蕨高校SPP講座「宇宙の探求～天文学 者を体験しよう」～FITS教材を取り入れた 天文学体験講座の紹介～
篠原秀雄（埼玉県立蕨高等学校）
１ はじめに1-1 この企画のねらい
筆者の 勤務校では，前年まで化学で SPP が実施されていました が，今年度は天文で実施することになりました．
これまでの経験から，生徒たちの星や宇宙への興味・関心は高いものの，天文分野に関して学習してきた内容の少なさや，実際に星を見る実体験の不足などを実感しています．
また，天文学者というのはいつも望遠鏡で星を見ているというイメージを，生徒に限らず一般的でももっているようです．実際の研究においては，物理学を手段として用いるわけですが，そのようなことは，まったくと言っていいほど知られていません．地学を学んでいる生徒は，自分たちが学習している知見がどのようにして得られたのかという研究の過程を学ぶことなく，結果としての知識のみをもっぱら学習しています．また，物理を学んでいる生徒にとっても，自分たちが学んでいる物理学が，実際に研究の場でどのように使われているのかを知る機会は，ほとんどありません．
以上の状況を考えて，次の 3 点をねらいとして，この講座を企画しました．
12
3

宇宙についてもっと知ってもらいたい．
天文学の研究方法を知ってもらいたい．
自分でも体験してほしい．

1-2 蕨高校について筆者の勤務校である蕨高校は ，「文武両道の進学校」をスローガンに掲げています．生
徒の学習意欲は高く，部活動にも熱心に取り組んでいます．
理科に関するカリキュラムは，次のとおりです．
1 学年：理科総合Ａ（物理・化学分野）＋化学Ⅰの 2 科目必修
2 学年
：物理Ⅰ・生物Ⅰ・地学Ⅰから 1 科目選択
3 学年理系：化学Ⅱ、物理Ⅱ・生物Ⅱから 1 科目選択
3 学年文系：化学Ⅰ・生物Ⅰ・地学Ⅰから 1 科目選択可※地学は文系のみ
1-3 プログラムの大きな流れ
講座全体の最後を，宇宙図（ http://stw.mext.go.jp ）を用いて私たちの宇宙の過去・現在・将来といった宇宙論の講演で締めくくろうと考えました．生徒がもっとも関心を寄せる分野のひとつです．そして，この企画全体を通したすべてのプログラムが最終的にその最後の講義へ結びついていくように，その内容と構成を工夫しました．
プログラムの概略は次のとおりです．
(1 ) ガイダンス（ 2007 年 12 月 12 日，蕨高校）
・天体画像のスライドショー：
どんな天体がある か知る．天体の美しさを味わう ．天体のスケールの違いを知り，おおまかな階層構造について知る．
(2 ) 講座第 1 日（ 2007 年 12 月 22 日，国立天文台三鷹キャンパス）・講義：
天文台，天文学者の仕事等についての講義を聴く．
・施設見学：
4D2U シ アタ ーで 宇宙 の階 層構 造 や大 規模 構造 など につ い てイ メー ジをつかむ．
・天体観望：
公開望遠鏡で天体 を実際に見る．対象天体として ，惑星，星団，銀河というように，なるべく複数の階層構造をまたいで見られるようにする．
(3 ) 講座第 2 日（ 2008 年 1 月 7 日，蕨高校）
・望遠鏡の作成：
望遠鏡の原理を学び実際に望遠鏡を作成する．
・簡易分光器の作成：
スペクトルや分光観測について学び，簡易分光器を作成する．
・ハッブル則の実習：
銀河のスペクトル 画像からハッブル則を導く実習 をおこない，宇宙膨張について学ぶ．最後にまとめとして宇宙についての講義を聴く．
このような構成をとることにより，膨張宇宙までを単に天下り的な知識として学ぶのではなく，その知識が得られた研究のプロセスまでを含めて学ぶことができます．
FITS 画像・ FITS 教材は，プログラム第 2 日のハッブル則の実習の中で利用しました．
２ 参加者について
2-1 募集方法
募集定員は 25 名です．参加者を募集するにあたって，物理・地学選択者を優先することにして， 2 段階に分けることにしました．これは，授業で学習していることとの関連性を重視したことと，物理・地学選択者には天文への興味関心が高い生徒が多いのではないかと予想したことによります．はじめに，第 1 期募集として，全体の定員枠の 7 割程度を物理・地学選択者だけから受け付けることにしました．その後，第 2 期として残りの枠を一般生徒から募集することにしました．
しかし，これがまったくの見込み違いで，第 1 期の募集をしてみると， 1 人の申し込みもありませんでした．まったく予想外のことでした．
結局，第 2 期の一般生徒（ 1 年生と 2 年生）からの募集で，定員すべてが埋まることになりました．その結果，集まった生徒は女子・文系優勢になりました．
2-2

