高 校 物 理 違和感を入れた実験映像教材の作成 開智学園 開智中学・高等学校 今和泉 卓 也 目 的 中等教育において、多くの教員が自ら教材を作り、 生徒とともに科学の楽しさを共有することは、科学教 育の質の向上につながると信じる。本実践は、現場の 教員が気軽に “ スマホ ” を用いて「自分の教材」を作 ることを支援するものである。 具体的には、必要最小限の準備で、特殊な技術も要 せず、経験が浅く教材を自分で作ったことのない教員 でも自信をもって作成できるものを目指した。より多 くの教員が自ら教材を作る楽しみや意義を感じ、本実 践が、中等教育における「教員と生徒が一緒になって 科学を楽しむ雰囲気作り」の一助になれば、と期待し ている。 （後述の Web サイトにて本教材を視聴でき るようにした。参考になれば幸いである。） ＊ 物理教育における実験映像教材というと、規模や安 全性などの理由で講義室において演示実験するのが困 難な物理現象を、動画として提示するものを想像しが ちである。それゆえ、一般に 【演示実験】＞【実験映像教材】 というイメージがあるかもしれない。 【演示実験】＜【実験映像教材】 となりうる映像教材とはどのようなものであるのか、 映像教材の優位性について考察したうえで、実際にそ のような映像教材を 3 種類作成し、 授業実践を行った。 概 要 今回、作成した教材の種類は「実験映像教材」であ る。情報機器の発展により、映像教材を作って、授業 で使うことがいよいよ簡単になってきた。ただ、単に 実験を映像化すると、昔から伝えられているように 「実験はライブ（生）がいい」ということになる。生 徒一人ひとりが iPad などの機器で自主学習すること が容易になりつつある現状において、一方通行的では ないインタラクティブな映像教材の開発は、適切な科 学教育のためにも急務である。『演示実験に負けない 実験映像教材』 （つまり、演示ではなく映像という形 態を積極的に採用する教材）を作ることが重要であ る。映像の特性を考察し、その特性を生かした実験映 像教材を作成できれば、それにより、生徒に自発的な 葛藤や思考を促し、物理的に重要な思考を獲得させ、 興味をより深めてもらうことができると期待した。 ＜本考案のポイント＞ ○映像教材の新たな可能性を提案、実践した。 ○映像の中に「意図的な違和感」を入れることで、教 員からの一方的指導を極力必要とせず、生徒自らが 発見的に物理法則の普遍性を理解できる教材になる よう工夫した。 ＊ 写真 1 作成した実験映像教材の一場面 （特殊な技術は不要。ただ投げるだけでよい！） 映像教材の優位性を生かす手段として、考案したの が『実験映像の中に意図的に違和感を混入させる』と いう手法である。スローモーションなど、映像を細工 することで物理的に重要な事項を理解させるような教 材はある。だがすぐに、見る側にあらかじめどのよう に細工したものかがわかってしまい、与えられた映像 をそのまま受動的に視聴することになってしまいがち である。もし、どのような細工がなされているかわか らない映像教材が与えられれば、生徒が自らその細工 を解明しなければ、見ている映像が何を意味している かわからなくなり、必然的に能動的な態度で視聴する ことになる。ただ、あらかじめ「この映像は細工され ています」と言うと、細工を当てるクイズのように なってしまい、趣旨が変わってきてしまう。そこで、 実験映像に意図的に「違和感・不完全さ」を混入させ ることで、生徒自身が主体的にその細工に気づき、そ の先にある重要な物理的事項・物理的なものの見方に ついて、自発的に考察できるように工夫した。 いまいずみ たくや 開智学園 開智中学・高等学校 教諭 〒 339-0004 埼玉県さいたま市岩槻区徳力西 186 ☎（048）795-0777 E-mail imaizumi kuramae.ne.jp 1 図 1 に、本考案のイメージを示す。 