中山間地の自然環境を生かした科学実験教育の実践（NPO 設立とこれまでの展開も含めて）

令和４年６月１５日 （１３：００～１３：３０）
ザ・グランユアーズフクイ （天山の間）NPO ふくい科学学園、理事長：香川喜一郎

１）福井大学在職中の主たる研究レーザープラズマ分光分析による高感度・迅速分析法の開発
パルスレーザー

凸レンズ
固体試料
福井大学教育学部、S52-H22定年退職（＋３年）
窒素レーザーを製作し応用（教育学部理科卒論生が協力）
当初、教育学部でありながら、卒業研究は工学部的なもの

レーザープラズマ分光分析（レーザーの波長、エネルギー、ガス圧等で変わる）

一般のレーザプラズマ分析法(LIPS)

Radziemski & Cramer
１９８２年
LIBS法

YAGレーザー（コンパクト、高繰り返し、近赤外は超） レーザー発振器

試料

タイミイングコントローラ

写真法に代わってOMA使用
集光レンズ

OMA

プラズマ光

スペクトルバックグランドが強い(Gated OMA 使用が必須）

光を電気信号に変える素子 光ファイバ

手作りN2レーザー（紫外波長）の応用として
我々のレーザプラズマ分析法(LIPS)

K. Kagawa １９８２年

1. 減圧下レーザー誘起プラズマ
別の安価な方法でスペクトル（小出力、安定高繰り返し発振、光電測光）

数Torr（約100分の１気圧）
Cu

２．大気圧下TEA CO2レーザー誘起ガスプラズマ、（渋谷工業からレーザーを寄贈され）退職の数年前、福井県産業支援センターで企業の方を対象に講演

Zn

スペクトル純度よく感度高い

大気圧下TEACO2 レーザーを金属に照射し、強力なガスプラズマ
He ガスプラズマ

金属中の水素の選択的高感度分析が可能になる

水素分析の応用（原子炉）
ジルカロイ
被覆管

燃料棒(ウランペレット)

減圧下プラズマを用いることで、簡便な水素の分析ができる。

ジルカロイ合金で作られた軽水炉の燃料棒(ウランペレット)の被覆管。
水素脆化（ぜいか）！
ジルカロイ中に水素が蓄積すると脆化する。定期的な水素の分析が必要。

ジルカロイの一部を切断し、融解して ガスクロマト により水素を分析している。

２）理科教育の指導(NPO設立の基礎）インドネシア研究指導
理科教育を始めるきっかけとなる
・昭和６１年(1986)： 東京工業大学国際交流センターよりインドネシア大学大学院へ研究指導ために派遣される （２週間） （N2レーザー製作と応用（比較的安価に）（文科省学術振興会の予算）
大学院生は大学に籍がある講師・助手
・昭和６２年、平成２年、平成４年、平成７年（ インドネシアでレーザプラズマ分光分析の研究がスタート）
・その後ユネスコなどの支援を受け、年間２～３回（夏休み、冬休み、春休みなどの休暇）を利用 してDr. Hendrik の研究室で共同研究をする（定年後も引き続き、20１8年まで）（全インドネシア訪問回数は５０回以上、1回の滞在：平均2週間）

・大人数で猛スピードで朝から夜遅くまで実験し、１回の滞在中に２～３編の研究論文を作成 ：１５０編以上）
インドネシアの理工系ではトップクラスの研究業績
・香川の指導で、これまで１３人に博士号を取得させた：（インドネシア大学７人、シャクアラ大学１人、５人は福井大学博士課程留学生として）

