広島工業大学紀要教育編
第 ₁₁ 巻（₂₀₁₂）39 – 48報

告HIT 基 礎 物 理 学 シ リ ー ズ
1 ．力学 WORKBOOK

井上光*・尾崎徹**・鈴木貴***・中西助次****・細川伸也*****（平成₂₃年₁₀月₂₉日受付）

HIT Basic Physics Textbook Series
1. Mechanics Workbook
Hikaru INOUE, Tōru OZAKI, Takashi SUZUKI, Suketugu NAKANISHI and Shinya HOSOKAWA(Received Oct. 29, 2011)

Abstract
A series of textbooks on basic physics has been published in our Institute. The staffs responsible forthe physics education of freshmen have edited and revised these textbooks and used them for therespective lectures, exercises and experiments in basic physics. In order to notify the characters of thetextbooks, our concepts for editing them are to be described in series. In the first report, the textbook
used for the physics exercise entitled “Mechanics Workbook” is introduced. The aim of the textbook
is to attain the linking education from high schools to our Institute.
Key Words: linking education, exercise in basic physics

呼びたい。その発行と改訂の一覧を付録 ₁ の表 ₁ に示す。

1 ．HIT 基礎物理学シリーズ

大学と学生の状況は常に変わりつつある。本学では，₉₃

工科系の大学では，学生が物理学の考え方をしっかり学

年度の環境学部新設に続いて，₉₄年度には基礎教育部門がべることが大切である。本学では，新入生のための基礎的なくされ，それまでの基礎物理担当教員は工学部の学科にな物理科目の講義，演習，実験の授業方式について，これ分属するスタッフの集まりの「物理担当グループ」に再編らを専任で担当する教員グループが常に検討を重ねているされた。これが上の教員グループである。スタッフが新し［ ₁ - ₅ ］。学生の目線と教員の視点の間には，当然と言えるくなるようすも表 ₁ で一覧される。のだが，しばしばギャップができる。ギャップを越えやす

この HIT シリーズを実り多いものとしてゆくために，そくするには適切な教材の用意が必要となる。授業方式を検討

れぞれの教科書の作成経緯を個別に振り返り，作成の方しながら，教員グループは上記の物理科目について自前の針，内容の特色，今後の課題などをこの紀要に記したい。

教科書を作成し改訂を重ねてきた。現在，図 ₁ の ₄ 冊の教科年度にわけるとして，今回は本学の「接続型教育」［₁-₃］

書がある。講義には「工科系のための基礎力学（第 ₂ 版）」

で新入生が手にすることが多い「力学 WORKBOOK」を取と「基礎物理 WORKBOOK」，演習には「力学 WORKBOOKり上げる。

（第 ₂ 版）」，実験には「工科系のための物理学実験（第 ₃版）」を使っている。これらを HIT 基礎物理学シリーズと* 元広島工業大学工学部教授** 広島工業大学工学部電子情報工学科*** 広島工業大学工学部電気システム工学科**** 広島工業大学工学部機械システム工学科***** 広島工業大学工学部建築工学科

─ 39 ─

井上光・尾崎徹・鈴木貴・中西助次・細川伸也

図 1 ．HIT 基礎物理学シリーズ

た。授業方式にも対応が迫られた。

2 ．新入生の動向と本学の対応

当時，工学部 ₁ 年次生には「工業基礎力学」が通年 ₄ 単

₂₀年以上前から，若い世代の理科離れが指摘され，大学位の必修科目とされていた。この科目に合わせて，物理担進学の傾向も変わり始めた。新入生の学力が平均的に低下

当グループは₉₅年度から週 ₂ 回の補習授業を開始した。こし，学習歴も多様化するのが認められた。本学でも，高校の試みは意欲の高い学生には特異的で明らかな成果を上げの理系科目を十分に履修していないと思える新入生が多くたが，単位にならないことで出席者が漸減し，平均的な基なり，理数系基礎科目の単位が取れない学生が増え始め礎力を上げるのは難しかった。

─ 40 ─

HIT 基礎物理学シリーズ

₂₀₀₀年度には，工学部の学科の組織・名称・カリキュラ

このスタイルを保って出来たものが，解きながら学ぶ力ムが改められた。物理担当グループは，工業基礎力学に代学の素材集であり，全₁₅テーマの「力学 WORKBOOK」のえて，当時の工学部全 ₆ 学科に共通に「基礎物理学Ⅰ（ ₁初版である。手にしてパラパラ繰ると問題と余白のページ期）」，「基礎物理学Ⅱ（ ₂ 期）」を設けた。特筆すべきは，が現れる自習用「宿題帳」の趣きのあるものとなった。各

