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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実践報告

SPP 講座「宇宙の探求～天文学者を体験しよう」
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

1.2. 蕨高校について
筆者の勤務校である蕨高校は、埼玉県の南「SPP」は「サイエンス・パートナーシップ・部、人口密度日本一の蕨市にあります。住宅プログラム」の略称で、大学や研究機関等と街のまっただ中で、2 等星がやっと見えると中学校や高等学校との間で行われる科学技術いった明るい空で、星を見るにはきびしい環や理科・数学に関係する連携事業です。

境にあります。

筆者の勤務校では、前年まで化学で SPP が学校自体は、「文武両道の進学校」をスロ実施されていましたが、今年度は天文で実施

ーガンに掲げ、生徒の学習意欲は高く、部活することになりました。

動にも熱心に取り組んでいます。理科に関すこれまでの経験から、生徒たちの星や宇宙るカリキュラムは、表 1 のとおりです。

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尐なさや、実際に星表1

蕨高校の理科カリキュラムを見る実体験の不足などを実感しています。

1年

理科総合 A、化学Ⅰ

また、天文学者というのはいつも望遠鏡で星2年

物理Ⅰ/生物Ⅰ/地学Ⅰから 1を見ているというイメージを、生徒に限らず一般の人も持っているように感じています。
実際の研究においては、物理学を手段として用いているわけですが、そのようなことはほとんど知られていないでしょう。地学を学科目を選択
3 年理系

Ⅱから 1 科目を選択
3 年文系の過程を学ぶことなく、得られた知識のみを化学Ⅰ/生物Ⅰ/地学Ⅰから 1
科目を選択可（理科の科目をんでいる生徒は、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

化学Ⅱは全員、物理Ⅱ/生物選択しないことも可）※地学は文系のみ選択可

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1.3. プログラムのおおまかな流れる物理学が、実際にどのように研究の場で使この講座全体のプログラムの最後は、宇宙われているのかを知る機会は、ほとんどあり図（http://stw.mext.go.jp）を用いて私たちません。の宇宙の過去・現在・将来といった宇宙論のそこで、次の 3 つのことをねらいとして、この講座を企画しました。

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1

宇宙についてもっと知ってもらいたいて、この企画全体を通したすべてのプログラ

2

天文学の研究方法を知ってもらいたい

ムが最終的にその最後の講義へ結びついてい

3

自分でも体験してほしいくように、その内容と構成を工夫しました（図1）。

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プログラムの概略は次のとおりです。

4D2U シアターで宇宙の階層構造や(1) ガイダンス（2007 年 12 月 12 日、大規模構造などについてイメージを蕨高校）つかむ。

・天体画像のスライドショー：

・天体観望：

どんな天体があるか知る。天体の美し公開望遠鏡で天体を実際に見る。対象さを味わう。天体のスケールの違いを知天体として、惑星、星団、銀河というより、おおまかな階層構造について知る。

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。

(2) 講座第 1 日（2007 年 12 月 22 日、国立天文台三鷹キャンパス）(3) 講座第 2 日（2008 年 1 月 7 日、蕨・講義：高校）

天文台、天文学者の仕事等についての・望遠鏡と分光器の作製：講義を聴く。

望遠鏡の原理を学び実際に望遠鏡を・施設見学：作製する。スペクトルを観察、簡易分光

図1

プログラムの流れ
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器を作製し、分光観測について学ぶ。
・ハッブルの法則の実習：

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、銀河のスペクトル画像からハッブル

男子より女子の方が多くなりました（表 2）。の法則を導く実習をおこない、宇宙膨張

また、理系 9 名に対して文系が 13 名となりについて学ぶ。

ました（表 3：アンケート用紙へ未記入の場

・講義：合があったので、数字の合計が人数の合計と最後にまとめとして宇宙 の始まりや現状についての講義を聴く。

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 4）。物理の 5 名はすべて 1 年生で、このような構成をとることにより、膨張宇来年度選択予定ということになります。した

宙までを単に天下り的な知識として学ぶのでがって、前項に書いたように、現在物理を学はなく、その知識が得られた研究のプロセス

ん で い る生 徒に つ いて は 応募 が ゼロ でし たまでを含めて学ぶことができます。

（物理を教えている筆者としてはとてもショFITS 画像・FITS 教材は、プログラム第 2ックでした）。

日のハッブルの法則の実習の中で利用しました。
2. 参加者について
2.1. 募集方法について募集定員は 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

