東海大学海洋研究所研究報告第 37 号（2016）15 〜20 頁

原著論文（Original Article）

Bull Inst. Oceanic Res. & Develop., Tokai Univ.（2016）, 37, 15 ‑ 20

学校教育に導入可能な小型測定機器を用いた富士山頂における長期測定実証実験
新田 英智 1 ）・織原 義明 1 ）2 ）・東郷 翔帆 1 ）・須藤 雄志 1 ）・鈴木 裕子 1 ）・
藤原 博伸 3 ）・稲崎 弘次 4 ）・鴨川 仁 1 ）5 ）＊Long-term demonstration at the summit of Mt. Fuji using ahandmade handy data logger for school education
Hidetoshi Nitta 1 ）, Yoshiaki Orihara1 1 ）2 ）, Shoho Togo 1 ）, Yushi Suto 1 ）, Yuko Suzuki 1 ）,Hironobu Fujiwara 3 ）, Koji Inazaki 4 ）, and Masashi Kamogawa 1 ）5 ）Abstract
We observed environmental data at the Mt-Fuji Weather Station where we could not get into during
the winter season. The observation was carried out from August 2013 to June 2014 by using a handmade
data logger system which was made for space engineer education. We conﬁrmed that it ran exactly evenunder low temperature conditions. The data logger was easy to handle, and we can make it easily and inexpensively. Therefore, it can be used in school education.

1 ）東京学芸大学教育学部物理科学分野 〒 184‑8501 小金井市貫井北町 4‑1‑1
Department of Physics, Tokyo Gakugei University, 4‑1‑1 Nukuikitamachi, Koganei-shi, Tokyo 184‑8501, Japan.
2 ）東海大学海洋研究所地震予知研究センター 〒 424‑8610 静岡市清水区折戸 3‑20‑1
Earthquake Prediction Research Center, Institute of Oceanic Research and Development, Tokai University, 3‑20‑1 Orido,Shimizu, Shizuoka 424‑8610, Japan.
3 ）私立女子聖学園高等学校 〒 114‑8574 北区中里 3‑12‑2
Joshiseigakuin High School, 3‑12‑2 Nakazato, Kita-ku, Tokyo 114‑8574, Japan.
4 ）東山技研 〒 669‑1353 兵庫県三田市東山 222‑2Higashiyama Technical Research, 222‑2 Higashiyama, Sanda-shi, Hyogo 669‑1353, Japan.
5 ）NPO 富士山測候所を活用する会 〒 102‑0083 千代田区麹町 1‑6‑9 麹町 DIK ビル 901
NPO Valid Utilization of Mt. Fuji Weather Station, DIK Koujimachi Building #901, 1‑6‑9 Koujimachi, Chiyoda-ku, Tokyo,102‑0083, Japan.
＊ Corresponding author : Masashi KAMOGAWA（ kamogawa@u-gakugei.ac.jp ）（ 2015 年 12 月 15 日受付／ 2016 年 1 月 13 日受理）16

新田 英智・織原 義明・東郷 翔帆・須藤 雄志・鈴木 裕子・藤原 博伸・稲崎 弘次・鴨川 仁緒

言教育が可能となる．しかし，このようなデータロガーは通常高価で，多機能のため扱いが難しく，学グローバル化や知識基盤型社会，国際競争などを校教育に広く導入するには至っていない．筆者らが背景に，学校教育においては「生きる力」を育むこ開発したデータロガー（以下本ロガー）はこのようとが重要とされている．それをもとに学校現場でな問題点を解決するために安価で，取扱いやすいもは，小学校での英語教育や，スーパーサイエンスハのとした（鴨川他，2013 ）．このデータを用いて約イスクール（ SSH ）などさまざまな取り組みがなさ一か月間の連続観測を行い，安定されたデータが取れている．また，高等学校学習指導要領解説理科編得されていることを確認した（東郷他，2014 ）．本研

理数編（ 2014 ）では，探求の過程を重視した指導を究ではさらにこのデータロガーの長期及び過酷な条行い生徒が興味関心と探求心をもって自然の事物・件下における安定性を確認するため富士山測候所に現象を物理学的に考察する能力と態度を身に着けさおいて，越冬を含む約一年間の観測を行った．

