科学講座「光って、そもそもなんだろう？～光の波の性質を理論と実験で理解しよう～」を８月２３日（日）、東北大学西澤潤一記念研究センターを会場にして開催し、中学１年生５人が参加しました。

　本講座は、地域資源を教育的価値に還元する循環づくりを目指す『学都「仙台・宮城」サイエンスコミュニティ』の活動の一環で、地域資源を活用した科学講座の開発・実施を行う「科学・技術の地産地消レストラン」の試行実施（試食会）として開催しました。

　今回のテーマは光ですが、仙台は光に縁のある土地です。仙台が「光通信発祥の地」と呼ばれるのは、今回の会場名となっている西澤潤一先生が、光通信の基本３要素を世界に先駆けて開発したことで、「光通信の父」と呼ばれていることに由来します。光通信やLEDなど、私達の生活に役立つ光ですが、そもそも光とは何でしょうか。

　本講座では、「光って、そもそもなんだろう？」をテーマに、理論と実験の両面から光の持つ波の性質について理解を深める講座内容とし、最後に事例として光技術が社会でどのように役立っているかをつなげる構成としました。

　まず【理論編】では、光とは電磁波、つまり電場と磁場の振動によって伝わる波であることを説明した後、波の振幅・振動数・波長の関係と、波を数式によって表現できることを伝え、重ねあわせの原理や回折現象を、数式と物理シミュレーションで表現しました。三角関数やマクスウェル方程式、波動方程式など、中学生にとっては難しい数式も数多く出てきましたが、各方程式の解を物理シミュレーションによって表現するという直感的な理解も交えながら、光を数式で表現できることの概要を理解してもらいました。

　次に【実験編】では、単スリットによる回折実験を行いました。参加者自ら光学実験系を構築した後、単スリットによる回折で生じる暗線の位置を計測し、その計測結果から、未知の光源の波長を計算しました。今回構築する光学実験系は大学生になるまでなかなか触れる機会のない実験系です。レーザー光線をスリットにうまく導くためには、二枚のミラーを使ってレーザー光線を調整する必要があります。参加者たちは光学実験系構築段階から頭を使って試行錯誤し、光科学・技術の専門家たちからのサポートを受けながら、波長を算出することができました。さらに応用編として、暗線の位置から髪の毛の太さを計算したり、二色のレーザーを重ねるとどうなるかについて、追加実験も行いました。

　続いて【事例編】として、社会で光をどのように役立たせているか、光技術専門である株式会社リコー応用電子研究所の技術者の皆様から事例をご紹介いただきました。宮城県名取市にあるリコー応用電子研究所では、特殊な半導体レーザーを開発しています。同所技術者の三船博庸さんから、自然光とレーザー光の違いや、半導体レーザーが光る原理等について解説いただいた後、半導体レーザーが、光通信やプリンターといった身近な場所で使われていることを紹介いただきました。

　最後に、講師と参加者による懇親会を開催し、フリーディスカッションの場としました。参加者からは「光が数式と関係しているとは思わなかったのでとても驚いた」という感想が非常に多く、光を数式で表現できることを理論と実験の両面から理解してもらうという本講座の目的を達成することができたと思います。また、本講座の内容自体は大学生レベルでしたが、中学１年生の参加者全員から「とても楽しかった」というアンケート結果が得られる等、非常に満足度の高い結果を得ることができました。

　なお、本講座開催にあたり、東北大学マイクロシステム融合研究開発センター様からは会場協力、株式会社リコー応用電子研究所様には講座開発段階から議論にご協力いただき、試行実施当日も講師としてご協力をいただきました。また、日本分光学会東北支部様から光学実験系の機材借用や講座内容に対するアドバイス等のご協力を賜りました。各関係者のご理解・ご協力により、本講座の開発及び試行実施を行うことができましたこと、この場をお借りして感謝申し上げます。

　「音」は生活の中にあふれていて、人は何気なしにその音を使って情報を伝えたり、音楽として心を豊かにするために用いたりしています。しかし、その音についての勉強は、科学と音楽で切り離されて考えられるのが現状です。

　シェフの竹中は、音楽を勉強しているため音楽のみを学んでいる人と接する機会が多いのですが、合奏時に音の原理を理解していないがために、練習が進まないという機会に何度も見舞われました。また、科学が専門の人と話す時は、物理の話の際に音楽の例を出すと理解が早くなり、もっと深まるという意見をいただくことができました。この現状がとても勿体無いように感じられ、この２つの要素を使って学習の手助けはできないかと悩んでいました。