このとき同時に必修科目で「基礎物理演習（ ₁ 期）」を新設

テーマの総説的解説はできるだけ短くし，キーとなる事柄，したことである。

ちょっとした留意事項，科学史のエピソードなどを Note

これらの基礎的な物理科目が現在に引き継がれている。

m.n の形で独立なコラムにした。また，すべての問題にタ

その後₀₆年度に情報学部の新設および₀₆年度（Ｈ₁₈）と₁₀イトルをつけて，問のねらいを学生が納得しやすいように年度（Ｈ₂₂）の ₂ 度のカリキュラム改訂があり，基礎的なした。類型的な演習書でもないので，力学 WORKBOOK と物理科目は ₃ 学部に拡充開講されている。さらに，物理担名付けた。

当グループは基礎物理科目から専門科目への接続の調査と₃ 年目からは基礎物理演習はこの WORKBOOK を使って改善も行った。これらのようすは₀₉年度の紀要教育編［ ₄ ］授業できるようになった。また，学期の最初と最後に共通で詳しく報告している。

テストを行うことにした。続く ₂ 年間の実施のようすは₀₃
年度の紀要教育編［ ₂ ］で詳しく報告している。

3 ．基礎物理演習と力学 WORKBOOKWORKBOOK を教室で使ってみると，あちこちに「軋み」基礎物理演習の目的は，さまざまな学習歴の新入生に，が出てきた。教員側からは，この問でいつも時間をとる

始めの半年間「学ぶための基礎づくり」の機会をつくるこ（難しすぎる），この問は曖昧である（説明し難い）等々でとである。とくに，入学以前に物理を学ぶ時間を十分とれあった。学生側では，解答が少ないのが共通の不満の種になかった（とらなかった）新入生に配慮する授業の試みでなっていた。これらの軋みのもとで，グループで話合いなある。接続型教育の呼び名はまだ耳新しかった。

がら，第 ₂ 版の準備が進んでいった。

新入生には，広く浅くではなく，後に続く専門科目を学

第 ₂ 版は₀₇年 ₉ 月に発行し，実際には₀₈年度の授業からぶための物理の基礎力を鍛えることが求められている。知使い始めた。初版の基本スタイルは第 ₂ 版に引き継がれて識として言葉や公式を覚えるだけではなく，方法を学び取いる。大きな変更は次の ₂ 点である。

るようなトレーニングを積む必要があり，多くではなくと（₁）全体を₂₄テーマとしたこと：基礎物理演習は ₁ 期で終も，次のステップで確実に活かせる技法を会得することがわるが， ₂ 期には基礎物理学Ⅱが始まる。 ₁ 期でつい望まれている。

た習慣を ₂ 期でも維持できるようにとの期待が当初か

この目的で，力学から始めることに異論はないであろらあり，初版で「仕事とエネルギー」関連の ₃ テーマう。質点の力学は，微積分法で扱う対象がまだ目に見えるを ₂ 期の講義のためにつけ加えてあった。この ₃ テー領分にあって，この時期のトレーニングに最適である。無マ分の内容を ₆ テーマ分に拡充し，さらにその後の講論，演習は学生が自主的に取り組む科目である。ここで，義もバックアップできるように基本的なテーマを追加

椅子に座ったままでなく，前にでて自分のプレーを示す学した。建設工学科で₀₆年度から基礎物理学Ⅱ演習（ ₂生となることも期待される効果のひとつである。

期）が設けられたことも増補改訂の追い風となった。

前期の基礎物理演習₁₅回のコマをどうするかで，物理担（₂）解答を詳しくしたこと：初版では巻末の「解答とヒン

当グループはたびたびミーティングを持った。まず，全クト」は至極簡単なものであった。学生のクレームは当ラスに共通の問題プリントを配布して共通の授業方式をと然と思いながら，「自分達で考える」ことに期待していることで合意し，上述の構想を実現するための内容・順た。しかし，第 ₂ 版では適切な解答は理解へのキース

序・方法等で具体的なノウハウを出し合って実施プランをテップと考え直して，問題との一体性を高める形に書練った。プリントの素材の選定やクラス運営などは，学生き直した。テーマごとの解説と Note 類はなるべく簡の応答を見ながら進めた。初めの ₂ 年間は初期的な試行錯潔にして，具体的なことは問題と解答から読み取れる誤の時期でもあった。実施のようすは₀₁年度の紀要教育編ようにした。つまり，解説・Note・問題・解答の ₄ 項［ ₁ ］で詳しく報告している。

