広島工業大学紀要教育編
第 ₁₈ 巻（₂₀₁₉）89– 95

報

告鶴学園内の初等中等各校の理科教育でのセンサーを活用した授業のためのサポート体制構築の取り組み
角島誠*（平成₃₀年 ₉ 月₁₉日受付）

Efforts to build support systems for classes utilizing sensors in science educationfor elementary and secondary schools within Tsuru Gakuen
Makoto KADOSHIMA(Received Sep. 19, 2018)

概要
本学園内の初等中等各校の理科教育においてセンサーを活用した授業展開ができるように，学園のスケールメリットを活かして，物理的な環境整備ならびに教材研究等の支援体制の構築を行った。各校単独では進めにくいことなど，学園内の諸部署の連携を図ることで可能となる事例，メリットを生み出す事例として一連の取り組みの状況を報告する。

キーワード：理科教育，センサー，データロガー，学園，スケールメリット

活かした理科教育に対する支援ができないかと，初等中等

₁ ．はじめに教育研究センターでは，₂₀₁₇年度より ICT センターとの連

新学習指導要領，₂₀₂₀年，₂₀₂₄年の大学入試の変化を控携において，学園内の初等中等各校の理科教育でのセンえ，初等中等段階の学校は学びの変革の最中にあり，表やサーを活用した授業展開のために必要な環境整備，ならびグラフの活用や探究的な活動などが一層求められている状にサポート体制の構築を行ってきた。

況であること，更には ICT 活用と推進が叫ばれていること

ここに，その一連の取り組みについての報告を行う。などは周知のとおりである。

₂ ．サポート体制構築の道筋

このような状況に鑑みたときに，理科教育において現象を定量的に扱う学びが一層求められることは論を待たない。

₂.₁

学園内初等中等各校の環境

初等中等段階でのセンサーを活用した計測（※ ₁ ）は，IB

表₁

初等中等各校の ICT 関連の整備状況（インターナショナルバカロレア）然り，先進国のみならずアジア諸国も含め，一般的なものとなっている。
しかしながら，国内の理科の授業でセンサーを活用した計測を自在に扱える環境は，SSH 校や大学教育学部附属の一部の学校や特殊な自治体など限定的であり，後は個人的な取り組みに委ねられているのが実態である。
そのような中，本学園内の初等中等各校の Wi-fi 環境や，iPad の普及といった環境が整いつつ，あるいは整っている状況がある。このことに鑑み，学園のスケールメリットをパソコン（ノート・デスクトップ）
広島工業大学高等学校

教員用

₁₁₀台

₁₁₀台

全日制

生徒用

₁₀₀台

₉₅台

広島工業大学高等学校

教員用

₁₄台

₀台

通信制

生徒用

₂₄台

₄₀台

広島なぎさ中学校・高等学校
なぎさ公園小学校

教員用

₉₈台

₈₀台

生徒用

₃₄台

※₃₁₇台

教員用

₆₇台

₁台

生徒用

₄₂台

₃₆台

※広島なぎさ中高のタブレット端末については，高校 ₁ 年生の個人所有の₂₂₃台を含む。また，この数に対応できる通信インフラ整備を学年進行に合わせて実施している。

* 初等中等教育研究センター，ICT センター，広島工業大学生命学部食品生命科学科
─ 89 ─

タブレット端末（iPad 等）

角島

₂₀₁₈年 ₄ 月時点で，学園内の初等中等各校の ICT 関連の整備状況は表 ₁ の通りであり，施設設備的に充実した環境

誠

余裕があったから」と一時的な個人芸に終わってしまうな
ど厳しいのではないだろうか。
大学や自治体のサポートがある事例として三重県教育委に近づきつつあるといえる。更に：・鶴学園内の初等中等各校では，全ての教室でプロジェクター（あるいはモニター）が整理されている。

員会ならびに三重大学が進めている CST（コアサイエンスティーチャー）研修がある。同研修ではパソコン計測の研・広島工業大学高等学校では，₂₀₁₇年夏に新校舎が完成し，ICT 環境が一層充実した。

修も行われている︵₅︶。そして，その成果が現場に還元できるようにされているが，三重大学が採用したのは，PASCO・₂₀₁₈年度より広島なぎさ高等学校では，新高校 ₁ 年生よ社の SPARK である︵₆︶。専門機関のサポートとはいえ，自り全員が個人所有の iPad を持ち込むこととなった。