視聴 視聴 視聴 図 1 考案した実験映像教材のイメージ 教材・教具の製作方法と学習指導方法およ び実践効果 3 つの実験映像教材について、それぞれの作成方法 と指導例を紹介する。本作品の特徴は、「違和感」を 起点として、生徒たちだけで、物理的に重要な概念に 行き着くことが可能となる点にある。それゆえ、映像 教材を用いるときは、教員は生徒から出てくる意見を 集約する役割（facilitator）に徹し、意図的な強い誘 導がないように留意しながら議論を進行させる。 Ⅰ．製作指針 1．比較的容易に作成できる 情報技術の進展によって、学習時に映像教材を用い やすい状況になったとしても、その進展によって、映 像作成のための敷居が高くなっては本末転倒である。 あくまで、自作する映像教材というのは、気軽に作 れて、ユーモラスなものであるべきだと考える。 2．物理を楽しむ姿勢が伝わる 例えば、本人が出演していると、生徒も喜び、楽し い気持ちになる。教員自身が物理を楽しんでいる姿勢 が伝わることは、生徒の学習において有益であろう。 3．最終的には「物理的におもしろい」 単に面白かった、では効果が低い。その教材を通し て、生徒たちが学問的に興味深い部分を見出し、そこ から能動的な議論が展開される余地があるか、「単に おもしろい」から「物理的におもしろい」へ発展する 可能性を秘めているか、検討しながら作成した。 2 Ⅱ．教材その 1 鉛直投げ上げ運動から「時間反転対称性」について 生徒に自発的に気づかせる映像・教材（写真 2 ） 1．製作方法 ⑴ 準備するもの（そこら辺にあります） ・ボール ・動画撮影機器（“ スマホ ” など） ・バナナ等のフルーツ（任意） ⑵ 作成手順 ①バナナの皮をむいて食べるようすを撮影する （任意） 。 ②①のあと、ボールを鉛直上方に投げ上げ、落下して くるボールをキャッチするという動作を複数回繰り 返した映像を撮影する。ただし、最初の 2 回程度は キャッチするとき、ひじを曲げて胸元で受け取るよ うにする（これが逆再生時に違和感を生み出す） 。 ③撮影した映像に時間反転処理を施す（あらかじめ処 理しない場合は、授業等で用いる際、逆再生できる ソフト［Windows Media Player などの一般的な再 生ソフトで可能］ 、あるいはスマートフォンアプリ を使えば実現できる） 。 2．学習指導方法 運動方向が変わる 1 次元等加速度運動を、負の加速 度という考えによって定性的に理解できる状態になっ た段階で、この映像教材を用いる。 「鉛直投げ上げ運動の映像をしっかり観てみよう」 と言って、映像に細工を施していることは明らかにせ ず、映像教材を何度か再生させる。生徒たちの違和感 への気づきを起点に、生徒たちに自由に議論させる。 最終的には「時間反転対称性」という概念に関する 意見が出てくることを期待し、場合によっては適切な 助言を与え、議論を深めさせる。 3．実践効果 ○高校 1 年計 10 クラス（30～40 人程度）で実践 ⑴ 一見普通の映像から自発的に ｢？｣ を見つけ議論 する ・投げ上げ運動の部分だけ （冒頭のバナナを食べている部 分を除く） を逆再生したものを繰り返し生徒に見せた ・前半部分は違和感なく視聴した ・後半部分で 4 割～6 割の生徒が違和感を覚えた ・繰り返し視聴すると、その違和感について生徒同士 の議論が始まった ・すべてのクラスで、映像に逆再生の細工がされてい ることに自発的に気づいた生徒たちが存在した ⑵ タネあかし映像から自発的に細工に気づく ・投げ上げ運動の冒頭でバナナを食べているシーンも 含めた映像を逆再生したものを生徒に見せた ・全員が映像のカラクリに気づいた ⑶ 当初、細工に気づかなかったことから、物理的に 重要な見方・概念について理解する ・これまでの意見を集約し、議論を発展させた ・前半部分に違和感がなかったことから、4 つのクラ スで「時間反転対称性」に関する考えまで議論が展 開された ・それ以外のクラスでも、教員の「行きと帰りの時間 や速さを比べると？」