ISSN 2189-5309

Research Reports of
National Institute of Technology, Tokyo College
No.５4, Mar. 2023

東京工業高等専門学校

研

究

報

第 54 号
2023.3

告書東京工業高等専門学校研究報告書 第54号

目

次

学生との対話から再構築する物理の授業とその改善－DCAP サイクルから見えてくる学生の学びと教科指導のあり方－
藤井 俊介

1

溝渕 絵里，八田 直紀，黒田 一寿

11

A Study of a STBC-MIMO-OFDM Wireless System for Specified Radio Microphones
Hiroyuki HAMAZUMI，Shuta IIJIMA

18

東京高専の入学生における体力に関する基礎的研究

スパッタ Si 膜積層による光導波型 SPR センサの高感度化
新國 広幸, 伊藤 浩

25

リアルタイム情報共有モーバイルマルチホップネットワーク
田中 晶，中村 悠哉，新井 瑛貴，仮谷 星汰，
杉本 葉玖，須藤 大翔，立山 明日菜，長濵 真人，森下 大輝

28

ネオニコチノイド系農薬であるチアメトキサムの原体及びその分解生成物のオオミジンコ繁殖阻害性に関する研究
庄司 良，岩﨑 多聞

37『はざまる工房』を拠点とした新たな形の公開講座開講
向川 拓臣，遠藤 蒼太，大塚 遼之介，杉浦 昂樹，
熊澤 匠真，吉元 照貴，中村 源一郎，永吉 真知子，
松岡 敏，新田 武父，庄司 良，玉田 耕治

46Research Reports of National Institute of Technology, Tokyo College No.54

CONTENTS

Student oriented Physics class starting from question and answer dialogue,
evaluated with DCAP-form improvements－Instructional design oriented to learning process of each student－

Shunsuke FUJII

1

Characteristics of Physical Fitness among Students Enrolled at the National Institute of Technology，Tokyo College
Eri MIZOBUCHI, Naoki HATTA, Kazutoshi KURODA

11

A Study of a STBC-MIMO-OFDM Wireless System for Specified Radio Microphones
Hiroyuki HAMAZUMI, Shuta IIJIMA

18

Sensitivity Improvement for an Optical Wave-Guided SPR Sensor by Lamination of Sputtered Si Film
Hiroyuki NIKKUNI, Hiroshi ITO

25Real-time Information Sharing Mobile Multihop Networks
Akira TANAKA, Yuya NAKAMURA, Teruki ARAI, Seita KARIYA,
Haku SUGIMOTO, Taika SUDO, Asuna TATEYAMA,
Masato NAGAHAMA, Daiki MORISHITA

28

Study on the Reproductive Inhibition of Daphnia magna Exposed to Thiamethoxam,a Neonicotinoid pesticide and the Degradation Products
Ryo SHOJI, Tamon IWASAKI37

Organization of new-style open lectures held in the “Hazamaru Kobo”
Takumi MUKOUGAWA, Sota ENDO, Ryonosuke OTSUKA, Koki SUGIURA,
Takuma KUMAZAWA, Shoki YOSHIMOTO, Gen-ichiro NAKAMURA,
Machiko NAGAYOSHI, Satoshi MATSUOKA, Takenori NITTA, Ryo SHOJI,
Koji TAMADA

46

東京工業高等専門学校研究報告書 第 54 号，2022

学生との対話から再構築する物理の授業とその改善―DCAP サイクルから見えてくる学生の学びと教科指導のあり方―
藤井俊介＊「物理をより楽しく，より分かりやすく」という思いは，物理教員の悲願である。この思いを実現するた
めに，筆者が 14 年間の物理教育の中で行ってきた授業改善を，授業の実施・結果の確認・改善・授業計画の立案(DCAP サイクル)の観点でふりかえり，まとめる。
（キーワード：物理教育，定期試験の分析による系統的な授業改善）

Student oriented Physics class starting from question and answer dialogue,
evaluated with DCAP-form improvements-Instructional design oriented to learning process of each student-

Shunsuke FUJII*
Every physics teacher wants students to learn physics as enjoyable as possible and tries to give them ability to maketrue physical insight into daily phenomena in physics. To realize this easier-to-learn and effective instructional design ofphysics class, I will review my experiences and methods of my 14 years’ physics class in terms of DCAP-cycle
improvements such as some trials of physics instruction (Do), the analysis of the results in mid-term and final
examination(Check), improvements and feedback to students(Action) and next year instructional design (Plan).
(Keywords:Physics education, DCAP-cycle with examination analysis)

1. 導入
日常の教育業務の中で筆者は，「学生の物理的思考力を育てられているのだろうか」という疑問を抱いていた。
10 年以上前に行っていた授業(附録 1)を思い返
すと，授業の解決すべき課題として，授業内容が筆者の教育理念に伴わず「学生に伝わる授業ができない」という筆者の教え方の問題と，「物理の基礎理解ができていない」という学生の学びの問
題を，二重に抱えていた。14 年間(大学 1 年，県立高校 5 年，東京高専 8 年)の授業改善の中で，筆者の教え方の問題は解決しつつあり，近年は授業をより洗練することに力を注げるようになってきた。本稿では，学生が現在の授業(当該科目：3 年
物理 V,VI)において基礎概念が理解できない問題
を物理の学び方※1の観点で分析し，授業を改善していく過程を紹介した上で，これまでの筆者の物
理教育を総括する。ただし，D 評価を取るような※1

基礎概念が理解できない原因は初期では複合的で，筆者の教え方の問題と学生の学び方の問題が混在する。授業の改善・洗練後も残る教育困難な学生が[物理の学び方]の問題を抱える学生である。
＊一般教育科1

理解度の低い学生の理解度を高める試みも別途実施しているが，それは本稿の範疇を超えた多角的な観点・方法となる。このことから，論旨を明確にするため，それについては今回は議論せず別の機会にまとめたい。
筆者の支えとして，授業実践の中で絶えず意識している言葉がある。すなわち，「学力が下の学
生と上の学生を同時に伸ばす」というものである。
この言葉は，筆者が県立高校の教諭時代に熟練した先輩教諭から受けた助言 1)であり，教科教育の究極目標であると筆者は考えている。この言葉を筆者の解釈で言い換えると，「理解度の低い学生には理解の基盤となる考え方を，理解度の高い学生には基礎概念の修得に必要な考え方および発想の転換を含めた思考訓練を，全ての学生に同程度伝える」ことである。
本稿は，本校の標準的な教育活動(授業・定期試
験・授業アンケートのフィードバック(:=学生への還元)・計画)の中で取り組んできた記録である。
そのため以後も，時系列的に同様の順序(Do Check
Action Plan)サイクル)※2で報告する。
※2

近年は，「DCAP サイクルは，未知の領域・変化

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
応答による対話で促進する」授業ができるようになりつつあり，その授業を楽しむことができる学
生も，様々な(S,A,B,C の)理解度の学生から出てき始めている。その様子は，附録 2 にまとめた。
質疑応答の内容は，設定や定義の確認から，物理法則と直感のずれに関するもの，物理法則の深い理解に通じる本質的な質問まであった。理解度が中程度から高い学生は授業中に質問するなど積極的に参加しており，理解を深めたと期待できる。
前述の「下と上の理解度をもつ学生両方を育てる」
理念は，部分的に実現できているのではないか。

当該科目における学生の理解度の確認には，公式行事である定期試験を活用する。試験の作題では，学生が学習を怠ると確実に試験の素点が下がり，努力していると試験の素点が相対的に上がる
ように，授業ノート・教科書・問題集から問題を練り上げる。試験により，あらゆる学習段階(本校
でいう S,A,B,C,D レベル)の学生の努力を評価することを作題意図としている。
試験の出題内容は，
教科担当教員から学生へ公式的に送る最強のメッセージであり，学習内容と学習方法の振り返りと反省を学生に促すことができる。
授業では，学習強化の手法である教育内容・学
習段階の小分割化[スモール・ステップ 3)化]を特に多用する。この小分割化により，成功体験および確実に理解できる部分を増やし，学生の学びを促進できる。
本稿の構成は，2 節で授業実施の様子を，3,4
節で定期試験による確認とそれを踏まえた次の授業展開の例を示し，5 節で改善計画を示すことで，全体として「実施・確認・改善・次年度の実施計画(DCAP サイクル)」の形で整理した。6 節,7 節でまとめと将来展望とし，現在までの物理教育を総括する。

2.1. 授業の進め方
波動分野は波源の理解から始まるため，筆者は波源の導入背景も含めた説明・授業構成を心がけている。具体的には附録 3 にまとめた。
波源の単元では前提も含めて授業内容を小分割化し，円運動の観察，表現の仕方，単振動，波源の特徴付けまで，ほぼゼロから導入する。実施
方法は，演示実験の「定性的」理解，作図による
情報集約，
用語定義に基づいたグラフ理解により，定量的理解につなげることを目指して授業実践している。
これらの経験を生かした，学習段階として有効な小分割化の提案は，5 節の計画で再び扱う。

2.学生の理解状況を踏まえた授業実践 (Do)
以下に記載する「定性的」※ 3 理解は，「測定値の変化を見つつ，計算を介さずとも予測できる大雑把ではあるが確かな傾向」を読み取れること，と狭義に定義する。

2.2.方程式の日本語への翻訳
学生の理解が追い付かなくなる箇所を探していく中で，「物理現象から数式に至るまでの間に言葉による表現をはさむ」ことで，思考過程を補強できる可能性に気づいた(学習内容の小分割化の一つ)。すなわち，「数式の意味を語学のように『翻訳』できるか？」と学生に問いかけるのである。
この言語化は，今まで，謎の記号のようにしかとらえられていなかった数式の意味を言葉に置き換
え，数式を言語感覚でとらえ直すきっかけになるため，学生の苦手意識の低減にも有効である。
例をあげると，運動方程式「ma=合力」について苦手意識を持つ学生は多い。そこで，学生には「数式を言葉に直す」という意味での「翻訳」を通して運動方程式の意味や位置づけを考えさせている。
翻訳の模範解答例としては，「物体にはたらく合力がゼロでない※ 4とき，その合力を原因として，東京高専で 8 年間，年度ごとに 5 クラス分計 40
回の「物理 V」(波動分野)の授業を実施してきた。
その結果，学生の理解が追いつかなくなる箇所な
どの要所が判明しつつあり，初めからそのポイン
トを踏まえた授業を行っている。授業での試行錯誤の中で，筆者が理想とする「原理的理解を質疑する領域において，PDCA サイクルよりも強みを発揮する」(仮説)として実社会の業務改善 2)で注
目・試行され始めている。一方，PDCA は決めたことを統一的，
安定的に実施できる長所がある。DCAP
で学生の状況にあった授業改善を行い状況が安定したのち PDCA サイクルに移行するなど，両者を組合わせた長期的な授業改善も考えられる。
※3「定性的」≒「直感的」と思ってもよいが，精度の高さは，直感 < 定性 < 定量であるため，本稿では区別する。

※4

力の和がゼロでないというのは，物体にはたらく力が相殺しきれずに，「残った力が物体にはたら

2藤井：学生との対話から再構築する物理の授業とその改善
質量 m[kg]の物体が合力と同じ向きに加速し続ける」である。この数式の翻訳により，学生が運動方程式の意味・目的・使用方法を言葉で把握でき始めている※5。授業内容を理解しているつもりの学生でも，図に基づいて立式することは案外難しい。数式から翻訳した言葉を頼りに物理的な状況を図的に想像しながら運動方程式を立てられるよ
うになることが，今後の課題である。
数式の翻訳を通して，「数式は言語である」と認識させることにより，物理において積年の，類似概念の混同(例えば「力のつり合い」と「運動方程式」の混同など)も解消していくと期待される。
図 1
2.3. 実験レポートの文章改善から拓く現象把握
筆者の経験から，物理学習で日本語をおろそかにしている学生が多いと感じている。そこで，ここ数年，学生の実験レポートの赤入れ(チェック)をより徹底し，やり直し指導をしているため，以下に紹介する。
実験レポートを学生に正しく書かせることは案外難しい。自明な実験でも，レポートを書かせると状況認識や言葉での表現の問題が現れる。例えば，実験レポートの「どうなるか？」という問いに対して，「○○だから」のように述語だけで解答
し主語がないものが多く見られた。
主語を省くのは「日本の文化」とも言われるが，物理実験の報告（レポート）は，英文の報告書を書くつもりで主語と述語を明確に書く必要がある※6。そうでなければ，物理現象を正確に描写できず，あいまいなまま終わってしまう。そのため，
実験レポートを書く際には「主語と述語を対応させた完結した文章」で実験テキスト 5)の各設問に答えるように注意・強調し，やり直し等もさせている。
光の反射の実験 5)の例を挙げる。
図 1 のように，鏡を(紙面に)垂直に立てて鏡に映った釘 A の像 A’を視差から特定※7するという実験において，「釘のく」ということである。
※5「数式を見ると思考が止まる」学生が，数式に慣れるきっかけになる。
※6
歴史的には，物理学(窮理学)は，江戸～明治時
代あたりに西洋から輸入された 4)ため，日本古来の文化ではない。
※7
本稿での表現を簡単にするため，視差から虚像の位置を特定する過程は，図 1 から取り除いてあ虚像 A’は釘と鏡の位置に対してどのような特徴付けができるか」が，明らかにするべきテーマである。しかし，基本的な特徴をとらえることができている学生でも，述語「線対称の関係にある」
を書くのみで，実験結果を的確に表現するための主語を書いていない場合が多い。「私」や「あなた」という 1 人称・2 人称の主語ではなく，「もの」を主語とする文章を書くことが，実験結果を正確に認識し，表現する出発点となる。また，主語を「釘 A とその虚像 A’」とすると，「線対称である」という述語も「何に対して」線対称かについての詳細情報を追加説明するべきことが分かる。
「線対称であること」が見抜けないなど，実験の特徴を理解していないレポートがあった場合には，「述語が不適切」という指摘をし，レポートのやり直しと実験設定の確認させている。具体的には以下のような指摘事項を印刷して学生のレポー
トに付け加えている。「A と A’の関係は，一直線上なだけではなく，A,A’点それぞれから境界(=鏡)に引いた直線とのなす角，平面からの距離(直線)の関係にも触れてください。それをまとめて，鏡の位置で決まる境界線に対して何「対称」といいますか。主語と述語を明確にして表現してくだ
さい。
」などである。
物理の基礎概念がなかなか理解できない場合，
このように実験結果一つを説明するにも，最適な主語と述語で表現できないことがあり，それらを正確に選ぶことができるように指導することが，実験における観察能力の向上や能動的な基礎概念の修得につながると筆者は考えている。
る。

3

光の反射の実験東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）てないので，他の人と同じ方法で取り組む必要はない。自分の理解状況に合わせて，物理の①基礎問題(定義確認含む)に加えて，②核になる問題を理解するために，教科書や授業ノートを見直し，分からなくなっている部分を学び直し，整理して集中的に理解するようにしてはどうか。問題を解く際にも，用語の定義が理解できていないと問題文を正確に読めない。用語が分かれば問題文から作図への情報集約を練習できる段階に達するし，
それができるようになれば，解答する方針を考える練習に集中すればよい。類題・応用問題は思考に幅を持たせる意図なので，たとえ手がつけられなかったとしても，この方法で演習を進めれば定期試験を解くための基礎力はしっかりと備わるはずである。
」これにより，問題演習の目的と，「効※12果的」 に取り組む方法をアンケートのフィードバックとして伝えることができた。
授業アンケートでは学生と教員の意識のすれ違いが明確になるため，テストの誤答分析と同様に，学生の思惑と教員の教育方針をすり合わせた上で分析を進めると，教員から学生への真剣で有効な提案・助言・指導につなげることができる。
定期試験の典型的な誤答から示唆される学生が理解できていない前提知識のうち，理解してほしい内容を演習問題に組み込む。筆者はこれを，内容理解の補強を目的とする基礎演習プリントとして，B4 用紙の表に問題，裏に簡潔な解答を記載した 1 枚完結型のプリント教材にまとめ，次年度の授業で新 3 年生に配付している。

3.定期試験から見る典型的な誤答傾向(Check)
定期試験を記述問題にすると，どういう背景からその誤答が生まれたのかが分析しやすく，学生の教科指導につなげることができる。
採点してみると，学生は，授業内容を大筋では理解・吸収している。理解度の低い学生を除いて※8，多くの学生の誤答は，現在の物理(当該教科)の問題として筆者の教え方の精細化に帰着させられる。その内容の一部は，次の節で示すように基礎演習プリントの形で集約し，どこから説明を始めるか，どのように説明するかを考え※9て，次年度の通常授業の改善につなげている。
4.授業アンケートのフィードバックと次年度の授業への反映(Action)
授業アンケートで，「課題が多い」などの指摘があった。これは，「楽に※10効率的に勉強したい」
学生と「物理をしっかり理解できる実力をつけてほしい」筆者との間でのギャップが背景にある。
かねてから筆者は，学生の問題集への取り組み方について疑問を抱いていたため，以下のように学生に提案した。
「問題集は，『やっつけ』※11で演習するのではなく，自分の実力を上げるために，どう取り組むのが最も良いかを考えて学習するべきである。私(=筆者)が課題に設定した問題の分類を紹介すると，テーマごとに，①定義の確認のための基本問題，②思考の核になる問題，③類題，④
応用問題から成る。段階的・構造的に学習を進めてほしい。まずは①基本問題(定義確認含む)と②核になる問題に集中して取り組んではどうか。①
基本問題や②核になる問題を背景まで含めて理解するように取り組むには，かなり時間がかかるはずである。全ての学生が同じ学習段階とは想定し5．物理の教科指導の設計 (Plan)
ここでは，2 節から 4 節までの授業実践・分析・反映を踏まえた授業設計上の注意点を挙げる。
5.1 物理の教科の特性といくつかの教育手法
ここでは，教育内容・学習段階を小分割化[スモール・ステップ 3)化]した各段階について説明する。
まず，①物理の教科特性として定量的扱いが中心になるが，物理として「定性的」に理解できる部
分から始めて直感的イメージを作っていった上で定量的な取り扱いに入っていくことで，定量的理解と直感的理解の両立を目指す。次に，②演示実※8

理解度の低い学生の誤答分析には，本稿の範疇を超えた観点と詳細な前提理解の分析が必要になる。論旨の明確化のため，本稿では議論しない。
※9
例えば，「なぜ○○ではないのでしょうか？」といった発問から始めて，誤解を解いていくという流れで授業することが考えられる。
※10
学生の中には体力的な問題，他教科とのバランスの問題を挙げてくる学生もいる。それも考えて返答したのが，この節のやりとりである。
※11「やっつけ」とは，問題集の答えを丸映ししてノートに並べているだけに見える課題ノートで，学生の思考力の強化につながると筆者が思えないものを指す。

※12

効果的に学習する方法を考えることは重要であるが，学習に効率性を求めると効果的な学習と両立しないことがあるので注意したい。

4藤井：学生との対話から再構築する物理の授業とその改善る場合がある。物理概念は「定義」が独特である
ため，それに慣れる必要がある。定義に慣れるためにも物理現象の実物を見ることは重要であることから，例や演示実験は，学生の状況によってつかみとして使うこともあれば，導入として扱うこともある。
日常見られる物理現象を振り返る「つかみ」により，学生の興味・関心を引き出す。つかみは，
5.1.1 物理の教科特性と筆者の教育方針
学生の苦手意識を小さくし，「考えたい」，「聞きた
物理に苦手意識を持っている学生でも，(中学)
理科は好きだったという学生が多い。
その中には， い」と思わせることを目的としているため，筆者
実験が好きで定性的理解ができる学生だけでなく， が想定していないところがつかみになることもある。
その意味では，
見易い大きさの字を書くこと，
実験は(見世物として)好きであるが，定性的理解
伝わる大きさの声で授業すること，伝わる図を短は苦手とする学生も存在する。特に定性的理解が時間で書くことも重要であり，一つの工夫例とし
苦手という学生に対し，(中学)理科と物理の共通て作図用小道具の例を附録 4 に挙げた。
点を意識させることにより，「なんで(なぜ)？」と導入では，物理現象の観察を通して物理的な基いう素朴な疑問を学生に抱かせ，物理に親しめる
礎概念の形成につなげる。その手法が演示実験やようにしたい。
学生実験である。実験を通して自然現象に直面し，一方，物理は(中学)理科と異なり定量的要素がそこから直接的に物理法則を見抜く目を養うこと
強く，計算が多くなるのは事実である。しかし，ができる。ここでは，筆者の授業に取り入れてい情報を集約・整理し，グラフの作図を通して読みる演示実験に絞って紹介する。
解くと，ある特定の状況では計算せずとも予測が物理の理解を促す演示教材は，必ずしも複雑な立つ「定性的」理解※13も可能である。これは，実ものである必要はない。例えば，テニスボールと験結果を直感的に解釈するのにも役立つ。実験結タコ糸 1 本があれば，円運動の導入に便利な演示
果の「定性的」理解を直感と結び付けていくこと
教材(図 2)を作ることができる。この演示実験は，で，定量的な思考への準備ができる。
物理現象の基礎概念の形成は観察から始まる。 実際の円運動の様子を見るだけでなく，円運動を生じさせるためにボールにはたらく力の向きを考始めに「定義ありき」ではなく，その現象をとらえるのにも役立つ。円の中心でひもを強く握ってえる上で，その物理量(例えば，加速度)の定義がいないと円運動は維持できない。すなわち，ボーなぜ妥当なのかを実験で観察・追体験しながら「定
ルにはたらく張力は，糸に沿って円の中心に向い
性的」理解を深め，最終的に定量的理解として与えられた定義で整理できることを納得することが望ましい。この実験・観察・整理・抽象化の過程を丁寧にたどれるように指導することは，究極的には「目の前の物理現象をどのように見抜いて普遍的な物理法則を見出すか」を根本的に考えられる学生を育てることにつながると考えている。
験による導入，③物理用語から日常語の類似概念を排除する学習指導，④物理的作図による情報集
約・思考の整理を説明する。これら全てを総合することで物理の問題の理解につながることを示し，
1 節に挙げた[物理の学び方]の問題についての解決策を提案する。