作型で対応しなかったのは，三重県全県各校の人事異動を・初等中等教育研究センターと ICT センターが，学園内初前提とした汎用性と物理的なサポートといった側面からの等中等各校の教員が相互に授業動画や教材を見ることが安全策という点もあろう。三重県の事例は，とても自作型できる共有クラウド「授業缶詰」を構築し，₂₀₁₈年 ₄ 月

では難しいということの証左ととれる。

より稼働させた。

本学園の場合，iPad の利用環境が整っていることや，広また，₂₀₀₃年に広島なぎさ中学校・高等学校がグラフ関

島なぎさ中学校・高等学校に活用可能なセンサーが多数数電卓を用いたセンサー計測の授業のために整備した際の残っているという下地があった。そして学園のスケールメ

Vernier 社の以下のセンサーが生徒実験できる数量で活用でリットとして，センサーのバリエーションさえ持っていれきる状況であった。

ば汎用性が広がることもあり，Vernier 社のスクリーン無し

・加速度センサー／・力センサー／・モーションセンサーのデータロガー，LabQuest Stream を利用した教材環境づ・音圧センサー／・光センサー／・電圧センサー

くりを行うこととした。

・圧力センサー
₂.₃
₂.₂

LabQuest Stream と Graphical analysis ₄ について機材の選定～自作センサーは検討しなかったのか

国内の教材会社で市販されている学校用のパソコン計測商品は全て海外メーカーのもので国産のものはなく，割高となっている︵₁︶。これが，ものつくり大国＆科学技術立国を標榜する日本の実態である。
たしかに，万円単位の既製品に比べ，数百円から数千円で作成可能な自作型のセンサーは安価である︵₂︶。また，中学校の技術の授業では計測・プログラミングが入り，Arduino，Raspberry Pi，ビュートビルダー P，等々などを使うとするなら，そのまま安価に理科でセンサー計測に転用することも可能であるともいえる︵₃︶。
国内においても，教材としての自作の計測センサーの開発が個人レベルで何度も行われ，様々な場で発表されてき

図₁

LabQuest Stream と音圧センサーたりはしたが，パソコンの OS が変わるたびに，教員の自作レベルで追いかけていくには，手に負えない代物になってVernier 社のデータロガーには，スクリーン付の LabQuest，いく。かつて自作開発した教員，有能な開発能力のあった

LabQuest ₂ があるものの，スクリーン機能が劣化や破損す教員でも，他の業務や教材開発に時間が割けない時期を数ると，データロガー機能は正常であっても実質的には備品年も経ると，追いかけていくことが難しくなって挫折していとしての寿命となってしまう。₂₀₀₃年に，広島なぎさ中学

く。その点，メーカーは，Windows，MacOS，iOS，Android校・高等学校で購入したグラフ関数電卓についても，液晶等々その都度のバージョンアップに無償対応してくれる。

劣化により現在では使用ができないものが殆どである。し稀有な事例ではあるが，熊本高等専門学校と連携していかしながら，購入₁₅年後でも多くのセンサーは活用可能で︵₄︶る熊本県菊池郡市の中学校の事例のように ，自作的なセある。iPad がスクリーン機能を持つことで，LabQuestンサー類であっても，高専や大学のサポート体制が十分にStream の寿命は，データロガー機能のみで考えることがであれば，乗り越えていけるものがあろうが，そういったサき，ある意味のリスク分散でもある。充電バッテリーも交ポートが無い場合は，「その先生がいたから」とか「時間的換を前提とした作りとなっており，長寿命が期待できる。

─ 90 ─

鶴学園内の初等中等各校の理科教育でのセンサーを活用した授業のためのサポート体制構築の取り組み

解析ソフトは，高度な機能を有した PC 用の有料のものも多数あるものの，定量的なものとなると，教科書にあるあるが，無償版が PC 用（Windows, MacOS），iOS，Android

定番の実験方法からは外れにくい実情がある。これまでに対応しており，個人のスマートフォンでも使用可能であ定性的な扱いで終わっていた実験や現象についても数値る。iOS 版の Graphical analysis ₄ for iOS で₉₃種類のセン化したデータとグラフを容易に提供することで，定量的サーへの対応が可能となっている。そして，無償ソフトのな捉え方の習慣化を一層促すことが可能となる。