目で補完し合って ₁ テーマを構成する形に整理し直し学生が（教員も）毎回区切りのある達成感を持てるようた。に，内容の項立てを初回からテーマ ₁ ，テーマ ₂ ，・・とし現在，基礎物理演習は第 ₂ 版を使って実施している。₀₆て，原則として ₁ 回に ₁ テーマで数題ずつを解き進める形

年度からは，初回のプレースメントテストで習熟度別クラにした。 ₂ 年間でテーマと問題の更新や順序の入れ替えのスを編成し，成果を期末テストで判断している。実施のよ試行を重ねた。

うすは₀₉年度の紀要教育編［ ₃ ］で詳しく報告している。
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井上光・尾崎徹・鈴木

力学 WORKBOOK は他の大学，高専等でも授業に使われ貴・中西助次・細川伸也

内容の例てきた。初版は学習院大学，群馬高専，北陸職能開発大学

各テーマの構成例として，「テーマ₅ 加速度」を付録 ₂ に校，静岡大学で，第 ₂ 版は東京医科歯科大学，芝浦工業大示す。先行する「テーマ₄ 速度」で微分計算の概念発生を学で採用された。

たどっている。ここではその算法をもう ₁ 回（ ₁ 階）進めることで順々に新しいイメージを描けるように問 ₁ ～ ₅ を

4 ．力学 WORKBOOK の内容初並べ，考え方を解答で補っている。解答は答そのものを与版えているとは限らない。さらに，まもなく出てくる運動方

初版は全体で₁₅テーマ， ₁ テーマは ₄ ～ ₆ 題， ₁ 題は数個の発展小問の形としていた。テーマ ₁ ～ ₃ ではベクトル程式に取り付きやすいように「Note ₅.₂ 力だめし」タイプの小問を添えてある。

量の扱いと座標の使い方を，テーマ ₄ ， ₅ では速度と加速

問 ₄ （₂）の公式を覚えている新入生もいるが，その場で度を微分法で扱うことを目標とした。ここでは運動の瞬間意味まで説明できる者は少ない。問 ₅ はその応用例である

速度のイメージから微分演算に至るように問題を並べた。

が，唐突に与えられると解くのは難しい。厳密に言えば難テーマ ₆ ～ ₈ で，放物運動を中心に，運動学から力学にしくなる計算を簡単な式で置き換えてみる例でもある。先移った。ここは加速度と力のイメージ形成が大切なところ行する問 ₄ の記号演算が有効なことを，学生はここで納得で，「高校物理に微積分を取り入れるならば」と考えた問題できるのではなかろうか。教室で，そのような話が期待さも含めた。ついで，テーマ ₉ で万有引力，テーマ₁₀で円運れる。さらに，問 ₅ の数値は後に「テーマ₁₁ 運動方程式の動と進めた。テーマ₁₁では，運動方程式のいろいろな使い使い方」で力積，運動量，仕事，エネルギーのイメージを方を取り上げた。ここで仕事とエネルギーの着想にもつなつかむ予備的な試算に再利用する。
各テーマは，独立性を保ちながら，このように積み上げいだ。テーマ₁₂は単振動として，微分方程式とその解の考え方の理解にあてた。テーマ₁₃～₁₅は仕事とエネルギーのや先取りの形で互いにつながっている。

問題とした。

5 ．演習科目の役割と今後の課題

第2版

基礎物理演習のスタートから₁₂年が過ぎた。教室での使第 ₂ 版では，前半部₁₂テーマ分の内容は初版とほぼ同じ

用経験 ₄ 年の第 ₂ 版でも軋みが感じられている。次の方針をであるが，円運動のテーマを前に出して運動学の続きに置考える段階であるが，基礎物理演習と力学 WORKBOOK がいている。この変更は，運動学が先行の，「工科系のための今後も備えてほしい要件がある。これまでの報告［ ₁ - ₄ ］

基礎力学」の構成に合わせるためである。また，前期の間に加えて，学生との教室談義，教員どうしの話合い，素材に最低でも万有引力までの₁₀テーマを終えたいためでもあ立案時のねらいなどを改訂時に留意すべき原則的なことがる。