ヘンドリックの実験室（２０１８年7月）

OMA

分光器

ユネスコ等の支援により、現在では立派な装置が整っているインドネシアでの理科教育指導（研究指導の側ら）
研究能力の不足：実験の体験がないこと！

•＜インドネシアにおける物理教育ワークショップ開催＞

・ インドネシア、 ジャカルタ市立教育大学での、小規模ワークショップ開催（1988年 ８月、半日間、３０人高校物理教師参加）• インドネシア、ジャカルタ市、私立高校教師対象の「物理教育ワークショップ開催」（1995年１２月、２日間、４０人参加、インドネシア大学との共催）• インドネシア、ジャカルタ市、公立高校教師対象の「物理教育ワークショップ開催」（2003年 ３月、２日間、述べ１００人参加、ジャカルタ市立大学との共催）• インドネシア、ジャカルタ市、公立高校学生対象の「物理教育ワークショップ開催」（2003年 １２月、１日間、５０人参加、M.M.M 研究センターとの共催）• インドネシア、スマラン市、公立高校物理教師対象の「物理教育ワークショップ開催」（2005年 ３月、２日間、６０人参加、デポノゴロ大学との共催、ユネスコ支援）• インドネシア、バンデアチェ市（津波被害地の高校教師対象の「物理教育ワークショップ開催」（2006年 ３月、２日間、５０人参加、福井大学・シャクハラ大学共催、・インドネシア、ジャカルタのInternational School （合計５０人）に対して物理教育ワークショップ開催、および、ジャカルタ州立大学において開催（４０人参加）
香川退職後（２００９ 年５月、２日間）•
インドネシア、スマラン市、私立小・中・高校教師、４０人参加、２０１４年４月５日• インドネシア、バンドン工科大学での国際光学セミナーで講演２０１５年８月１０日～１３日• インドネシア物理学会で「Physics Education for young generation」で講演
ジャカルタ （２０１８年７月１４日）
身近な材料を使って安価に実験！

インドネシア・韓国で教員対象のワークショップ

インドネシア、アチェ州、シャクアラ
大学でのワークショップ(2006)

韓国、全北大学でのワークショップジャカルタの高校で指導

ジャカルタの高校で摩擦のない装置で実験（２００９）

福井大での理科教育に関する教材開発
１９７７年～

週休２日• 1992年 福井大学オープンキャンパス(9月12日(土))「目で見る光の科学」（一般、８０人参加） 実験が見世物になる！
• 1994年 公開講座
文科省：地域貢献活動推進（行政の指導（方向づけ）が重要）「親子で楽しむ理科教室」• 1996年 公開講座 ５千円の高額参加費：内容を工夫（学生と教材研究））「科学する心を育てる物理と化学の実験室」• 1998年 公開講座
「光を使って観る・測る」（光線と色を理解させる学習プログラム）• 2000年 公開講座
「科学する心を育てる物理と化学の実験室」（虹のしくみをしらべる）• 2002年 オープンキャンパス「雪の顕微鏡観察と人工雪生成実験」
一般の方から、“人工雪に色が付けられないか”の提案

理科教育教材開発のポイン（私の案）（１）教科書から離れる（２）身の回りの材料を用いる（３）論理的思考を養う場と考える（４）美しい現象を積極的に用いる（５）しつこく実験を繰り返す（６）オリジナルなアトラクションを持つオリジナリティの高い三つの実験を中心に展開（学生の卒業研究のテーマ）

代表的なもの

教材開発（１） 人工雪

Phys. Education, 2001
実体顕微鏡

魔法瓶の中で人工雪生成（雪氷 ２００３年 ）

照明LED

ガ ラ ス
シャーレ

サーミスター温度計

綿棒
アルミケースに入れたプラスチックの板（３ｍｍアクリルの上にはる）

ブライン

広口魔法瓶（まほうびん）を用いる新しい人工雪生
成装置

かき氷と塩を混ぜると安定－２０度、雪結晶生成に適した温度（中谷博士：低温室で、1936年）

角板結晶

星形結晶

ドライアイス・ペットボトル方式は霜！

教材開発（２）： 水滴レンズ顕微鏡

Phys. Education, 2001

水レンズ顕微鏡写真

リングに水を入れる
児童１人に１台の顕微鏡を実現

１０～２０倍教材開発（３）：微小ビーズを用いるまさつの無い装置
Phys. Education, 2008

微小ビーズの顕微鏡写真

プラスチック製ビーズ球の利用：分子間力や静電気力で表面に付着し、回転する。
1㎜

直径：約０．３ｍｍ

力学のほとんどの法則を実際に目で見える形にして示すことができる。
理科教育に革命的変化！
力学の見える化
位置エネルギーから運動エネルギーへの変換
V = √ 2gh誤差数％