機能は，初等中等の通常授業での使用レベルで申し分がな④，⑤について：

い。データの分析等でさらに深く加工等をするのであれば，素朴概念（誤概念）を持っている現象などの理解においデータを Excel に転送して Excel で処理が可能である。まて，何度も容易に再現ができること。そして，演示実験

た，Graphical analysis ₄ for iOS でグラフ化したものなどであったとしてもクラス全体で対話しながら進めていく

は，以下の展開例で示しているように iPad の画像化機能でことができる。

そのまま画像データ化できるので，レポートに添付がしや⑥について：すい。更に，iPad やスマートフォンにインストールしたこ

₁ 台の LabQuest Sream からのデータ送信は，Bluetoothのソフトは Wi-fi 接続していなくても使用可能である。

で対応した ₁ 台の iPad との ₁ 対 ₁ の通信であるが，班内LabQuest Stream は Bluetooth でつながるので，iPad が Wi-fiのデータ共有やクラスでのデータ共有は iPad の他の機能接続されていなくても使用可能となる。だから，屋外や移で十分可能である。すると，その後のデータ処理や考察動しながらの計測等も可能である。

は個人が操作しながら進めることもでき，個人でじっくり考えることを可能とする。

₂.₄

活用のメリット

学園内の理科教員向けの講習会では，以下の ₆ 点を指摘

₂.₅

スケールメリット①コストの分散と効率化した。
① iPad で行うので操作が感覚的で極めて簡単である。

初等中等段階での通常授業の使用の仕方として，特定の②ワンポイント的な使い方に優れている。

センサーを年間使い続けることはなく，該当単元の授業③授業が定性的な理解の教材群に留まっているところに，で一度使うと，場合によっては次年度まで使わないこと数値化・定量的な扱いによる説得力をもたらす。

もある。だから，各校で使用頻度が低いセンサーを持ち④操作が簡単なために何度も再実験が可能である。

合わせなくても，初等中等教育研究センターや ICT セン⑤演示実験で生徒と対話して思考を深めるなどに優れている。

ター（情報化推進室）が共有管理しておけば，センサー⑥データを共有し，生徒が個々に Curve fit あるいは Excel

あたりの使用頻度は高まるし，各校の負担も減ることとなる。例えば，スペクトロフォトメーターやガスクロマ処理を展開することが可能である。

トグラフなど（現時点では未購入）を，中等教育レベルでそう使うものではないが，こういったセンサーなどは①について：
児童・生徒がスマートフォンや iPad の操作に馴染んでお共用が望ましい。

り，更に LabQuest Stream のデータ処理ソフトも説明書が教員が頻繁に演示で使う程度の数量のデータロガー不要で感覚的に触りながら操作できるアプリと捉えること

LabQuest Stream は各校で常備したとしても，生徒実験ができ，操作のための指導ストレスや物理的な時間のロスで台数が必要な状況等に備えて，数台を情報化推進室ががない。

共有管理しておくこともセンサーと同様な効果を持つ。
②学園内各校理科教員の情報交換等が可能②について：
物理的に準備等の手間がかからないので，演示実験とし同じ機材を用いておれば，学園内の教員間が情報交換やて頻度高く活用が可能である。導入での発問の材料とし教材開発の研究会を持ちやすくなる。こういった共通のて，あるいは④⑤にもつながる概念形成やひと押ししたプラットフォームを整備することが自発的な教員研修のい場面で，定量的なダメ押しといったポイントで活用が仕掛けとして機能する。また，この度構築した「授業缶可能である。また，生徒実験として活用する前に，演示詰」を活用することで，学園内他校教員のちょっとした実験として教員が使用勝手に十分に馴染んだ状態をつく工夫や展開の様子を見ることも可能となった。

るエントリー教材としても適している。

③大学の授業でも利用③について：ICT センター（情報化推進室）が管理しているものもあ

日本の教材や教材作りの文化として，いわゆるイベント

り，広島工業大学の授業でも使用が可能である。教職用

的なびっくり実験をはじめとした定性的な手作り教材はの授業「理科教育法」において，実際に活用している。

─ 91 ─

角島誠の教科書等を初等中等教育研究センターで準備し，セン④学内便があること
初等中等教育研究センターでは，センサーやデータロサー同様に，各校に学内便で貸し出す体制を整えた。