らとして挙げてゆきたい。

後半部では，エネルギーに関する事項にウエイトをおものごとの学習には「動機づけ」が根源的な大切さを持き，テーマ₁₃～₁₈を当てている。とくに，テーマ₁₈は運動つであろう。学ぶことの目標は説明できるが動機は体験しエネルギーと温度，水力発電，太陽エネルギーなどいろいてもらうしかない。
「わかる」ことは動機づけにもなるであろなエネルギー関連の変換問題を素材として，次の物理工ろう。わかるために挑戦してほしい。そして新しく「発見学領域へのつながりが想像できるものにしてある。テーマする」ことがあってほしい。この教科書はわかるとの信頼

₁₉～₂₃では質点系の運動と剛体の運動の基礎を扱い，テー感ができることは大切である。そこまでのステップに大きマ₂₄では運動座標系と見かけの力を取り上げている。

すぎるギャップがないか，なおも検討が必要である。

後半部の₁₂テーマは「工科系のための基礎力学」に同調問題の場面を明確にするために，付録 ₂ のように，目にさせながら，その基本的な事項だけを取り出したもので，見えるような数値例を多く使っている。一般論の前に，計独立な教科書としても使える形になっている。言い換えれ算しやすい数値の組を使って試算する箇所もある。しかば， ₁ 年次生向きの分量にまとめてあり，講義用に役立てし，要所ごとに課題を抽象化するプロセスが大切である。

ることもできる。

これを両立させねばならない。甘口の問題の解き方だけを

₂ 冊の教科書どうしは相互引用はしていないが，基礎力練習していても駄目で，抽象化にともなう知的な満足を経学の章末の演習問題には WORKBOOK の問題と似通ったも験して応用力が育つであろう。取り付きやすいが，それでのがあり，解答は概して基礎力学の方が詳しい。そのこと分かったつもりになる「やさしい力学」がはまり易い欠陥を伝えれば，学生は両方の問題を解くようになる。

を避けねばならない。
物理学自体は「ものごとをなるべく簡単にみる方法」を
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HIT 基礎物理学シリーズ探している。抽象化の動機づけのために学生にときどき終わりのアンケートでは「やや難しい」との回答が多い

言ってみても，この説得はすぐには受け入れられない。高が，これ以上やさしくしない方がよい，というのが教員側

校物理をよくこなしていて，放物運動の問題などをサッとの多数意見である。

解く新入生が微分形式の運動方程式に戸惑っているときが基礎物理学Ⅱでも演習を行いたいとの要望がある。これある。「高校の方法ではいけないのですか」と聞き返されは建設系 ₂ 学科ではすでに実現していて， ₂ 期の授業で成る。
「その知識は大切な資産です。今，その価値を再評価で果をあげている。今後，専門科目への接続をよくする方向きるでしょう。」と答えて，続きを考えてもらう。学生が努で検討したい課題である［ ₄ ］。

力して修得しているものは，間違いでない限り，大切にす学生が満足を感じる学び方ができる教科書とすることがべきである。その学生はやがて両方の価値を認識する。

大切である。あのとき練習したのがよかったと思い返すこ

微積分法とその応用手法の修得はとくに大切である。上の話のように，運動方程式などの微分方程式は自然の法則ともあるような力学 WORKBOOK にすることを著者らは望んでいる。

を簡潔に表す方法のひとつである。身の周りではその解に謝あたる現象が実現していて，さまざまな見え方をする。始辞

めにわかるのはひとつの特解である。学生が自分の力で探HIT 基礎物理学シリーズの刊行では，鳥飼社長をはじめりまわって，この仕組みを納得し，自然界の知識に組み立東京教学社の皆さんに長年にわたって並々ならぬご尽力をて方と要約の仕方があると知れば大きな前進である。

頂いています。ここに深い感謝の意を表します。

大学は学生の目線と教員の視点が近づいたり離れたりし文つつ協同作業を進める場と考えよう。離れすぎるとうまくゆかない。演習はそのようすが比較的確かめやすい授業で［ ₁ ］井 上光，尾 崎

