理科教育法ー物理学ー 羽部朝男 物理学専攻 理科教育の重要性 • 理科離れとオカルト – 根強い神秘主義へのあこがれ • 超常現象、科学が成り立たない領域、 • 現代の科学で理解できないことはある • 宇宙人、UFO – 超常現象を信じてしまう人間の脳 • 原因と結果を信じることで生き延びてきた人類 • 体験の絶対化、実感できないことの否定 • 手品と超魔術、 – アインシュタインは間違っている • 理科教育を知識の記憶作業に矮小化すべきで はない 神秘主義へのあこがれを 生む時代背景 ・現代社会の不合理の常態化 政治に対する不信、飢餓と飽食、 平和運動とアメリカのイラク攻撃 – 合理主義の限界へのあきらめ • 原理の見えない装置にあふれた日常生活 • 合理的精神を傷つける文化 – 心霊写真、オカルトブームのテレビ番組と – それを批判する番組の少なさ 理科教育法と物理学 • 理科教育 – 自然の諸現象を貫く体系的な合理性の理解を与え るのが目的 • 物理学の特徴 – 物理は自然現象の理由、原因を明らかにすること – そこに表れる法則性を解き明かすことを目標 • 物理教育の意義 – 自然の諸現象を貫く体系的な合理性の理解を与え る理科教育の意義に取って重要な内容 物理学の特徴の例 力学 • 物体の落下運動を例に説明 – 運動学的理解（ガリレオ） • 落下運動に置ける位置と時間との関係 • V =at, h= 0.5 a t2 – ある量（時間）と別の量（落下したものの速度や 距離）との関係を与える – これは正しいが、落下運動にしか適用できない – なぜそうなるのかに答えられていない 物体の落下運動の 力学的な理解 落下運動は等加速度運動 – 重力によって加速度が生じ、それが速度を変化さ せた – 重力による加速度が一定になる理由は • 加速度は力に比例し、質量に反比例する F=ma –ニュートン力学 Fg=mg • 重力は質量に比例する • よって加速度が一定になる • F=maの関係は慣性系における運動について、落下運動以 外でも成り立つ、より広い法則 力学的理解の特徴 • 量と量との関係だけでなく、原因と結 果が明らかにされている • その結果、状況が異なっても、それに 応じた正しい結果を予想できる（応用 力） • これに対して運動学的理解は – 対象とするものにしか使えない、 – 条件が異なると違う運動学が必要 おもしろい理科教育と 認知科学 • 最近のゆとり教育への批判 – 知識は多いと難しいか、 • 認知科学の成果：知識は、互いに関連づける ことができるものであれば、情報が多い方が 理解しやすい • 関連づけられなければ理解できないし覚えに くい • 人間の脳は互いに事柄を関連づけるように作 られている • 自然の法則性を教える理科は、知識の相互関 連を理解させるので、本来、理解しやすい 「おもしろい物理教育」の試み 仮説実験授業 （板倉聖宣） • 基本的な事柄を取り上げ、それがどうなるか を予想させて（仮説）、実験を行い、仮説と 結果を比較検討し対象に対して成り立つ法則 性を理解させる – 必ずしも学生が実験する必要はない、 – 適切な予想と検証の繰り返しは、学生に実験に参 加させた実感を与える • ある意味では科学者の研究の進展を追体験さ せる • 授業書による授業 北大教育学部、高村名誉 教授らによる実践 私の物理との出会い • • • • • • • • ビー玉遊びー運動量保存の法則 天秤棒、天秤ばかりーてこの原理 歯車のおもちゃー仕事の概念 高校で物理を勉強して、ニュートン力学の予 言力におどろいた 光の性質（中学の数学教師） 光の速度で動いても、追いつけない光 アインシュタインの相対論 科学はおもしろく不思議だ 光の不思議な性質 • 光の速度の５０％で動いる自動車から、 光の速度の６０％で飛び出しても、追 いつけない光 • 光の速度の５０％の速度で動いている 自動車から光を出すと、道路にいる人 から見ても光の速度は同じ • アインシュタインの相対論の基礎に なった光速不変の原理の話 相対論入門 • 特殊相対論 – 光速一定、時間の同時性 – 動いている系の時計の遅れ – 相対運動 • 一般相対論 – – – – 重力質量と慣性質量の一致 重力による光の曲がり 重力による光の振動数の減少 重力による時間の遅れ アインシュタインの エレベータの思考実験 • • • • • • • 光はまっすぐ進む いつもそうか エレベータに閉じ込められた 宇宙人による誘拐事件 エレベータは大丈夫か、地球の上か ものを落として確かめる エレべータが上に加速されていれてもおなじ エレベータの中では重力と加速度は区別でき ない 重力レンズ 一般相対論の検証 遠くの宇宙の銀河 による重力レンズ 効果によって、銀 河団のさらに向こ うの銀河（青白く 見えているもの） が歪んで観測され ている。 (NASA, ハッブル望遠鏡による) まとめ • 理科教育の意義 • 物理学の特徴 – 運動学と力学を例にあげて説明 • 関連する話題の重要性 • 科学的好奇心を引き出す不思議な科学の話を • 相対論入門 – 一般相対論とエレベータの思考実験 – 加速するエレベータと重力の同等性 – 重力で光は曲がる
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