ゲームにもなるv

福井県教育研究所に8台贈呈（R2年度、北陸労働金庫助成金）

ｈ３）NPOふくい科学学園の設立

ＮＰＯふくい科学学園の事業概要
福井大学（産学官連携本部、2009年9月設立
退職１年前）

科学の見える化を通じて、科学の面白さを伝え、科学への理解を深めてもらい、科学の考え方を伝承する

産学官連携本部：コーディネーター
栃川氏の指導を受ける

科学技術の振興を通じて、世界平和に寄与する

事業目標
香川の現職
時代の活動を基に３本の柱教材に関する研究開発

実験教室の定期的な開催

海外教育支援インドネシア等からの留学生最初年間事業費：約２５０万円
会員：３５名（教員、経営者、一般）

昨年、年間事業費：約７０万円
現在14年目：会員：３０名

定期的に 科学実験教室を開催（２００９年～２０１４年）（１ケ月２回、土曜日、９：３０～１２：００（４年・５年６年の同じ児童））
大気圧の実験（留学生が指導）

アオッサ実験教室

児童が自分の考えを述べている

簡易分光器を手作り

CD分光器をつくっているところ

水を入れるとコインが浮かび上がってくる（竹ぐしは目の位置の基準にする）

優れた科学者・技術者の養成（スポーツ・芸術などと同様、早くからセンスを身につける）

H２５年度の実験教室テーマ
物理系が多い(３年間は同じものはできない）

１） 光の反射２） 落下の実験（無重力を含む）

１１） 偏光の実験

１回２時間半、2050円
知識より論理的思考力
イベント的な実験と異なる

３） 力と運動の第２・第３法則

１２） 熱の実験

４） 凸レンズ・凹レンズ

１３） 高分子の世界

５） 鉱石ラジオを作る

１４） 電磁波と光６） 電池の実験

１５） 回転と遠心力

７） 音の実験

１６） タンポポの毛に作る人工雪

８） CD分光器を作る

１７） 磁石の実験

９） 光源とスペクトル

１８） 公開発表会の準備

１０） 放射線を見る

１９） 公開発表会

手間と時間がかかる ！
一般にある小学生対象の実験ではない

この実験教室の中で多くの実験教材を開発

実験教室(年間～１８回をまとめて）公開発表会（平成２６年３月１５日）

１年間に行った実験を４～５グループに分かれ、児童が父兄らに演示実験する

パネルに実験内容を説明
机の上は１年間使用したテキストの展示

グループ実験が中心：大学院生、主婦(博士号）、理科に関心のある高齢者、数人がスタッフ（有償ボランティア）

夏の合宿（奥越青少年自然の家にて）
お菓子の箱でガリレオ式望遠鏡製作

暗い草むらを背景に虹の実験

天体観測

１泊２日
参加者：
一般募集の児童と共に・児童３５人（一般１４人）
・父兄 ６人・スタッフ：１０人（内大学生４人）
合計：５１人(福井市からバス利用）

福井市助成金４）ふくい科学学園設立後
ー主な助成金事業ー
NPOは助成金なしに活動できない（テーマを変えて助成金獲得に挑戦）

「昭和の科学・文化短編映画で高齢者と児童をつなぐ公民館活動」(H24年、福井県新しい公共事業（春山、松本、春江西公民館などと連携）
２４年度
全１２回
開催
（はじめ映画を見ることで一体感ができる）

ねらい
意外に面白い身の回りの科学の啓蒙

高齢者の生きがい活動・世代間交流

「青少年（弱者）のための科学実験教育モデル事業」（NTTドコモ 助成金）
シャボン玉の中に入る

コロの仕組みの実験

H 28, 29
年度

福井大附属支援学校
月の満ち欠けの実験
空気砲の実験

鯖江市チャイルドセンター（不登校）

目で見て面白い実験

一般公開実験（アオッサ７階）

「グリフィス記念館で体験型科学実験」（H29年、福井市委託事業）
H30年、R1年も子どもゆめ基金助成金事業で実施

参加者は自由に異なる実験コーナーを回って体験できる（建物の雰囲気が良い：2回目は清川メッキ青年グループと連携！）

「雪の顕微鏡観察法指導員養成と普及」（H30年三谷助成金事業）

研修会で安価な顕微鏡を手作り

雪を保存して室内で観察

和泉スキー場で観察会

雪の結晶を観察する児童

雪に塩を混ぜ- 20度の低温を作り、雪の結晶を保存する

三谷助成金事業の成果をもとに全国規模の助成金を獲得

５）「中山間地における自然環
境を生かした青少年のための科学教育推進プロジェクト」
R2,R3年 日本郵便助成金事業 （福井県では１件のみ）

事業の背景と目的••••

青少年の理科離れが深刻な問題となっている。一方、人口が都会に集中し、中山間地が衰退していく現状も心配される。学校教育以外の社会教育によってこれらを少しでも食い止める必要がある。我々NPOは設立以来、児童・生徒に楽しい感動的な実験を提供することを目的に活動してきた。中でも“雪の顕微鏡観察と人工雪生成”、“水滴レンズ顕微鏡”はオリジナリティの高いものである。これらは中山間地において理科を通して社会教育を展開する時に恰好なテーマになりうる。“雪”は自然の美の象徴であり、子供たちは確実に関心を示す。しかし、北海道と高山を除いては、冬季の気温は十分に低くはなく、観察中に雪結晶はとけてしまう。我々が開発した方法によれば雪をとかさずに観察できる。中山間地の子供たちが、都会ではできない感動的な科学実験を体験することにより、強い自信を得て、将来日本の科学技術を支える人材が生まれることが期待できる。
また、中山間地において、高齢者などが協力して学校外活動の中で優れた科学実験を指導していけば、都会からの若い夫婦の移住促進につながる可能性があると考えられる。
本事業は福井県と広島県の２県で実施する
福井県：大野市、勝山市、鯖江市、今立郡池田町
広島県：安芸高田市（理事長の実家あり：数年前NPOふくい科学学園支部結成）