といった発問を起点に、 「対 称性」について議論できた ・中には、 「空気抵抗を考えるとそうではないので は？」といった可逆・不可逆（エネルギー散逸）を 考えるきっかけとなる発展的な意見もあった 本実践により、演示実験では得られない教育効果が あったものと考えられる（図 2） 。 図 2 実験動画のもつ優位性の例 生徒は能動的態度で「対称性」を “ 実体験 ” できる。 写真 2 教材その 1 ひじを曲げてキャッチするだけで逆再生時に違和感が生ま れ、「時間反転対称性」への気づきにつながる。 3 Ⅲ．教材その 2 鉛 直方向の単振動を水平方向だとみなして考える 「座標変換」的思考に自発的に気づかせる映像・教 材（写真 3、写真 4） 1．製作方法 ⑴ 準備するもの ・ばね ・おもり ・動画撮影機器（“ スマホ ” など） ⑵ 作成手順 ①教卓を 90°回転させ、固定する。 ②出演者が水平方向に横たわった状態で教卓上に登場 し、ばね振り子を振動させ、この現象をアップで撮 影する（写真 3 ） 。撮影時、振動の方向が鉛直方向 ではなく、水平方向に見えるように留意する。背景 を黒板にして、文字も水平方向に見えるように工夫 しておくと、より効果的だろう。 ③しばらく振動しているようすを撮影したのち、ズー ムアウトして、細工がわかるようにする（写真 4）。 2．学習指導方法 水平方向と鉛直方向のばね振り子運動について、運 動方程式を立てて数式による議論（図 3）ができるよ うに教えてきた上で、この映像教材を用いる。 「ばね振り子の運動を撮影したから、映像で確認し てみよう」と言って、やはり映像に細工を施している ことは明らかにせず、映像教材を何度か再生させる。 教材その 1 と同様に、生徒たちに自由に議論させ、物 理的に重要な概念に行き着くことを期待し、適切な助 言を与える。 3．実践効果 ○高校 2 年計 5 クラス（30～40 人程度）で実践 ⑴ 一見普通の映像から自発的に ｢？｣ を見つけ議論 する ・ばね振り子が水平方向に振動しているように見える 映像を繰り返し生徒に見せた ・ 1 回観ただけでは「？」は生まれず、繰り返し観る うちに、数人が「浮いている気がする」「摩擦が少 ない」といった違和感を訴えた ⑵ タネあかし映像から自発的に細工に気づく ・実際の撮影のようすを撮ったものを生徒に見せた ・全員が映像のカラクリに気づく ・中には、「そういうことか」と声を上げ、自ら今ま での数式的議論と対比させて考える生徒もいた ⑶ 当初、細工に気づかなかったことから、物理的に 重要な見方・概念について理解する ・これまでの意見を集約し、議論を発展させた ・ 「座標変換」的思考について議論した（クラスによっ て自発的議論の深まりが違うため、場合によっては 教員の発問「違和感を持たなかった人がいたという ことはどういうこと？」などが必要であった） ・この教材を用いるようになってから、鉛直方向の単 振動における座標変換に関する質問が減少した 4 図 3 背景にある数式的議論 生徒は数式だけではなく映像によっても実感できる。 写真 3 写真 4 教材の一場面（左）と実際の撮影のようす（右） Ⅳ．教材その 3 水波の干渉から「周期性」「同期」という思考を自 発的に気づかせる映像・教材（写真 5） 1．製作方法 ⑴ 準備するもの ・水波投影装置 ・デジタルカメラなどの動画撮影機器 ⑵ 作成手順 ①水波投影装置を用意し、干渉縞が観測できる状態に する。 ②その干渉縞のようすを、フレームレートを低く（15 ～30 fps 程度） して動画を撮影する （動画 1 と呼ぶ） 。 ③波源の振動数を適当な値にすると、カメラの画面上 では波が波源に戻っていくように見える状態（これ が違和感となる）にすることができるので、その動 画を撮影する（動画 2 と呼ぶ） 。 ④③の状態から波源の振動数を微妙にずらすと、カメ ラの画面上で波面が止まって見える状態（これも違 和感となる）にすることができるので、その動画を 撮影する。しばらく静止画に見える動画を撮影した ら、水面に片手を入れて、違う波を発生させ、その ようすも撮る（これも違和感）。手で発生させた波 は、カメラのフレームレートと同期していないの で、動画上では静止した波面と動いている波面が共 存しているように見える（動画 3 と呼ぶ） 。 ⑤波源の振動数を変えながら、カメラの画面上で波面 が止まったり進んだりして見える動画を撮影する （動画 4 と呼ぶ）。あるいは、カメラの画面上で静止 しているようすと実際の波面が動いているようすを あわせて、別のカメラ（フレームレートは高い値に 設定しておく）で撮影するのもよい。 2．学習指導方法 2 波源が干渉することで作られる腹線・節線につい て、どうしてそのような現象が起こるのかを説明し、 ある程度定量的な議論をすることが可能になった状態 で、この映像教材を用いる。生徒の反応を見ながら、 動画 1～4 を順に再生する。以下、同様な方法で生徒 たちに議論させる。 その他補遺事項 Ⅰ．作成した映像教材の視聴 以下に示す Web サイトで、今回作成した映像教材 を視聴することができるようにした。ただこれらは、 教材作成の際に参考にしてもらうためのもので、授業 等で用いるときはぜひ自作した教材を用いていただき たいと思う。また、このような手法で作った新しい映 像教材があれば、ぜひ教えていただきたい。 Web サイト http://www.geocities.jp/scisyhp_i/ Ⅱ．謝 辞 写真 5 教材その 3 の一場面（動画 3 ） 止まって見える波面の中で指からの波だけが動く？ 3．実践効果 ○高校 2 年計 5 クラス（20～40 人程度）で実践 ⑴ 一見普通の映像から自発的に ｢？｣ を見つけ議論 する ・動画 1 では、生徒は学習済の「波の干渉」として受 容 ・動画 2 では、ほとんどの生徒が直ちに違和感を持 ち、前述の教材その 1 の影響もあってか、何人かの 生徒から「逆再生！」との声が上がった ・動画 3 の前半では、逆再生ではないことに気づき、 「スロー再生？」などの違う意見も上がった ・動画 3 の後半で、手で発生させた波だけが動くのを 観ると、今までの仮説がすべて否定され、ほとんど の生徒が “ 混乱状態 ” になり、自発的な議論が巻き 起こった ⑵ タネあかし映像から自発的に細工に気づく ・動画 4 を見せ、場合によっては教員から「そもそも 動画ってどういうしくみ？」といった発問をする と、数人の生徒が細工に気づいた ⑶ 当初、波が止まって見えたことから、物理的に重 要な見方・概念について理解する ・これまでの動画の違和感について、議論した ・ 「同期」「周期性」に関する議論が出たところで、教 員から、その概念を伝えた ・ 「テレビ画面でタイヤが逆回転しているように見え るのもそういうこと？」など、具体例を挙げる生徒 もいた 理科教諭として働き始めた当初から生徒の立場に 立って理科を教えることの大切さやものづくりの面白 さを教えてくださった式愛寿先生、実験映像の撮影に 協力していただいた関康平先生と鈴木崇裕先生、本考 案について紹介した際に励みになる言葉をくださった 舟橋春彦先生（京都大学）、高須雄一先生（聖マリア ンナ医科大学） 、内山哲治先生（宮城教育大学） 、そし て日頃から様々な面で支えていただいている開智中 学・高等学校理科をはじめとする多くの先生方に心か ら感謝いたします。 5
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