パーソナルデスクラボによる実験教育の展開――

一斉方式による個別教育の実現を目指して
千葉大学

大学院理学研究科

2009.03.09

――

中山隆史

千葉大学では、さまざまな既修歴で入学した学生が、現代科学の基礎である物理学に興味を持ち科学教育への出発点を形成するために、独自の学生実験プログラム（パーソナルデスクラボ：PDL を使った少人数一組・一斉実験）を開発してきた。PDL 実験は少人数一組の実験なので、自らが手を動かす体験を通し、考え理解を深められると共に、受講学生全員が一斉に同じ実験を行うので、きめ細かい指導を受けることができる。経費やスペースが必要な本実験教育方式の困難は新機器（PDL）開発により克服できる。本取組 GP 事業では、PDL 型の新実験テーマをさらに開発し教育内容の高度化を図ると共に、PDL 実験教育方式を他大学等に提供することを実施している。本実験方式は、実体験不足がもたらす学生の理科離れの現状を乗り越え、将来の科学研究・技術者を育成するだけでなく、文系も含めた多くの学生に科学への理解・信頼を確実な教養として教育するツールになると考えている。

１．背景と目的
現代社会は、コンピュータ・AV 通信機器など科学、特に物理学と基礎とした多くの技術に支えられている。しかし、私達の日常生活や高等学校での実験教育では、科学に触れる実体験機会はむしろ減っている。この状況は、学生の理科離れの一因になり、科学技術立国の日本にとり極めて遺憾なことである。将来科学を担う研究技術者を育成するだけでなく、理系文系を問わず社会に巣立つ多くの学生に、「 科学的なものの見方」や「科学に対する正しい理解」を教育することは、現在の大学の教養科学教育に課せられた重要な課題と考えている。
学生実験教育は、体験型学習であり、学習意欲を生み、記憶が定着しやすい等の効果に優れているため、教養科学教育に最適である。ところで千葉大学は、理系文系合わせて９学部を有する総合大学であり、入試科目の多様化に伴い様々な 履修 歴の学 生が 入学し てい る。そ こで学生＜少人数一組＞
個人体験の重視
十分な考察・議論

PDL ＜小型共用＞＜一斉実験＞
きめ細かな指導、教育効率

教員

低コスト
省スペース

設備

図１．パーソナルデスクラボ(PDL)を用いた実験教育が目指したポイント．

我々は、こうした学生にも対応できる物理実験教育プログラムを模索・検討してきた。そのプログラムでは、図１に示す３つの条件が必要と考えた。つまり、(1)学生１人ひとりが自ら確実に手を動かし考察し議論できる体験型実験であること、(2)教員が個々の多様な学生に対してきめ細かな指導を行うことができ、その教育効率も高いこと、更に(3)低コスト、省スペースを実現すること。これらを実現するために、本取組の「パーソナルデスクラボ（ＰＤＬ:机上組み立て式個人実験装置）による実験教育」を開発し、実施するに至った。

２．ＰＤＬ実験教育の特徴＜実験方式としての特性＞
実験教育は一般に、学生１人ひとりにかける指導時間や、実施スペース、費用（初期設備経費、経常費）などが講義に比べ格段に多く、これら制約のために指導できる学生数や指導内容には自ずと限界がある。例えば、ビデオを用いるなどの「演示実験」は多くの学生を対象にできるが、学生個々人が現物を手にして実験を体験するというものではない。また物理実験では装置数が限られるために、１つの装置を多人数の学生が囲み同じ部屋で「一斉実験」を行うことが従来多いが、この場合、ひとり一人が確実に体験できることは少ない。一方、学生がいく
つかの部屋に分かれて別テーマを「併行実験」すれば、１テーマの装置数が少なくても学生は体験実験ができるが、実験室が分散するので教

(a)

(b)

図２．(a)従来の光学実験装置（数ｍの実験机と装置）、(b)同等機能を持つ PDL（A4 サイズ）

員の適時指導は行き届かず、テーマ順序もバラや理解が深まると共に、組み立ての満足感も得

バラで学習の系統性・深さに限界がある。

られる。また小型・部品化は、複数の実験テーこれら従来の実験方式の限界を打破した理想

マへの共用化による部品点数の削減や故障率の的な手法が、本取組の PDL を用いた実験教育で低下をもたらし、設備費用の低減という学生実ある。PDL はコンパクトな実験装置であるため、験が抱える別の困難も解決する。