5.1.2 演示実験による導入から始まる物理教育
授業は「つかみ→導入→展開→まとめ」で完結する。特に，つかみは心理的障壁を下げる目的である場合と，物理的状況設定を理解する目的であ

図 2 円運動とは何かをつかむための演示教材ている ※ 14 ことをイメージさせることが演示実験

※13

本稿の「定性的」理解とは，「測定値の変化を見つつ，計算を介さずとも予測できる大雑把ではあるが確かな傾向」を読み取れること。再掲して
おく。

※14

手は糸を通して外向きに引かれているように感じるが，それは糸がボールから受ける力でもある。この力の反作用が「ボールが糸から受ける力」

5

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）の目的である※15。このように，演示実験は，普段何気なく目にしている物理現象について，どこをどのようにみれば物理的な理解につながるかという着眼点を考える機会になる。そのため，日常ではなかなか意識化されにくい多くの物理の基礎概
念(速度変化，加速度，力，仕事，運動エネルギー，
運動量，力積など)は，まず，実験的に可視化・実体験化し，次に，測定データが与えられている場
合，そこからデータをグラフに表して可視化し，グラフの特徴的な量を分析することにより理解を深めるのがよい。ここで，指名した学生が演示実
験を理解できない場合の展開は附録 5 にまとめた。
5.1.3 物理用語から日常語としての類似概念を排除する学習指導
物理用語には，
日常語でもよく見かける言葉を，
日常語にはない「特別な意味」で定義しているものがある。具体的には，「力」や「仕事」である。
特に，日常語にある「～力」※16などの言葉は，「力」という語を含んでいても物理的な意味での「力の大きさ」([N(ニュートン)]の単位をもつ物理量)とは直接関係がない。そのため，物理用語としての「力」の定義は，「物体の運動を特徴づける加速(度)を生じる原因である」ことを，特に強調して伝えておく必要がある。
同様に，物理用語の「仕事」は，「（物体に加える)力と(力に平行な方向に動いた物体の）位置変化の積」であるから，物体を動かさない(変位がゼロである)とき，仕事はゼロ※17である。しかし，
日常語としての仕事と，物理用語の「仕事」([J(ジュール)]の単位をもつもの)を混同すると意味が分からなくなり，授業理解に困難が生じる※18。
である。つまり，糸を通してボールを内向きに引っ張っていることに気づかせることが課題となる。
※15
実際の授業では，糸の張力の向きは分かるが，ボールが張力と同じ向きに加速度を受けていることの直感的なイメージづくりが課題である。
※16「破壊力・威力・効力・販売力・能力」など。
専門用語でも「(衝)撃力(:=力積)・電子親和力」など紛らわしいものがある。
※17
値が「ゼロ」を「存在しない」ことと混同する学生もいるが、0[J]という値が「存在」する。
※18
例えば，物理の授業を聞いていなかった学生が試験問題を見たときに，「何を言っているのかわからない」という反応を示したことがあった。この原因のうちの一つは，学生が物理用語を定義通り

6

物理用語を正しく理解させるために，授業では数式以前に，物理用語の定義の理解とその日常語との区別の重要性とそれらができない場合の切実な問題※19も挙げ，強調して伝えている。
5.1.4 物理的作図による情報の集約と思考の整理
学生が問題を解いた課題ノートをチェックしていると，問題を解く際に作図をしていない学生が大部分を占める。物理的作図とは，物理の問題文の内容を図に集約させ，内容を「見える化」していく作業である。この考え方は，物理教員なら自然にやっていること※20ではある。この作図による「見える化」の目的は，次の 2 点に集約される。
1 点目は問題情報の整理である。問題文に含まれている物理量(ベクトル)の大きさや向きを図に記入することで「見える化」する。具体的には，実際の物体の配置に，力[N]，速度[m/s]，加速度[m/s2]などのベクトルを，単位の異なるベクトル
量ごとに矢印のデザインを変えて描き分ける(図3)。これは，異なる単位をもつベクトル量(速度と加速度など)を合成するような誤りを防ぐための意識づけになる。

図 3ベクトルと単位の図への記入

2 点目は，グラフを用いた状況把握である。こ
こでは数学と物理のグラフの違いを強調すること理解していないことにあると言える。
※19
物理用語が理解できないと，物理のものの見方が身につかないので，出発点にさえ立てない。
※20
前職で予備校講師が学生向け特別授業で複雑な大学入試問題を解くのを見学させてもらったことがある。問題文に合わせて図を描くと状況整理が自然にできる授業構成になっており，この物理的作図の重要性を改めて認識した。

藤井：学生との対話から再構築する物理の授業とその改善問題文から読み取ったベクトル情報などを図に集約できれば，符号を含めたベクトルの成分の表
現や，ベクトル図から方程式への翻訳も自然にでき，学生の物理に対する苦手意識もかなり改善されるのではないか。

から始めると良い。まず，物理のグラフの座標軸
は，数学と異なり右向きが正とは限らず，問題に応じて便利なように正の向きを決めることができる。したがって，座標軸の正の向きに対して，図に描いたベクトルの向きが同じ向きか逆向きかという相対的関係に基づき向きの符号表現を正確にできることは，出発点としてとても重要である。

5.2.1.定量的分析能力向上の先に見据えるもの
v-t(速度-時刻)グラフ(図 5)において，傾きや面積とそれぞれの単位の把握ができれば，物体の運動などの物理量の時間変化の傾向がグラフから読み取れ，計算せずとも物理量の変化の様子を俯瞰的に見通すことさえ可能になる。このようなグラフの図形的・幾何的解釈を中心とした解法は，「定性的部分」による見通しから厳密な定量的結果を得る方法でもあり，定量計算をベースとする
代数的な問題解決方法と同じくらい重要である。
物理量をグラフの特徴量(傾きや面積)から解析していく方法は，微分・積分による解析と似ている。グラフの特徴量の正確な理解により，物理量の時間変化を扱う多くの専門分野の内容を読み解くのに必要な基礎力も備わっていくのではないか。

図 4 物理的作図と符号の問題
図 4 は，斜面に沿ってはたらく重力の分力の符号を決める問題の例である。このように，分力の斜面方向の成分の符号表現は座標軸の正の向きによって相対的に変わることがわかる※21。(図 4 の左
図では斜面方向の分力の成分が「正」，
右図は「負」
として表現できる。分力の向きは共に左下向き。)
次に，グラフに単位があることも数学との大きな違いである。数学の 1 次関数においては，座標軸に単位がないため傾きや切片はただ一つの意味しか持たないが，物理では座標軸に単位があるた
め 1 次関数といっても x-t グラフか v-t グラフのどちらなのかによって，傾きや切片の単位やそれぞれの物理的意味が全く異なる。グラフの座標軸の単位に基づいて傾きや切片の意味が変わることを意識することは，グラフから正しい物理的解釈を引き出すために重要である。

図 5 v-t グラフと単位による情報整理
6．まとめ
ここまで，授業内容の紹介と学生の学びを促進
する取り組みとして「数式の翻訳」，「実験レポー
トでの主語を明確にする指導」などを挙げてきた。
そして，定期試験を分析して誤答傾向から学生の学びを確認し，学生アンケートから学生の自学・自習方法に対する提案もできた。5 節では，これまでの授業経験や定期試験の分析に基づき，基礎に不安がある学生に物理を理解させていくための着眼点として，小分割化した物理の学習内容(演示
実験・物理用語の定義の理解・作図による情報集
約と立式)を総合していくことを提案した。
「問題文に書
学習段階のどこかで躓きがあると，5.2.スモール・ステップの総合としての物理的作
図とその先にあるもの
5.1.1.節から述べてきた，物理の「定性的」理解により物理に対する心理的障壁を下げてから行う「演示実験・用語と単位・作図と情報集約・立式」の各過程は，立式に至る学習段階を小分割化[スモール・ステップ 3)化]したものである。これ
らの中で弱い部分を取りあげて訓練・強化することで，学生が物理の方程式を正しく立式できるよ
うになる※22と筆者は考えている。
※21

多くの学生が，図 4 のように正の向きが相対的に変わることになじめないでいる。
※22
最終的に学生に行わせたい行動である「標的行動 3)」を小分割化して学習強化することにより，「標的行動」につなげられるという仮説 3)がある。

7

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
むしろ，
学生の理解を助けようとすればするほど，学生は依存的になり能動的に学ぼうとしなくなる
ことも経験的に感じているため，忘れないようにしたい。そのためには，自ら考え，自分の弱い部
分に気付き質問できる「自律性」を育てていくことが必要である。それにより，逆説的ではあるが，このような取り組みをせずとも，学生が当たり前のことは当たり前に(状況設定から作図・物理法則を見抜く・立式・問題解決)できるほどに成長した
理想状態に近づけることも可能であろう。
今後も，学生の潜在(能)力と自律性を高めることを意図した教育方法を考え続けていきたい。

かれた内容を作図して情報を集約し，立式につなげる」という当たり前のことを正しく実行できな
くなる。その場合に，5.1.節のどの観点を訓練すればよいかという学び直し指導の目安として，本稿は役立てられる。補講や通常授業等でこれらを実施することで，学生の基礎理解力が向上し，効果的に物理の理解を高めることができると考えられる。
では，これらの教育活動を通して，筆者が新米の物理教師の頃と比べて学生はどう変わったであろうか。
授業ノートを取ろうとする，黒板を見ながら考えている，(自分の理解のために)初歩的な質問でも臆せず発言するなど、学生の「好ましい反応」が見られるようになった。授業に積極的に参加しようとする学生が，中間的な理解度の学生からも見られるようになり，授業中に指名して発表させると「分かりません」と即答する学生でも、追加で与えたヒントから正しい結論に至る例も出始めている。問題集での演習においても，解答過程を意識して作図する学生が見られるようになった。
また，学生指導的な観点で見た最近の学生の様
子は附録 6 につけた。

謝辞
教育業務を通して筆者にいろいろな助言や情報共有をしてくださった東京高専の担任の先生方，
筆者を温かく見守ってくださっている物理科・他
教科・他学科の先生方，筆者と関わって下さった
過去の職場の先生方に感謝いたします。また，本稿の構成について，本校物理科の大野秀樹先生より丁寧な助言をいただきました。大変感謝いたします。最後に，原稿の分かりにくいところを徹底的に指摘し，校正に協力してくれた妻陽子にも感謝します。

7. 将来展望
物理の学び方の問題を意識した教育方法は，塾等の外部機関 6)や家庭内で従来から行われてきて
おり，教育方法として何ら新しいものではない。
石川正明氏は高校化学の参考書の下巻 6)にパスカ
ルの「人間は考える葦である」を引用し，「思考を停止しやみくもに暗記することは，自らの人間性※23の破壊である」と節の冒頭で指摘しており，この言葉には筆者も深く共感した。本稿の内容は，筆者が日々の教育活動の中で感じた問題点と向き合い，その解決策を「再発見」しただけである。
本来の高専は，「長い一生を通じて限りなく伸び続けていくことのできる潜在力ある人物を育成する」7)教育研究機関であることが望まれる。
その観点からこれまでの取り組みを見直せば，本稿は「学習の姿勢と物理の学び方から一つ一つ再生させる試み」とは言えるが，学生の「潜在力を高める」ことにつながっているかは不明である。

参考文献
1) 斉藤忠志先生(当時，岩手県立盛岡第一高校，
国語科教諭)との個人的対話に基づく(2010年-2013 年)
2)小野和俊,「PDCA ではなく，DCAP でやるべき『3 つの仕事』」，DIAMOND オンライン(2020年 8 月)
https://diamond.jp/articles/-/247269

3) 島宗理：インストラクショナルデザイン―教師のためのルールブック，米田出版(2004 年)
4)

窮理学から物理学へ――日本で最初の物理学書,窮理，防備録
http://kyuurisha.com/yukichi-kohmin/5) 令和４年度 物理実験テキスト 3 学年，東京
高専物理科(2022 年)※23石川氏のいう「人間性」は，「計算の背景にあるものを読み解く感性」，本校の校訓で言うと「潜在(能)力」のような意味で使われている。

6) 石 川 正 明 : 新 理 系 の 化 学 ( 下 ), 駿 台 文 庫

8藤井：学生との対話から再構築する物理の授業とその改善
授業ノートを取ることの重要性や，課題(問題集)を通して深く考える訓練をする意義が学生に伝わっていなかった。試験で点数を取ることが目標の
学生と，物理を根本から理解させたい筆者の間ですれ違いも多く，学生からの好ましくない反応に直面し，周りの先生方から当該学生への指導や筆者自身への助言をいただく日々であった。

(2005 年),pp7～9(「化学反応の理論」の節の始めのページに本文で紹介した警句的な言
葉がある)
7) 岡俊平:東京工業高等専門学校,初代校長(岡俊平)による本校の教育方針,令和 4 年度学生便覧

【附録 2】授業での指導の様子と方針
演示実験や物理量の定義・物理法則がなぜ成り立つのかを中心に，原理的な理解を深められるように解説している。眠そうにしている学生には声掛けをし，眠りから起こすと同時に学生の理解状
9) S.Fujii, H.Ohno, “Introduction of
況を確認している。一方，新しい物理概念を真に
trinity of science:Physics, experiment
理解するために必要な，問題設定の背景・考え方
andmathematics
forinternationalthの基礎となる定義・その定義を用いた物理法則のstudents”,ISATE2019 (13 International
意味など，「深く考える」ための一連の説明を，教Symposium on Advances in Technology
科書の行間を埋める意図で追加し，論理の飛躍がEducation Engineering Education for
なるべく少なくなるようにしている。
Sustainable
Development
in
21st「なぜ？」という問いを持つことを大切にしてCentury),pp149-154,Oct.2019
おり，「質問は，その疑問が浮かんだ(新鮮な)瞬間にするのが一番」と筆者は学生に指導している。
10) 本校の学生で，波の重ね合わせの原理をリア
学生による鮮度の高い質問を受けて，授業を止め
ルタイムでシミュレーションできるソフト
をスマートフォン上で作成した学生がいた。 て始まる質疑応答で授業が盛り上がることもあれ
ば，学生が板書をノートに書きとる際に抱いた素(2022 年)
朴な疑問には，個別に返すだけでなく全体補足説
明として解説することもある。授業では，なぜ成：筆者の新任時代の授業の様子【附録 1】
り立つのか？を理解することを最重要事項として筆者が物理を教え始めた当初，授業中に学生をいるため，熱心なクラスでは質問をひねり出して観察するほどの心理的余裕はなく，ほとんど黒板いる姿が見られる。学びに上限を設けず，どんなしか見ていなかった。導入がなく定量的な部分の深さの質問にも答えられるように，深さを調整し詳細(厳密さ？)にいきなり入っていき，時々直感ながら解説している。その際には，自分で考えて的理解(分かりやすさ？)を促すつもりで行ったボ
納得するまでの過程を大切にしている。質問の中ディーランゲージが伝わらず笑いを誘う程度※ 24※25
図の設定や用語の定義に関するものもあり，で終わる，思いが空回りした教え方 だったため， には，学生が基礎からしっかり理解しようと努力してい
難し過ぎるか簡単過ぎるかの両極端の印象で，学生は筆者の説明の全体像がつかめなかったようだ。 ることが感じられる。このように，筆者は学生からの質問に応じ対話的に授業を行っている。
学生アンケートでも「物理への情熱が伝わってくる」以外の項目の評価は低かった。寝てしまう学「波源」の導入の授業の様子【附録 3】生が見られ，授業中に学生が静かなことを「よく物理を学ぶにあたって意識的に取り組んでおく
理解している」と勘違いし，物理の定期試験で学とよいことの確認から始め，過年度の教科からの生の理解不足に直面することも多かった。また，接続を意識した復習の後，前提となる等速円運動の演示実験の観察を通して，「定性的」性質の理解※24
教員五者論 8)(学者・医者・易者・役者・芸者から特徴をつかませる。その上で必要な物理量の
たれ)で，
筆者は
「芸者」
ではあったかもしれない。
※25
定義を導入し，「定性的」理解と直感的理解を結び
この教え方の意図としては厳密さと分かりやつけ，「なぜ？」という疑問に答えるようにしながすさの両立を目指していた。
8) レ フ ァ レ ン ス 協 同 デ ー タ ベ ー ス (2019),
https://crd.ndl.go.jp/reference/detail?
page=ref_view&id=1000257881

9東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
ら物理量の定量化へ進む。等速円運動の位置を把握するのに便利な角度を，弧度法※26で導入する。
1[rad]の定義を「半径 r[m]と円弧Δℓ[m]が等しくなる」便利な角度※27として導入・復習しながら，一般の角度から円運動の位相の概念を自然に導く。
そして，円運動を真横から見ると単振動に見えるという関係として，演示実験に加えて，より細かな実験設定での演示ビデオや実験シミュレーショ
ン※28などを通して実験的に単振動を導入し，単振動の位相変化と y-t グラフを導入・精密化して数式表現していく。
【附録 4】小道具の活用例
伝わる授業を考える上では小道具の活用も重要である。ひもで作った簡易コンパスで，比較的きれいな円弧をスピーディーに作図(図 6)すること
で，授業リズムをさほど落とすことなく誤解の少ない作図表現が可能になる。

対面的なやり取りで探り，補足説明していく。このように演示実験と対面での質疑応答を組み合わせることにより，演示実験の直感的理解と物理の定義や法則とのつながりを段階的に進め，学生の学びを促すことができる。このような，演示実験
と対話による質疑応答過程を入れることで，学生が物理現象を作図により紙面上に再現する機会になる。自然に図を描き，図に注釈をして，物理現象の「定性的」理解を深める 9)ことができる。
また，モノ作りに取り組む本校では，実際の物体がどういう運動をしているのか，学生自身が簡単な演示教材を製作し，観察し直して自らの理解につなげるような発展も期待できる 10)。学生がモノ作りにより培った技術で測定器具を自作し，物理法則の検証につなげ，自らの学びを促進するのである。科学の検証可能性の部分とモノ作りを組み合わせた自律的な学習の形と言える。
物理と関わる形で何らかの興味が生まれれば，どのような学習段階にある学生であっても，理解の深化は可能であると筆者は考える。物理は，演
示実験を通して，中学校でも親しんできた「理科」
そのもの(=直感とも一貫する「定性的」理解が可
能なもの)であるという意識を学生が持つことができれば，物理への苦手意識も軽減されるだろう。
【附録 6】学生指導的観点からみた学生の様子と筆者の対応
眠そうな学生や寝ている学生は残るものの，筆者からの声掛けや、授業中の指導に素直に応え，態度を改めようとする学生も出てきている。
また，
授業アンケート等には過激なコメントを寄せる学生であっても，授業が崩壊しそうな激しい反抗になる前に，他の先生方にも協力・援助をいただきながら，当該学生との対話を通して，問題解決の模索・提案ができるようになってきた。昔と異なり，孤独に独断で対応することは減った。
教員側の意識として，学生とのやりとりにおいて問題が大きくなってきたとき，「自分の手に負えない」可能性に気づくことは重要である。そのよ
うな時こそ，次の手を打つときで，プライドを捨て，素直に現状を周りに相談する必要があろう。
(昔は，学生が成長した未来を信じて，自分のやり方を通すことしかできなかった。)（２０２３年１月１３日 受理）

図 6 簡易コンパスによる作図【附録 5】理解不足を補う演示教材
演示教材があると，理解不足の学生や授業を聞き逃していた学生に再度説明を試みる際にも便利である。演示実験に再度取り組む際には，学習段
階の小分割化(「スモール・ステップ 3)」化)をしながら観察させると良い。具体的には，設定や着眼すべきところをどこまで理解しているか，そこに至らない何らかの心理的・論理的混乱の所在を※26

学生には「弧の長さと対応する扇型のひらき角度を，半径を基準にした弧の長さとして，比の値に角度を対応させる角度」と説明している※27
弧度法は，積分せずに，弧度×半径という掛け算により円弧という曲線の長さが厳密に求められる感動的な定義であることを，筆者は学生に強調
している。
※28
シミュレーションは，mathematica という
Wolfram の数式処理ソフトで行った。

10

東京工業高等専門学校研究報告書 第 54 号，2022

東京高専の入学生における体力に関する基礎的研究
溝渕絵里＊，八田直紀＊，黒田一寿＊
本研究では，5 年間の体力テストの結果をもとに，東京高専 1 年生と同学年の全国平均の比較や，東京高専 1 年生の結果を入学年度別に比較することにより，東京高専に入学してくる新入生の体力の特徴
や傾向について明らかにすることを試みた。その結果，男子学生では全国平均値と比較して，5 年間全てにおいて低値を示した種目は，握力，上体おこし，20m シャトルラン，50m 走，ボール投げの 5 項目であった。女子学生においては握力，20ｍシャトルラン，50ｍ走，ボール投げの 4 項目であった。東京
高専 1 年生において入学年度別に比較を行った結果，男女共に 2021 年度および 2022 年度入学生が，それまでの入学生と比べ，体力が低下していることが明らかになった。2021 年度および 2022 年度入学生には，自身の健康や体力の維持・向上についての意識を持たせられるような指導を行うことが重要であると考えられる。
（キーワード：体力テスト，入学生，全国比較，年度別比較）

Characteristics of Physical Fitness among Students Enrolled at the National
Institute of Technology , Tokyo College
Eri MIZOBUCHI*, Naoki HATTA*, Kazutoshi KURODA*
In this study, we examined the results of physical fitness tests over a five-year period, comparing the national averagevalues with the scores of students enrolled at the National Institute of Technology, Tokyo College (NITTC). In
addition, we examined five-year-worth of test scores of the NITTC students, comparing scores they had on their firstyear at NITTC. The results showed that male students showed lower values than the national average for all five
years in the evaluated five categories, including sit-up tests, hand-grip strength tests, 20-meter shuttle run tests, 50meter dash tests, and ball-throw tests. Female students had lower scores in hand-grip strength tests, 20-meter shuttle
run tests, 50-meter dash tests, and ball-throw tests. The results of the comparison by year of enrollment at NITTC
showed that the physical fitness of both male and female students who enrolled in the 2021 and 2022 academic years
declined compared to the previous academic years. It is suggested that it is especially important to provide guidance
to students entering in 2021 and 2022 to make them aware of the importance of maintaining and improving theirhealth and physical fitness.
（Keywords：Physical Fitness Test，new student，national comparison，comparison by year）