ガーの簡易な貸出手続き書式と，精密機器移動に耐える・必要に応じ，教員間の交流の場を初等中等教育研究センターがセッティングする。

貸出用往復パッケージを整えた。各校が貸出を求めれば，学内便で翌日に届けることが可能であり，かつ使用後も，・教育効果の測定や成果の発表，研究授業，論文化などを促進していく。

貸出用往復パッケージを利用して学内便で返却することができる。

表₂

各校とセンターの保有状況（₂₀₁₈.₉. 現在）⑤ Microsoft Office のライセンス使用が可能

各校への永久貸与数

センターからの貸出可能数

生徒・学生の個人所有の iPad でも在学期間中であれば使物品名用が可能であることで，容易にデータロガーからのデー

データロガー

₁₂₂

₁₄

タの転送とその後の加工が可能となっている。

二酸化炭素センサー

₁₁₁₁₁

酸素センサー

₁₁₁₁₁₁₁₁₀₂.₆

段取りと取り組みな小な中高 工大高 エンカレ

電流センサー

以上の見通しをたてて，₂₀₁₇年度より以下のような段取りで環境整備ならびに支援体制を構築してきた。

光センサー

₁₁₁₁

電圧プローブ₁₁₁₀

モーションセンサー

₁₁₁₁

温度センサー

₁₁₁₀

音センサー

₁力センサー
加速度センサー

図₂

教材研究用

米国の教材用図書①初等中等教育研究センターで，LabQuest Stream，酸素₁₁₂₂₂₂₂pH センサー

₁₁₁ドロップカウンター₁₁₁紫外線センサー

₁₃ 軸加速度計

₁圧力センサー₁磁気センサー₁土壌湿度センサー

₁赤外線温度センサー

₁放射線センサー

₁※本文でも触れたように，広島なぎさ中学校・高等学校は表 ₂ の保有数以外に₂₀₀₃年以来の生徒実験用のセンサーを有している。

センサー，二酸化炭素センサー，磁界センサー，pH センサーを購入した。そして，広島なぎさ中学校・高等学校

₃ ．展開例と実践の様子

から現有のセンサーを借用し，使用パターンの教材例や₃.₁資料を作成した。

₁₂②①で具体的な教材としての可能性が確認できたことから，

展開例

LabQuest の表示機能の紹介もかねて，教員対象講習会でICT センター（情報化推進室）と上記の構想を共有し，も行った一部表示事例を紹介する。

予算面も含め物理的なサポートの実現可能性を確認した。

①小学校③各校の理科教員に向けた講習会を行った。
広島なぎさ中学校・高等学校
なぎさ公園小学校

教室内の換気図 ₃ は，教室内の空気を換気するために数分窓を開けて₂₀₁₇.₁₂.₁₉

閉めたときの教室内の二酸化炭素濃度の変化の様子である。

₂₀₁₈.₁.₅

保健室や保健体育との連携によって，学習するのに好まし

広島工業大学高等学校全日制

₂₀₁₈.₁.₁₅

い濃度を示すなどして換気の啓蒙も可能である。また，こ広島工業大学高等学校通信制

₂₀₁₈.₁.₃₀

ういったグラフを保護者通信に掲載し，家庭での換気をう④各校から貸出を求めたいセンサーの希望をヒアリングし，各校で予算化するものと，共有化するものの調整を行った。

ながすことも可能である。
②小学校

酸素濃度の表示小学校では気体検知管という教具の使用が一般的である⑤₂₀₁₈年度より，貸出運用がスタートした。
⑥その他：

が， ₁ 回使用の使い捨てであり，かつ時間変動に対応でき・現場の理科教員の教材研究が可能となるように，センない。教室内の微妙な酸素濃度の変化を，グラフ表示ではサー計測を前提とした教育活動が盛り込まれている米国

なく，図 ₄ のようにメーター表示も可能である。

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鶴学園内の初等中等各校の理科教育でのセンサーを活用した授業のためのサポート体制構築の取り組み