献徹，鈴 木貴，中 西 助 次，茂 木ある。ディジタル化したプレゼンテーション以前に，昔な博，森滝美治郎，接続型教育を目指して

第₁報

がらの白紙と鉛筆の地道な手作業やチョークと黒板のたど礎物理演習を通して，広島工業大学紀要

教育編，第たどしくとも臨機応変の対話は今後も尊重されるべきであ

₁ 巻，₂₀₀₂，p. ₉₁ – ₁₀₂．

る。

［ ₂ ］井 上光，尾 崎徹，鈴 木

基貴，中 西 助 次，茂 木

新入生達の学力は実に幅が広い。力学 WORKBOOK を自博，森滝美治郎，接続型教育を目指して

第₂報

力でサッサと最後までやり終えて自信をつけた学生がい礎物理演習の実践，広島工業大学紀要

教育編，第 ₃た。物理後発組でも， ₁ 期の間に力学を始めから微積分巻，₂₀₀₄，p. ₅₇ – ₆₉．

ベースで学んで，先発組よりも望ましいレベルに達する学［ ₃ ］鈴木貴，尾崎徹，井上光，大政義典，細川伸生もいる。他方には，やる気がなくて伸びない学生もい也，北野保行，接続型教育を目指してる。内発的な意欲がもっとも大きな推進力である。意欲と物理演習の教育効果，広島工業大学紀要

学力の幅は教員側に期待と同時に困惑をもたらす。平均ど₉ 巻，₂₀₁₀，p. ₁₉ – ₂₅．

ころをつかむのに毎年違う経験がある。教科書は協同作業［ ₄ ］尾崎徹，鈴木基

第₃報

基礎

教育編，第貴，大政義典，北野保行，細川伸のレベルをできるだけ上へ引き上げて，安定させるもので也，接続型教育を目指してあってほしい。

ら専門科目への接続の調査と改善，広島工業大学紀要

基礎物理科目か教育編，第 ₉ 巻，₂₀₁₀，p. ₂₇ – ₃₆．

力学 WORKBOOK 第 ₂ 版は中学程度の理科の知識と高校の数学Ⅱ程度の計算力からでも入れるようになっている。

第₄報［ ₅ ］藤岡淳，尾崎

平均どころの学力で意欲のある学生は十分伸びて，大多数

報は自分の到達レベルを納得できているようである［₃, ₄］。

大学紀要

─ 43 ─

徹，接続型教育を目指して

第₅入学前セミナーの物理テキストの改訂，広島工業
教育編，第₁₀巻，₂₀₁₁，p. ₁₁ – ₁₉．

井上

付録 1

光・尾崎徹・鈴木貴・中西助次・細川伸也

物理担当グループで作成した教科書

₁₉₉₅年以降に物理担当グループで作成した教科書を表 ₁ に挙げる。現在採用中のものを太字で示す。出版社はすべて東京教学社である。同社以外の出版社の場合は（）で示す。
表1科目

講演

実年/月

書

教科書作成年表名

執筆者* は著者代表

₁₉₉₅/ ₃
₂₀₀₁/ ₁
₂₀₀₆/ ₂
₂₀₁₀/ ₃

工学系基礎課程 力学
工科系基礎力学
工科系のための基礎力学
同 第2版

小西輝昭*，北中愛海，中西助次，森滝美治郎，浅井慎
井上光，中西助次*，浅井慎，鈴木貴
井上光，中西助次*，尾崎徹，鈴木貴，細川伸也
井上光，鈴木貴，尾崎徹*，中西助次，細川伸也，大政義典

₂₀₀₇/ ₃

基礎物理 WORKBOOK

尾崎徹

習₂₀₀₂/ ₃
₂₀₀₇/ ₉力学 WORKBOOK
同 第2版

井上光*，尾崎徹，鈴木貴，中西助次，森滝美治郎
井上光*，尾崎徹，鈴木貴，中西助次，細川伸也

験₁₉₉₅/ ₄
₁₉₉₇/ ₃
₂₀₀₃/ ₄
₂₀₀₆/₁₀
₂₀₁₁/ ₄

物理学実験（電話印刷）
広島工業大学工学部 物理学実験室編
物理学実験（学術図書出版） 広島工業大学工学部 物理学実験室編
工科系のための物理学実験中西助次*，井上光，尾崎徹
同 第₂版
中西助次*，井上光，尾崎徹，細川伸也
同 第3版
中西助次，井上光，尾崎徹*，細川伸也，大政義典，小島健一

義─ 44 ─

HIT 基礎物理学シリーズ

付録 2

力学 WORKBOOK の内容の例

ひとつのテーマは解説・Note・問題・解答の ₄ 項目で補完し合っている。問 ₁ ～ ₅ は各 ₁ ページ分の余白つきである。

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井上光・尾崎徹・鈴木貴・中西助次・細川伸也

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HIT 基礎物理学シリーズ

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井上光・尾崎徹・鈴木貴・中西助次・細川伸也

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