1．はじめに文部科学省は，子供の体力の状況を把握するとともに，その改善を目的として，毎年全国で体力・運動能力調査を実施している。文部科学省が行っている「体力・運動能力調査」によると，子どもの体力は，昭和 60 年頃から長期的に低下傾向にある 1）。その原因として，外遊びの減少や，都市化・生活の利便化等の生活環境の変化，睡眠や食生活等の子どもの生活習慣の乱れといった様々な要因が指摘されている 2）。こうした現代の社会状
況や生活様式を鑑みれば，学校現場において，自発的な運動習慣が子供たちに身につくよう指導することは，今後より重要になると考えられる。
こうした観点から，東京工業高等専門学校（以下：東京高専）では，毎年体力テストを授業内で実施し，日々の授業における指導に活用している。
具体的には，体力レベルや運動を含む生活習慣などを学生自身に把握させることにより，学生の運動や健康への関心を高めることなどを意図している。
本研究では，体力テストの結果をもとに次の 2＊一般教育科11

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
表 1 測定項目

点に焦点を当てて検討する。まず，東京高専 1 年
生の体力テストの測定結果と同じ学年の全国平均値とを比較し，東京高専に入学してくる新入生の体力の特徴や傾向について検討する。1 年生の体力の特徴について明らかにすることは，自発的な運動習慣を身につけさせる授業内容を検討する上での手がかりになると考えられる。
次に 2020 年 1 月から新型コロナウイルス感染症が流行し始め，行動が制限されるようになったことから，新型コロナウイルス感染症の流行前後
である 2018 年から 2022 年の 5 年間に着目し，東京高専 1 年生における体力の変化について検討する。
東京高専における新型コロナウイルス感染症が流行した前後の体力テストの比較は，既に黒田・八田・鈴木 3）によって行われている。2011－2020
年度に在籍していた 1－4 年生のデータを分析した結果，登校機会抑制やクラブ活動の見合わせの影響により，シャトルランの低下率が大きくなっていることなどが明らかにされている。このように 1－4 年生を対象にした黒田ら 3）に対し，本研
究では 2018－2022 年度に在籍していた 1 年生のみに焦点を絞り，新型コロナウイルス流行の影響も考慮したうえで，東京高専に入学してくる新入生の体力の特徴や傾向について明らかにすること
を試みる。

測定項目

体力要素

握力

筋力

上体おこし

筋持久力

長座体前屈

柔軟瀬

反復横とび

敏捷性

20ｍシャトルラン

心肺持久力

50m走

瞬発力（走力）

立ち幅跳び

瞬発力（跳力）

ボール投げ

瞬発力（投力）5．分析方法まず、身長・体重・BMI については，年度ごとに基礎統計量を算出した。さらに，BMI については，日本肥満学会の基準 5）にならい 18.5 未満を「低体重」，18.5－25 未満を「標準範囲」，25 以上を「過体重」に分類した。次に，年度ごとの体力レベルの相違を検討するために，各種目の測定結果を従属変数，実施年度を独立変数とした一元配
置分散分析を行った。その際，有意差が認められた場合には，Bonferroni 法による多重比較検定を行った。検定の有意水準は全て危険率 5％未満とした。なお，データの解析には統計処理ソフト（SPSS 28.0，IBM 社製）を使用し，体力テスト結果のコーディングおよび集計にあたっては，大修館体力科学研究会による「新体力テスト分析処理サービス」を利用した。

2．対象者
2018 年度から 2022 年度の入学生 1048 名（男子841 名，女子 207 名）であった。
3．測定方法
新体力テスト実施要項 4）に基づき説明したのち，測定を行った。測定は 4 月―5 月にかけて体育の授業時間において実施した。ただし，2020 年度については 9 月―10 月にかけての実施となった。
4．測定項目
身長・体重・Body Mass Index（以下：BMI）に加えて，握力・上体起こし・長座体前屈など，新体力テスト実施要項 4）に基づく各種目について測定した（表 1）
。さらに運動習慣に関するアンケー
ト（例：一日の運動実施時間は？）について回答を得た。

6．結果及び考察
6.1 東京高専 1 年生の身体的特徴
対象者の身体的特徴について検討するために，
年度ごとの身長・体重について示した（表 2，3）。
さらに同学年である高校 1 年年生の全国平均値についても示した（表 4，5）。全国平均値と比較し大きな差はみられないことから，東京高専の 1 年
生は，男女ともに体格的には平均的な学生であると考えられる。
また，BMI を「低体重（18.5 未満）
」
，
「標準範囲
（18.5－25 未満）」，「過体重（25 以上）」に分類し結果を図 1 と図 2 に示した。
表 2 東京高専男子入学生の身体特性

12溝渕，八田，黒田：東京高専の入学生における体力に関する基礎的研究(年度)

表 3 東京高専女子入学生の身体特性

2022
2021
2020
2019
2018
0%

表 4 全国高校一年生男子の身体特性

20%
低体重

図1

40%

60%

標準範囲

80%

100%

過体重

男子入学生における BMI による 3 分類の割合の推移

(年度)

2022
2021

表 5 全国高校一年生女子の身体特性

2020
2019
2018
0%

男子の結果によれば，2020 年と 2022 年において「低体重」が全体の約 40％を占めるなど，過体重よりも低体重の学生が多いことが明らかになった（図 1）。同様に，女子の結果においても過体重よりも低体重の学生が多い傾向がみられ，2022 年
度入学生においては約 30％の学生が「低体重」であることが明らかにされた（図 2）。また，標準範囲に収まっている学生の割合は，男性よりも女性に多くみられる。しかしながら，女性においても標準範囲に収まる学生は 2019 年度までは 70％を超えていたが，それ以降減少し，2022 年度においては約 56％まで減少している（図 2）。
このような低体重学生の増加や標準体型学生の減少を引き起こしうる要因として，様々なことが考えられる。例えば，日常的な運動不足に起因する筋力低下もその一つであろう。2022 年度の運動習慣に関するアンケートの結果を見てみると，「低体重」に分類されている男子学生のうち体育授業
以外の運動・スポーツ活動をしない・行っても月
1―3 日と答えた学生は約 64％おり，女子学生では約 69％であった。東京高専において標準体型の学生を増やすには，体育授業を通じて運動習慣の形成を促すことがより重要になるかもしれない。

図２

20%
低体重

40%
60%
80%
標準範囲
過体重

100%

女子入学生における BMI による 3 分類の割合の推移

6.2 東京高専 1 年生の体力に関する特徴
次に，東京高専 1 年生の体力測定の結果を入学
年度ごとに男女別に示した（表 6，7）
。さらに，彼らと同学年に当たる全国の高校 1 年生の結果を同様に示した（表 8，9）。
体力テストの結果から，男子学生では全国平均値と比較して，5 年間全てで低値を示したのは，握力，上体おこし，20m シャトルラン，50m 走，ボール投げの 5 項目であった。
女子学生では握力，
20ｍシャトルラン，50ｍ走，ボール投げの 4 項目であった。以下，男女共通して全国平均を下回った 4 種目（握力・20m シャトルラン・50m 走・ボール投げ）の特性を考慮し，東京高専 1 年生の体力の特徴について言及したい。
握力は全身の筋力と高い相関関係があることが指摘されている。そのため，東京高専 1 年生は同学年の高校生と比較し，筋力不足である可能性が考えられた。また，20ｍシャトルランは心肺持久力を測定する指標である。運動頻度と相関関係があり 6），最も運動習慣に左右されやすい体力要素

13

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
表 6 東京高専一年生男子の体力測定結果の推移

表 7 東京高専一年生女子の体力測定結果の推移

表 8 高校一年生男子の体力測定結果の推移（全国平均）

表 9 高校一年生女子の体力測定結果の推移（全国平均）であることから，東京高専には運動習慣が少ない学生が数多く入学していることが推察された。
50m 走は，下肢のすばやさや筋力が求められる測定種目である。体格については全国平均値と大きな差がなかったことから（表 2－5）
、東京高専 1 年
生は体重あたりの下肢筋力が低いことが考えられた。
さらにボール投げのような投運動については，
特別な投運動の経験がない限り，投動作は習熟しないことが報告されている 7）。そのため，東京高専に入学してくる学生の多くは，あまり投動作を入学までに経験していないことが考えられた。このように，東京高専 1 年生は筋力，心肺持久力，走力，投力が全国平均値と比べ下回っている現状にあり，体育授業においては「走る」「跳ぶ」「投げる」といった各運動要素をバランスよく取り込む必要があると考えられる。

6.3 新型コロナウイルス流行前後の東京高専 1
年生における体力レベルの変化
新型コロナウイルス流行前後の体力レベルの変化について検討するために，入学年度別に東京高専 1 年生の結果を比較検討した。その結果，ボー
ル投げを除く 7 種目において統計的に有意な差がみられた。
男子学生の握力では，F (4,835)＝4.27 (p<0.01)の結果となり主効果が認められた（図 3）。多重比較の結果，2022 年度は 2020 年度・2019 年度・2018
年度に対し有意に低いことが認められた（p<0.01
もしくは p<0.05）。
上体おこしの結果についても，F (4,833)＝4.50(p<0.05)となり主効果がみられ（図 4），多重比較の結果，2022 年度は 2020 年度に対し有意に低い値を示した (p<0.01)。

14

握力(kg)

上体おこし(回)

溝渕，八田，黒田：東京高専の入学生における体力に関する基礎的研究

(年度)

(年度)

図 4 上体おこしの入学者年度別比較（男子）

反復横とび(回)長座体前屈(㎝)

図 3 握力の入学者年度別比較（男子）

(年度)

(年度)

図 6 反復横とびの入学者年度別比較（男子）

図 5 長座体前屈の入学者年度別比較（男子）（*p<.05

また，長座体前屈の結果は，F (4,835)＝4.12(p<0.01) となった（図 5）。多重比較を行ったとこ
ろ，2020 年度は 2019 年度および 2018 年度に対し有意に高い結果を示した（p<0.05 もしくは p<0.01）。
反復横跳びでは，F (4,833)＝3.34 (p<0.01) とな
り主効果が認められた（図 6）。多重比較を行った
結果，2021 年度は 2019 年度に対し有意に低いことが認められた（p<0.05）。
20m シャトルランの結果は，F (4,813)＝5.75(p<0.01)となった（図 7）。多重比較の結果をみると，2022 年度は 2019 年度および 2018 年度に対し有 意 に 低 い こ と が 示 さ れ た (p<0.01 ま た は
p<0.05)。さらに，2020 年度は 2019 年度に対し有意に低い結果となった (p<0.05)。
50m 走の結果では，F (4,823)＝2.97 (p<0.05)となり主効果が認められた（図 8）。多重比較を行った
結果，2021 年度は 2020 年度・2019 年度に対し有意に低いことが認められた (p<0.05)。
立ち幅跳びでも，F (4,834)＝6.04 (p<0.01)となり主効果が認められる結果となった（図 9）
。多重比

15

** p<.01）

較を行った結果，2022 年度は 2018 年度に対し有意に低いことが認められた (p<0.05)。また，2021
年度は 2020 年度および 2018 年度に対し有意に低いことが認められた (p<0.01)。
これらの結果を統合して検討すると，男子学生
では 2021 年度および 2022 年度の入学生はそれまでの入学生と比べ，体力が低下傾向にあることが推測される。近年の全国体力テストの全国平均値
は 2019 年度に比べ 2021 年度は男女ともに体力合計点が低下していることが明らかになっている 8）が，東京高専の 2021 年度および 2022 年度の入学生でも同様な結果がみられた。
一方で，ボール投げについては，統計的に有意な差は認められなかった。その理由として，ボー
ル投げは投運動の経験がない限り，投動作は習熟しないことや，男女ともに身体的特性は遠投距離に与える影響が少ないことが報告されている 7）。
このことから，投動作には過去の運動歴が重要であり，活動制限による変化はみられなったことが考えられる。

50m 走(秒)20m シャトルラン(回)東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）

(年度)

(年度)

図 8 ５０ｍ走の入学者年度別比較（男子）

立ち幅跳び(㎝)

立ち幅跳び(cｍ)

図 7 ２０ｍシャトルランの入学者年度別比較（男子）

図 9 立ち幅跳びの入学者年度別比較（男子）

(年度)

(年度)

図 10

男子学生の結果と異なり，女子学生の結果において統計的に有意な差が見られたのは立ち幅跳び
のみの 1 種目であった。女子学生の立ち幅跳びについて，年度別で比較を行った結果，F (4,202)＝
3.59 (p<0.01)となり主効果が認められた（図 10）。
多重比較の結果，2022 年度は 2019 年度に対し有意に低いことが認められた (p<0.05)。しかし他の8 種目では統計的に有意な差は認められなかった。
その理由として，過去 5 年間の「スポーツは好きか」というアンケートに「大好き」「好き」と答えたのは平均で約 38％であり，東京高専に入学してくる女子学生はスポーツ自体があまり好きではな
く，普段から運動習慣がない学生が多いことが考えられる。一方で，男子学生の過去 5 年間の「スポーツは好きか」というアンケートに「大好き」「好き」と答えたのは平均で約 50％であり，普段から運動に対し積極的であることが推測される。
新型コロナウイルス感染症により活動制限がかかったことで，男子学生については体力の低下が推測されるが，女子学生はもともと運動習慣が乏しいため，活動制限による体力低下が生じなかった
ことが考えられる。

16

立ち幅跳びの入学者年度別比較（女子）（*p<.05** p<.01）

7．まとめ
本研究では，体育の授業で行う体力テストの結果をもとに，東京高専入学生の特徴や課題を見つけること，さらに 5 年間の入学生の比較を行い，入学生における体力の変化がみられたかを検討す
ることを目的とした。
対象者の身体的特徴は全国平均値と比較をしても大きな差はみられなかったことから，男女ともに平均的な体格であることが分かる。一方，BMIによる分類で，男子学生および女子学生ともに低体重者が増加していることいることが懸念される。
また，体力テストの結果から，男子学生では全国平均値と比較して，5 年間全てで低値を示したのは，握力，上体おこし，20m シャトルラン，50m
走，ボール投げの 5 項目であった。女子学生は握力，20ｍシャトルラン，50ｍ走，ボール投げの 4
項目であった。低値を示すものは男女ともほぼ同様な傾向がみられた。
さらに，東京高専 1 年生の体力テストの結果を年度別に比較したところ，2021 年度および 2022
年度に入学した男子学生は，例年よりも体力が低溝渕，八田，黒田：東京高専の入学生における体力に関する基礎的研究
下傾向にあることが示唆された。
その理由として，中学校の 3 年間，新型コロナウイルス感染症によって活動を制限されてきたことが原因の一つとして推察される。そのような中学校時代を過ごしてきた学生には，心身における身体活動の効用を，
体育授業を通じて伝えていくことがより一層重要になろう。学生自身が健康や体力の維持・向上についての意識を持つことができ，学生の自発的な健康行動を促進するような体育授業が求められる。
今回測定した体力テストで全国平均と比べ東京高専の学生が低値を示した心肺持久力や筋力は
様々な疾病との関係が深く，将来のことを考えると軽視することができない。運動習慣の無さから生じる体力低下は，生活習慣病をはじめ様々な疾
病率上昇の危険性があることを学生たちに十分に理解させる必要がある。さらに，体育の授業内だ
けでなく，普段から筋力トレーニングを自身で行えるような知識を身につけさせたり，学生が生涯にわたって継続していけるようなスポーツ種目を授業において紹介していくことも必要であろう。
参考文献
1） 文部科学省：子どもの体力向上のための取組
ハンドブック2） 文部科学省：スポーツ振興基本計画（平成 18
年９月 21 日改定）
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年3月4） 文部科学省：新体力テスト実施要項(12 歳〜
19 歳対象)5） 日本肥満学会：肥満症診療ガイドライン 2022
6） 鍋倉賢治：大学生の身体活動状況と全身持久
カとの関係，筑波大学体育科学系紀要 19，
pp159-166，1996．
7） 薄井好人，岡出美則，滝沢洋平，奥村拓朗：小学校 6 年生の体育授業における遠投距離改善に向けた技術的課題の検討，日本体育大学紀要，51 号，pp1105-1113，2022
8） 文部科学省：令和 3 年度全国体力・運動能力、運動習慣等調査結果（２０２３年１月１５日 受理）

17

Research Reports of National Institute of Technology, Tokyo College, No.54, 2022

A Study of a STBC-MIMO-OFDM Wireless System
for Specified Radio Microphones
Hiroyuki HAMAZUMI* and Shuta IIJIMA*
Professional wireless microphones used for concerts, music programs, news programs, etc. are called specified radio
microphones. They are very important equipment for audio work, and users require high reliability to transmit low-latency
and high-quality audio without interruption. There are technical standards for specified radio microphones based on theRadio Law. One of the standards is based on OFDM, which has excellent multipath tolerance, but there is not enoughresearch on reliable transmission. In order to provide a reliable transmission system, we proposed a transmission system
for specified radio microphones that combines OFDM and STBC, and performed computer simulations. Based on thesimulation results, we conducted a link budget and found that the transmission distance could be increased and thetransmission reliability could be improved.
( Keywords: Wireless microphones，high reliability，low latency，OFDM，STBC，link budget)

1.

Introduction

transmission frequency. In the case of using the UHF band,

Professional wireless microphones are widely used inwhich has good propagation conditions, the occupied

concerts, music programs, news programs, etc., and are veryfrequency bandwidth is considered to be 288 kHz or less.

important equipment for voice work 1). In Japan, radio

However, there is a lack of research on the reliablemicrophones that require a radio station license and use

transmission of OFDM specified radio microphones in 288

frequencies from 470 to 710 MHz, 710 to 714 MHz, andkHz systems.

1240 to 1260 MHz (excluding 1252 to 1253 MHz) are called

In this paper, we propose a transmission scheme for

specified radio microphones. Because high reliability is

specified radio microphones that combines OFDM andrequired for professional wireless microphones, technical

STBC (Space Time Block Coding) 4) with the aim ofstandards for specified radio microphones have been

providing a reliable transmission scheme. To improve

established based on the Radio Law, and among them is areliability, it is necessary to introduce error correction.

standard that uses OFDM (Orthogonal Frequency Division

However, since low latency is required for specified radio

Multiplexing), which is superior in multipath tolerance 2)．

microphones, it is challenging to apply interleaving

The purpose of this standard is to transmit high-quality

techniques that can effectively bring out the performance ofvoice with low latency, and the occupied frequency

error correction. Therefore, MIMO (Multi-Input Multi-

bandwidth is set to 600 kHz to enable linear PCM (Pulse

Output) transmission, in which the signal transmitted by

Code Modulation) voice transmission 3).

STBC-OFDM is received with spatial diversity, is also

On the other hand, users of specified radio microphones

studied and its effectiveness is confirmed by computerrequire not only high-quality and low-latency voicesimulation. In addition, the results of a line design based ontransmission, but also reliable transmission that is always

the required C/N obtained by computer simulation arestable. For systems with an occupied bandwidth of 600 kHz,

described.

only the 1.2 GHz band is considered to be available as a*National Institute of Technology, Tokyo College
Department of Electrical Engineering18

Research Reports of National Institute of Technology, Tokyo College (No.54)

2.

STBC-MIMO-OFDM wireless system

2.1 System considerations
To study the STBC-MIMO-OFDM system, thetransmission frequency is set to the UHF band (470 MHz to714 MHz) and the occupied frequency bandwidth is set to
288 kHz based on the standard 2). Since low-latencytransmission is required, convolutional codes and Viterbi(a) OFDM modulator 1

decoding were used for error correction. For this reason, theinformation bit rate was set to 192 kbps when the first-ordermodulation was QPSK, and the transmission bandwidth was
designed to be 271.3864 kHz.
Table 1. Specifications of wireless system for specified
radio microphone
TargetTransmission Frequency
Occupied Bandwidth
Transmission PowerMIMO Structure
Carrier Modulation
Information Bit Rate
Error Correction
FFT Clock Frequency
FFT Points
Useful symbol length
Guard Interval (GI)
LengthOFDM Symbol Length
OFDM Pilot Structure
STBC Pilot Structure
Total
NumberDataof SubContinual
carriers
Pilot
Control

Specified Radio
Microphone
470 to 714 MHz※288 kHz※
25 + 25 mW※
Tx: Aramoti STBC
Rx: DiversityCombining
2×1，2×2，2×4
QPSK
16QAM
192 kb/s
384 kb/s
Convolutional Code
Code Rate = 1/2
Constraint length = 7
708.923 kHz
128
180.5555556 s
22.569445 s(GI Ratio : 1/8)
203.125 sContinual Pilot every 8
Sub-carriers
Hadamard matrix
49397(b) OFDM modulator 2
Fig. 1 Diagram of Continual Pilot
The CP of OFDM modulator 1 transmits without sign
reversal, while the CP of OFDM modulator 2 reverses thesign in the time direction and transmits separately from thetwo antennas. The transmission and reception system underconsideration is shown in Fig. 2.

3※The values were selected based on ARIB STD T-112 2).
Fig. 219

Diagram of specified radio microphone systemusing STBC-OFDM

HAMAZUMI and IIJIMA：A Study of a STBC-MIMO-OFDM Wireless System for Specified Radio Microphones

Yl (n +1) = h1 k x1 (n +1) + h2 k x2 (n +1)= h1 k (−S*2 ) + h2 k S*1

2.2 MISO transmission
We describe MISO (Multi-Input Single-Output)
transmission. Transmitted symbols S n and S n+1 are coded asa pair and transmitted over two instants in time, n and n +1,
and a single antenna in space. Yn and Yn+1 are the received
signals.
�

Yn = hn Sn + hn+1 Sn+1

Timen
Timen+1

This signal is decoded at the receiving end. The received
signal is decoded and combined by the following
operations.