図₃CO₂センサー

図₄酸素センサー

図₅

図₆

音圧センサー

力センサーと加速度センサー

電圧センサーなど他のセンサーの使用時でもメーター表示機能は重宝し，教員による演示のワンポイントでの活用などに適している。
③中学校

音の波形

「あ」
「い」
「う」
「え」
「お」の音をサンプリングし，図 ₅のように表示したいデータを同時に ₃ つ比較表示，あるいはデータの重ねあわせた表示等が可能である。
オシロスコープを使う必要もなく，一般教室で容易に可能な実験となった。
シンセサイザー等の音源との組み合わせで，高校の物理でも該当単元の導入や，うなりの作成，振動数の導出等々展開は様々に可能である。
④高等学校

図₇

運動の第 ₂ 法則

力センサーと加速度センサーを同時計測したデータの出⑤大学

₂

モーションセンサー

教職「理科教育法」の授業 ICT 活用

力を縦軸：力（N），横軸：加速度（m/s ）とし，Linear の

大学の授業の場合，ICT センター（情報化推進室）からCurve fit を行ったもの。F＝ma が一発で表示されている。

借り受けて実施している。₂₀₁₈年度は，教育現場での ICT

数秒程度で大ざっぱに行ったサンプリングでも，r＝₀.₉₉₈，活用の事例，教材開発の事例，ならびに誤概念に対する教平均平方二乗誤差 RMSE＝₀.₀₅₃レベルのデータが回収でき授法の事例として活用している。図 ₇ は，表データとグラている。

フの並列表示が可能であるという事例を示している。Excel
─ 93 ─角島誠にデータを飛ばして Excel でデータ処理につなげる操作な基礎での事例である。音の波形から音の大きさや高さの違どの活用事例として示した。

いを考察する際に，データロガーを活用している。

₃.₂

実践の様子

講習会で扱った事例以外にも，各現場にて工夫した利用が行われている。

図₉

図₈

広島なぎさ中学校 ₃ 年生

音さでの波形をサンプリングし…

力センサーの利用
図₁₀

音さの振動数に近い音声が出るかな…

例えば，広島なぎさ中学校では，中学校 ₃ 年生での「慣性の法則」の授業において，力センサーを活用した授業が新たに開発実践された。
展開として：
・力を加えると物体が変形する例として提示・予想をたてる・ゆっくり引くときと勢いよく引くときで実験・各班の結果から多数決で結果を共有
・結果が異なる原因を考える

図₁₁

おー，結構重なっている…

・各班の考え方を共有
・力センサーで力のかかりかたを数値で表現し，生徒の説を立証

授業担当者は，・生徒たちも中々音を波としてみることはなく，データロ・慣性の法則をまとめる

ガーを活用することにより意欲的に活動していた・ふりかえり・容易にデータの比較ができるためより充実した考察がでといった流れである。

きていた生徒実験ではなく教員の演示実験ではあるが，発問と考と感想している。

えさせるプロセスを仕掛け，演示実験を全員が注目する中，一般に，通信教育のスクーリングで実験をするという想視覚的かつ定量的に検証と共有できる展開となっている。

定はあまりされていない。そもそも理振法で定めるような中学校段階で，慣性の法則を数値的に視覚化できる授業例

実験器具や装置の使用は前提となっていない。

であり，優れた実践例といえる。

通信制高校が多様化していく中，ルネサンス大阪高等学

このように，生徒実験とまでいかなくても，一般教室に校のサイエンスコースのような突出事例もあるが，一般的持ち込む手軽な演示実験レベルの実践事例といった工夫をな通信制での理科の取り組みについては₁₉₉₆年の浮田の論積み上げ，まずは教員自身が扱いに習熟していくことが肝文︵₆︶，小林らの e-learning という観点からの理科教育の取要である。

り組み︵₇︶ など，事例報告も少ないのが現状である。e-learning

次の実践事例は，広島工業大学高等学校通信制での物理ではなく，PC，iPad ないしはスマートフォンで生データを

─ 94 ─

鶴学園内の初等中等各校の理科教育でのセンサーを活用した授業のためのサポート体制構築の取り組みとって実験するといった通信制での理科教育の取り組みは，

謝全国的に見ても稀有な事例といえよう。

辞情報化推進室の小川博道室長ならびにスタッフの皆様に₄ ．留意すべき点と今後に向けては，この度の取り組みにご協力を戴きました。御礼申し上センサーで計測をしたからといって，劇的に大きな変化げます。また，広島なぎさ中学校・高等学校の堀内和徳先や成果が出るものではないことを踏まえておく必要がある。