　また、シェフの藤原は、学校教育で音の性質と波の物理量との関係について学ぶ機会がありましたが、概念図や数式を示されただけだったため実感が湧かず、実際にはどういう因果関係があるのかがわかりませんでした。さらに、音の性質の一つである音色については、物理量との関係や定量化する方法について言及されることは一切ありませんでした。普段の生活の中で常に感覚しており、非常に身近な情報である音について、波とのあいだに深い関わりがあることが示唆されていながら、その関係が判然としないもどかしさを感じていました。しかし、竹中と議論を重ねるうち、音を物理の面だけでなく音楽の面からも観察することで、はじめて音の性質と波の物理量との関係について実感を伴って理解することができました。

　そこでわれわれは、音楽の要素と絡めて「音の正体」に迫る講座をつくることができないかと考え、本講座を開発するに至りました。科学・音楽双方の面から音を学ぶことはどちらの分野にとっても有益なことです。音楽の勉強をする人であれば科学的な仕組みを理解していればいい演奏の助けになりますし、科学の面からも勉強したことを音楽と関連付けて理解を助け、深める事にもつながります。また、講座のもう一つの柱としてプログラミングを据えることで、自分で音を作ることのできる実践的で体験的な講座とし、プログラミングへの興味も持つことができるような講座にしました。

＜担当シェフ＞

「科学・技術の地産地消レストラン」シェフ　青木さくら（東北大学理学部物理学科２年）

＜はじめに＞

　学都「仙台・宮城」サイエンスコミュニティでは、「科学・技術の地産地消レストラン」と銘打ち、様々な地域リソースを活用した科学講座を開発・実施することで、地域の知的資源が次世代育成に還元される循環をつくることを目指しています。この「科学・技術の地産地消レストラン」のシェフとして今回私が開発・実施した講座について報告します。

　私は、現状の教育を受けてきて、「勉強は教えてもらって受け身でやるものだ」というように思っている学生や、「問題と答えが決まっていてそれを覚えることが勉強だ」と思っている学生が多いことが気になっていました。これは、義務教育までの授業が、学生が受動的に受けるスタイルになっているのが原因だと思いました。それに対し、楽しく学べる形式で、学びたい、もっと力をつけたいというモチベーションを高めることができれば、このような問題が解決すると考えました。そこで、「学びたい」「もっと力をつけたい」「楽しく学べる」の3点に注目し、ゲーム形式でゲームを進めながら自学自習スタイルで能動的に物理学を学ぶことのできる物理クエストという講座を開発しました。

＜物理クエストについて＞

　物理クエストは、単にテストの点が取れるだけでなく、自分に科学的思考力が身についていく実感が持てるようなゲーム形式の講座です。本来、物理学を理解するには、現象のモデル化、定式化、実験系の構築や解析が必須であるにも関わらず、高校の授業では、あらかじめ用意されている実験や教科書を覚えてテストを受けるという作業になってしまっています。物理クエストは、上記必須項目が必然的に身に付けられるようなクエストというお題を解きながら、物理ワールドを冒険するというゲーム形式の講座になっています。
　物理クエストは一回4時間で行い、月1回程度開催され、何度でも参加できるものとなっています。また、ゲームを進めるうえで毎回突破しないと進めない通過点が設けられて、自然に復習ができるスタイルとなっています。前回(2月14日)に引き続きの実施ということで、今回は物理クエストI第2節というタイトルで講座を行いました。