＜教育手法としての特性＞と、同じ実験室での落ち着いてきめ細かい教育
PDL を用いた実験教育は、 全く新しい教育環指導を両立させることができる。
境 を実現させる。図３に示すように、ひとり一人が１台の装置で実験を体験しながら、小型で＜実験装置としての特性＞あるために多数の学生が１つの実験室で授業をPDL の最大の特徴は、実験装置が小型という受けることができる。そのために、教員は実験点である。例として図２に、従来型の光学実験内容の講義や指示、注意、学生からの質問の受装置と、それと同等機能を持つ PDL を示す。PDL付などを適時行うことができ、教員と学生とのは従来装置の約１/30 の大きさで勉強机に乗る活発なやりとりにより学習効果を高めることがために、ひとりが１台の装置を使って体験実験できる。つまり、あたかも「勉強机が実験室にすることが可能となる。
早変わり」といった教育環境をつくり、「講義とこの小型化は現代の新素材・機器の採用で可実験の融合」した教育空間が実現される。
能となった。例えば光学実験ではＣＤプレーヤ
また、PDL を用いることで可能となる「講 義ーの中に使われている半導体レーザーを用いる。
日常生活で使われながら触れる機会の少ないこと 実験の一体環境」は、さまざまなレベルの実うした科学技術の産物を、学生は直に手にとっ験教育を可能にする。図４の囲みａに示すようて触れることができ、現代科学技術への理解をに、現象に触れる実験までを実施すると、文系得ることが可能となる。
学生を対象とする初歩的な実体験重視の「導入教養型実験」として運営することができる。さ一方、開発した PDL はブラックボックスではらに、囲みｂに示すように、数値解析を行い理ない。機能毎に分割された部品で出来ているた論予測と比較することにより測定原理や法則をめ、学生は自分の手で組み立てるので、実験装理解でき、物理を専門としない理系学生に対す置の仕組を的確に把握でき、学習内容への興味る「理解型実験」として用いることができる。
さらに進んで、囲みｃのように、進んだ複数の課題を設定し、自ら工夫し部品交換を行い実験すれば、長いストーリーの展開が可能となり、深い理解や発見の喜びが得られ、物理を専門として必要な理系学生に対する「発展型実験」まで行うことができる。このように、多様な学部や多様な学生のレベルに合わせた実験教育を実現することができる。
実験における少人数(１,２名)での確実な体験

図３．PDL 学生実験の風景．

実験室と講義室の融合環境

⇔ 学生

教員
実験内容の講義a

文系学生対象b:理解型実験

他大学への普及単科大学等でも有効、企業連携

PDL
高校での実験教育

薬看園系学生しっかり理解発展実験の講義

c

数値解析
法則理解

中高校教員研修

簡易PDL

a:導入型実験

実体験

法則の講義

b

自分の手で部品組立
一人一人で実験

ワークショップ

部品取替え
発展実験

工夫、発見の喜び

c:発展型実験
理工医系学生図４．PDL 実験が可能にする様々なレベルの放送大学等の面接授業

アジア物理教育ネット（ASPEN）

図５．PDL実験教育の普及計画．

実験教育．

組織化は、FD や総会の実施、コマ数の増大や教３．PDL 実験教育の過去・現在・未来＜取組の経緯と展開＞
1994 年から、物理系の教員が中心となり、「実体験」重視の実験教育の検討、PDL 装置の開発、その試運用を始めた。2000 年からは、教科書を作成し、理学部・教育学部の約 100 名の学生にPDL 実験教育を始めると共に、新 PDL 装置の検討・試作も続けた。本 GP 事業が始まった 2007
年度は、GP の支援を受け、若手教員を中心にして、新規 PDL 装置の量産、教科書作成、文系クラスへの試行、FD 等を行い、2008 年度には、PDL実験種目の充実を目指しさらに開発量産を進めると共に、文系も含めた全学の受講学生約1,200 名に PDL 実験教育を拡大展開した。現在
では４テーマの PDL 実験（光 学、電場、磁場、振 り子）を実施している。
現在までの学生アンケート等によると、視野がかなり広がった、大変満足であった、装置の仕組みがわかった、個人実験なので結構大変だった、との評価を概ね受けている。また教員からも、１つの実験に集中でき新人 教員でも担当しやすいとの意見 を得ている。
＜取組の組織＞千葉大学では、2004 年の教養部廃止後、全学物理系教員約 100 名で構成する物理学教員集団を組織し、教養課程物理学教育（物理学基礎実
験：約 1,100 名受講、講義・演習：約 8,000 名受講）を責任もって担当している。特に集団の育内容の策定を可能にし、部局の人事計画によら ない安定した教育を提供可能にしている。
本取組を展開する物理学基礎実験では、物理学を専門とする理学部・教育学部の教員と受講学生の学部の教員がペアとなり教育にあたっている。このため、水準の高い教育と多面的な評価が提供できると共に、自部局学生の学習状況の把握や専門教育へ向けての配慮が可能となっている。またＴＡ、技術補佐員 を採用し、きめ細かい指導に留意 している。
＜取組の今後＞
本ＧＰ事業の最終年度には、PDL 実験装置の改良、ビデオ教材作成や教科書・教授法の改訂による実験教育の高度化、PDL 実験手法を国内外に情報発信することを進める計画である。また以降も、学生・教員へのアンケート等や学外からの意見を得て、ノウハウの確立や本取組の充実化を進めたいと考えている。特に、図５に示すような、中高校教員の 10 年研修、アジア物理教育ネットワークへの協力、ワークショップの開催等をとおし、PDL を用いた実験 教育方法の 情報発信・普及を予定している。
最後に、PDL 装置は小型で安価であるため、スペー スや 経費、 スタ ッフの 制約 のある 小規
模・単科大学等における実験教育の活 性化にもおおいに参考になると考えている 。
＜本取組に関する連絡先(HP)＞
http://gp.pdl.chiba-u.jp/index.html