参加者について参加者は， 2 年生より 1 年生の方が多く，男子より女子の方が多くなりました（ 表 1 ）．また ，理系 9 名に対して文系が 13名とりました（表 2）．
※アンケート用紙へ未記入の場合があったので，数字の合計が人数の合計とあわないことがあります．
理科の選択科目については，生物が圧倒的です（表 3 ）．物理の 5 名はすべて 1年生で，来年度選択予定ということになります ．したがって ，前項に書いたように ，現在物理を学んでいる生徒については応募はゼロでした（物理を教えている筆者としてはとてもショックでした ）．
参加しなかった理由は，調査をしていな
いのでわかりませんが，何人かの生徒との雑談で出てきたのは，部活動との関係で参加できないとか，天文台まで自分で行くのが面倒，などといったことでした．
また，以下は完全なる推測ですが，理系の生徒は理学系よりも工学系を志望する方が多いようで，宇宙の謎のようなものにあこがれる傾向が文系の生徒よりもむしろ少なく，より現実的なのかも知れません．

男子

女子

計

１年生

８

７

１５

２年生

０

１０１０

計

８

１７

２５

表１

参加者の内訳（学年／男女）

文系

理系

１３

９

表2

表3

文系／理系

物理生物

地学

５

１５

１

選択科目（履修予定の場合を含む）

2-3 参 加 者 へ の事 前 ア ン ケー ト か ら
Top 3（カッコ内は回答数）
この講座に参加した理由や，宇宙や天文学に対してどのようなイメージを1 大きい望遠鏡で星を見たい(18)もっているのかといったことについ2 天文台へ行ってみたい(17)て，事前アンケートで調査してみまし3 星や宇宙に興味がある(16)た．
( 1 ) 参加した理由
上位 3 つと下位 3 つは表 4 のとおり
Bottom 3です．天文台へ行って大きい望遠鏡で3 星占いに興味がある(2)星を見ることが強い動機になっていま
2 宇宙に関するアニメや小説が好き(1)す．
( 2) 自 分 の 目 で 見た こ と の あ る 天 体
1 将来天文に関する職業に就きたい(0)ついでに，どのような天体（天文現象 ）を見たことがあるのか（ ないのか ）表４ この講座に参加した理由を知りたくて質問項目に入れておきました（表 5）．
トップの流星，流星群については，Top 3（カッコ内は回答数）
2001 年 の し し 群 を 見 た 生 徒 が 多 い ようです．なお，回答数には本校の地学
1 流れ星・流星群(17)
部員の回答を含んでいますので，それ2 オリオン座(16)を 抜 く と 下 位 の 項目 の 中 で ，「 土 星 の3 夏の大三角，冬の大三角(10)環 ，日食 ，織女・牽牛 星， M31」 はす
べて 1 人だけとなります．また ，「彗星 ( 2)」 と あ り ま すが ， こ れ は 地 学 部
Bottom 3
員 2 名がホームズ彗星を見ただけで，3 土星の環，(部分)日食，織女・牽牛星，M31(3)
それ以外で彗星を見た生徒はいませ2 彗星(2)ん．
気 に な る の は ，「 夏 の 大 三角 を 見 て
1 自分の誕生日の星座(0)いる」のに「織女・牽牛星を見ていない 」 と い う 回 答 が 前 者 を 見 て い る 10
表5 見たことがある天体（天文現象）
人中 6 人もいることです．学習システ
ムの問題なのか ，実体験の不足なのか ，あるいは小学校 4 年生で学習してから日がたってしまい単に忘れてしまっただけなのか，そのあたりは追求していませんが，問題があることは確かでしょう．
3 実施内容3-1 ガイダンス ～2007年12月12日（水 ），蕨高校PC教室
講座第 1 日に先立って，放課後の 1 時間ほどを使って，ガイダンスを実施しました．
内容は，天体のスライドショーです． PAONET の画像を有効活用させていただきました．
スライドの構成は，身近な天体である月からスタートして，惑星・彗星などの太陽系内天体，続いて散開星団や星雲，球状星団，そして銀河，銀河団という順に配列しました．そうすることにより，天体のスケールが段階的に大きくなっていき，宇宙の階層構造に触れられるようにしました（ただし，階層構造に本格的に触れるのは，天文台での 4D2U シアターになります ）．また，画像はなるべく美しいものを選び，その魅力を十分に味わえるようにも配慮しました．
3-2 第1日 ～2007年12月22日（土 ），国立天文台・三鷹キャンパス
この日は，午後 1 時に武蔵境駅に集合，バスで天文台に移動しました（図 1）．輪講室で挨拶が済んだ後，すぐに施設見学になりました．
( 1 ) 天文台施設見学
はじめに 4D2U シアターで立体画像による宇宙の映像を楽しみました．引率の教員を含めて私以外はこの映像を見るのが初めてで，宇宙を自在に移動して映し出される立体映像に驚きの声が上がっていました．地球を離れて，太陽系，星団，銀河，銀河団と，スケールが上がっていく映像で，宇宙の階層構造を十分に体感してもらえたと思います．
その後は，すぐ近くにある天文台歴史館の見学でした（図 2）．