＜実施時の様子＞

実施日時：3/30(月) 13:00-17:00
参加者：小学生2人、中学生5人、大人1人

　物理ワールドには、参加者の誰もが突破する必要のある入場クエストという門があり、前回の参加者も今回はじめての参加者も、それに挑んでいました。入場クエストは電子工作の門、プログラミングの門、物理学の門の3つがあり、1時間に1回、全部で4回行いました。
入場クエストが突破できなかった受講生は、物理ワールドで物理学を学んでいくための基礎的な知識や技術を身に付ける浪人クエストというものに取り組んでいました。浪人クエストには、入場クエストの3つの門に対応したクエストがたくさんあり、受講生は自分のレベルや目的に応じて選んで解くことができます。今回は、電子工作に取り組んでいたのが6人（小学生1人、中学生4人、大人1人）、プログラミングが1人（小学生）、物理学が1人（中学生）でした。
参加者はそれぞれ自分でやりたい課題を選び、失敗するたび練習したり講師や他の参加者に教えてもらったりしながらめげずに同じクエストに何度も挑戦する小中学生や、失敗したから無難に少し難易度を下げたクエストをやる中学生、学校ではまだ習っていない高校物理にあえて挑む中学生など、それぞれの目的や性格に応じたスタイルで参加していました。前回の物理クエストのときにはじめてはんだ付けをした中学生は、今回は複数の素子を使った回路図が必要なLED点灯回路を作成するまでに至っていました。
また、2回目の参加者である中学生が、電子工作が初めての大人に対して、きれいなはんだ付けの仕方を教えている様子が見受けられ、自分ができるようになったことを他のひとに教えてあげたいという中学生の姿勢や、年下からでも学びたいという大人の方の意欲が感じられ、学びが連鎖していく様子を見て、とても嬉しく思いました。

今回の受講生で入場クエストを突破できたのは一人だけでした。入場クエストを突破したのは今回初参加で最年少の小学4年生で、1回目の入場クエストで失敗したもののリベンジし、2回目の入場クエストで電子工作の門を突破しました。

　学都「仙台・宮城」サイエンスコミュニティでは、「科学・技術の地産地消レストラン」と銘打ち、様々な地域リソースを活用した科学講座を開発・実施することで、地域の知的資源が次世代育成に還元される循環をつくることを目指しています。この「科学・技術の地産地消レストラン」のシェフとして今回私が開発・実施した講座について報告します。

　私は、現状の教育を受けてきて、勉強は教えてもらって受け身でやるものだというように思っている学生や、問題と答えが決まっていてそれを覚えることが勉強だと思っている学生が多いことが気になっていました。そこで、楽しく学べる形式で、学びたい、もっと力をつけたいというモチベーションを高めることができれば、このような問題が解決すると思い、ゲーム形式の講座でゲームを進めながら自学自習スタイルで能動的に物理学を学ぶことのできる物理クエストという講座を開発しました。

　物理クエストは、単にテストの点が取れるだけでなく、自分に科学的思考力が身についていく実感が持てるようなゲーム形式の講座です。本来、物理学を理解するには、現象のモデル化、定式化、実験系の構築や解析が必須ですが、高校の授業では、あらかじめ用意されている実験や教科書を覚えてテストを受けるだけになっています。物理クエストでは、クエストというお題を解きながら物理ワールドを冒険するというスタイルで、上記必須項目をゲーム感覚で身につけられるようになっています。

　物理クエストは一回4時間で行い、月1回程度開催され、何度でも参加できるものとなっています。また、ゲームを進めるうえで毎回突破しないと進めない通過点を設け、復習を助長するスタイルとなっています。物理クエストの第一弾として今回は物理クエストIというタイトルで行いました。

実施日時：2/14(土) 13:00-17:00
参加者：小学生3人、中学生4人
※募集概要はこちら

　入場クエストという物理ワールドへの入り口の門があり、今回の受講生はまずそれを突破するのに挑んでいました。入場クエストは電子工作の門、プログラミングの門、物理学の門の3つがあり、1時間に1回、全部で4回ほど行いました。
　受講生は主に、入場クエストが解けるように知識や技術をつける浪人クエストというものに取り組んでいました。電子工作に取り組んでいたのが4人（小学生2人、中学生2人）、プログラミングが1人（小学生）、物理学が2人（中学生2人）でした。

科学・技術地産地消レストランの新メニューを試行的に実施

　学都「仙台・宮城」サイエンスコミュニティでは、「「科学・技術の地産地消レストラン」」と銘打ち、様々な地域リソースを活用した科学講座を開発・実施することで、地域の知的資源が次世代育成に還元される循環をつくることを目指しています。私高橋はレストランのシェフとして、コンピュータ・グラフィックスをテーマにメニュー(講座)を開発し、この度試食会(試行実施)を行いました。今回は2015年2月11日の9:00から17:00日程で宮城県仙台第二高等学校のLL室を会場に、本講座を実施しました。小学生3名、高校生8名、大学生1名、大人3名の計15名が参加しました。
※募集概要はこちら