Yl (n )h*1 k + Yl (n +1)*h2 k= S1 h1 k h*1 k +S2h2 k h*1 k − S2 h*1 k h2 k + S1 h2 k h*2 k= S1 (‖h1 k ‖2 + ‖h2 k ‖2 )
(10)

(1)

Yn+1 = hn (−S*n+1 ) + hn+1 S*n

In the STBC decoder, the received signal represented byequation (1) is processed as described in equations (2) and (3),and the transmitted signals S n and S n+1 are extracted.
h*n Yn + hn+1 Yn+1
Sn =(|hn |2 + |hn+1 |2 )ℎn* Yn − hn Yn+1
Sn+1 = +1 2(|hn | + |hn+1 |2 )Yl (n )h*2 k − Yl (n +1)*h1 k= S1 h1 k h*2 k + S2 h2 k h*2 k + S2 h1 k h*1 k − S1 h*2 k h1 k
= S2 (‖h1 k ‖2 + ‖h2 k ‖2
(11)

(2)

Adding the signals from all the antennas described in theabove equation, we get

(3)

∴S1 =
∑kNr=1�Yl (n )h*1 k + Yl (n +1)*h2 k �

The propagation path responses h n and h n+1 are calculatedby the following channel estimation formula after
interpolation by the carrier filter using information from theCP carrier.

∑Nk r=1 (‖h1 k ‖2 + ‖h2 k ‖2 )∴S2 =∑Nk r=1�Yl (n )h*2 k − Yl (n +1)*h1 k �

1(Y + Yn+1 )
(4)
2 n
1
hn+1 = (Yn − Yn+1 )(5)2
2.3 MIMO transmission
We describe MIMO transmission. Diversity is constructedby estimating the propagation path response based on the CP
added at the transmitter and using it to perform STBC
decoding. The transmitted signals S n and S n+1 at theconsecutive symbol times n and n +1 are encoded andtransmitted as follows.

r∑N‖2 + ‖h2 k ‖2 )k =1 (‖h1 k

hn =S (n )=�−S (n +1)*

(13)

With these operations, the received signal is combined anddemodulated, and the transmitted signal can be extracted.
3. Computer simulation

3.1 Optimal value of the pilot signal level
detection is performed by dividing the main line signal by the

S (n +1)�S (n )*

received pilot signal. Therefore, if the S/N of the pilot signal(6)

is larger than that of the main line signal, the C/N improves.

If S (n ) = S 1 and S (n +1) = S 2, then the received signal
at the kth antenna is as follows

At this time,(12)

When performing OFDM demodulation, synchronousx (n )x2 (n )� 1
�x1 (n +1) x2 (n +1)[Y𝑘𝑘 (n ) Yk (n +1)] = [h1 k(9)S1
h2 k ] � *−S2Yl (n ) = h1 k x1 (n ) + h2 k x2 (n )= h1 k S1 + h2 k S2

S2 𝑇𝑇
�
S*1

Therefore, we first checked the optimum value of PBR (Pilot
Boost Ratio). We varied the PBR and recorded the C/N at
PBR=10-5. The results, shown in Fig. 3, confirmed that the(7)

optimum value is 1.4, so the simulation is performed with
PBR = 1.4.

(8)

20

Research Reports of National Institute of Technology, Tokyo College (No.54)
100

STBC-16QAM-OFDM

10-1

fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]

10-2
BER

10-3
10-4

SISO
Without FEC
With FEC

10-5
10-6

0

Fig. 3 Confirmation of the optimum value for pilot

10

20

30
C/N[dB]

40

50

60

Fig. 5 SISO-16QAM

boost ratio

3.2

It can be seen from Fig. 4 and Fig. 5 that the BER

SISO system

To confirm the effectiveness of the proposed system,

characteristics of the SISO system in a two-path Rayleighcomputer simulations of the SISO system were firstenvironment are not improved by error correction.

performed. The fading was based on Jakes' model 5) with a

3.3 MISO system

Rayleigh distribution of amplitudes, and the multipath was

Next, Fig. 6 shows the BER characteristics of the STBC-

assumed to be two paths. The average powers of each wave

OFDM system before and after error correction when thewere assumed to be equal, and to vary Rayleighantenna configuration is MISO (2×1). Fig. 7 shows the BER

independently. The maximum Doppler frequency was set tocharacteristics under the same conditions with 16QAM

10 Hz, assuming that a person wearing a radio microphone

carrier modulation.

would be running.

We can see from Fig. 6 and Fig. 7 that the BER

In the STBC-OFDM system, the BER characteristics

characteristics of the MISO system are improved compared

before and after error correction for the SISO antenna

to the SISO system. The required C/N for QPSK, which

configuration are shown in Fig. 4. Fig. 5 shows the BER

ensures BER = 10-6, is 38.9 dB without error correction andcharacteristics under the same conditions with 16QAM

29.3 dB with error correction, a difference of 9.6 dB. The

carrier modulation. Note that γ is the D/U of each path and τ

required C/N for 16QAM with error correction is 52.1 dB

is the delay time.

without error correction and 35.3 dB with error correction, adifference of 16.8 dB.

100
-1

10
fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]

BER

10-2

fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]

10-2
10-3

10-3

10-4

10-4

SISO
Without FEC
With FEC

10-5
10-6

STBC-QPSK-OFDM

-1

BER

10

100

STBC-QPSK-OFDM

0

10

20

MISO(2×1)
Without FEC
With FEC

10-5

30
C/N[dB]

40

50

10-6

6

0

10

20

C/N[dB]

Fig. 6 MISO-QPSK

Fig. 4 SISO-QPSK

21

30

4

HAMAZUMI and IIJIMA：A Study of a STBC-MIMO-OFDM Wireless System for Specified Radio Microphones
100

The required C/N for QPSK, which ensures BER = 10-6,

STBC-16QAM-OFDM

10-1

is 21.1 dB without error correction and 14.4 dB with error

fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]10-2

correction, resulting in a difference of 6.7 dB. The required
C/N for 16QAM with BER = 10-6 is 27.9 dB without error

BER

10-3

correction and 20.2 dB with error correction, a difference of

10-4

MISO(2×1)
Without FEC
With FEC

10-5
10-6

0

10

7.7 dB.
The BER characteristics of the 2×2 MIMO system are
20

30

40

C/N[dB]

improved compared to the MISO system, as shown in Fig. 8.

50

The same result is obtained when the carrier modulation isFig. 7 MISO-16QAM

16QAM.
In the STBC-OFDM system, the BER characteristics

3.4 MIMO systembefore and after error correction for the MIMO (2×4) antenna

Fig. 8 shows the BER characteristics before and after error

configuration are shown in Fig. 10. Fig. 11 shows the BER

correction for a STBC-OFDM system with a MIMO (2×2)

characteristics under the same conditions with 16QAM

antenna configuration. Fig. 9 shows the BER characteristics

carrier modulation.

under the same conditions with 16QAM carrier modulation.
100

100

STBC-QPSK-OFDM

10-1

10-3

BER

10-3

10-4

10-4
MIMO(2×2)
Without FEC
With FEC

10-5
10-6

fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]

10-2

BER

10-2

STBC-QPSK-OFDM

10-1

fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]0MIMO(2×4)
Without FEC
With FEC

10-5

10

10-6

20

C/N[dB]

Fig. 8 MIMO(2×2)-QPSK
10

0

10

fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]fading: Two Paths RayleighPath1 γ1 = 0 [dB], τ1 = 0 [μs]Path2 γ2 = 0 [dB], τ2 = 1.4 [μs]

BER

10-3
10-4

10-4

10-6

STBC-16QAM-OFDM

10-2

10-3

10-5

0

10-1

BER

10-2

C/N[dB]

Fig. 10 MIMO(2×4)-QPSK

STBC-16QAM-OFDM

10-1

2

10

0

MIMO(2×2)
Without FEC
With FEC

010

MIMO(2×4)
Without FEC
With FEC

10-5

C/N[dB]

20

10-6

30

Fig. 9 MIMO(2×2)-16QAM

0

10

C/N[dB]

20

Fig. 11 MIMO(2×4)-16QAM

22

3

Research Reports of National Institute of Technology, Tokyo College (No.54)

The required C/N for QPSK, which ensures BER = 10-6,

The transmit frequency is 700 MHz and the transmit

is 17.2 dB without error correction and 11.2 dB with error

power is 50 mW. A propagation margin of 5 dB and an

correction, resulting in a difference of 6.0 dB. The required

antenna gain loss due to the human body of 15.2 dB wereused for the link budget, based on the literature 6) andC/N for 16QAM with BER = 10-6 is 24.2 dB without error

assuming the use of a body-pack type wireless microphonecorrection and 15.8 dB with error correction, a difference ofwith the transmitter attached to the human body.

8.4 dB.
Fig. 10 shows that the BER characteristics of a 2×4 MIMO
system are much better than those of a 2×2 MIMO system.

Table 2. Link budget of STBC OFDM wireless system for

Fig. 11 shows that the same result is obtained when the carrier

specified radio microphone

modulation is 16QAM.

MIMO Structure

These results confirm the effectiveness of MIMO

Transmission
Frequency
Trans. Power
Trans. Antenna Gain
Propagation Margin
Antenna gain loss due
to human body
Rec． Antenna Gain
Boltzmann Constant
Noise Temperature
Occupied Bandwidth
Noise Figure
Rec. Degradation
Thermal Noise
Modulation
Transmission Distance
Free
Space
Propagation Loss
Receiving Powertransmission with spatial diversity reception of signals
transmitted using the STBC-OFDM method.
4. Link budget
We attempted to design links to evaluate the effect of
STBC-MISO and STBC-MIMO in terms of transmission
distance. First, we calculate the fading margin from theresults obtained by computer simulation. The fading margin
is calculated as follows, where Γray denotes the required
C/N in the Rayleigh channel and ΓAWGN denotes therequired C/N in the AWGN channel.
Fading Margin = Γray − ΓAWGN(14)

Fading Margin
Required C/Nat BER=10-6
Receiving C/NModulation
Transmission DistanceFree Space
Propagation Loss
Recieving PowerIn equation (14), the fading margin is defined as the value
obtained by subtracting the value of ΓAWGN from the valueof Γray , which ensures BER = 10-6. Assuming thatconcealment by speech signal processing is applied to the
portion of speech that is missing due to errors, the error rate
at which errors are almost imperceptible aurally is generally
said to be about BER = 10-6. In this case, the value of ΓAWGN
is 13.6 dB in the case of QPSK and 20.4 dB in the case of

Fading Margin
Required C/Nat BER=10-6
Receiving C/N

16QAM.
Calculating this gives a value of 12.5 dB for 2×1 MISO,
0.7 dB for 2×2 MIMO, and -2.5 dB for 2×4 MIMO in QPSK.
For 16QAM, we can obtain a value of 14.8 dB for 2×1 MISO,-0.3 dB for 2×2 MIMO, and -4.7 dB for 2×4 MIMO. The
results of the line design for QPSK and 16QAM are shownin Table 2.

23

2×1
MISO

2×2
MIMO
700 MHz

2×4
MIMO

25 + 25 mW
2．14 dBi
5 dB
15.2 dB
2.14 dB−198.6 dBm/HzK
25 dBK
288 kHz
6 dB
4 dB−113.0 dBm
STBC-QPSK-OFDM
552 m
2149 m
3106 m
84.19 dB
96.0 dB
99.2 dB−82.91dBm
12.5 dB
13.6 dB−94.71dBm
0.7 dB
13.6 dB−97.91dBm−2.5 dB
13.6 dB

26.1 dB
14.3 dB
11.1 dB
STBC-16QAM-OFDM
194 m
1102 m 1829 m
75.09 dB
90.2 dB
94.6 dB−73.81dBm
14.8 dB
20.4 dB−88.91dBm−0.3 dB
20.4 dB−93.31dBm−4.7 dB
20.4 dB

35.2 dB

20.1 dB

15.7 dB

HAMAZUMI and IIJIMA：A Study of a STBC-MIMO-OFDM Wireless System for Specified Radio Microphones

References

In the case of QPSK carrier modulation, Table 2 showsthat the transmission distance of MISO is more than 500 m.

1) “Wireless Microphones; Audio PMSE Equipment up to 3

In 2×2 MIMO, the transmission distance is 2000 m, which isGHz; Part 1: Audio PMSE Equipment up to 3 GHz;

about 4 times that of MISO, and in 2×4 MIMO, theHarmonised Standard for access to radio spectrum”,

transmission distance is 3000 m, which is about 6 times thatETSI EN 300 422-1 V2.2.1 (2021-08)

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has a potential transmission distance of about 200 m. 2×2

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OFDM and STBC (Space Time Block Coding). The

John Wiley & Sons，1974

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Technical Report Vol.36, No.53, 2012

out, and the following results were obtained.
(Received January 13, 2023)(1) In the SISO system, the effect of error correction was notobserved at all, but in the MISO system, it was confirmedthat error correction improved the BER characteristics.
(2) It was found that the BER characteristics of a 2×2 MIMO
system can be significantly improved compared to a
MISO system, and the transmission distance can beincreased to 4-6 times that of a MISO system.
(3) It was found that the BER characteristics of a 2×4 MIMO
system can be significantly improved compared to a
MISO system, and the transmission distance can beincreased to 5-9 times that of a MISO system.
These results indicate that the STBC-MIMO-OFDM
transmission system can significantly increase thetransmission distance and improve the transmission
reliability of specified radio microphones.

24

東京工業高等専門学校研究報告書 第 54 号，2022

スパッタ Si 膜積層による光導波型 SPR センサの高感度化
新國広幸＊，伊藤浩＊
本研究では光導波型 SPR センサの高感度化について検討した。本センサは，光導波路基板と金属膜から構成される。高屈折率な Si 膜を金属膜上に積層することで，センサの感度向上が期待できる。積層方法による感度への影響を考察するために，EB 蒸着 Si 膜とスパッタ Si 膜の感度を実験的に比較した。5 nm ではスパッタ Si 膜の方が高感度だったが，3 nm では EB 蒸着 Si 膜の方が高感度だった。3 nm で感度が低下した理由は膜の密着性が悪く，反射回数が低下したからだと推察する。スパッタ Si 膜は EB 蒸着 Si 膜よりも高屈折率だ
ったため，スパッタ Si 膜の方が EB 蒸着 Si 膜よりも感度が向上したと考える。
（キーワード：光導波路，SPR センサ，Si 膜，スパッタリング法，感度）Sensitivity Improvement for an Optical Wave-Guided SPR Sensor
by Lamination of Sputtered Si Film
Hiroyuki NIKKUNI*, Hiroshi ITO*
In this study, we investigated the improvement of the sensitivity of the optical guided-wave SPR sensor. This sensor iscomposed of an optical waveguide substrate and a metal film. By laminating a high-refractive-index Si film on a metal
film, it is expected to improve the sensitivity of the sensor. In order to consider the influence of the lamination method on
the sensitivity, we experimentally compared the sensitivity of the EB-deposited Si film and the sputtered Si film. It wasconsidered that the sputtered Si film has higher sensitivity than the EB-evaporated Si film.
(Keywords: Optical Waveguide, SPR Sensor, Si Film, Sputtering, Sensitivity)

先行研究では Si を蒸着法だけで成膜していたが，本研究では緻密な膜を成膜できるスパッタリ
ング法でも Si を成膜し，二つの方法でセンサを作製し感度を評価する。また，感度の Si 膜厚依存性についても考察する。

1.

研究背景と目的
糖尿病とは，インスリンの作用・分泌不足により高血糖値が慢性的に続く病気である。糖尿病を発症した場合，血糖値を良好にコントロールする必要がある。
本研究では負担が少ない唾液を用いて血糖値を測定するセンサの開発を目標とする。唾液に含まれる糖の量は血液の 1/50～1/1001)であり，高感度な濃度測定が求められる。本研究では高感度に測定するために SPR センサを活用する。表面プラズ
モン共鳴 (surface-plasmon-resonance : SPR)とは，
金属に染み出した光が金属中の電子と共鳴する現象で，この現象を利用し測定試料の濃度を高感度に測定する。SPR センサにはプリズム型，光ファ
イバ型，光導波型がある。光導波型はプリズム型
や光ファイバ型と比べて小型化が可能なため 2)，
本研究では光導波型を採用する。
Priya Bhatia らの研究から高屈折率 Si を金属膜上に積層することでセンサの感度が向上することがわかっている 3)。これは，光と測定試料の相互作用が向上するからである。
＊電気工学科

2.

センサ構成と原理
センサシステムは Xe ランプ，分光器，センサから成る。図 1 に光導波型 SPR センサシステムの構成を示す。センサは，導波路基板上に Ag 膜を成膜し，さらにその上に高屈折率な Si 膜を積層した構造になっている。高屈折率の Si 膜を Ag 膜に積層することで Ag 膜中の自由電子が持っている電場が積み重なり電場が増強する。Si は高屈折率な誘電体であり，Si を Ag 膜上に積層することで染み出す光の量が増加する。この光と測定試料との接触体積が増加することで，光と測定試料の相互作用が増強しセンサが高感度となる 3)。
光が Ag 膜との境界面で全反射するとき，特定の波長で自由電子と共鳴して，反射率が減衰する。
このときの波長を共鳴波長と呼ぶ。共鳴波長は測25東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
よび屈折率・反射率調査用に成膜した Ag，スパッタ Si，EB 蒸着 Si をそれぞれ 100 nm の膜厚を測定した。エリプソメータ (波長 633 nm)を用いて，各膜の屈折率を測定した。分光光度計を用いて，各薄膜の消衰係数をエリプソメータとは異なる方法(透過率・反射率の測定)により評価し，信頼性を確認した。XPS 装置で各膜の組成分析を行った。
図 2 は EB 蒸着 Si3 nm の SPR 血糖値センサの反射率スペクトルを示しており，試料の濃度が上昇するにつれて共鳴波長が長波長側へ移動していることが分かる。同様な測定をほかのセンサでも行った。図 3 に各センサの屈折率と共鳴波長の関
図１ センサシステムの構成係を示す。このグラフの傾きがセンサ感度で，屈折率が 1 変化した際の共鳴波長のシフト量を示す。
3. 実験
単位は nm/RIU で，RIU(Refractive index unit)は屈
3.1. 作製方法
折率 1 のことを表す。図 4 に各センサ感度と膜厚
導波路基板は透明性の高い石英ガラスとし，基の関係を示しており，大きな傾向として，Si 膜厚板の長さ，幅，厚さをそれぞれ 6.5 cm，2.0 cm，が厚くなるにつれて感度も向上していると分かる。
0.5mm とした。Ag 膜の長さ，厚さは，それぞれ 1
スパッタ Si5 nm の感度は EB 蒸着 Si5 nm より
cm，40 nm とした。これは，鈴木氏の研究により，も高かった。エリプソメータによる屈折率測定結
1 cm の長さ，40 nm の厚さでセンサ感度が高くな
4)
果より，EB 蒸着 Si 膜の屈折率の平均は 2.60 で，ったためである 。Ag 上に積層する Si の厚さはスパッタ Si 膜の屈折率の平均は 3.64 だった。ス
0 nm(成膜しない)，3 nm，5 nm の 3 種類とした。
パッタ Si 膜の方が EB 蒸着 Si 膜よりも屈折率がSi はスパッタリング法と EB 蒸着法で 3 nm と 5高いことから，スパッタ Si 膜の方が緻密な膜だと
nm をそれぞれ成膜した。
以下に作製手順の概要を推察することができ，スパッタ
Si 膜の方が EB 蒸示す。
着 Si 膜よりも高感度だと考える。
(a) 基板を超音波洗浄機によりアセトン，セミ
スパッタSi膜の屈折率が高い理由として，緻密
コクリーンで洗浄(b) Ag を成膜(DC スパッタリング(電力 100 W， さのほかに酸化の影響も考えられる。組成分析の結果より，スパッタSi膜のOの量は9.87 %でEB蒸
0.6 Pa))
着Si膜のOの量は22.6 %だった。EB蒸着Si膜のOが(c) Si を成膜(RF スパッタリング法(300 W，0.6
スパッタSi膜の約2倍あり，EB蒸着Si膜のSiO2の割Pa)か EB 蒸着法(45 mA，3.8 kV))合が増加した。EB蒸着Si膜にOが多く含まれているのは，蒸発させるSiが基板であり，Si基板の表面
3.2. 評価方法
積が厚さに比べて大きかったため，酸化部分の割
光導波路分光装置と分光器を用いて作製した 5合が大きかったからだと考える。蒸発物質として種類のセンサの反射率スペクトルを 5 回ずつ測定
粒状のSiを用いることでSiの酸化面積の割合を小し，Si の成膜方法及び膜厚と感度の関係についてさくできると考える。
考察した。滴下する試料は血糖値を模倣するため
3 nm 同士のセンサを比較した場合，EB 蒸着 Si3にグルコース溶液にした。センサ感度を測定する
nm の感度がスパッタ Si3 nm を上回った。スパッ
ために，溶液の濃度(屈折率)を変え，その設定値は
タ Si3 nm の感度が低下した理由として，スパッタ
0%，2%，4%，6%，8%とした。 屈折率はそれぞ
膜の密着性が悪く，測定のたびに膜が剥がれてい
れ 1.3328，1.3358，1.3386，1.3415，1.3446 である。
感度の成膜法・膜厚依存性を考察するにあたって， たことが挙げられる。そのため，Si 膜長の縮小に
よりスパッタ Si3 nm は反射回数が減少したと考
各薄膜の厚さ，表面粗さ，屈折率，組成を実験的に評価した。SPM を用いて，成膜したスパッタ Si3， える。反射回数は N=l / (Dtanθ)で求めることができる。ここで，N は反射回数，D は光導波路の厚5 nm と EB 蒸着 Si3，5 nm，スパッタ Ag40 nm おみ，θ は光が全反射する角度，l は Si 膜の長さで定試料の屈折率に依存して変化し，試料の屈折率が高くなるにつれて共鳴波長は長波長側へ移動していく。屈折率は試料の濃度に依存しているため，共鳴波長から濃度を求められる。

26

新國，伊藤：スパッタ Si 膜積層による光導波型 SPR センサの高感度化
4.