せることが大切であるとしている．言い換えれば自然現象を科学的に探究する過程を学び，それを考察する能力を育てることが重要視されている．また，観測

その第十節にある理科課題研究の中では，自然環境

筆者らは 2007 年より NPO 法人富士山測候所をの調査に基づく研究として河川の環境調査，大気中活用する会に参加している．富士山測候所が，冬季の二酸化炭素濃度の調査などが例として挙げられてには室内でも−20℃近くになる過酷な環境であるこいる．これらの計測は通常授業時間内において観ともあり，今回本ロガーの検証には富士山測候所を測・記録が行われ，授業時間を超えて，例えば 24利用した．データロガーとは電圧出力を連続的に記時間の連続観測などが行われることはめったにな録することができる装置であり，単体で動作するもい．これの要因としては現実的に 24 時間の定期的のや，パソコンに接続して記録するものなどさまざな観測が授業として行うことが難しいからであるとまであるが，本ロガーは単体で動作する仕様になっ考えられる．自然現象の観測では観測のやり方を学ている．また，内蔵するプログラム言語は C 言語

ぶことや観測されたものがなにを意味しているかをベースである．本研究による観測は 2013 年 8 月から考えることが重要である．これと同時に地球温暖化

2014 年 6 月まで，富士山測候所三号庁舎において現象のように時間とともにどのように変化している

西側の窓に張り付けた太陽光パネルの電圧，ロガーのかを学ぶ重要性も増している．研究現場においての充電池の電圧，三号庁舎内の温度の三つを十分サはこのような時間変化を観測するためにはデータをンプリングで記録した（ Fig. 1 ）．データ分解能は自動で記録するデータロガーと呼ばれるデジタル記

10 bit である．この太陽光パネルはロガー内の充電録装置を用いている．このようなデータロガーが学池につながっている．さらに，万が一に備え外部校教育で用いることができれば，より充実した科学バッテリーを充電池に接続した．なお，本ロガーのFig. 1 Distribution of the observation system. (a)The handmade data logger, (b)A solar battery panel.

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学校教育に導入可能な小型測定機器の実証実験

安定性を検証するため，太陽光パネルの電圧は日置電機株式会社の LR5043 Voltage Logger（以下市販ロガー）で同時に記録をした．

観測結果とデータの検証
本ロガーは自作であるが，安定したデータが得られていることを示すために太陽光パネルデータについて市販のロガーとの比較を行った．また温度，内部電池の電圧については，太陽光パネルデータとの比較によりその安定性を検証した．

○太陽光パネルデータについて
Fig. 2 は 2013 年 9 月 21 日の太陽光パネルの電圧を示している．この図の特徴的なところは 18 時付
近で急激に電圧が低下しているところにある．これは日の入りの時刻と考えられるが，この日の富士山Fig. 2 Daily voltage variation of the solar battery panel on September 21, 2013.

測候所（高度 3776 m ）の日の入りの時間は 17 時 55
分 46 秒であり，十分サンプリングの本ロガーのデータと一致する．さらに，太陽光パネルの電圧データ全体の特徴として，日の出ともに電圧は急激

Table1 Correlation between weather conditions and voltage of the solar battery panel.に 6［ V ］まで上がり，南中後，直射日光が当たりWeatherVoltage

だすとさらに 18 〜 20［ V ］まで急激に上がる．こSunny

18 〜 20 V

れは太陽光パネルが測候所西側の窓にあるためと考えられる．その後，太陽が地平線に沈みだすと一気に下がり，6［ V ］付近で一度緩やかになってから急．Fig. 3 は 本 ロ
激 に 0［ V ］ ま で 下 が る（ Table1 ）Sunny（ shade ）Almost 6 V

Cloudy or rainy

Almost 6 V

Night time

0V

ガーと市販ロガーとのデータの相関を示している．
相 関 係 数 は 十 ヶ 月 の 平 均 で 0.9907 で あ り， 本 ロ
ガーは市販のロガーと比べてもほぼ同じ値を記録している．しかし，Fig. 3 の形を見ると 6 ボルト周辺でくびれているように見える．詳しく見ると，0［V］，6［ V ］ 近 辺 お よ び，18 〜 20［ V ］ 周 辺 で，ばらつきが少なく，それ以外のところで，ばらつきが大きいことがわかる．また，月ごとに相関係数を見ると，観測後半になるにつれて次第に相関係数が．Figs. 5，6 は，観測初期悪くなっている（ Fig. 4 ）（ 2013 年 9 月 1 日 ）と 観 測 後 半（ 2014 年 6 月 1 日 ）の，日の出時と日の入り時の，市販ロガーと本ロガーの記録した電圧の時系列のグラフである．これを見ると観測初期には電圧が一定値に安定しているところも急激に変化するところも同様にとても良い相関を示している．しかし観測後半では，電圧が一定値で安定しているところは良い相関を示している

Fig. 3 Correlation of the voltage variation between our data logger and a data logger(LR5043 Voltage Logger) that performanceis guaranteed.