振り子／弦の振動

光の回折／屈折反射、偏光

PDL 実験例

ＰＤＬ実験例 （9） 振り子の実験

ＰＤＬ実験例 （１） 光の回折実験目的

測定例
回折強度

<実験器具>

・鉄板（2枚） ・レーザー（λ＝６７０nm） ・電池（2個） ・電池ホル
ダー ・リード線（赤、黒 各２本） ・調節用マグネット（2個または4個） ・200kΩ負荷抵抗 ・ＰＤ（スリット付フォトダイオード） ・ＤＭＴ
（デジタルマルチテスター） ・単スリット
・ノギス ・スクリーン ・簡易顕微鏡 ・遮蔽用の黒紙

90
8070

光の回折強度[任意]実験セットアップ

実験目的

2●単スリットによる光の回折像を観察する●単スリットからの回折強度を測定し、理論式と比較する⎧sin(Bx)⎫
I (x) = I0 ⎨⎬⎩ Bx ⎭πd
B=λL

60

実験データ

50

理論曲線

実験セットアップ<実験器具>

40

・鉄板・振り子・ものさし・電卓・くし型台（ヒートシンク）・ガラス棒・L字金具・フェライト磁石・ネオジウム磁石・ストップウォッチ

3020

測定例

重力加速度を測定する

π/B

2π/B

2.0

4.0

100-6.0

半導体レーザー-4.0-2.00.0

x[mm]

6.0

回折縞より光＝波と確認、回折理論の理解、多様な回折・干渉現象へ発展

フーコー振り子

熱電子放出／熱輻射等電位線／抵抗、電気回路

ＰＤＬ実験例 （４） 等電位線

ＰＤＬ実験例 （５） 熱電子放出

実験目的

測定例

● 面上の等電位曲線を確認し、電流の方向および電流密度を知る。

実験目的

測定例
35～56mA●蛍光表示管にて、熱電子放出を確認する

実験結果

V

実験セットアップ

実験セットアップ

0～16V

フィラメントグリッド<実験器具><実験器具>

アノード

・DTM３台・蛍光表示管・光ダイオード・電源1.4V・リード線・負荷100Ω

・直流電源（約2.4V）・デジタル電圧計・導電板（導電ゴム）・電池・リード線・鉄板・電極用磁石・油性サインペン・トレース紙

蛍光表示管

A
フィラメント電流に対する V-I 特性
7

蛍光表示管
陰極電流 I[mA]

6電極

If=56mA
If=52mA
If=49mA
If=44mA
If=40mA
If=35mA

54
3
21005101520

陰極電圧 V[V]

導電ゴム紙
自分で好きな形に電位・電場の可視理解、電場のシミュ
レーション、複雑な電位分布へ発展

開発中

ホール効果

電流が作る磁場／電磁誘導

ＰＤＬ実験例 （6） ホール効果

ＰＤＬ実験例 （7） 電流がつくる磁場
実験目的

電流のまわりに発生する磁場の分布を調べる

実験目的

測定例

磁場観察槽・方位磁針・棒磁石・コイル＋輪ゴム・リード線（赤２本、黒２本）・電池ボックス入り電池・ゼムクリップ・目盛り付きプラスチック台

キャリアが電子の場合キャリアが正孔の場合

ホール効果を利用して電流の正体が電子であることを確かめる

実験セットアップ<実験器具>

電子放出の確認、熱電子の数理的理解、複数物質からの放出へ発展

実験セットアップ<実験器具>

ホール効果観察器・電池入り電池ボックス（単３電池２本）・リード線（赤２本・黒２本） ・テスター・棒磁石・強力磁石

ホール電場の向きが逆
測定例

磁場なしの場合の電圧

N極を近づけた場合の電圧
磁石
磁束密度ＢＮ

電流Ｉ

これら実験装置、その教科書、実験例等は、千葉大学の前頁 HP および下記 HP からご覧いただけます。
http://libcast-chibau.seesaa.net/、http://www.edu.chiba-u.jp/miraikagaku/mirai_kagaku.htm、
http://koudai.cfs.chiba-u.ac.jp/zikkensouchi.htm