ある。
反射回数は感度に影響を与える要素であり，反射回数が多いほど感度が向上する。EB 蒸着 Si3
nm の方がスパッタ Si3 nm よりも反射回数が多かったため，EB 蒸着 Si3 nm の方が高感度になったと考える。スパッタリングの密着性は，基板を加熱しながら成膜するか成膜後に熱処理を加えることで高められると考える。

結論
本研究では SPR センサの Si の積層方法としてスパッタリング法と EB 蒸着法を比較した。
スパッタSi5 nmはEB蒸着Si5 nmよりも高感度になった。スパッタSi膜の方がEB蒸着Si膜よりも屈折率が高かったことでスパッタSi膜の方が高感度になったと推察する。しかし，EB蒸着Si膜の方がスパッタSi膜よりも酸化していたため，屈折率は緻密性のほかに酸化も影響していると考えられる。
スパッタSi3 nmはEB蒸着Si3 nmよりも感度が低かった。これは，スパッタリングによる密着性が低く，測定のたびに剥がれたことが原因だと考える。
今後の展望として，スパッタSi膜の密着性は加熱成膜か成膜後の熱処理により高める。EB蒸着Si膜の酸化は粒状のSiを使うことで防ぎ，スパッタ
Si膜と組成比を合わせる。

図 2 EB 蒸着 Si3 nm の反射率スペクトル

参考文献
1) 山田晶樹，木村一，鹿野快男，喜多純子，江草玄士：血糖値と唾液糖値の相関に関する検討，糖尿病，vol.40，pp.335-340，1997 年 2月2) 鈴木碧，新國広幸，伊藤浩：表面プラズモン
共鳴を利用した光導波型血糖値センサの理論解析，第 35 回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム，S-064，2018 年
11 月
3) Priya Bhatia and Banshi D. Gupta ： Surfaceplasmon-resonance-based fiber-optic refractive
index sensor: sensitivity enhancement, Appl. Opt.
50, 2032-2036，2011 年 5 月
4) 鈴木碧：生体情報計測のための光導波型 SPR
センサの基礎研究，令和元年度東京高専専攻科特別研究論文，2020 年 3 月

図 3 各成膜法・膜厚の共鳴波長と屈折率の関係（２０２３年１月１３日 受理）

図 4 センサ感度と膜厚の関係

27

東京工業高等専門学校研究報告書 第 54 号，2022

リアルタイム情報共有モーバイルマルチホップネットワーク
田中晶*，中村悠哉**，新井瑛貴*，仮谷星汰*，杉本葉玖*，
須藤大翔*，立山明日菜*，長濵真人*，森下大輝*
大規模震災，洪水や大雨・雪など，予測を超えた災害で通信手段が想定外に途絶するケースも続いている。
一方で，IoT の流れが進み，処理能力をもつ機器が生活の場にも多く見られるようになってきた。普段の生活の場で生成可能なマルチホップネットワークで情報共有が実現できれば，基地局が利用できない災害時においても通信手段としてだけでなく情報共有や各種の処理システムとして効果をもたらす。情報通信研究室（田中研）で設計してきている多種のマルチホップネットワーク，共有メモリシステム，移動通信装置（群ドローン，群ロボット）を用いたリアルタイムの広域情報共有ネットワーク・データベースシステムにおける，幾つかの要素技術とシステム拡張可能性を論じる。
（キーワード：モバイルマルチホップ通信，共有メモリ，分散データベース，群移動体制御，エミュレータ，ネットワーク・プログラミング教育）

Real-time Information Sharing Mobile Multihop Networks
Akira TANAKA*, Yuya NAKAMURA**, Teruki ARAI*,
Seita KARIYA*, Haku SUGIMOTO*, Taika SUDO*,
Asuna TATEYAMA*, Masato NAGAHAMA*, Daiki MORISHITA*
Massive earthquakes, floods / rainfalls / snowfalls cause unintended communications disruptions. On another front,
people find devices with processing functions all around us in global trend of IoT. Multihop networks that can be flexibly
generated in every life function as an information sharing platform as well as temporal communication systems. Various
kinds of multihop networks, shared memory system and mobile devices (group drones and robots) developed in our
information and communication laboratory (Tanaka Lab.) evolve into an integrated wide-area information sharing /database system. Some recent element technologies of our system are discussed.
(Keywords: mobile multihop communications, shared memory, distributed database, group mobile objects control,
emulator, network and programming education)（Fig.1）1,2,3)は，日常的なマイコンや移動体機器を結び必要な処理を実現する基盤となる。様々な伝送媒体とトポロジーで小規模なネットワークを生成する技術が確立されており，ネットワーク自体がセキュリティをもって 4K 動画を送る，遠隔の無線環境をエミュレートして制御する，簡単な演算の実行，最適経路選択，群動体制御，位置情報とのリンク，教材の提供，インターネットでの広域化，などの技術も機能している。
本稿では，最近の成果を中心に，最適伝送媒体マルチホップネットワーク・情報共有システムの構
成要素と応用プロセスを述べる。2 節で高精度位

1. はじめに
日常の身の回りにも IoT 機器が非常に多く見られる今日，これらを接続して自在にネットワーク
化できれば，わざわざ専用の通信機器によらなくても随時情報共有ができ，センサ GPS やデータベ
ー ス と 連 携 し ， ス マ ー ト シ テ ィ や Intelligent
Transport Systems (ITS)のような通常の社会利用型のシステムに有効な技術となる。情報通信研究室（田中研）で設計しているマルチホップネットワーク（図 1）1,2,3)は，日常的なマイコンや移動体機器を結び必要な処理を実現する基盤となる。様々な伝送媒体とトポロジーで小規模なネットワーク*情報工学科 **機械情報システム工学専攻

28

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）

drone

Internet

(i)

Ms.A
ma

mail

(iii)

ma

(iii)
ma

Network
s

ma

ma

ma
TV

ma

(iii)

ma

ma

ma

(ii)

ma

ma

ma

ma

ma

Mr.B

ma

ma

ma

ma
i) Back bone networksii) Multihop networksiii) Multihop mesh networks

ma: mobile autonomous terminal

Fig. 1 Locally exploitable heterogeneous multihop networks
置情報とリンクしてネットワークとセンシング領域を効率的に拡張する群移動体制御，3 節では情報共有と整合性をもつセンシング技術，4 節では映像通信やモバイル SINET4)を介した広域化，5 節
では広域化で効果を発揮する実端末を用いるエミュレーション，6 節ではスマートシティへの展開，
7 節でネットワーク・プログラミング教材について述べ，8 節ではネットワークの自在なカスタマイズを目指す教材システムについて論じ，9 節でまとめと今後の展望を述べる。
2.

移動体とネットワーク空間
情報収集・共有のカバー域は，モビリティの進
展とあいまって移動体により任意に拡張，伸縮できるように設計を進めている。これまでのドロー
ン主体に加え地上の移動体（車，ロボット）も用
いて，実用移動体に置き換える道筋も明らかにできつつあり，災害時では特に効果が高いと思われる。
2.1. 群ドローンとエミュレータ
災害時等では，現場の状況をいち早く把握することは極めて重要だが，現在利用されている通信手段では基地局の破壊等により通信が途絶し，状況の把握が遅れてしまう可能性がある。通信手段が失われた場合や，洞窟等の人が立ち入れず電波が届かない場所の調査を行う際等に威力を発揮す
る主マルチホップネットワークの通信範囲を拡大

29

できるマルチホップ群ドローン制御システムの実現を目指してきた。Bluetooth Low Energy (BLE)の方向検知機能を用いてドローンの自動追尾を行って，建物内や暗闇等の環境下でも動作可能な制御システムを構成している。連接したドローンをマルチホップ通信によって制御する群ドローン制
御において前方ドローンを自動追尾するシステムである。さらに，規制に従った上で支障のない方法で，通信資源が限られた災害現場等の環境を再現し，マルチホップ群ドローン制御システムのテ
スト飛行を行える移動体制御エミュレータも開発している。
ドローンに通信端末（Raspberry Pi4 Model B5）)を搭載したユニットを複数接続して制御している。
通信端末では，前方および後方のユニットと WiFi 接続してマルチホップネットワークを構成し，ドローンと Wi-Fi 接続した通信端末から制御コマ
ンドを送信しドローンを制御している。なお，ドローンは Tello6）を使用した。ユーザは先頭のユ
ニットのドローンのみを操作する。最後方のユニットに接続した操作端末からユーザが制御コマン
ドを送信し，マルチホップネットワークを介して先頭のユニットまで送り届け，コマンドを実行する。後方のユニットを制御する自動追尾システム
は，BLE の方向検知機能である Angle of Arrival(AoA) 7）を用いた（Fig.2(1)）。BLE モジュールお
よび BLE タグは XPLR-AOA-1 kit8)を使用した。送信機が単一のアンテナで信号を送信し，受信機が

田中，中村，新井，仮谷，杉本，須藤，立山，長濵，森下：
リアルタイム情報共有モーバイルマルチホップネットワーク(1) Angle of Arrival7)(2) Emulator
Fig. 2 Group-drone

複数のアンテナにより構成されたアレイアンテナ
で信号を受信する。このとき，アレイアンテナにおけるそれぞれのアンテナが受信した信号の位相差を用いて相対的な到来角度を計算する。
前方（一つ前）のユニットを自動で追尾するよ
うに制御を行い，制御部は大きく自動離陸と自動追尾に分けられ，自動離陸では前方のユニットから送信された電波の Received Signal Strength
Indicator (RSSI)が一定値以下になると自動で離陸し，その後，自動追尾に切り替わる。自動追尾
では，前方のユニットから送信された電波の RSSIの値が一定の範囲内に収まるように速度を変化させ，電波の到来角度を用いて前方のユニットがドローンの正面に位置するように機体を回転させ制御している。
さらに，Unity9)を用いて設計した移動体制御エミュレータ（Fig.2(2)）で，マルチホップ群ドローン制御システムを実際に動作させたときの各ユ
ニットにおける位置や向き，
ドローンの制御情報，
自動追尾システムで利用している RSSI および AoAの値を可視化できる。

2.2. 群ロボットと測位
被災地で情報収集・センシングする際には精度の高い位置情報と常にリンクさせる必要がある。
また，移動体同士の位置関係を保って広く収集する必要性も生じ，面的にカバー域を広げる群ロボットを開発した。3 台のロボット GoPiGo310)と GPS
BU-353S411)を用いる。
災害が起きた際，広大な災害現場を単独の人間やロボットが探索することは，現場の危険性やネットワークの通信範囲を考慮すると非常に困難である。
この通信範囲の問題の解決策の一つとして，無線機に備え付けられたセンサ端末を中継器として利用して広範囲におよぶ通信を可能にすることができるマルチホップネットワークが挙げられる。
先行研究では，より広域にマルチホップ通信が行えるように，ロボットが等間隔に広がる隊列を組んだ状態での制御を行う研究が行われており，現在，特に 3 台のロボットが正三角形の頂点の位置に広がることでより効率よく通信範囲を広げる設計を継続して行っている（Fig.3）。マルチホップ
ネットワークを形成し，GPS によってそれぞれのロボットの相対位置を把握した群ロボットによって面積的な観点から最も効率の良い形である正三角形の形を維持しながら災害現場を効率的に探索するシステムを開発している。GPS モジュールのみで屋内の位置情報の取得は精度に問題があるた
め，RSSI などを利用して屋内での相対位置の測位の精度を向上させ，協調作業が行える設計も進めている。
3.

Fig. 3 Group-robot

30

環境センシング
どこにいても環境情報を広く収集し分析できれ東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
ば，防災のみならず，日常的にも産業上も利用価値が高い。例えば，災害が起きて通信環境がない
現場は周辺がどのようになっているかわからない。
そこで，通信距離が遠すぎる，間に障害物があるなど，直接通信ができない端末間でも，中継器を用意して中継器を経由することで通信を可能にするマルチホップネットワークをセンサに応用している。
現在開発している広域環境情報センシングネッ
トワークシステムは，マルチホップ通信と環境センサを使って通信環境がない現場でもどのような状況になっているかを特に意識せずに取得できるため，現場だけはなくその周囲やより離れた場所の状況も把握できて行動の判断に役立つ，取得したデータは移動体上のデータベースに保存し，そのデータベースを持つ端末を効率的に自律移動させ，災害等で通信がしにくい状態であっても容易に通信が維持できるように通信資源の節約が可能になっている。
具体的には，Bluetooth を使ってアンドロイド
でのマルチホップ通信を行い，センサ（2JCIE-BL12））
モバイルセンサネットワークを構築している。位
置情報，環境データを Android 上のアプリケーシ
ョンの一つとしてデータベースに格納し統計処理ができる（Fig.4）。データベース端末の自律移動制御機能によって任意の端末から最短距離でデー
タベースへアクセス可能にした。データベース移動とそうでないケースで通信資源消費量をアクセス側と測定側の二つの側面から評価するシステムを組んでいる。
マルチホップネットワークだけでなくインター
ネットを使って遠くからでもアクセスを可能にしており，センサ端末は 2.2 項の群ロボットに搭載

し，情報収集が必要な場所へ移動させる。取得したデータはリレーショナルデータベース化されて，2.2 項の測位を流用して近辺の端末と平均をとり，より正確な値の環境データを測定できる。実験では，センサを移動させて広い範囲のデータを取得
し，気圧から風の大まかな動きを推定する予定である。開発環境を整え，テスト用の Android アプ
リを作成し動作させ，センサとの動作確認やデー
タ取得は完了している。
4.

広域化技術の応用
広域化にはモバイル SINET4)を用い，応用として
は高精細映像のリアルタイム通信を予定している。
実用に際し，マルチホップネットワークで求められるセキュリティも取り入れる必要があり，これらを一括し機能化に取り組んでいる。これまで，
マルチホップネットワークでは Raspberry Pi を用い，VPN の実装やデータの経路分割送信で安全な通信網の構築が行われてきた。Raspberry Pi 間での通信で完結していたので，実際にユーザが現場で使うことを想定し，Android スマートフォンを使えるようにした。これまではメッシュ Wi-Fiを介した通信は可能であったが，さらにモバイル
SINET を挟んでマルチホップ通信を行っている。
シ ス テ ム の 開 発 を 行 っ た 環 境 は ， Raspbian
GNU/Linux11(bullseye)，Python 3.7.3 等である。
軽量かつ安価であり，運用が容易であることから採用した。Android 端末には Termux13)というアプ
リをいれ，コンソールから Python プログラムを実行できるようにした。
現在，送受信を行うデータ形式を問わず送受信が可能となり，高画質の動画や画像に加え，テキストファイルやパワーポイントファイル等も送受

Fig. 4 Mobile sensor system31

田中，中村，新井，仮谷，杉本，須藤，立山，長濵，森下：
リアルタイム情報共有モーバイルマルチホップネットワーク

Fig. 5 Wide area communications
5.

Fig. 6 Relay terminal function
信可能である。ネットワーク構成は，Android 端
末からデータ送信を行い，画像フレームを細分し経路分割し Raspberry Pi のマルチホップ通信を経由し，別の Android 端末で受信できる。WLAN のメッシュ を挟む，或いは，モバイル SINET を介する様子を Fig.5 に示す。
ところで，端末の役割は，送信，中継，受信と別れているが，実際の災害現場ではどの端末も送信，受信，中継ができなければならないので，それぞれの通信プログラムを関数としてまとめ，プ
ログラムを一つに統合した。通信プログラムの関数部分を Fig.6 に示す。
実現したシステムにより，実現場で Android スマートフォンを用いユーザが安全にマルチホップ通信を利用して高精細映像を通信し，必要に応じ WLAN を間に介して広域通信
での情報共有も可能になる。

32

広域化に伴うエミュレーション
災害時の情報伝達は非常に重要であるが，被災者と知人どうしの安否確認によるトラフィックの増加によって，通常の電話回線での通信は困難になる。マルチホップ通信をより広域化しメッシュ化することで被災地域などをくまなくカバーできるが，一方で端末の電波環境が把握できにくくな
り，効率が低下する。そこで遠隔で端末の状態を確認できる MR エミュレータの開発が行われた。
本研究では実用を想定した，より広範囲でのエミュレーションを実現する MR エミュレータの開発を進めた。複数の中継端末が互いに対等な関係で網の目状の伝達経路を形成してデータを転送する，
メッシュネットワーク方式を採用した通信システ
ムである。本研究では，Fig.7（左上）のような
Arduino14)に無線モデム MU-315)を接続した無線機を複数台用いて，マルチホップ通信方式を使用して実験を行う。Fig.7 が実際の通信の様子で，使用する無線機のうち，1 台を PC に接続し，その他の端末とマルチホップ通信で接続することで，メッセージを送信することができる。この通信状況
をエミュレータで観測している。
現在，このマルチホップメッシュネットワーク
エミュレータを発展させ，すぐに現実利用できるレベルの MR エミュレータの設計を行っている。
例としては，通信の広域化を図るため，無線 LAN
化や，LTE 等の携帯のインターネットと同じ方法でつなげられるモバイル SINET4)での通信，より多数の端末に対応できるよう設計し，多数端末をクラスタと見立て，塊と塊の間の通信もエミュレー
ション，エミュレータの UI 改良である。

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）

Fig. 7 Emulator with real mulitihop terminals

Fig. 8 Distributed database for smart-city
これまで，広域化のための無線 LAN 化，及びモ
バイル SINET4)でも同様に文字の送信ができることを確認できた。それらをエミュレータに適用する必要があり，これらを実装すると，より遠方へのメッセージ送信が可能となり，実際の災害時でも利用できる。
6.

スマートシティ構想への発展
インターネットが使えない被災地域などでの情報共有や安否確認を目指して，BLE や Wi-Fi のモ
バイルマルチホップ通信を用いて基地局を介さない分散データベースネットワークの設計が行われてきたが，日常生活へも大いに適用可能性を持つ。
近年 Society5.0（内閣府などにより，スマートシティ）16)といった，ICT 等の技術を活用し最適化が図られる持続可能なまちづくりの推進がされている。そこで，過年度の研究室の分散データベースの研究成果などを踏まえながらスマートシティ33へ応用する分散データベースの実装を行う。
スマートシティに活用するには，様々な形式のデータを扱う必要がある。また，広い地域のデータを取り扱い，多数の様々な利用者がアクセスする
17)。データベースを分散化してより大きなデータの通信をするため，負荷の軽減やアクセスの高速化，複数種類のデータベースを用意して効率的な利用を図るなどの工夫が必要となってくる。
現在，商品の仕入れ方やお客が買い物に行くときに出かける先を考えられるようなシステムを開発している。Fig.8 に想定しているシステムのイ
メージを示す。ユーザはアプリを通して街中や店舗の近くの状況を確認することができ，店側では受け取った情報から混雑の予測，対策を考えたりすることができる。どんなところでも使えるパー
バシブなシステムにするためマルチホップネット
ワーク上で設計し，クロスプラットフォームを想定し，データベース言語は SQLite で開発してお田中，中村，新井，仮谷，杉本，須藤，立山，長濵，森下：
リアルタイム情報共有モーバイルマルチホップネットワーク

Fig. 9 Distributed computing

Fig. 10 Communication and comping on FPGAs

り，仮想空間での複数データベース連携を設計した。データベース内のデータを抽出した結果の例
も Fig.8 に示した。
7.

分散プロセッサの実装
防災用の情報伝達システムでは，高機能なプロ
セッサ機能が必要になる。しかし，一般に使用される IoT 端末にはメモリの制限があり，高度な処理を行うことができない。そこで，複数台の FPGA
端末を用いて，各端末のメモリを通信でアクセスできる分散演算システムの構築を行ってきた。過去卒研では 4 台の FPGA 端末で 2 つのデータを用いた四則演算を行う分散演算システムの構築を行っている。このシステムでは，各 FPGA 端末に端末ID を設定し，メモリのアクセスを通信によって行う。そして，演算や出力を行う端末を ID で指定
し，指定された ID の端末で演算を行い，指定した
ID の端末へ出力データ（演算結果）を送信する。
すべての端末のメモリにアクセスできるため，システム全体を一つの共有メモリとして使用することが可能である。システムの概要図を Fig.9 に示す。
より高度な処理を行えるようにするため，使用する無線モジュールは MU-315)とし，コードを用いたコマンドによって送受信や端末 ID の設定などの操作が簡単に行う。また，使用する FPGA 端末の台数を 4 台から 10 台に増やし，演算に使用するデータを 10 個に増やすことでシステムの広域化を図る。使用する FPGA は，DE10 standard とDE0Nano18)とする。DE10 standard は基本的なインターフェースやプロセッサを搭載していて高速であるため，高度な処理を容易に設計できることが34

メリットである。DE0Nano は，インターフェース
は少ないが小型である。そのため，DE0Nano は中継やデータ処理の機能に限定して使用する。
また，
単純な四則演算だけでなく，取得したデータの平均を計算する機能を追加することで，処理の高度化を図っている。現在は，8 台の FPGA 端末を用いて 3 つのデータを通信によって取得し，四則演算を行い出力するシステムが完成している。本研究で構築しているシステムの全体図を Fig.10 に示す。
8.