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新田 英智・織原 義明・東郷 翔帆・須藤 雄志・鈴木 裕子・藤原 博伸・稲崎 弘次・鴨川 仁が，急激な変化をするところでは記録値がずれていデータがずれていたため，Fig. 3 はこのような形にる．また，日の出，日の入りともに市販ロガーのなっていると考えられる．本ロガーの時刻同期は，データが先行している．これより観測後半では時刻コンピューターの時刻同期に用いられる RTC（ Realtime clock ）機能によって行われ，月差一分である（東郷他，2014 ）．また市販ロガーの時刻同期は±50 ppm で日差が±4.32 秒である．これらのことか
ら，この相関係数の変化は，測定値のずれではなく時刻データのずれによって引き起こされたと考えられ，本ロガーの電圧記録精度には問題がないと言える．しかし，本ロガーは GPS を組み合わせた時刻同期が可能である．教育目的の使用では必要ではな
いが，高い時刻精度が必要な観測である場合はこのような手段をとって時刻精度を向上することができる．

Fig. 4 The monthly variation of the correlation coeﬃcient between two loggers.

Fig. 5-a Recorded solar battery power with
two loggers from 4 : 00 a.m. to 6 : 00 a.m. on
September 1, 2013.

Fig. 5-b Recorded solar battery power with
two loggers from 17 : 00 to 19 : 00 on September 1, 2013.

Fig. 6-a Recorded solar battery power with
two loggers from 3 : 00 a.m. to 6 : 00 a.m. on
June 1, 2014.

Fig. 6-b Recorded solar battery power with
two loggers from 17 : 00 to 20 : 00 on June 1,2014.

学校教育に導入可能な小型測定機器の実証実験

19○三号庁舎内の温度データについて
今回温度データは温度センサを本ロガーに接続して取得した．Fig. 7 は太陽光パネルのデータと温度年間で消費したエネルギーは 1.04×104［ kJ ］であデータを 9 月 21 日から三日間比較したものである．のデータは正しいと考えられる．なお，内部電池でる．これより，太陽光パネルと充電池のみで越冬観測が可能であったと考えられ，したがって内部電圧

一般的に太陽が出ている間は気温が高くなる．このだけでも 10 分サンプリングであれば 2 か月程度の図を見ると，太陽光パネルのデータと温度の変化が観測が可能である（東郷他，2014 ）．

連動していることがわかる．太陽光パネルのデータが十分信用できると考えられることから，温度データも正確に観測できていると考えられる．

学校現場におけるデータロガー導入に関する考察○ロガーの安価性，扱いやすさ
現在学校現場でデータロガーを導入できない理由の一つとして，高価であることがあげられる．したがって，データロガーの学校現場での導入を進めるにあたって，その安価性は重要な要素になってくる．本データロガーは，基本的に一般に入手可能なもののみを使用して安価に製作できるように設計されている．本データロガーで使用されている PIC（ Peripheral Interface Controller ）はそのものの価格が数百円程度であり，内蔵するプログラムも C言語ベースであるために無料のコンパイラも多く公開されている．また材料費は 5000 円以内に収めることが可能である．
また一般的にデータロガーは単体で動作するものから，パソコンに接続して記録するものまでさまざFig. 7 Comparison between the voltage variation of the solar battery panel and the temperature variation from September 21, 2013
to September 23, 2013.

まなものが存在するが，本データロガーは前者の設計が行われている．パソコンを用いるものは記録と同時にグラフ化等の処理も行うことができるという利点を持つが，長期間パソコンを占有してしまうという難点もある．本データロガーは運用期間中にパソコンを占有しないという前提の設計であり，教育○内部電圧と越冬観測について
今回内部電圧は越冬観測が実際に充電池と太陽光目的での気軽な利用を後押しするものである．

パネルで行えたかを示すために記録した．充電池のに，教師がその操作方法を理解し，生徒に正確に伝学校現場でデータロガーを使用しようとしたとき

電圧は十か月間ほぼ 4.8［ V ］と一定値を示していえることは正しい観測をするために大切なことであた．しかし，今回の観測では外部バッテリーを接続る．しかし，一般的な市販のデータロガーは多機能したため，これだけでは越冬観測が太陽パネルと充で扱いが難しく，授業内の限られた時間でその操作電池 4 個のみで行えたかわからない．そこで充電池方法を伝えることは難しい．本ロガーは，機能をと太陽パネルのみで越冬を行えたか示すために太陽絞って設計されているため（東郷他，2014 ），その光パネルの発電量と，ロガーの消費電力のエネル

機能を理解し，伝えることが一般的なデータロガー

ギー収支の概算をする．太陽光パネルの発電量は，よりも容易である．これより，本ロガーは学校現場得られた電圧データから積算し，充電池の効率と，において扱いやすいロガーであると言える．