表2

参加者の内訳（人）

学年

男子

女子

計

1 年生

８７１５

2 年生

０１０１０

計

８

１７２５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

表3

文系／理系（人）を重視したことと、物理・地学選択者には天文系

理系

文への興味関心が高い生徒が多いのではない

１３９

表4

選択科目（人）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物理生物

地学しました。その後、第 2 期として残りの枠を５

１５１

一般生徒から募集することにしました。

※履修予定の場合を含む

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 人の申し込み参加しなかった理由は、調査をしていないもありませんでした。まったく予想外のことのではっきりしませんが、何人かの生徒とのでした。

雑談で出てきたのは、部活動との関係で参加

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。

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

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る傾向が文系の生徒よりもむしろ尐なく、よです。学習システムの問題なのか、実体験のり現実的なのかも知れません。

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

2.3. 参加者への事前アンケートからだけなのか、そのあたりは追求していません

この講座に参加した理由や、宇宙や天文学にが、問題があることは確かでしょう。

対してどのようなイメージをもっているのかといったことについて、項目選択方式の事前アンケートで調査してみました。
(1)

参加した理由上位 3 つと下位 3 つは表 5 のとおりです。
天文台へ行って大きい望遠鏡で星を見ることが強い動機になっています。
表5

この講座に参加した理由

表6

見たことがある天体（現象）Top 3 （カッコ内は回答数）
1 流れ星、流星群(17)2 オリオン座(16)
3 夏の大三角、冬の大三角(10)Bottom 3

Top 3 （カッコ内は回答数）

3 土星の環、日食、織女・牽牛星(3)1 大きい望遠鏡で星を見たい(18)2 彗星(2)2 天文台へ行ってみたい(17)1 自分の誕生日の星座(0)3 星や宇宙に興味がある(16)※「日食」は部分日食で、皆既日食は 0

Bottom 3
3 星占いに興味がある(2)2 宇宙に関するアニメや小説が好き(1)1 将来天文に関する職業につきたい(0)(2)

自分の目で見たことのある天体ついでに、どのような天体（天文現象）を

3. 実施内容
3.1. ガイダンス（07 年 12 月 12 日、蕨高校）
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。公開

見たことがあるのか（ないのか）を知りたく天文台ネットワーク（PAONET、http://て質問項目に入れておきました（表 6）。

www.nao.ac.jp/paonet/）のデータベースにあトップの流星 、流星群につ いては、 2001る画像を有効活用させていただきました。

年のしし群を見た生徒が多いようです。なお、

スライドの構成は、身近な天体である月か

回答数には本校の地学部員の回答を含んでいらスタートして、惑星・彗星などの太陽系内ますので、それを除くと下位の項目の中で、天体、続いて散開星団や星雲、球状星団、そ「土星の環、日食、織女・牽牛星、M31」はして銀河、銀河団という順に配列しました。

すべて 1 人だけとなります。また、「彗星(2)」

そうすることにより、天体のスケールが段階とありますが、これは地学部員 2 名がホーム的に大きくなっていき、宇宙の階層構造に触ズ彗星を見ただけで、それ以外で彗星を見たれられるようにしました（ただし、階層構造生徒はいません。に本格的に触れるのは、天文台での 4D2U シ

気になるのは、「夏の大三角を見ている」

アターになります）。また、画像はなるべくのに「織女・牽牛星を見ていない」という回美しいものを選び、その魅力を十分に味わえ答が前者を見ている 10 人中 6 人もいることるようにも配慮しました。
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図2

国立天文台三鷹キャンパスの見学（正門前にて）

3.2. 第 1 日 (07 年 12 月 22 日、国立天文台)

(2)

講義

この日は、午後 1 時に武蔵境駅に集合、バ

ここでは、天文台の紹介ビデオを見せていスで天文台に移動しました（図 2）。輪講室

ただくとともに、天文情報センター普及室長

で挨拶が済んだ後、すぐに施設見学になりまの縣秀彦氏から天文学者の仕事や天文学の研した。

究内容などについて講義をしていただきまし(1)

た。熱の入った縣氏の講義に対して、生徒か天文台施設見学

はじめに 4D2U シアターで立体画像によるらは、宇宙人はいるか、ワープは可能か、な宇宙の映像を楽しみました。引率の教員を含どといった質問も飛び出し、とても活気のあめて私以外はこの映像を見るのが初めてで、る時間になりました。

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(3) 天体観望会て、太陽系、星団、銀河、銀河団と、スケー