教材によるネットワークの構築
研究室で設計しているマルチホップネットワー
クは，
誰でも容易に使用できる構造であるものの，利用者の使用目的に最適なカスタマイズ等にはネットワーク構築技術やプログラミングのスキルが求められる。未経験の学生・ユーザに向け，インターネット講座 19,20)や過年度の卒研をもとに高専生向けのプログラミング教材を設計している。
Python を使用した Web アプリで，本研究室の，災害時通信が充分に行えない際等のためのマルチホ
ップネットワーク構築・改良やルーティング制御の方法を本教材に取り入れている。文字出力，四則演算，ループ，条件分岐，関数やダイキストラ法などの情報通信技術に関する問題が組み込まれ，
if や else を学習させる問題であれば一行ごとに「もし x=0 であれば」などとコメントに沿って穴埋め回答し，実行後に結果（説明）が表示される。
さらに，端末間の RSSI を測定し最適経路で接続するマルチホップネットワークと連動する。教材
で問題を解いてプログラムが完成すると実際にRaspberry Pi 数台が連動してプログラム通りに通東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
参考文献
1) A. Tanaka, “Locally exploitable heterogeneous
multihop communications applied to cooperative
robots,” Proc. 5th Int'l Conf. on Ubiquitous andFuture Networks (ICUFN 2013), 7A-5, pp. 421-326,
Da Nang, Vietnam, Jul. 2013.
2) 田中 晶，中村悠哉，内田恭矢，河村碧生，栗原秀弥， 坂本蒼樹，寺川優汰，本間玄太，三國蒼介, “情報共有モーバイルマルチホップネット
ワーク，” 東京高専研究報告書, No.53, pp.108-116, Mar. 2022.
3) 田中晶, 丸山充, 漆谷重雄, 辻井利昭, “持続可能なリアルタイム情報共有モーバイルネット
ワーク,” 信学技報, Vol.121, No.433, NS2021147, pp.146-151, Mar. 2022.
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um/upload/c1_setsumeikai2019_sinet_1_2019121
6.pdf (2022.07.06 access)5) Raspberry Pi Foundation, Raspberry-Pi, https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-4-model-b/ (2022.09.20 access)6) Shenzhen Ryze Technology, Tello, https://www.
ryzerobotics.com/jp/tello (2022.09.20 access)7) Martin Wooley，Bluetooth Core Specification v5.1，
Bluetooth SIG，2019.1
8) XPLR-AOA-1 kit，u-blox，https://www.u-blox.c
om/en/product/xplr-aoa-1-kit (2022.09.20 access)9) Unity,Unity, https://unity.com/ja(2022.09.20 access)10) Modular Robotics, GoPiGo, https://www.dexter
industries.com/gopigo-tutorials-documentation(2023.01.11 access)11) ㈱アイ・ディー・エーBU353-S4, https://www.
ida-japan.co.jp/GPS/BU353-S4(USB).pdf(2023.01.11 access)12) オムロン㈱, 2JCIE-BL, https://components.omr
on.com/jp-ja/products/sensors/2JCIE-BL(2023.01.11 access)13) Termux, Fredrik Fornwall, https://play.google.c
om/store/apps/details?id=com.termux&hl=ja&gl=
US&pli=1 (2023.01.11 access)14) Arduino, Arduino, https://www.arduino.cc/15) ㈱サーキットデザイン, MU-3-429, https://www.circuitdesign.jp/wp/wp-content/uploads/support/
download/docs/og_mu-3-429.pdf(2023.01.11 access)Fig. 11 Educational materials with real
network
信する（Fig.11)。同一ネットワーク上での 4 台のRaspberry Pi 同士での通信が行え，txt ファイル
を 2 台の Raspberry Pi を経由して別の Raspberry
Pi に送信は確認できている。問題を充実させることでプログラミング学習者にマルチホップネット
ワークについての理解を深めてもらい，プログラ
ムの基礎知識習得に有効な本教材となる。
9.

まとめ
様々な端末を用いてメッシュ，バス，スターなど任意のトポロジーでマルチホップネットワークを生成できることは実証済であり，通信の場所や環境に応じて広く情報伝達できるため，共有メモ
リ 1,3)も導入して，伝達，状況の共有，センシング，
情報処理などを一括して行えるセキュアな情報共有システムへと発展させてきた。
緊急時，
災害時，
インフラネットワークが整わない領域での適用に限らず，世界各地で既に実用も進められているス
マートシティの要素としても有効であり，群移動
体制御，モバイル SINET や高精細映像技術も用いて広域化しながら，応用技術の開発を進める予定
である。
さらに，
エミュレータと教材に同期して，初学者であってもリアルタイムの情報共有システ
ムのカスタマイズ・構築ができる統合環境の設計を進めている。
謝辞
本研究の一部は JSPS 科研費 22K02905 の助成を受けたものです．

35

田中，中村，新井，仮谷，杉本，須藤，立山，長濵，森下：
リアルタイム情報共有モーバイルマルチホップネットワーク
16) 内閣府, スマートシティに関連する施策・参考資料, https://www8.cao.go.jp/cstp/society5_0/s
martcity/02_ref2.appendix.pdf(2022.12.01 access)17) United Nations Economic Commission for Europe(UNECE), People-Smart Sustainable Cities,
https://unece.org/sites/default/files/2021-01/SSC%
20nexus_web_opt_ENG_0.pdf(2022.12.01 access)18) Terasic, DE Boards, https://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&Categ
oryNo=163 (2023.01.12 access)19) 田中晶, 土屋賢一, 林丈晴, 中野雅之, 小池和摩, 酒井元太, 菅原健太, 仲林龍馬, 牧野康平,“八王子市小学校科学教育センター「インターネット講座」の実施,” 東京高専研究報告書,
No.46(2), pp.66-74, Mar. 2015.
20) 田中晶, “小学生に向けたインターネット・プ
ログラミング導入講座,” 信学技報，Vol. 118,
No.294, ET2018-55, Nov. 2018.
（２０２３年１月１３日 受理）

36

東京工業高等専門学校研究報告書 第 54 号，2022

ネオニコチノイド系農薬であるチアメトキサムの原体及びその分解生成物のオオミジンコ繁殖阻害性に関する研究
庄司良＊，岩﨑多聞＊
ネオニコチノイド系農薬とは，1990 年代から有機リン系農薬に替わり，幅広い場面で利用されている農薬である。産業的な利用が拡大する一方で，環境へのリスクは正確に評価されるべきである。そこで，本研究ではネオニコチノイド系農薬に分類されるチアメトキサムの原体及び，その分解生成物について，甲殻類のオオミジンコ(Daphnia magna)を用いた生態毒性試験を実施した。試験の結果，チアメトキサムの濃度に依存
して，オオミジンコは遊泳阻害及び繁殖促進効果を有する可能性が示唆された。また，農薬の助剤として含まれている界面活性剤の毒性についても考慮されるべき結果を得た。
（キーワード：ネオニコチノイド系農薬，チアメトキサム，オオミジンコ，界面活性剤）

Study on the Reproductive Inhibition of Daphnia magna Exposed toThiamethoxam, a Neonicotinoid pesticide and the Degradation Products
Ryo SHOJI*, Tamon IWASAKI*
Neonicotinoid pesticides have replaced organophosphorus pesticides since the 1990s and are used in a wide range offields. While their utilization is expanding industrially, their risk to the environment should be accurately evaluated. In
this study, we conducted ecotoxicity tests of thiamethoxam, which is categorized as a neonicotinoid pesticide, and its
degradation products using the Daphnia magna crustacean. The results suggest that thiamethoxam may inhibit swimmingand promote reproduction in the Daphnia magna, depending on the concentration of thiamethoxam. The toxicity ofsurfactants (LAS) contained as pesticide aids should also be taken into consideration.
(Keywords: Neonicotinoid pesticides, Thiamethoxam, Daphnia magna, Surfactant)

1.

はじめに

1.1. ネオニコチノイド系農薬の概要
ネオニコチノイド系農薬とは，ニコチンと化学構造が類似している殺虫剤であり，有機リン系農薬，カーバメート系農薬に替わって，1990 年代から広く使用されている農薬である 1)。この農薬は，従来の農薬と比較して，毒性選択的である。そのため，
ヒトや環境に対する毒性が低いと推定され，広く評価されている 2)。このような利点から，耕作農業や園芸，一般家庭で使用されている他，ペットのダニや，ノミの駆除などの動物用としての利用価値もある 3)。なお，2014 年には農薬全体の世界市場シェア率が 25%に達している 4)。
ネオニコチノイド系農薬の特徴として，水溶性であり，浸透性が高いことが挙げられる。
例えば，植物に散布されたとき，この農薬は葉や花，根を経由して取り込まれ，全体へと輸送される。これらをミツバチなどの吸汁性昆虫が摂取すると，体
＊

物質工学科

37

内に存在するニコチン性アセチルコリン受容体に対して，不可逆的に結合する。ネオニコチノイド
はアセチルコリンで分解することができないため，神経伝達を阻害し麻痺させ，最終的に昆虫を死に至らしめる 2)。ニコチン性アセチルコリン受容体
は昆虫体内に散見されるため，農薬との強い相互作用を示すが，哺乳類の末梢神経や中枢神経系にも存在する。従って，ネオニコチノイド系農薬は，有機リン系農薬よりも 5 ~ 10 倍，高い昆虫選択性を有すると推定される 5)。
先に述べた特徴以外に，ネオニコチノイド系農薬は，その残留性が高い点も特筆するべきある。
一度の散布で効果が長く持続するため，農薬散布量の削減に繋がる一方で，高い残留性を示すことから，環境中に長期的に偏在し，野生動物やヒトに対する健康被害も報告される 4)。半減期については様々であるが，例えば，チアメトキサムの半減期については pH 7 において，1110 ~ 1250 日に

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
例えば，Zheng らは，IMI は中性及び酸性条件下では安定して存在するが，pH 8 以上では加水分解速度が非常に速いことを報告している 8) 。また，
Todey らは，TMX の加水分解が一次速度論に従っており，加水分解速度は pH 8 以上で最も高いと述べている 9)。つまり，本研究の対象である TMX の安定性とは pH 依存的である。
TMX は酸性及び，中性条件では長期的に安定して存在する 10)。しかし，塩基性条件では Fig, 1 に示すように，水酸基による求核置換反応が起こる
ため，加水分解反応が進行する 10)。反応経路は 4つである（Fig. 1）。初めに，①の反応は TMX（化合物 1）のチアゾール環の 2’位の炭素に対して，水酸基が求核置換攻撃を行うことで進行する。これにより，塩素の脱離を伴って水酸基が付加する
ため，化合物 2 を与える。続いて，②の反応は，TMX の 1,3,5-オキサジアジナン環の 2’位の炭素にδ+が発生していることで，反応が進行する。これは 2’位の炭素の末端に，電子吸引基性を示すニトロ基が存在することに由来する。②の反応後，化合物 3 の中間体を経由し，化合物 5 を与える。また，③の反応では，TMX の 1,3,5-オキサジアジナ
ン環の 4’位の炭素に水酸基が付加反応を起こし，化合物 4 を得る。最後に，④の反応は，1,3,5-オキ
サジアジナン環の 1’位の炭素へ水酸基が求核置換攻撃を行い，環の開裂を引き起こす。
④の反応は，
化合物 1 と 5 に対して起こり，化合物 6 を与える。

達する 6)。また，ネオニコチノイド系農薬は，簡単な洗浄では残留物を除去しきれないため，食品や花粉からも頻繁に検出されている 1)。よって，ヒトを代表する非標的生物にも行き渡り，生物多様性を損なう可能性がある。
日本において，登録・使用されているネオニコ
チノイド系農薬は 7 種類（ジノテフラン（DIN，Dinotefuran），クロチアニジン（CLO，Clothianidin），
イミダクロプリド（IMI，Imidacloprid），チアメト
キサム（TMX，Thiamethoxam），アセタミプリド（ACE，Acetamiprid），チアクロプリド（THI，Thiacloprid），ニテンピラム（NIT，Nitenpyram））
である。
1.2. ネオニコチノイド系農薬の加水分解性
農薬が実環境中で利用されるとき，周りの環境に依存して，農薬原体は様々な動態変化を起こす
ことが予想される。例えば，土壌や水の pH 値に基づいた加水分解反応や，自然光の照射による光分解反応の進行である。加えて，環境中に普遍的に存在し，溶存有機物の主成分であるフミン酸との吸着現象も起こる 7)。以上の点を踏まえれば，
農薬原体のみに焦点を当てた研究だけでなく，それらの分解派生物や吸着物についても着目されるべきである。
ネオニコチノイド系農薬は，長期残留性が問題視されているが，いくつかのネオニコチノイド系
農薬の加水分解性に関する研究成果も存在する。
NO

N
S

O
H

N

N

2

S

Cl

N H2

N

6
Cl

N

N

2

Cl

CH3
①

O

OH- S
①
Cl
④

S

5

N

N

OH -

N

N

N

NO2

③

N

N

N
O

4

1
N

O

③
OH -

CH3

CH3

Cl

②

S
N

O

O

H

NH NO 2

N

3

N

CH3

O

Fig. 1，Hydrolysis mechanism of thiamethoxam, a neonicotinoid pesticide, in basic conditions.10)

38

CH 3
O
H

④
O

④

OH - N②

S

NO2

庄司，岩﨑：ネオニコチノイド系農薬であるチアメトキサムの原体及びその分解生成物のオオミジンコ繁殖阻害性に関する研究
1.3. 本研究の目的
本研究では，ネオニコチノイド系に分類される
農薬の 1 つである TMX を対象としている。TMXの 原 体 及 び， そ の分 解生 成 物 が オオ ミ ジン コ
（Daphnia magna）に与える生態毒性を調査することを目的とした。WET（Whole Effluent Toxicity）
手法を応用した日本の水環境管理に用いられるバ
イオアッセイに準じ，オオミジンコを用いた 72 時
間急性遊泳阻害試験と 21 日間繁殖阻害試験を実
施した。
2.

研究方法

2.1. 使用試薬
本研究では TMX ((EZ)-3-(2-chloro-1,3-thiazol-5ylmethyl)-5-methyl-1,3,5-oxadiazinan-4-ylidene(nitro) amine)標準物質（富士フィルム和光純薬
R）（株），TraceSure○，アクタラ顆粒水溶剤 11)（シンジェンタジャパン（株），TMX：10 wt%，界面活
性剤・無機塩類等：89 wt%，直鎖アルキルベンゼ
ン ス ル ホ ン 酸 ナ ト リ ウ ム （ LAS ， Linear Alkyl
benzene Sulphonic acid）：1 wt%），アセトニトリル（富士フィルム和光純薬（株），高速液体クロマト
グラフ用 for HPLC），ほう酸（富士フィルム和光
純薬（株），試薬特級），1 mol/L 水酸化ナトリウム液（富士フィルム和光純薬（株），一般試験法用）を使用した。
2.2. オオミジンコの継代培養本研究で取り扱う試験個体のオオミジンコは，
メダカ学園（(株)ビリーブインターナショナル）より購入したものである。オオミジンコの飼育は，
OECD（Organization for Economic Co-operation andDevelopment）化学品テストガイドライン No.202
及び 211 に準拠して実施された 12,13)。飼育水にはElendt M4 培地（以下 M4 培地）を使用した。飼育密度は 25 匹／L，水温 20±2℃とした。また，オオミジンコの餌には，淡水微細藻類である
Chlorella vulgaris を用い，餌密度が 1.0×109 cell/mLとなるように給餌した。照明には白色蛍光灯を使用し，16 時間明／8 時間暗とした。なお，M4 培地
は調製後に，エアーポンプ（α Beetle 90，（株）マルカン）を用いて，空気量 1.5 ~ 2.5 L/min で 24 時
間曝気させた。

39

2.3. オオミジンコ急性遊泳阻害試験（72 時間）
急性遊泳阻害試験は，OECD 化学品テストガイ
ドライン No.202 に準拠して実施した 12)。試験開始から 24 時間前に，生後 2 週間が経過し，かつ 2腹目以降のオオミジンコの抱卵成体を，25 匹／Lとなるように分取し，16 時間明／8 時間暗，20℃に保たれたインキュベーター内で保存した。
急性遊泳阻害試験は，TMX 標準物質及び，アクタラ顆粒水溶剤の 2 種類に対して実施された。対照区には，十分に曝気された M4 培地を使用した。
それぞれの濃度区は，対照区+5 段階（TMX 標準
物質：12.5，25.0，50.0，100，184 mg/L，アクタラ
顆粒水溶剤：62.5，125，250，500，800 mg/L）とした。各濃度区における連数は 4 連である。生後
24 時間以内のオオミジンコの仔虫を，各濃度区に対して 20 匹ずつ曝露した。
試験液の水質（水温，pH，DO（Dissolved Oxygen））
は，全ての濃度区の試験容器 1 つについて，試験開始時と終了時に測定した。試験開始から，24 時
間ごとに，
オオミジンコの遊泳阻害数を記録した。
なお，ビーカーを穏やかに動かした後，オオミジ
ンコが 15 秒間泳げない場合，遊泳阻害されたとみなした 12)。
2.4. オオミジンコ繁殖阻害試験（21 日間）
繁殖阻害試験は，OECD 化学品テストガイドラ
イン No.211 に準拠して実施した 13)。試験開始から 24 時間前に，生後 2 週間が経過し，かつ 2 腹目以降のオオミジンコの抱卵成体を，25 匹／L となるように分取し，16 時間明／8 時間暗，20℃に保たれたインキュベーター内で保存した。
繁殖阻害試験は，急性遊泳阻害試験と同様に，
TMX 標準物質及び，アクタラ顆粒水溶剤の 2 種類に対して実施された。対照区には，十分に曝気された M4 培地を使用した。それぞれの濃度区は，
対照区+5 段階（TMX 標準物質：6.25，12.5，25.0，
50.0，80.0 mg/L，アクタラ顆粒水溶剤：62.5，125，
250，500，800 mg/L）とした。各濃度区における連数は 4 連であった。生後 24 時間以内のオオミ
ジンコの仔虫を，各濃度区に対して 4 匹ずつ曝露した。
試験液の水質（水温，pH，DO）は，全ての濃度
区の試験容器 1 つについて，試験開始時と終了時，換水操作前後の試験液に対して測定した。農薬原体からの分解生成物の影響を調査するために，換東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
水操作は週 1 回（計 2 回）とした。OECD 化学品
テストガイドラインでは，換水操作を 3 日に 1 度行うことを推奨している 12)。換水操作を行わない
場合，試験液の水質が悪化することにより，オオ
ミジンコの慢性毒性に繋がる可能性がある。よって，TMX 標準物質を用いた繁殖阻害試験の実施と同時に，21 日間の試験期間中，1 度も換水操作を行わない対照区（No water change control）を設けた。24 時間ごとにオオミジンコ 1 匹当たりの産仔
数及び，遊泳阻害数について観察した。遊泳阻害の判定方法は，急性遊泳阻害試験と同様である。

認されなかった。
TMX 標準物質の濃度変化に対する，オオミジン
コの用量反応曲線を，統計処理ソフト R（ver. 4.1.2）を用いて作成した（Fig. 2）。なお，TMX 濃度については，試験液調製時に計算されたものとする（12.5，25.0，50.0，100，184 mg/L）。

2.5. HPLC による供試物質の定量
オオミジンコに対する 2 種類の毒性試験で使用される，M4 培地の pH は約 7.5 ~ 8.0 である。そのため，特に繁殖阻害試験においては，試験期間において TMX の加水分解反応が進行し，原体濃度の変動ならびに，原体からの分解物生成の可能性が示唆された。よって換水操作時に，試験液を冷暗所で保存し，HPLC（High Performance Liquid
Chromatography）（LC-2000Plus series，日本分光（株））による農薬の定量を試みた．測定条件をTable 1 へ示す。

＊

Fig. 2，Dose-response curves of Daphnia magna
to different concentrations of TMX reference
substance at each exposure duration. Logistic
regression analysis was carried out using thestatistical software R (ver. 4.1.2). (Error bars are
95% confidence intervals. ＊：p < 0.05, two –tailed t test)

Table 1，HPLC conditions for determination of

the testing substances.
Column temperature

40℃

Flow rate
Detection wavelength
Injection volume
Mobile phasecomposition
Mobile phase pH

1.5 mL/min
250 nm
10 µL
25 mM boric acidbuffer-MeCN 70/30
pH 9.21
Unifinepak C18
04150-5M

Column No.
3.

結果と考察

3.1.