太陽光パネルの効率を加味したうえで約 2.99×104［ kJ ］であった．本ロガーの消費電力は 0.4［ w ］ほ
．ここから計算すると一どである（東郷他，2014 ）○想定されるロガーの活用
中学校学習指導要領理科編（ 2012 ）から，学校教20

新田 英智・織原 義明・東郷 翔帆・須藤 雄志・鈴木 裕子・藤原 博伸・稲崎 弘次・鴨川 仁

育へのロガーの導入として中学校二年次で扱われデータロガーを用いた授業カリキュラムの作成が可

る，気象とその変化を例に考える．学習指導要領に能となる．データロガーを用いた自動測定によっては “ 校庭などで気象観測を行い，観測方法や記録

これまでは授業内での実践が難しかった連続観測がの仕方を身につけるとともに，その観測記録などに可能になる．実験から時系列の変化を示すことがで基づいて，気温，湿度，風圧，風向などの変化と天きるので，生徒の時系列変化に対する理解がより高気との関係を見出すこと ” とある．ここでは気象現まると期待される．本ロガーを使った授業では，生象の規則性や，気象現象への興味関心を高めるこ

徒が自ら環境データを取得し，解析することになと，直接観測する活動が重視されている．一般的にる．これによって，データの取り方を学び，その学校現場では，地域気象観測システム（アメダス）データで学ぶといった授業が可能になる．このプロのデータや，気象衛星ひまわりのデータ，温度計セスを経ることによって，生徒の興味や探究心を引や，湿度計，気圧計によって取得された学校周辺のき出せるより充実した科学教育が可能になるだろ

データ等を用いて授業が行われている．これら温度う．

や湿度，気圧のデータは一般的に授業時間の問題で連続観測を行うことができない．気象観測ではその謝データがどのようにして記録されているか理解する

辞ことが大切であるが，それとともに時間的な変化を

本研究は文部科学省科学研究費挑戦的萌芽研究連続的に見ることはとても大切である．それを補う「教育現場での即応を目指した現職教員用放射線研ため，自記温度計などが用いられるが，しかしこれ究カリキュラム開発」及び「富士山頂の宇宙環境類

らはデジタル出力に比べると精度が低く，データも似性を活用した模擬衛星製作・運用の宇宙科学技術

他のデータとの比較という面では扱いづらい．その教育プログラム」，公益財団法人東京応化科学技術

上安くても 4 〜 5 万円程度と高価であり，さらに観振興財団「科学教育の普及・啓発助成」，および一測期間に制限がつく．本ロガーは非常に安価で，そ般財団法人新技術振興渡辺記念会からの受託研究にの上デジタル出力であり，このような問題点はなよる援助を受けたものである．また，今回「 NPOい．本ロガーを使用し，太陽光パネルの電圧，温度，法人富士山測候所を活用する会」に観測場所の提供

湿度，気圧，風力などを同時観測した場合，授業時等の協力をいただいた．ロガーの製作には松見科学

間外や夜間，観測が困難な時間も含めて，長期の安計測（株式会社テクニカ）の多大なる協力を頂いた．

定した連続的なデータを生徒の手によって取得でき記して感謝申し上げる．

る．これにより観測の仕方を学んだうえで，そのデータを基にしたより充実した学びが可能になる．

引用文献

また，データの比較といった面でも本ロガーは有効に活用できる．学校の裏山や河原などの，生徒による連続的な観測が困難な場所でも本ロガーはデータ取得が可能である．校庭と学校近くの山や幹線道路の近くなどで同時に観測を行い，それを比べると土器屋由紀子（ 2014 ）：水と大気の科学 富士山頂の観測から NHK
カルチャーラジオ科学と人間，159pp
鴨川仁・藤原博伸・稲崎弘次・織原義明・岩崎洋・川原庸照・鈴木裕子・大洞行星・土屋由紀子（ 2013 ）：小型化した環境デー
タ記録システムの製作，東京学芸大学環境教育研究センター
研究報告，22，3­10.

いったことも考えられる．

文部科学省，（ 2008 ）：中等学校学習指導要領解説理科編，149pp.
文部科学省（ 2009 ）：高等学校学習指導要領解説理科編理数編，

結論

本研究では，学校現場での活用を念頭に置いて開発されたデータロガーの安定性を検証した．富士山測候所における越冬観測という過酷な環境下でも，安定してデータを取得することができた．これにより本ロガーはその安価性と扱いやすさに加え，長期的な安定性も確認することができた．したがって，232pp.
東郷翔帆・須藤雄志・織原義明・田中利佳・中村真帆・藤原博伸・
稲崎弘次・岩崎洋・川原庸照・土器屋由紀子・鴨川仁（ 2014 ）：開発された小型測定機器による環境データの観測─富士山測候所における試験観測─，東海大学海洋研究所研究報
告，35， 35­41