図1

国立天文台見学正門前にて( 2 ) 講義
こ こで は ，天 文 台の 紹 介ビ デ オを 見 せて いた だ くと と もに ， 天文 情 報セ ン ター 普 及室 長の 縣 秀彦 氏 から 天 文学 者 の仕 事 や天 文 学の 研
究 内 容な ど につ い て講 義 をし て いた だ きま した ． 熱の 入 った 縣 氏の 講 義に 対 して ， 生徒 から は ，宇 宙 人は い るか ， ワー プ は可 能 か， など と いっ た 質問 も 飛び 出 し， と ても 活 気の ある時間になりました．
( 3 ) 天体観望会
この日の最大の楽しみが， 50cm 公開望遠鏡による天体観望でした．さらに 8cm 望遠鏡と140mm 双 眼 鏡 も 用 意 し て い た だ き ， 火 星 やM103（ 散 開 星 団 ）， M31 な ど を 観 察 す る 予 定でした．
惑 星 ， 星 団 ， 銀 河 と ， 4D2U シ ア タ ー で 見た 映 像の 実 物を 実 際に 見 てほ し いと 思 って い
ま し たが ， とて も 残念 な こと に ，雨 天 によ り
中止となってしまいました．

図2

天文台歴史館前にて

3-3 第2日 ～2008年1月7日（土 ），蕨高校物理室，PC教室
第 2 日は，会場を蕨高校に移し，朝 9 時から夕方 4 時まで，一日のプログラムでした．
午前中は物理室で工作を中心に，午後は PC 教室で画像解析と講義という流れでした．
( 1 ) 望遠鏡・分光器の原理と作成
凸レンズのはたらきを学んだ後に，手作り望遠鏡を作成しました．コルキットの 6cm 屈 折 ＋ 木 製 大 型 三 脚 の セ ッ ト です．限られた時間の中で何とか終わらせるために，望遠鏡も三脚も事前に地学部の部員に一度作ってもらい，失敗しやすい点をチェックしたり，時間のかかる工作部分を事前に部員に作っておいてもらったりしました．それによって， 1 時間強で何とか鏡筒を完成させるところまで進めることができました．
図3 望遠鏡の作成