TMX がオオミジンコにもたらす急性毒性

TMX 濃度が 12.5 – 100 mg/L である濃度区においては，72 時間の試験期間中，オオミジンコへの遊泳阻害は確認されなかった。そのため，TMX 標
準物質のオオミジンコに対する 72 h - NOEC (NoObserved Effect Concentration)値は，72 h - NOEC =100 mg/L と判断される。先行研究において，オオミジンコに対する TMX の毒性値は 48 h – EC50 >100 mg/L と報告されている 15)。一方で，TMX 濃
度が 184 mg/L に設定された試験液にオオミジン
コを曝露した場合，試験開始から 48 時間後に 10%，72 時間後に 35%の遊泳阻害が確認された。特に，35%の遊泳阻害は対照区と比較して有意（p < 0.05，
両側 t-検定）であった。一般に，ネオニコチノイド系農薬は，昆虫（標的害虫種など）の神経組織に存在する，ニコチン性アセチルコリン受容体を標的として神経毒性作用を引き起こす 2)。この毒性作用機構は，標的害虫種と非標的生物種の間で3.1.1. TMX 標準物質
TMX 標準物質を用いた急性遊泳阻害試験における各水質パラメータは，水温 16.9 ~ 18.2℃，pH
7.4~7.8，DO 8.1 ~ 9.2 mg/L であった。溶存酸素濃度が低い場合，オオミジンコは低酸素ストレスによる，ヘモグロビン生成のため体色を赤色に変化させる 14)。しかし本試験では，これらの所見は確40

庄司，岩﨑：ネオニコチノイド系農薬であるチアメトキサムの原体及びその分解生成物のオオミジンコ繁殖阻害性に関する研究保存されている 14)。よって，オオミジンコに対する TMX の毒性作用機構は，これに由来すると考えられる。
3.1.2. アクタラ顆粒水溶剤
アクタラ顆粒水溶剤を用いた急性遊泳阻害試験における各水質パラメータは，水温 20.5 ~ 21.5℃，
pH 7.0~7.6，DO 7.1 ~ 8.1 mg/L であった。
アクタラ顆粒水溶剤の濃度変化に対する，オオ
ミジンコの用量反応曲線を，統計処理ソフト R（ver. 4.1.2）を用いて作成した（Fig. 3）。アクタラ
顆粒水溶剤には，標的害虫への有効成分として，製剤中に 10 wt%の TMX が含まれる 11)。よって，
TMX 濃度は，試験液調製時に計算されたアクタラ
顆粒水溶剤濃度の 10%として求められる（TMX 濃度：6.25，12.5，25.0，50.0，80.0 mg/L）
。

＊
＊
＊

＊

Fig. 3，Dose-response curves of Daphnia magna
to different concentrations of Actara Granular
Water Solvent at each exposure duration. Logistic
regression analysis was carried out using thestatistical software R (ver. 4.1.2). (Error bars are
95% confidence intervals. ＊：p < 0.05,＊＊＊：ある。一方で，最高濃度区の 80 mg/L では，試験開始から 24 時間経過時に遊泳阻害率が 100%に達した。また，50 mg/L の濃度区においても遊泳阻害が起こり，時間経過に伴って遊泳阻害率が有意（p < 0.05，両側 t-検定）に上昇した（48 時間経
過：25%，72 時間経過：60%）。Fig. 3 に示す用量
反応曲線より，アクタラ顆粒水溶剤の半数阻害濃度 EC50（half maximal (50%) effective concentration）
は TMX 濃度換算で 24 h – EC50 = 66，48 h – EC50 =51，72 h -EC50 = 48 mg/L であった。
遊泳阻害が確認された濃度区について，等量のTMX 標準物質を用いた場合，オオミジンコに対する急性毒性は無いことを既に述べた（Fig. 2）。こ
こで考慮されるべきは，アクタラ顆粒水溶剤中に1 wt%含まれる，直鎖アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム（LAS）の存在である。LAS は PRTR
（Pollutant Release and Transfer Register）制度の 1種に指定されている物質（第一種指定化学物質）である。ヒトや生態系への有害性があり，また，
環境中に広く存在し，曝露の可能性があると認められている 16)。毒性作用機構の始まりは，界面活性剤の疎水性部分が細胞外膜に挿入され，脂質膜タンパク質と相互作用することである。これにより，細胞膜の崩壊に伴って細胞内物質の放出，細胞溶解現象が起こる 17)。先行研究より，オオミジ
ンコに対する LAS の毒性値は 48 h – EC50 = 4.3
mg/L とされる 18)。アクタラ顆粒水溶剤中の TMX
濃度を 0.1 倍したものが，LAS 濃度に相当するとすれば，本研究により得られた 48 h – EC50,LAS は
5.1 mg/L と考えられる。この値は，LAS 単体を用いた場合の毒性値と近しい。つまり，アクタラ顆
粒水溶剤がオオミジンコに与える毒性作用とは，農薬の助剤である LAS に大きく依存する可能性が示唆された。
3.2.

TMX がオオミジンコにもたらす慢性毒性

3.2.1. TMX 標準物質
TMX 標準物質を用いた繁殖阻害試験における，試験液交換前の各水質パラメータは，水温 19.5 ~20.8℃，pH 7.5 ~ 8.8，DO 8.3 ~ 9.0 mg/L であった。
また，試験液交換後の各水質パラメータは，水温20.3 ~ 21.5℃，pH 7.6 ~ 8.4，DO 7.8 ~ 8.6 mg/L である。TMX 濃度は試験液の HPLC 測定により決定された。すべての試験液は，曝露時のサンプリン
グから 1 週間以内に分析された。0 ~ 7，7 ~ 14，14

p < 0.001, two – tailed t test)

TMX 濃度が 6.25，12.5 mg/L である濃度区においては，試験期間を通して，オオミジンコへの遊泳阻害は確認されなかった。よって，アクタラ顆
粒水溶剤のオオミジンコに対する 72 h - NOEC 値
は，TMX 濃度換算で 72 h - NOEC = 12.5 mg/L で

41

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）

Cumulative offspring per surviving adult(A)

Cumulative offspring per surviving adult

(B)

45

Total TMX＊

40

Control

35

5.77 mg/L

30

11.7 mg/L

25

24.9 mg/L

20

48.8 mg/L

1580.4 mg/L

10

No water change
control

0

＊
＊
＊
＊

＊
＊

＊

＊
＊＊

5
11

45

12

＊
＊

13

＊

＊

14
18
15
16
Exposure duration (day)

19

＊

＊

20

21

18

21

Total TMX

40

Control

35

3.50 mg/L

30

10.9 mg/L
25.4 mg/L

25

55.2 mg/L

20

94.0 mg/L

15
10
5
0

11

12

13

14
15
16
17
Exposure duration (day)Fig. 4，Reproductive inhibition tests were carried out for 21 days. (A)：Cumulative offspring per surviving
adult of Daphnia magna relative to changes in concentrations of TMX reference substance. (B)：Cumulative
offspring per surviving adult of Daphnia magna relative to changes in concentrations of Actara Granular
Water Solvent. (Error bars are 95% confidence intervals. ＊：p < 0.05,＊＊：p < 0.01, two – tailed t test)

コの生存親 1 匹当たりの累積産仔数の推移を Fig.
4 (A) に示す。また，各曝露濃度区における親個体の生存率及び初産日を Table 2 へ示す。

~ 21 日における TMX 濃度の幾何平均を求め，これを 0~21 日間で曝露された TMX 濃度とする。
TMX 標準物質の濃度変化に対する，オオミジン

42庄司，岩﨑：ネオニコチノイド系農薬であるチアメトキサムの原体及びその分解生成物のオオミジンコ繁殖阻害性に関する研究
TMX 標準物質の濃度によらず，全ての濃度区において，オオミジンコの遊泳阻害及び死亡は確認されなかった（Table 2）。一方で，オオミジンコは
21 日間の繁殖阻害試験において，TMX 標準物質
濃度の上昇に伴い，対照区と比較して有意（p <0.05，両側 t-検定）に繁殖を促進させた。この傾向
は，試験終了時まで保たれた。試験開始から 11 日
目に，TMX 濃度が 80.4 mg/L である濃度区の個体が産仔した。翌日の 12 日目には，最高濃度区から
2，3 番目に相当する個体が産仔した。対照区よりも短い日数で繁殖行動が起こったため，結果として 21 日間の累積産仔数も増加したと考える。先行研究によれば，TMX はオオミジンコに対する慢性毒性をもたないとされる 14)。一方で，この農薬がオオミジンコの繁殖を促進するという事例も報告されていない。物質は異なるが，TiO2NPs（TiO2
Nanoparticles）をオオミジンコに曝露した場合について，
Galhano らは TiO2NPs の濃度上昇に伴い，産仔数が増加するという結果を報告している 19)。
この現象について，Galhano らは不利な状況下で種を存続させるための適応戦略であると解釈している。本試験においても，農薬の曝露により，生存環境の悪化が起こっていた可能性は高い。よって，TMX 曝露による繁殖促進効果はオオミジンコの生存本能の現れであると考える。

された TMX 濃度とする。
アクタラ顆粒水溶剤中の TMX の濃度変化に対する，オオミジンコの生存親 1 匹当たりの累積産仔数の推移を Fig. 4 (B) に示す。また，各曝露濃度区における親個体の生存率及び初産日を Table
2 へ示す。TMX 濃度に応じて，親個体の生存率及び産仔数は影響を受けた。TMX 濃度が 25.4 mg/Lの濃度区では親個体の生存率は 50%であり，さらに高濃度区である 55.2，94.0 mg/L においては，曝露開始から 72 時間以内に死亡が確認された。この結果は，同程度の濃度区で実施された急性遊泳阻害試験の結果と一致している。また，TMX 標準物質を用いた繁殖阻害試験では，濃度上昇に伴って繁殖を促進する結果を得ているものの，本試験においてはそのような傾向はみられなかった。これは，アクタラ顆粒水溶剤中に助剤として含まれる LAS の毒性の方が，TMX よりも強く，支配的であることに由来すると考える。
4.

まとめ
本研究では，ネオニコチノイド系農薬に分類される TMX に焦点を当て，オオミジンコに対する急性毒性及び慢性毒性について調査を行った。
急性毒性試験の結果，オオミジンコに対して急性毒性を示す TMX 濃度は 184 mg/L であり，曝露
時間の経過に伴って，遊泳阻害率は上昇した。また，アクタラ顆粒水溶剤を用いた試験においては，
TMX 標準物質を用いた際に，毒性を示さなかった
濃度範囲においても急性毒性があった。これは，
アクタラ顆粒水溶剤中に助剤として含まれ，界面活性剤の役割を果たしている LAS の毒性によるものであると考えられる。
一方で，繁殖阻害試験の結果より，TMX 標準物
質は濃度上昇に伴ってオオミジンコの繁殖を促進

3.2.2. アクタラ顆粒水溶剤
アクタラ顆粒水溶剤を用いた繁殖阻害試験における，試験液交換前の各水質パラメータは，水温17.1 ~ 19.2℃，pH 7.5 ~ 8.3，DO 7.9 ~ 9.7 mg/L であった。
また，
試験液交換後の各水質パラメータは，
水温 18.1 ~ 20.1℃，pH 7.4 ~ 7.9，DO 7.7 ~ 8.8 mg/L
である。アクタラ顆粒水溶剤中の TMX 濃度は試験液の HPLC 測定により決定された。すべての試

Table 2，Survival (%) and time to first brood (days) (Means ± SD) in the Daphnia magna reproduction
inhibition test using TMX reference substance and Actara granules aqueous solution.

験液は，曝露時のサンプリングから 1 週間以内に分析された。0 ~ 7，7 ~ 14，14 ~ 21 日における TMX
濃度の幾何平均を求め，これを 0~21 日間で曝露させる結果を得た。既往の研究においても，TMXがオオミジンコに対する繁殖促進効果を有する結果は報告されていない。今後，オオミジンコの生

TMX reference substance
Total TMX
(mg/L)
Survival(%)
Time to 1st
brood(days)

Actara Granular Water Solvent

0

5.77

11.7

24.9

48.8

80.4

0

3.50

10.9

25.4

55.2

94.0

100

100

100

100

100

100

100

100

100

50

0

0

14.0

15.0

13.0

12.8

12.8

11.3

13.8

13.5

13.3

±1.4

±0.8

±0.0

±0.5

±0.5

±0.5

±0.9

±1.0

±0.5

16

−

−

43

東京工業高等専門学校研究報告書 （第 54 号）
Toxicology，vol. 45，pp. 247-268，Sep. 2005
DOI：
https://doi.org/10.1146/annurev.pharmtox.45.120
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DOI：
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149237
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DOI：https://doi.org/10.1002/etc.4256
10) R.Karmakar，S.B.Singh，G.Kulshrestha：Kinetics
and mechanism of the hydrolysis of thiamethoxam，Journal of environmental science and health / B，vol. 44，no. 5，pp. 435-441，Jun. 2009
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11) シンジェンタジャパン（株）：アクタラ顆粒水
溶剤 SDShttps://cpproduct.syngenta.co.jp/product/actara_wg（参照日：2022.12.18）
12) OECD ： Test No. 202: Daphnia sp. Acute
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DOI：https://doi.org/10.1787/20745761
13) OECD ： Test No. 211: Daphnia magna
Reproduction Test，pp. 1-25，Oct. 2012
DOI : https://doi.org/10.1787/9789264185203-en
14) M.Raby ， X.Zhao ， C.Hao ， D.G.Poirier ，
P.K.Sibley ： Relative chronic sensitivity of

体内へのさらなる調査が求められるが，現時点では，外部環境の悪化による種としての生存本能の現れに起因すると考える。試験期間中，農薬原体の加水分解反応が進行していることを HPLC 測定
により確認した。しかし，農薬原体の減退率は約80%であったことから，この現象は TMX 原体が関与していると考える。反対に，アクタラ顆粒水
溶剤を用いた繁殖阻害試験においては，産仔数を増加させることはなく，濃度変化に伴って産仔数が減少した。TMX の毒性よりも LAS の方がオオミジンコに対する感受性が高いことによるものである。その他にも，アクタラ顆粒水溶剤を用いた
場合には，TMX と LAS の複合毒性についても議論の余地がある。
参考文献
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農薬の環境と食品汚染の現状と課題，安全工学，vol. 57，no. 2，pp. 137-144，2018 年 4 月
DOI： https://doi.org/10.18943/safety.57.2_137
2) D.Klingelhofer,
M.Braun,
D.Bruggmann,
D.A.Groneberg ： Neonicotinoids: A criticalassessment of the global research landscape of themost extensively used insecticide，Environmental
Research，vol. 213，113727，Oct. 2022
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113727
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Nicotinic Receptor Competitive Modulators:
Progress and Prospects ， Annual Review ofEntomology，vol. 63，pp. 125-144，Jan. 2018.
DOI ： https://doi.org/10.1146/annurev-ento020117-043042
4) D.A.Thompson ， H.J.Lehmler ， D.W.Kolpin ，
M.L.Hladik ， J.D.Vargo ， K.E.Schilling ，
G.H.LeFevre ， T.L.Peeples ， M.C.Poch ，
L.E.LaDuca，D.M.Cwiertny，R.W.Field：A criticalreview on the potential impacts of neonicotinoid
insecticideuse:current
knowledge ofenvironmental fate, toxicity, and implications forhuman health，Environmental Science: Processes＆ Impacts，vol. 22，pp. 1315-1346，Mar. 2020
DOI：https://doi.org/10.1039/C9EM00586B
5) M.Tomizawa, J.E.Casida ： Neonicotinoid
insecticide toxicology: mechanisms of selective
action ， Annual Review of Pharmacology and44

庄司，岩﨑：ネオニコチノイド系農薬であるチアメトキサムの原体及びその分解生成物のオオミジンコ繁殖阻害性に関する研究
neonicotinoid insecticides to Ceriodaphnia dubia
and Daphnia magna ， Ecotoxicology andEnvironmental Safety，vol. 163，pp. 238-244，
Nov.2018.
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.07.086
15) M.C.Finnegan ， L.R.Baxter ， J.D.Maul ，
M.L.Hanson ， P.F.Hoekstra ： Comprehensive
characterization of the acute and chronic toxicityof the neonicotinoid insecticide thiamethoxam toa suite of aquatic primary producers, invertebrates,
and fish ， Environmental Toxicology andChemistry，vol. 36，no. 10，pp. 2838-2848，May.
2017.
DOI：https://doi.org/10.1002/etc.3846
16) 藤田正一：毒性学 ―生体・環境・生態系―，
朝倉書店，第 7 刷，pp. 188-197，2008 年
17) Y.J.S.Lai ， F.D.Francesco ， A.Aguinaga ，P.Parameswaran，B.E.Rittmann：Improving lipid
recovery from Scenedesmus wet biomass by
surfactant-assisted disruption，Green Chemistry，vol. 18，no. 5，pp. 1319-1326，Oct. 2016.
DOI：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/201
6/GC/C5GC02159F
18) OECD SIDS：SIDS Initial Assessment Report Linear Alkylbenzene Sulfonate，pp. 35-45，Apr.
2005
DOI
：
https://hpvchemicals.oecd.org/ui/handler.axd?id=
5b837fb0-350c-4742-914e-5f6513df120a19) V.Galhano，R.Zeumer，M.S.Monterio，B.Knopf，B.Meisterjahn，A.M.V.M.Soares，S.Loureiro，
C.Schlechtriem I. Lopes：Effects of wastewaterspiked nanoparticles of silver and titanium dioxideon survival, growth, reproduction and biochemicalmarkers of Daphnia magna，Science of The Total
Environment，vol. 839 p. 156079，May. 2022
DOI：
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156079（２０２３年１月６日 受理）

45

東京工業高等専門学校研究報告書 第 54 号，2022『はざまる工房』を拠点とした新たな形の公開講座開講
向川拓臣＊，遠藤蒼太＊＊，大塚遼之介＊＊，杉浦昂樹＊＊，熊澤匠真＊，
吉元照貴＊，中村源一郎＊，永吉真知子＊，松岡敏＊，
新田武父＊＊，庄司良＊＊＊，玉田耕治＊＊＊＊2019 年度より多目的工作施設『はざまる工房』を設置し，学内学生向けの運用の他，公開講座や出前授業で学外に向けても活用してきた。今年度(2022 年度)新たな運営形態で 2 つの体験型公開講座を開講した。いずれも昨年度(2021 年度)実施した公開講座を発展させたものだが，一方は工房の運営者である技術職員と利用者である教員・学生の三者がそれぞれ主要な役割を果たしながら共同で講座開講し，もう一方では専門の異なる技術職員が協力し，分野横断的な講座を開講した。異なる立場の者が協力して公開講座を開講するという新たな試みにより，講座内容への評価が上がり，また新しい研究テーマが見出されるなどの思わぬ派生効果があった。
(キーワード：ものづくり，公開講座，はざまる工房，自然エネルギー，樹脂加工，電子回路)

Organization of new-style open lectures held in the “Hazamaru Kobo”
Takumi MUKOUGAWA *, Sota ENDO**, Ryonosuke OTSUKA**,
Koki SUGIURA**, Takuma KUMAZAWA*, Shoki YOSHIMOTO*,
Gen-ichiro NAKAMURA *, Machiko NAGAYOSHI*, Satoshi MATSUOKA*,
Takenori NITTA**, Ryo SHOJI***, Koji TAMADA****
Since 2019, a multipurpose workshop "Hazamaru Kobo" has been set up for students in our college. Many of elementaryand junior high school students in the neighborhood are participating in the open lectures held in the "Hazamaru Kobo",
including two hands-on type open lectures. Both of them were developed in last year as new attempts. The lecture wasoperated by three parties, technical staffs and teaching staffs and students, who all played a major role. Another lecture
can be said as cross-disciplinary open lecture, because staff members with different areas of expertise were collaborated.
By these new attempts, the lectures were more highly rated by participants, and the discovery of new research topics werealso produced as unexpected derivatives.
(Keywords: “ Manufacturing,” Open Lecture, “Hazamaru Kobo,” Renewable Energy, Resin Processing, Electronic
Circuit)1.

はじめに
本校はコラボレーション・コモンズ棟(以下，CC棟)内に技術職員が管理運営する多目的工作施設
である社会実装教育ラボ『はざまる工房』(以下，工房)を設置している。この工房は多様な加工・試作機器を有し，低学年の自発的なものづくりから高学年の社会実装教育や卒業研究まで，学年・学科横断的に利用できる施設である。

例年，本校では教員や技術職員が地域の小・中学生向けの出前授業・公開講座を数多く行っているが，昨年度報告 1)のように工房はこれら学外向け講座にも活用されている。また近年では，社会実装教育の一環で学生が出前授業や講座を企画・実施することがあり，企画や教材作製拠点として工房が利用される例も見られる。
今回，2022 年 8 月 21 日に事前申し込み定員制＊教育研究技術支援センター ＊＊電子工学科 ＊＊＊物質工学科 ＊＊＊＊電気工学科

46

東京工業高等専門学校研究報告書 (第 54 号)
手探り状態で始めた昨年度の講座 1)では，太陽電池，コンデンサの充電電圧(蓄電)，模型用小型モータによる発電電圧等の発電条件変化に伴う出力変化を，ディジタルテスタを用いて確認を行ったが，低学年参加者であるほど結果に対する反応が乏しいと感じていた。原因が低学年ほど数値で表示された出力変化が直感的に理解しにくい点にあると考え，今年度は，ビジュアル的な印象を改善して興味を引くように，図 2 に示す LED 器具を作製し，ディジタルテスタに代えて使用した。

で開催されたイベント『東京高専公開講座』に工房を活用して 2 つの体験型講座を開講した事例を報告する。一方の講座は，事前に工房で作製した実験器具を用いて学習する講座形態としつつ，工房の運営側である技術職員と利用者の学生・教員の三者が講座準備、当日の運営の過程で，それぞれが主要な役割となる講座設計とした。一者が主体で他は支援という形態が多い中，新しい試みと思われる。もう一方の講座は，ものづくり体験を主目的としつつ分野横断型の講座とし，機械工学と電気・電子工学という異分野の技術職員が協力して講座を企画・運営した点で新しい試みであった。また，両講座において講座内容を評価するアンケートを実施した。このアンケートの解析結果
や，公開講座を通じて得られた工房の活用と発展につながる気づきについても合わせて報告する。

青色 LED
端子 B
端子 A

図2

2.