生，広島工業大学高等学校通信制の原田将伍先生には実践

使い方を誤ると，ただのおもちゃに成り下がってしまう。

事例ならびに写真の提供を戴きました。御礼申し上げます。

廃品や₁₀₀円ショップの材料を活用して手作りで教材を作注る日本の理科教員文化を決して忘れることなく，またそう釈して手作りされる定性的な教材作りのアプローチの下地が（※ ₁ ）センサーを活用した計測については，「パソコン計あってこそ，こういった機器は扱うべきものと考える。

測」という用語が一般的に用いられていたが，タブレット主体的にさせる仕掛けとしてどれをどう使うのがよいか。
それが，センサーを用いたものである必要はない。その場やスマートフォンを活用する事例を必ずしも言い当ててはいないことから，このような表現としている。

で最適なものであればそれが良いのである。同様に，対話文的・協働的であるにはどうか，深い学びがどのようにしたら仕掛けられるか，使い方のワンポイントを見極める力量

献（₁）角島誠（₂₀₁₇）「高校物理でのニュートンの運動の第 ₂が必要である。その力量は，日頃の地道な手づくりの授業

法則の検証実験に関する考察づくり無くして身につくものではない。

ンサーを同時使用する方法に照らして」『広島工業大学

力センサーと加速度セ

ただ，この度の取り組みによって，どれを使うかという紀要教育編』第₁₇巻，pp. ₁₃-₂₂

選択肢を増やしたことは間違いなく，授業の展開に幅と厚（₂）高橋三男（₂₀₁₇）『酸素が見えるみを持たせる環境と支援体制を構築できたのではないかと考える。

楽しい理科授業』日刊工業新聞社（₃）鎌田俊之（₂₀₁₄）「Raspberry Pi を用いた中学校教員養鶴学園初等中等各校の理科教員においては指導事例を増成における計測・制御．プログラミング環境の構築とやし，各校の教員が共有しながら鶴学園らしい手作り教育

実 践」研 究 報 告 コ ン ピ ュ ー タ と 教 育（CE）CE-₁₂₆の質的な向上に努めてもらいたい。

（₁₀），pp. ₁-₆

初等中等教育研究センターとしては授業づくりという観（₄）松本卓也，山本芳一（₂₀₁₁）「授業が変わる ! センサー

点からの助言や資料等の整備，ならびに米国や諸外国の先等を用いた教具の開発と実践．～熊本高等専門学校と進的な探究的実験教材事例を参考に，現場に情報提供や展の連携を通して～」第₆₁回九州地区理科教育研究大会開支援を行っていく。ICT センターとしては，学園内各校紀要』，pp. ₆₀-₆₁の先生方がより簡単に様々な情報の共有ができる体制つく（₅）三重 CST 養成プログラムホームページ

りを一層進めていくものである。

http://cst.

pj.mie-u.ac.jp/gaiyou.html

また，広島工業大学の教職の「理科教育法」を担当する（₆）三重 CST 養成プログラム（₂₀₁₄）「データロガーを活立場としては，教職センターと ICT センターの連携におい用 し た 理 科 実 験」 http://cst.pj.mie-u.ac.jp/pdf/て，これらを利用した教授法の指導の充実を一層図っていkyouzai_jikken.pdf（₇）浮田裕（₁₉₉₆）「通信制高校における「自然科学」の取くものである。

り組み（特集）」『物理教育』₄₄（₂），pp. ₁₂₃-₁₂₈

₅ ．おわりに（₈）小林裕光・堀口秀嗣ら（₂₀₀₆）「オープンソースのこの度は，環境整備と支援体制の構築という取り組みのWBT システムを利用した通信制高校における理科教育報告であった。整えた環境を現場が十二分に生かし切っての方法について」『教育情報研究』₂₂（₃），pp. ₃-₁₀

いるかといえばまだまだで，しばらくは助走と弾み付けの※関わりが必要な状況ではある。
また，教育効果の測定や評価については，別の機会としたい。

─ 95 ─

掲載サイトの閲覧は₂₀₁₈年 ₉ 月₁₉日に最終確認