( 2 ) スペクトルの学習と分光器の作成次はスペクトルと分光観測の説明でした．はじめに直視分光器で様々な光のスペクトルを観察しました．光源として用いたのは，太陽光，蛍光灯，水素の放電管等です．水素の放電管と蛍光灯で輝線が異なることから，分光観測によって光源にある物質の種類がわかるということを知ってもらいます．
さらに，ドップラー効果の説明も簡単にして，光源の運動状態までわかるということも学びます．このスペクトル観察，特に水素の輝線を見ておくことが ，次のハッブル則に強く関連します ．
図4 水素放電管のスペクトルの観察
続いて回折格子のレプリカフィルムと 工 作 用 紙 を 使 った 簡 易 分 光器 を 作 成 しました．
( 3 ) 画像解析実習～ FITS 教材「ハッブル則」の利用
午 後 は ， 会 場 を PC 教 室 に 移 し ， ハ ッ
ブ ル 則 を テ ー マ とす る 画 像 解析 実 習 に 取り組みました（図 5）．
今 回 の こ の 実 習で は ， 対 象生 徒 の ほ とん ど が 文 系 で あ った こ と も あっ て ， 物 理の 知 識 を 駆 使 し て画 像 解 析 をマ ス タ ー す
る と い っ た こ と で は な く ，「 私 た ち が 報
道 等 で 接 す る 科 学の 成 果 が ，ど の よ う に
見 い だ さ れ て く るの か と い う過 程 を ， 少
図5 ハッブル則の実習
し で も 味 わ っ て もら い た い 」と い う こ とを主たるねらいとしました．
画像解析に使うソフト「 マカリィ 」は ，昨 年 末 に 必 要 数 をイ ン ス ト ール し て お き
ま し た ． 生 徒 数 分の ラ イ セ ンス を 取 得 した の で す が ， 生 徒用 PC は 再 起 動 す る と環境がもとに戻るようになっていたため ，ラ イ セ ン ス 登 録 の意 味 が な いと い う こ とに な っ て し ま い ま し た ． 結 局 教 員 用 PC
のみ，ライセンス登録をしました．
使える時間が 1 時間半程度と非常に短か く ， そ の 中 で この 実 習 す べて を 終 わ ら
せ る 必 要 が あ っ たこ と ， そ して 生 徒 の 多
数 が 文 系 で あ り 物理 を 既 習 して い る も のが 皆 無 で あ っ た こと か ら ， テキ ス ト と ワークシートは独自のものを作成しました ．
（ こ の 原 稿 の 最 後に 参 考 資 料と し て 載 せて お き ま す ．） ま た ， マ カ リ ィ の 起 動 と
図6 マカリィの画面
フ ァ イ ル の 読 み 込み ， そ し て終 了 な ど の
基本的な操作の練習だけは，ガイダンスの時に済ませておきました．
今回用意したテキストについて，オリジナルのものとの大きな違いは，波長の変化から後退速度を計算する過程を省いたことです ．ドップラー効果の説明はもちろんしましたが ，「波源の移動（後退）によって波長が変化する（長くなる ）」，「波長の変化量が大きいほど波源の移動速度が大きい」といった程度の定性的なレベルにとどめ，数式の扱いはしていません．マカリィでは H α線の波長がグラフから直接読み取れますから，その変化量をすぐにグラフにすることができます（図 6）．グラフはエクセルの機能を使わず，紙に自分でプロットすることにしました．