体験型公開講座（蓄発電学習）
昨年度と同様に太陽光等の再生可能エネルギー
発電と,補完技術としての蓄電の大切さを学ぶ体
験型講座を開講した。参加者の対象学年は小学校
3 年から中学校 2 年としたが，コアターゲットを小学校 6 年生に据えた点も昨年度と同様である。
昨年度のアンケート結果や気づきから，講座内容に修正を加え，実験器具を追加製作し新たに『LEDブース』を設置した。これら新たな要素追加の効
果を，アンケートによる評価から分析した。
また，教員が内容のアウトラインを考案し講座
当日の説明を担当，技術職員が実験器具を用いた実験項目の提案・開発・製作を担当，と二者連携で行った昨年度に対して，学生を参加者への指導・
実験器具の深化研究担当として加え，当初目指していた三者連携での開講とした(図 1(a),(b))。

(a)説明風景

LED 器具と拡散キャップ

この LED 器具は,端子 A-B 間に太陽電池の出力や模型用小型モータの出力，電荷が蓄積されたコンデンサ等を接続することにより，出力電圧の変化をビジュアル的に確認できる。器具の中心に発光体として青色 LED を 1 つ設置しており，入力電圧（0.8 ~ 1.5 V）が高くなるほど LED の光量が増す。LED が倒れないように横から無色の透明アクリル板で支え，上部を緑色の透明アクリル板で覆ったことで，LED の横には青色の光が広がり，上部は緑色に光る。ここに拡散キャップを取り付け，
点灯状態が見やすいよう補助している。さらに図3(a)の今年度新たに設置した暗幕の中に LED 器具を置くことで，図 3(b)のように点灯状態の確認しやすさの向上と，感興が増すことでより楽しみながら講座を進行できる効果を期待した。実際，昨年度よりも参加者の反応がよくなり，付き添いの保護者からも『この光源は何ですか？』といった反応を引き出す要素の一つとなった。

(b)学生による指導
図 1 講座の様子

2.1. 実験器具の追加と『LED ブース』の設置(1) 実験器具の追加(a)暗幕(b)点灯した LED 器具
図 3 暗幕内での出力電圧確認47向川,遠藤,大塚,杉浦,熊澤,吉元,中村,永吉,松岡,新田,庄司,玉田:『はざまる工房』を拠点とした新たな形の公開講座開講(2) 太陽電池体験ブース『LED ブース』の設置
オプション体験ブースとして講座会場内に太陽電池の特徴を体験する『LED ブース』を設置した。
太陽電池には半導体の pn 接合の性質が利用されているのはよく知られたことだが，同様に発光ダイオードも半導体の pn 接合構造を持ち合わせる
ため，一般には知られていないが実は発電することが可能である。経験的に知っていたこの特性を利用して発光ダイオード（以下，LED）を太陽電池に見立てて簡易な回路を設置し，以下のような太陽電池の特性を体験するブースを設置した。
・照度の変化に対する出力電圧の変化(受光角度，距離変化)
・種類の違いによる出力電圧違い(太陽電池の種類)
・発光ダイオードの接続個数による電圧の変化(太陽電池セルと電圧の変化)
このブースで使用した 4 種類の LED(左から青，
緑，黄，赤に発光)と LED への光の照射の様子を
図 4(a)，(b)に示す。ブースでは，光源としてハロゲンランプと蛍光灯との 2 種類を用いた。

LED の距離を 35 cm とした。LED 位置における光源消灯時の周囲照度は約 94 lx，点灯時の照射照度は約 65 klx であった。その他，ディジタルマルチ
メータ（PC710，三和電気計器株式会社），照度計（ILLUMINANCE METER LX2，三和電気計器株式会社），オシロスコープ（TB1022，株式会社テクトロニクス）を使用した。
特性測定時の電流-電圧変換には，抵抗方式とト
ランスインピーダンスアンプ方式(以下 TIA 方式)2)の 2 種類の方法を用い，抵抗方式は負荷変化時の特性，TIA 方式は短絡電流の測定に使用した。
図 6(a),(b)にそれぞれの測定回路図を示す。

(a)抵抗方式の測定回路図
CC : 0.01 µF
R : 1 MΩ

R
LED

+

A
k

I0

OPamp : NJM2119D
I0=

OPamp

V

V
R

(b)TIA 方式の測定回路図
図 6 測定時に使用した回路図(a)使用 LED(b)光源からの照射
図 4 使用 LED と発電電圧測定

また，図 7 に短絡電流 I0，開放電圧 V0，抵抗負前述の通り LED が発電に利用できることは一
荷 8 点(10 Ω，100 Ω，1 kΩ，10 kΩ，100 kΩ，510
般的ではなく基礎データが見つからなかったため， kΩ，1 MΩ，2.2 MΩ)の計 10 点で測定した LED の
事前にブースで使用した 4 種類の LED の発電の
電圧-電流特性を示す。
電圧-電流特性を図 5 のように簡易的に測定した。
7
青色LED

6

緑色LED

電流[㎂]

5

黄色LED

4

赤色LED

3
2
1

図 5 電圧-電流特性測定の様子

0

0

0.5

1

1.5

2

電圧[V]

光源にはハロゲンランプ（CRS110V120W，三菱
電機オスラム株式会社）を使用し，光源台座と図 7 発光ダイオードの電圧-電流特性

48

2.5

東京工業高等専門学校研究報告書 (第 54 号)
ここで，短絡電流 I0 は電圧 0 V 時の電流値であり，開放電圧 V0 は電流値 0 µA 時の電圧である。
図 7 では短絡電流 I0 や抵抗負荷 10 Ω～1 kΩ の測
定点は 0 V 近傍に集中し y 軸と一体化して見えるが，ここで注目したいのは電圧-電流特性曲線全体の形状である。4 種類すべての LED の電圧-電流特性曲線の形状が太陽電池の電圧-電流特性曲線と類似しており，高価な太陽電池の代替に LED を実験器具として使用できることが示唆された。
一方で LED は，照射光源，表面のエポキシ樹脂（クリア色等）の違い，高輝度などの種類等によって発電量に違いがあると思われる。例えば発光
色に依る発電量の違いの様子がわかるデータとして，表 1 に短絡電流 I0 と開放電圧 V0，また I0×V0の値を示す。一般に，I0×V0 の値の大小が太陽電池から取り出すことのできる電力の大小に関係する傾向があり，今回測定した 4 種類個の LED の中では，緑色 LED が最も発電量があるということがわかった。

ると小学校 1 年(3%)，小学校 3 年(24%)，小学校 4
年(21%)，小学校 5 年(16%)，小学校 6 年(6%)，中学校 1 年(6%)，中学校 2 年(18%)，
中学校 3 年(3%)，
未就学(3%)の割合であった。以下では昨年度のアンケート評価との比較を含めて，結果を分析する。
図 8 で昨年度と今年度における設問『太陽電池の仕組の理解度について』の回答状況を比較した。

表1「理解できた」と回答した参加者の割合が，昨年度 33%に対し今年度は 79%と増えており，昨年
度のアンケート評価や反省点を前述 2.1.(1)のように改善した結果が，評価の好転として現れたと考えられる。一方で昨年度無かったネガティブな回
答「理解できなかった」が見受けられたが，この回答をした参加者は未就学児と小学校 1 年生であり，小学校 3 年から中学校 2 年までを想定した講座内容が難しく感じられたものと考えられる。
次に，
図 9 に設問『講座内容に興味を持てたか』についてのアンケート結果を，またそのアンケー
トにおいて学年毎に「そう思う」と回答のあった割合を図 10 に示す。

昨年度回答

回答割合[%]

100

緑色

黄色

赤色

I0 [µA]

1.39

6.21

3.25

3.32

V0 [V]

2.14

1.64

1.54

1.48

I0×V0 [µVA]

2.97

10.2

5.01

4.77

60
40

79

33

67 1：理解できた
2：少し理解できた
3：少し理解できなかった
4：理解できなかった
5：無回答
9

20
0

1

0 0

2

3

6

0
4

6

0
5

質問回答
図 8 理解度についてのアンケート結果

発光ダイオードの短絡電流 I0 と開放電圧 V0
青色

80

今年度回答

LED による発電を，“オプション”ではなくそれを主眼とする体験講座に使用するには，照射光源や LED の種類による電圧-電流特性といった基礎データが全く不足しており，実験内容としても今回行った「照射角度の違いによる発電量の変化」「LED の種類による発電量の違い」「セルの個数による発電量の違い」以外にも使用できるか検討の余地が多い。これらの検討は，講座を共同開講
した学生が研究しているところであり，今後研究結果を講座内容にフィードバックしていきたい。

あまりそう思わない; 9%

そう思わない; 0%

どちらとも言えない; 0%
いくらかそう思う; 12%2.2. アンケートによる評価
昨年度からの講座内容の改善点の効果を確認し，さらなる改善点を洗い出すため，講座参加者に講座内容を評価するアンケートを依頼した。
昨年度と同様に小学校 3 年から中学校 2 年を対象に募集したが，若干の他学年の申込みも含め参加者総数は 33 名であった。参加者を学年別でみ49

そう思う; 79%

図 9 講座内容への興味を問うアンケート結果

向川,遠藤,大塚,杉浦,熊澤,吉元,中村,永吉,松岡,新田,庄司,玉田:『はざまる工房』を拠点とした新たな形の公開講座開講
100
71

割合[%]

80

63

100

100 83
50

60
40
20
0

0

0

0

0

学年
図 10 学年毎「そう思う」と回答のあった割合
図 9 に示すように「そう思う」の回答が約 8 割あり，多くの参加者に講座内容に対する興味を持ってもらえたことがわかった。一方で図 10 に示
すように，本講座のコアターゲットとしていた小学校 6 年生の参加者 50%からしか「そう思う」との回答が得られなかった。小学校 6 年生で学習する再生可能エネルギーに関する講座であるにも関わらず，参加者の興味を引き出せていないことは反省すべきであり，説明内容や実験の進め方にさらなる工夫が必要であると考える。その他の学年については，コアターゲットの学年から離れるほど興味が下がる傾向があるのは妥当な反応であり，おおむね良好な評価が得られたと考えている。
図 11 は昨年度と今年度における設問『講座時間の適切さ』への回答状況の比較である。昨年度の講座時間 45 分に対し今年度は 60 分と 15 分長くして開講したところ，昨年度に比べ回答が分散した。昨年度には無かった「長く感じた」の回答が増えているが割合としては 1 割であり，9 割が「普通」もしくは「短く感じた」と答えていことから，
60 分以内で終えるような講座内容とすることが適当だと，この 2 年間の比較から考えられる。
昨年度回答

今年度回答

1：長く感じた
2：普通
3：短く感じた67

回答割合[%]

100
80
60

20
0

45

33

40

1

2

3.

体験型公開講座（オブジェ製作）
専門分野が異なる技術職員（機械工学・電気工学）が協力して，工房にある加工・試作機器を複数使用しながら，材料加工から組み立て完成に至る，分野の異なる工程を組み合わせたものづくりを体験する講座を開講した。
これまでも本校の技術職員が公開講座を開講す
ることは多数あったが，専門分野毎に開講しており，用意される講座内容も単独の専門分野毎の狭い範囲となっていた。しかし，実際のものづくり
は分野を横断して複合的な作業工程を経て行われるものである。今回，参加者にものづくりの一連の工程を知ってもらいたいという思いで，新たに専門分野が異なる技術職員が協力する講座を開講したものである。なお，“分野を横断する”というコンセプトは，当校の学科選択制度や工房の設
置理念とも一致することである。
3.1. 『光るはざまる君オブジェ』製作
講座内容は図 12 に示す『光るはざまる君オブジェ』を作り上げることを目的とした。第 1 工程
では，手動射出成型機を使用して樹脂材料を加工して透明な『はざまる君オブジェ』を作製する。
このオブジェ作製工程は昨年度の公開講座 1)で参加者が加工体験した工程の発展形であり，オブジ
ェの片面は技術職員が事前に準備した金型に依る
共通デザインだが，もう片面は参加者がその場で

45

9

0

2.3. 蓄発電学習まとめ
昨年度の気づきを活かし，直感的なわかり易さが向上するように改善して図 8 に示した理解度についてのアンケート結果より，望んだ効果が出ているように感じているが，まだ改善の余地があると考えている。これら改善点は，学生・技術職員・教員が，“講座を運営する”という同じ立場から忌憚なく意見を出しあい，次年度以降の公開講座に反映させたい。
また公開講座の枠だけに収まらず，学生の卒業研究にも派生しており，立場の異なる
三者の協力が教育研究にも良い影響を与えるという良事例が得られた。
また，
本講座内容を出前授業に使用しないのか，との質問を見学者から受けた。同時参加者が多人数となる出前授業への転用も視野に入れ，講座内
容により厚みを持たせ，講座進行に工夫を加える
試行錯誤をしていく必要がある。

3

質問回答
図 11 講座時間についてのアンケート結果

50

東京工業高等専門学校研究報告書 (第 54 号)
描いたオリジナルデザインに加工できるというものである。第 2 工程では，『はざまる君オブジェ』
を固定し，また光らせるための土台となる点灯回路を作製する。技術職員が予め準備した回路基板に，講座参加者が抵抗・LED 等をハンダ付けしてのオブジェ点灯回路を作製する。最後の第 3 工程
で，『はざまる君オブジェ』と点灯回路，電池ボッ
クスを固定し，『光るはざまる君オブジェ』を完成させる。

図 12 『光るはざまる君オブジェ』完成品

参加者オリジナルデザイン面にはアクリル樹脂型を使用した。通常射出成形で大量生産を行う場
合は耐久性のある金型を用いるが，本講座のように 1 度のみ使用する型を多様なデザインに短時間で作成するには，耐久性が低くとも加工しやすい材料とすることが適当であるからである。予めレーザー加工機（Speedy 300，トロテック・レーザ
ー・ジャパン株式会社）で図 13「サンドイッチ型」の形に切り出しておいたアクリル板に対して，モデリングマシン（MDX-40，ローランド ディー.ジー.株式会社）にて切削加工を施した。図 14 に参加者が切削加工を行う様子を示す。切削加工の加工データは，講座時間中に参加者が描いた絵をドキュメントスキャナ（DR-C225W II，キャノン株式会社）でスキャンすることで，短時間での作成を可能とした。なお，材料樹脂の射出量の削減と，樹脂型を割って型ばらし出来るように，アクリル
板厚さは昨年度の 2 mm から 1 mm に薄型化した。

以下に各工程の詳細，特に事前準備の面を中心に記載する。
(1) はざまる君オブジェ作製（射出成型機）
オブジェは手動射出成型機（INARI ™，株式会社
オリジナルマインド）で無色透明のポリスチレン
樹脂を射出して作製する形とした。射出成形で樹脂を加工成型するには型が必要になるが，その模式図を図 13 に示す。

LED 挿入側(コア)LED 型(中子)

サンドイッチ型(樹脂型) t = 1 mm

図 14 切削加工の様子
オブジェを光らせるために，土台に設置した直径 3 mm の LED をオブジェに挿入する穴を設ける必要があり，昨年度使用した金型の改良を検討した。LED を挿入する穴を設けるためにオブジェの全体を厚肉化すると，使用する手動射出成型機の射出量では樹脂が不足するため，オブジェ本体は薄型のままで背面（コア）側に LED を挿入する出っ張りをつけることにした。そのためコア金型に出っ張り部の穴と，さらにイモネジで作成した
LED 挿入穴を確保する中子をネジ止めできるねじ穴を追加工した。この際，1 mm 厚の樹脂型をサ
ンドイッチできる構造にも追加工した。
金型に LED 挿入部分が追加されたことにより，昨年度に比べ必要とする樹脂量が増し，その分だけ図 15 のように射出成型機のハンドル操作開始
位置が垂直に近くなった。てこが働きにくくなったため，射出時に技術職員の補助が必要な小学校
低中学年の参加者は多く，射出時の力感と達成感

オブジェ金型(キャビティ)図 13 射出成型型の模式図
共通デザインの面は，本校ものづくりセンターの高度な切削機器で昨年度製作 1)したアルミニウ
ム製のキャビティ（凹金型）を使用し，そのデザインは本校の広報イメージキャラクターである『はざまる』を立体化したデザインとした。

51

向川,遠藤,大塚,杉浦,熊澤,吉元,中村,永吉,松岡,新田,庄司,玉田:『はざまる工房』を拠点とした新たな形の公開講座開講への評価を以下に分析する。講座時間は 1 枠 2 時
間，午前と午後に各 1 枠開講した。参加人数は 2枠で合計 9 人，学年内訳は小学校 1 年生：2 人，小学校 2 年生：1 人，小学校 5 年生：3 人，小学校
6 年生：2 人，中学校 3 年生：1 人であった。
図 17 に設問『むずかしさについて』のアンケー
ト結果を示す。参加者の 56％が難しいと回答した
が，一方で別の設問『面白さについて』では参加者全員が「面白い」と回答した。また設問『今後同様の講座があれば参加したいか』でも参加者全員が「参加したい」と回答した。この結果を踏まえて，講座内容において負荷要素（難しさ）と楽
しさのバランスをうまくとることが，参加者の達成感に繋がる重要なポイントであると再認識した。

が減る一方，操作の難しさを感じたようである。
後述するが，このことが講座の難しさを問うたア
ンケート結果に反映されたと考えられる。
射出樹脂多ハンドル角度大
操作が重い

射出樹脂少
ハンドル角度少
操作が軽い
射出力

図 15 射出樹脂量とハンドル操作力の関係(2) 点灯回路作製（ハンダ付け）～組み立て(1)で作製したオブジェの土台となる点灯回路作製には，図 16(a)のようなハンダ付け用基板 3)とオブジェ固定用樹脂パーツが必要であり，それぞれ基板加工機（KitMill CIP100，株式会社オリジナ
ルマインド）とレーザー加工機を使用して技術職員が事前に作成した。この工程では，最終的に 2つのパーツと電池ボックスを図 16(b)のように組
み立てることとした。

簡単:22％
むずかしい：
56％

普通：22％

図 17 むずかしさについての評価結果
図 18 は，本講座を選んだ理由を尋ねたアンケートの結果である。

①：9%

②：0%

⑤：
27%

(a)事前作成パーツ(b)組み立て時
図 16 はざまる君オブジェの土台③：
37%

ハンダ付け用基板の設計では，小学校低学年の参加者でもハンダ付けがしやすくなることを念頭においた。作業負担を減らすようにハンダ付けエリアを広くとり，またハンダブリッジ時の修正が行いやすいように溝の間隔を広くしたことで，小学校低学年でも大きなトラブルもなく器用にハンダ付けから組み立て作業まで行うことができた。

④：
27%①射出成型機が何か知りたいから②射出成型機を見る、操作したい。
③ハンダ付による電子回路の制作がしたい④複合的な制作ができるから（樹脂加工・ハンダ付け）⑤とにかく何でもいいのでオリジナルの作品がつくりたい3.2. アンケートによる評価
小学校 1 年から中学校 3 年の幅広い学年を対象に開講した本講座の，アンケートによる講座内容

図 18 本講座を選んだ理由に関する回答

52

東京工業高等専門学校研究報告書 (第 54 号)
ぐれ，アンケート結果における理解度の高さが得られてと考えられる。また，学生が自ら参加者に説明することで，学生にとってはこれまでに学んできた知識や技能が再構成され，定着が促されたのではないだろうか。社会実装教育のように学生が主体で進める出前授業や公開講座も学生の自主性や，知識技能の定着に効果的であるが，今回のように教員，技術職員と一緒に作業，教示することは，知識技能の再確認や広がりを得つつ，自らの能力を再認識，再構成できる機会であったといえよう。
製作講座の取り組みとして，専門性の違う技術職員が協力して行った今回の複合的講座では，技術職員が互いに，普段知りえない専門外の技術・技能に触れることができた。
工房の講座を通して，互いの職域を理解し，不足する部分を知り，今後の日常業務における協力体制の構築の礎を得ることができたと考えている。
工房を中心に，様々なかたちの講座や利用方法を生み出すことができると示唆された。また，工房の機能は年々拡張されており，自発的ものづく
りや社会実装教育といった学内利用の延長として，学生のスタートアップの一助にもなると期待される。今後もアイディアを出しながら柔軟に工房を運用していきたい。

「製作をしたい」という趣旨の回答③～⑤が全回答の 91%を占めており，製作意欲が前面に出た
結果となっていた。別途の設問『工房を利用したいか』でも 89%の参加者が「利用したい」と回答しており，ものづくりに興味・関心が高いことがうかがえた。また設問『オブジェのデザインについて』では全員が「良かったと」回答したが，「他の形も製作したい」という意見もあり，射出成型への興味を喚起することができたと考えられる。
次の図 19 は，オブジェ製作（射出成型）の時間配分についての評価である。
長い：0％
短い：22％

普通：78％

図 19 射出成型機の時間配分についての回答
約 8 割が「普通」，約 2 割が「短い」と回答したが，『全体の作業』『ハンダ付け作業』の時間配分の適切さを尋ねた設問では，参加者全体が「普通」と回答しており，全体で 2 時間の講座時間は妥当な時間配分であると考えられる。
アンケートには表れなかったが，今回 3 名で講座を運営したところ，参加者へのサポートがゆき
届かないと感じることがあり，反省すると同時に適切な講座運営のための人数確保，または手薄なサポートでも作業ができるマニュアル整備が今後の検討課題である。

参考文献
1)中村源一郎，熊澤匠真，向川拓臣，永吉真知子，
松岡敏，羽鳥広範，新田武父，庄司良，玉田耕治 ： コロナ禍における『はざまる工房』の公開講座への積極活用，東京工業高等専門学校研究報告書第 53 号，pp.125-134, 2022 年 3 月
2)竹下照雄 ： 実験ではじめる光と光センサの世界，トランジスタ技術 2022 9，pp.162-169，
2022 年 8 月
3)松岡敏，伊藤祐，中村源一郎，向川拓臣，溝口奨
吾，永吉真知子，藤野宏，羽鳥広範，新田武父，
4. まとめ庄司良，玉田耕治 ： ものづくり工房を活用し新たな試みに取り組みながらも，昨年度と同様
た電子工作の事例紹介と公開講座・基板への実に，工房の工作機器や工作エリアを活用して 2 つ装，技術・教育研究論文誌，Vol.28, No.1, pp.5の公開講座を開講した。
12, 2021 年 6 月
蓄発電講座では，新たな試みとして太陽電池の説明に発光ダイオードを持いた説明を模索したが， 4)永井翠, 安富義泰, 大塚友彦, 多羅尾進, 佐藤知正, 新保幸一:社会変革を担う人材を育成する
十分に取り入れられず今後，教員，技術職員，学「 社 会 実 装 教 育 」 の 実 践 , 工 学 教 育 , 68−3,
生でアイディアを出し合いながら講座内容に組み
pp.65−71, 2020
込んでいこうと考えている。今回，参加者に年齢(２０２３年１月１３日 受理)が近い学生が寄り添うことで，参加者の緊張もほ53

©東京工業高等専門学校
東京工業高等専門学校研究報告書
第54号
令和４年度
令和5年3月31日発行
編集者 東京工業高等専門学校情報・図書・広報室
発行者 東京工業高等専門学校〒193-0997 東京都八王子市椚田町1220-2
TEL (042) 668-5111