この日の最大の楽しみが、50cm 公開望遠

ルが上がっていく映像で、宇宙の階層構造を鏡による天体観望でした。さらに 8cm 望遠鏡十分に体感してもらえたと思います。また、と 140mm 双眼鏡も用意していただき、火星月の誕生や渦巻き銀河の誕生などのムービーや M103（散開星団）、M31 などを観察するにも圧倒されました。

予定でした。

一般公開の前の特別上映ということで、シ惑星、星団、銀河と、4D2U シアターで見アターのスタッフの皆さまにもお世話になりた映像の実物を実際に見てほしいと思っていました。この場をお借りしてお礼いたします。

ましたが、とても残念なことに、雤天によりありがとうございました。

中止となってしまいました。

その後は、すぐ近くにある天文台歴史館の見学でした。半分に分かれてドームに入り、

3.3. 第 2 日 (08 年 1 月 7 日、蕨高校)

そこにいたスタッフの方に丁寧に説明してい第 2 日は、会場を蕨高校に移し、朝 9 時かただきました。生徒も引率教員も大きな望遠ら夕方 4 時まで、一日のプログラムでした。

鏡や観測機器などに見入っていました。

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。

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望遠鏡・分光器の原理と作製

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スペクトルの学習と分光器の作製

凸レンズのはたらきを学んだ後に、手作り

次はスペクトルと分光観測の説明でした。

望遠鏡を作製しました（図 3、4）。コルキッ

はじめに直視分光器で様々な光のスペクトルトの 6cm 屈折＋木製大型三脚のセットです。

を観察しました（図 5）。光源として用いたのキットの手作り望遠鏡とはいっても、6cm もは、太陽光、蛍光灯、水素の放電管等です。

あるとなかなかの迫力です。工作を限られた水素の放電管と蛍光灯で輝線が異なることか時間の中で何とか終わらせるために、望遠鏡ら、分光観測によって光源にある物質の種類も三脚も事前に地学部の部員に一度試作してがわかるということを知ってもらいます。さもらい、失敗しやすい点をチェックしたり、らに、ドップラー効果の説明も簡単にして、時間のかかる工作部分を事前に部員に作って光源の運動状態までわかるということも学びおいてもらったりしました（時間がかかりそます。このスペクトル観察、特に水素の輝線うだったのは三脚のヘッドの部分で、この工を見ておくことが、次のハッブルの法則に強作については全員分を地学部員に事前に作っく関連します。てもらいました）。それによって、1 時間強で続いて回折格子のレプリカフィルムと工作何とか鏡筒を完成させるところまで進めるこ

用紙を使った簡易分光器を作製しました。先とができました。三脚は時間がなくて工作でほどの望遠鏡とあわせて、分光観測の原理をきませんでしたので、持ち帰りとなってしま知ることになります。

いました。

図3

レンズのはたらきについての実習

図4

望遠鏡の作製

図5

分光器によるスペクトルの観察

図6

画像解析実習の様子

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画像解析実習画像とともにテキストや教員ガイドもダウ～FITS 教材「ハッブルの法則」の利用ンロードしましたが、実習に使える時間が 1

午後は、会場を PC 教室に移し、ハッブル時間半程度と非常に短かったこと、そして生の法則をテーマとする画像解析実習に取り組徒の多数が文系であり物理を既習しているもみました（図 6）。のが皆無であったことから、テキストとワー

今回のこの実習では、対象生徒のほとんどクシートは独自のものを作成しました。また、が文系であったこともあって、物理の知識をマカリィの起動とファイルの読み込み、そし駆使して画像解析をマスターするといったこて終了などの基本的な操作の練習だけは、事とではなく、「 私たちが報道等で接する科学の前ガイダンスの時に済ませておきました。

成果が、どのように見いだされてくるのかと今回用意したテキストが、オリジナルのもいう過程を、尐しでも味わってもらいたい」のと大きく違う点は、波長の変化から後退速ということを主たるねらいとしました。

度を計算する過程を省いたことです。ドップ

画像解析に使うソフト「マカリィ」は、昨ラー効果の原理についてはもちろん説明しま年末に必要数をインストールしておきました。 したが、「波源の移動（後退）によって波長が生徒数分のライセンスを取得したのですが、変化する（長くなる）」、「波長の変化量が大き生徒用 PC は再起動すると環境がもとに戻る