テキストの中に，スペクトル画像の中の H α線の位置を示しておいたこともあって，ほとんどの生徒がスムーズに実習を進めることができました．
なお，ここで読み取る H α線については，午前中のスペクトルの学習で水素の放電管の線スペクトルを見ていたため，生徒にとっては唐突でなく，水素で一番目立つ輝線として納得できたようです．
描いたグラフをもとにして，遠い銀河ほど大きな速度で後退しているということ，その解釈として「膨張する宇宙」という考えが出てきたこと，そしてその考えが他の証拠もあって現在では広く受け入れられていることなどを生徒に伝えました．
単に知識として「宇宙は膨張している」と伝えるだけよりも，このような実習を通して宇宙の膨張を知るという体験は，生徒にとってより深いレベルでの理解につながったことと思います．
( 4 ) 講義
ここまでの総まとめとして，国立天文台 天文情報センター 普及室長の縣秀彦氏から講義をしていただきました（図 7）．「宇宙とは？」をテーマに，宇宙図を使いながら説明していただきました（図 8）．途中，難解な部分もありましたが，生徒は何とか食らいついていこうとしてがんばっていました．
特に，ダークマターやダークエネルギーなどの話題で，宇宙を占める大部分が未解明であるという話は印象が強かったようです．天文学や天文学者に対するイメージもだいぶ変わったようです．

図7

宇宙についての講義
図8

宇宙図を手に講義をされる縣氏

4 まとめ
4-1 事後アンケート
最後に参加した生徒を対象にアンケートを実施しました．原稿を書いている時点で，完全な集計が済んでいないので，概略だけ記します．
プログラム個々に満足度を問いましたが，どれも 5 点満点でいうと 4 点台の得点でおおむね満足してもらえたようです．特にポイントが高かったのが， 4D2U シアター，望遠鏡や分光器の製作，縣氏によるまとめの講義，でした．
天文学や天文学者に対するイメージの変化を問うたところ，多くの生徒が，この講座に参加する前は「天文学者はいつも望遠鏡をのぞいている 」「宇宙の大部分は解明されている」といったイメージだったようですが，講座に参加した後では「天文学の研究はデータ解析が多い」とか「宇宙には未解明の部分が多い」といったように変化しています．
マカリィを使ったハッブル則の実習については，満足度のポイントは他のプログラムよりやや低めでしたが，それでも5点満点で平均4点以上ということで，限られた時間の中に詰 め込ん だ割には よかっ たのでは ないかと 思 っています ．感想の中に も「 専門 的な ことは難しくて理解できなかったけど，マカリィを使ってグラフを作り，宇宙が広がっていくことが分かって感動しました ．」といったコメントもありました．

4-2 まとめ生徒の感想を2つほど載せます．
「 宇宙というものがどのように解明されていくかが分かって面白かった．天文学に対する知識がより一層深まった．難しい話も多かったが，宇宙の中の様々なことを理解できた．また宇宙にはまだまだ分からないことがあることが神秘的に感じた．」「宇宙っていうのは星とか銀河とかあるんだよなーっていうぐらいの知識しかなかった けれ ども ， 今回 のSPPで 驚 くほ ど知 識が増 えま した ．まず ，天 文学 者．い つも 望遠
鏡ばっかのぞいていると思っていたら，実は研究中心．宇宙の広がり．太陽系，銀河の向こうには何があるのかなど ．」
他にも 同様の感想が多くありましたので， 当初の目 的であった 「 宇宙についてもっと知ってもらいたい 」「天文学の研究方法を知ってもらいたい」といったことについては，おおむね達成できたのではないかと考えています．
また，次のような感想もありました．
「ただ何となく宇宙について思っていたことが，大きく変わりました．宇宙が膨張していることや星を見ることが過去を見るなんてことは今まで一度も考えたことがなかったです．難しい内容もあって頭がついていけなくなりそうな事もあったけど，大まかなことは理解できたと思います．今回望遠鏡を作ったので，晴れた日には星の観測とかをしてみたいと思いました．今回の講義でまたいろいろな疑問が増えたので，時間がある時にでも趣味で調べてみたいです．」
このように，この講座への参加が天文を楽しむ終着点ではなく，これからも楽しんでいこうとする出発点になったという感想もあって，担当者としては嬉しく思っています．
なお，目的のひとつであった「自分でも体験してほしい」ということに関して，生徒の最大の参加理由であった天文台での観望会が雨天のために中止となってしまったことが，とても心残りです．そこで，リターンマッチとして，近くにある川口市立科学館の定例観望会に行って土星を見ることを計画中です．
参考資料
ハッブル則のテキストとワークシート