シェフ高橋が考える本講座の教育的価値

　コンピュータ・グラフィックスは我々の暮らすこの世界を再現することをモチベーションに発展してきた技術です。そもそもコンピュータ内で世界を再現するには次の三つの要素が必要となります。一つ目の要素は、我々の暮らすこの世界に存在する要素ひとつひとつに対して、視覚的にどのような情報を持ったものなのかを認識。そして二つ目の要素は、それをコンピュータ内で扱うためにはどのようにモデル化する必要があるかという理解。三つ目の要素として、コンピュータ内で実現するための具体的な実装方法。
私高橋はこの三要素を学ぶなかで、我々の暮らすこの世界を再認識できるという価値を見出しました。そして、この価値をたくさんの人に提供したく、本講座を開発実施させて頂きました。

講座の流れ

　コンピュータ・グラフィックスは、プログラムで制御します。そのため、講座の最初でプログラミングの基礎のパートとして、コンピュータ・グラフィックスを習得するうえで必要なプログラミングの基礎を学習しました(写真2)。受講生はプログラミングについて十分理解することができたので、コンピュータ・グラフィックスを申し分なく扱えていました。
　続くコンピュータ・グラフィックスのパートでは、コンピュータ内の仮想世界にひとつひとつ要素を加える過程で、コンピュータ・グラフィックスの基本的な要素を学習しました。具体的には、描画するための構造、様々な図形、カメラ、アニメーション等について学習していきました。『このようにモデル化して、実現しているのか！』と感心している受講生の様子も見受けられ、自分の講座の意図が伝わり良かった面もありました。
そして、最終的な課題として『本日学習した要素をもちいて、自分の思い浮かべる未来都市を作成してみよう』に取り組んでもらいました(写真7,8,9)。また、自分のつくったせかいに対して、どのような意図でどのように実現したのかを発表してもらいました(写真9)。各々ひとつひとつの要素を確認しながら、自分のせかいが創造できたようでした。

■科学・技術の地産地消レストランの新メニューを試行的に実施

　学都「仙台・宮城」サイエンスコミュニティでは、「科学・技術の地産地消レストラン」と銘打ち、様々な地域リソースを活用した科学講座を開発・実施することで、地域の知的資源が次世代育成に還元される循環をつくることを目指しています。
　この科学・技術の地産地消レストランのオープニングイベント第２弾として、研修中のシェフ（サイエンスコミュニケーター）たちが開発した新メニュー（科学講座プログラム）の試食会（試行的実施）を、３月２９日と３０日の２日間連続講座として実施し、中高生９人（内訳：中学生３人、高校生６人／男５人、女４人）が参加しました。

■今回のテーマは「自由落下運動」

　今年度シェフたちが開発した科学講座は、自由落下運動をテーマとした「ゼロから学ぶ物理実験講座～重力加速度を測定しよう～」です。身近な物理現象の一つとして自由落下運動は物理学の学習の初めに扱いますが、測定するのがそれほど容易でないこともあり、意外にも実際にその測定を行うことはなかなかありません。しかし、この運動への理解は物理学の発展の歴史において重要であり、物理学を学ぶ上で大切な要素を多く含んでいます。
　そこで本講座では、実際にさまざまな工夫をしながら自由落下運動の実験系を自ら構築して実験を行い、自由落下運動の理論的な記述と比較して考察を行うことで、実験と理論の両面から自由落下運動という物理現象をとらえていきます。その過程を通じて、物理現象をとらえることの難しさと上手くいった時の喜びを実感しながら、物理学を習得していくスタイルを身に着けましょう。
　自由落下運動を、実験と理論の両面から理解するために必要な要素は、次の3つです。ここに挙げた要素は自由落下運動だけに限らず、今後取り上げる様々な運動でも不可欠ですので、きちんと習得しましょう。
(1) 測定を行うための実験装置の設計と作成
(2) 計測データを処理する方法の習得
(3) 理論的取り扱いに不可欠な物理学と数学の理解