実験教室を2回開催 （池田小学校（福井）、高宮小学校（広島））

人工雪の実験（池田小学校）

水滴レンズ顕微鏡の実験（高宮小学校）

雪の結晶観察会を5回開催

NHK福井の取材あり、全国版でも放映（おはよう日本）雪の結晶観察研修会：大野市有終東小学校、鯖江市吉川小学校など

５小学校に、各5セット寄贈

簡易ルーペ顕微鏡の像をタブレットに記録（アップ社）

雪の結晶写真展を全8回開催

ハピテラス（福井市）

ハピテラス（福井市）

ハピテラス（福井市）

ゆめタウン（安芸高田市）

６）今後のNPO活動の展開
１）“雪の結晶観察を福井の観光に”（冬季、奥越のホテルで宿泊客に）
２）“中山間地の古民家で科学実験”（安芸高田市高宮町の実家等を利用して）今後、助成金獲得に努力する予定

通常照明による雪の結晶顕微鏡観察

奥越の雪の結晶写真（顕微鏡の倍率20倍）

ボタン雪は結晶が重なって識別できない（北海道と異なり大部分がボタン雪）マルチカラー照明
・雪の結晶は、完全に 同一平面上に分布しているのではなく、場所によって結晶面がいろいろな方向にわずかに傾いています。
・雪保存容器の上部に円形状（ドーナツ状）LED光源を置き、4種類の色の異なるセロファンを、赤、黄、緑、青の順序で配置します。雪結晶の面の方向によって反射する光の色が変わるため、結晶が色づいて見えます。

100円ショップで購入できる小型円形LED（300円）にカラーセロファン（4色）を貼りマルチカラー照明光源として使用します

マルチカラー照明で雪の顕微鏡観察を行う

一般の方から、“人工雪に色が付けられないか”の提案（２００２年）

マルチカラー照明による雪の結晶顕微鏡観察

顕微鏡像を裸眼で直接観察する
雪の結晶の美しさは本当に素晴らしい！

県外や外国の人に鑑賞してもらう（ボタン雪も鮮明）中山間地の古民家で科学実験（高齢者生きがい活動も含む）

広い空間を有効に活用して地域の子ども達に実験を体験させる！

終わり

To explain why snow is hexagon

タンポポの毛にできた人工雪タンポポの毛にできたつづみ型結晶

角板結晶から枝が出るNakaya’s artificial snow crystal

1936年

低温室で人工雪を作っているところ,
1936
Snow Crystals, U. Nakaya, Harvard Univ. Press. より

中谷博士らが用いた人工雪を作る装置(SnowCrystals, ハーバード大学出版、1954年) よりContainer to make artificial snow crystal

Container to makeSnow crystal(480 Cc)

Cotton swabs

金属中の水素・重水素の選択的分析法の発見！
H atoms
TEA CO2 laser
Melted regionZircaloysample

1)TEA CO2 レーザーがHe ガスプラズマを誘起
２）金属の噴出は起こらない
３）金属表面がガスプラズマの高温で溶け水素のみ出てくる
４）水素はHe準安定状態で励起

9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0640

水素と重水素が分離して検出
400
350

D
Intensity (a.u.)

Intensity (a.u.)

金属母体原子は全く発光しない！

He2000 ppm

H

300
250

D

200
150
100
50
0650

660
670
Wavelength (nm)680

母体の元素は発光しないので水素が高感度で分析できる

482

484

486
Wavelength (nm)

488

490

表面や雰囲気ガス中の水素による発光でないことを確認するため重水素を用いた

雪のレプリカ顕微鏡写真
北海道大雪山の雪（旭川市立博物館提供）

雪の結晶観察を福井の観光に（冬季以外にできること）• １）雪の結晶観察をしている動画• ２）雪の結晶スライドショー（結晶＋福井景色）• ３）人工雪生成実験を見せる• ４）雪のレプリカを顕微鏡で見せる• ５）雪の結晶写真展示