いほど波源の移動速度が大きい」といった程ようになっていたため、ライセンス登録の意

度の定性的なレベルにとどめ、数式の扱いは味がないということになってしまいました。

していません。マカリィでは Hα線の波長が結局教員用 PC のみ、ライセンス登録をしまグラフから直接読み取れますから、その変化した。

量をすぐにグラフにすることができます。グFITS 画 像 を 利 用 す る 天 文 教 材 は 、PAONET 内の PAOFITS ワーキンググルー

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（図 7）。

プ（http://paofits.dc.nao.ac.jp/）の活動によって、HR 図やハッブルの法則など何種類か
開 発 さ れて いま す 。こ こ には 、 解析 対象 のFITS 画像の他に、生徒用のテキストや指導する教員のためのガイドなどが用意されています。
今回は、こちらの教材の中からハッブルの法則の教材を利用させていただきました。銀河のスペクトル画像のセットは、短時間で行える 5 個の画像セットと、じっくり探求的活

図7

グラフの描画作業動としても取り組める 17 個の画像セットがありますが、今回の実習では前者を使用しています。この 5 個のデータセットは、ハッブ

テキストの中に、スペクトル画像の中の Hルの法則のグラフを描くと比較的きれいな比α線の位置を示しておいたこともあって、ほ例関係が得られるように銀河が選択されておとんどの生徒がスムーズに実習を進めることり、初心者が短時間で実習をするのに、とてができました。

も適しています。
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なお、ここで読み取る Hα線については、

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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

図9

宇宙図を手に講義される縣氏と思います。
ダークマターやダークエネルギーなどの話(4)

講義

題で、宇宙を占める大部分が未解明であるとここまでの総まとめとして、国立天文台 天いう話は印象が強かったようです。天文学や文情報センター 普及室長の縣秀彦氏から講天文学者に対するイメージもだいぶ変わった義をして いた だきま した（ 図 8）。「宇宙とようです。

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 9）。途中、宇宙図の4. まとめ見方（「今見える宇宙はしずく形の表面」であ4.1. 事後アンケートるといったこと）や観測の具体的な方法など最後に参加した生徒を対象にアンケートをについて難解な部分もありましたが、生徒は実施しました。原稿を書いている時点で、完何とか食らいついていこうとしてがんばって全な集計が済んでいないので、概略だけ記しいました。

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、この講座に図8

宇宙についての講義の様子

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
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解析が多い」とか「宇宙には未解明の部分がったのは、天候の事情により天文台の公開望多い」といったように変化しています。

遠鏡で天体観察ができなかったことです。こマカリィを使ったハッブルの法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 点満点れについては、何とかもう一度機会を作りたいと思っています。
次の文は別の生徒の感想です。

で平均 4 点以上ということで、限られた時間「ただ何となく宇宙について思っていたことの中に詰め込んだ割にはよかったのではないが、大きく変わりました。宇宙が膨張していかと思っています。感想の中にも「専門的なることや星を見ることが過去を見るなんてこことは難しくて理解できなかったけど、マカとは今まで一度も考えたことがなかったです。

リィを使ってグラフを作り、宇宙が広がって難しい内容もあって頭がついていけなくなりいくことが分かって感動しました。」といったそうな事もあったけど、大まかなことは理解コメントもありました。

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4.2. 生徒の感想より生徒の感想を、原文のまま 2 つほど載せます。

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。」「宇宙というものがどのように解明されていこのように、この講座への参加が天文を楽くかが分かって面白かった。天文学に対するしむ終着点ではなく、これからも楽しんでい知識がより一層深まった。難しい話も多かっこうとする出発点になったという感想も複数たが、宇宙の中の様々なことを理解できた。

ありました。これは、まさに望んでいたことまた宇宙にはまだまだ分からないことがあるで、今回の講座をきっかけに、さらに興味・ことが神秘的に感じた。」

関心を深めてくれたら、担当者としてはとて「宇宙っていうのは星とか銀河とかあるんだも嬉しいことです。

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※ この原稿は、FITS 画像教育利用ワークシした。まず、天文学者。いつも望遠鏡ばっか

ョップ(2007 年 12 月 23～24 日、国立天のぞいていると思っていたら、実は研究中心。

文 台 三鷹 キ ャン パ ス)の集 録 原稿 に若 干

宇宙の広がり。太陽系、銀河の向こうには何の修正を加えたものです。

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。
もうひとつのねらいであった「自分でも体験してほしい」についても、望遠鏡や分光器の作製、画像解析実習など、充実したプログラムを組むことができました。ただ、残念だ
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