■要素技術を学んだ後、自分で実験系を構築して物理量を測定

　1日目は、「基礎編： 実験系構築に必要な要素技術を身につけよう！」と題して、翌日の実験系構築に必要な要素技術を、ハードとソフトの両面で受講生に習得してもらいました。今回の実験系では、鉄球が落下する運動を非接触で計測する光センサーを、LEDと受光器を用いて作成するため、１日目ははんだ付けの練習からスタートし、LED点灯回路や光センサーの距離特性測定回路を作成しました。次に、実験系制御と取得データの解析を行うために必要な、プログラミング言語（JavaScript）や二次元グラフの描画方法（jqPlot）、マイコンによる実験系の制御方法（Arduino）を習得しました。
　続いて2日目は「実践編： 自分で実験系を構築して、物理量を測定しよう！」と題して、前日に取得した要素技術を駆使して、実験系を構築しました。まず、自由落下運動を計測する光センサーの距離特性や電磁石の特性を考慮した筐体設計の必要性を学んだ後、筐体を作成し、実際に自由落下運動の測定を行いました。そして、物体の運動を記述するための手法である物理学の理論を習得した後、取得したデータと照らし合わせながら、実験結果の解析を行いました。その結果から重力加速度を算出し、その誤差について検証を行いました。受講者たちは活発に議論を行い、誤差の発生メカニズムや実験精度について学びました。

　学都「仙台・宮城」サイエンスコミュニティでは、「科学・技術の地産地消のレストラン」と銘打ち、地域の様々なリソース（資源）を活用した科学講座を開発・実施することで、地域に眠る知的資源が次世代育成に還元される循環をつくることを目指しています。このレストランでは、物理オリンピックへの挑戦も視野に入れています。

　本レストランのオープニングイベント第１弾として、「物理オリンピックを体験しよう！」（プレチャレンジ in 仙台）を３月２２日、東北大学片平さくらホール（仙台市青葉区）で、物理オリンピック日本委員会（北原和夫理事長）と連携して開催し、中高生ら９人が参加しました。

　本イベントでは、仙台で本田光太郎博士（東北帝国大学）が約100年前、当時世界最強の磁石「KS磁石鋼」を発明したことにちなみ、全国物理コンテスト（物理チャレンジ）で過去に出題された実験問題のうち、磁石を題材にした物理実験が取り上げられました（物理チャレンジ2006年の実験課題）。

　実験では、ネオジム磁石球と二つの鋼球を直線レール上に並べ、そこに別の鋼球をネオジム磁石球めがけて衝突させると、ネオジム磁石球に衝突した瞬間、反対側の鋼球が予想もできないほどの猛スピードではじき飛ばされる現象を観察。この「ガウスの加速器」と呼ばれる衝突実験の仕組みを解明しょうと、参加者たちは、実験装置の組み立てから測定・解析まで、試行錯誤しながら実験に挑戦しました。近藤泰洋先生（物理チャレンジ担当理事）を始めとする物理オリンピック日本委員会の先生方や、助手の大学生たちからレクチャーを受けながら、力とエネルギーの関係や、運動量とエネルギーが保存されることを、参加者たちは実験を通じて実感していたようです。

　また、物理オリンピックを紹介する講演会も行われました。物理オリンピック日本委員会・理事長の北原和夫先生は、物理オリンピックの意義や、求められる能力について紹介し、物事を筋道を立てて考える物理の意義と魅力を語りました。次に、国際物理オリンピックで宮城県で初めて金メダルを受賞した（2011年）佐藤遼太郎さん（秀光中等教育学校卒）が、物理オリンピックの体験談を紹介。全国・世界の物理好きとの交流が一番の魅力であり、「第２チャレンジで面白い体験ができる。ぜひ第１チャレンジを突破して」と、参加者を激励しました。続いて、物理オリンピック日本委員会・副理事長の長谷川修司先生による「第1チャレンジ」の説明がありました。長谷川先生は、第１チャレンジ突破のコツは、実験レポートにあると話し、良い実験レポートの書き方を、具体例も交えながら、詳しく説明しました。

　参加した中高生たちは、「物理も実験も好きですが、学校ではなかなか実験できる機会が少ないため、今回、自分で色々確かめることができたのが新鮮で、あっという間の楽しい時間でした」「学校の授業では、３０分くらいしか実験ができず、実験装置も一人で専有できませんが、今回は約５時間、自分だけの実験装置を使って、自分の納得が行くまで自由に実験して確かめることができたので、とても楽しかったです」「今回、物理オリンピックの先生方から直に解説いただいた上に、実験後に正解をもらった後も、自分で確かめることができたので、次回の物理チャレンジ挑戦にむけて大変参考になりました」などと感想を話していました。

　イベント終了後の交流会では、「科学と社会」意見交換・交流会（ゲスト：物理オリンピック日本委員会）と併催で、中高生たちは、講師である物理オリンピック日本委員会や、参加した研究・教育関係者たちとの交流を深めていました（交流会のレポートは、こちらの報告ページをご覧ください）。