星（左）、屋内のモニタに配信（右） 写真 2 地球儀全天カメラと白熱灯 写真 3 全天カメラ 図 4 地球儀全天カメラ概要2． サーバー部 カメラの画像をインターネットに公開するためのプ ログラムを自作した。プログラムの主な機能は、カメ ラ画像の取得、加工（目盛り、時刻、観測地名の合成）、 画像保存、公開用 Html テキストおよびカレンダー用 Html テキストの作成である。これらを Perl 言語で作 成し制御した。 Ⅱ．「金星ライブ望遠鏡」 1． 望遠鏡部 手動で昼の金星を導入するのは困難なため、自動導 入可能な経緯台（Vixen : SkyPod 経緯台）を用いる。 小型の望遠鏡（Kenko : SE-120 f=600mm）を搭載し、 バローレンズ（× 2）により焦点距離を延長、CCD デジタルアイピース（Celestron : NexImage）で撮像 する。 フリップミラーを用いてズームアイピースを取り付 け、導入から撮像のワンタッチで切り替え可能にした。 デジタルアイピースでの撮像ではピント調節が微動 になるため、モーターフォーカサーを取り付けた。 2． 撮像、映像配信 PC PC にデジタルアイピースを USB 接続し撮像する。 同時に SkyPod 経緯台とクロスケーブルで接続し、天 文シミュレーションソフト（ステラナビゲータ 9）の 望遠鏡コントロール機能を用いて望遠鏡を操作する。 3． 室内のモニタ 無線 LAN ルーターを用いて、屋外に設置した撮 像・映像配信 PC と、室内のモニタ PC を接続する。 室内のモニタに画像を配信すると共に、室内からの望 遠鏡の遠隔操作を可能とした。 4． 望遠鏡設置から配信までの手順 配 信 を 行 う に は、 屋 外 に 望 遠 鏡 一 式 を 設 置、 SkyPod 経緯台に撮像・映像配信 PC を接続する。鏡 筒を水平西に向けた後、太陽を導入し、白い板にファ 輝く金星が収まる。金星を視野中央に合わせた後、フ リップミラーをデジタルアイピース側に切り替える。 撮 像・ 配 信 PC の モ ニ タ を 見 な が ら、 モ ー タ ー フォーカサーでピントを合わせる。 室内のモニタ PC をリモートデスクトップ機能で、 撮像・配信 PC に無線接続し、金星のライブ映像を室 内のモニタに配信する。金星の自動追尾を行うが、30 分ごとに望遠鏡の向きを手動で微調整する必要がある。 慣れれば設置から配信まで 30 分程度で行える。配 信終了後は機材一式を撤去する。 Ⅲ．「地球儀全天カメラ」 防犯用のワイヤレス小型カメラに、全天カメラに使 用した魚眼レンズ（魚露目 8 号）を取り付け、地球儀 に取り付ける。 地球儀はアクリル半球を 2 個合わせて、内側から キャノンペーパークラフトの地球儀を貼り付けた。カ メラ用三脚に固定したため、地軸の傾きを変えること ができる。画像はカメラ付属のレシーバーで受信し、 スクリーン等に表示する。 カメラは 9V 電池で動作するため、ワイヤレスでの 使用が可能である。
学習指導方法
Ⅰ．「ぜんてん」 1． 太陽の日周運動の記録 全天カメラによる冬至の太陽の位置を 1 時間ごと透 明半球（ヤガミ : 目盛り入り透明半球）に記録する。 記録は内側からシール（エーワン : カラーラベル透明 タイプ）を貼り付ける。 記録から日の出、日没の時刻、昼夜の長さを求め、 写真 4 金星ライブ望遠鏡の構築 写真 5 地球儀全天カメラの製作2． 季節によるちがい 同様に夏至、秋分の太陽を記録し、その記録から、 日の出、日没の時刻、昼夜の長さを求め、南中高度、 南中時刻を求める。季節によって、これらが変化する ことを見つけ、その原因について推測する。 3． 緯度による違い 仙台市と石垣市の記録の違いを予想し、全天カメラ の画像から透明半球に記録し、比較することで緯度や 経度の違いによる見え方を考える。 同様に赤道、北極における各季節の太陽の動きにつ いて推測する。 Ⅱ．「金星ライブ望遠鏡」 ライブ配信を定期的に行う。ライブ配信の際に、 AVI 形式の動画ファイルとして保存する。さらに画 像処理ソフト（RegiStax）で処理する。 過去の画像を印刷し掲示することで、金星の満ち欠 けや、視直径の変化を比較することができる。 授業ではこれらの画像を比較し、内惑星としての金 星の公転運動と見え方の関係を考える。その際、望遠 鏡のレンズによる倍率は同じであることを補足する。 Ⅲ．「地球儀全天カメラ」 「ぜんてん」の記録によって導かれた、季節による 日の出や日没の時刻、昼夜の長さ、南中高度が異なる 原因を地球儀全天カメラで再現し考える。 教室中央に白熱灯（太陽）を設置、地球儀全天カメ ラを春夏秋冬の位置にそれぞれ移動し、地球儀を回転 （自転）させ、画面に映る太陽の動きから地軸の傾き と日周運動の関係を考える。 写真 6 全天カメラ画像、秋分（上）、夏至（左）、冬至（右） 写真 9 金星の画像を印刷し廊下に掲示 写真 7 目盛入り透明半球への記録 写真 8 昼夜の長さ、南中高度の違いを考える 写真 10 地球儀全天カメラで再現
公転面に対して地軸を 90°にすると、地球がどの位 置でも日周運動が同じになることが再現できる。 赤道や北極における各季節の日周運動について、カ メラを地球儀の北極、赤道に取り付けて再現する。磁 石で固定しているため取り外しが容易である。
