身近に使われるようになったスマートフォン（スマホ）や最新のセンサー技術を使用することで、物理概念を構築するために効果的な新しい物理実験開発、新しい活用方法等を提供してきた。今回は、新しい科学秘術をつあった１例として、スマホに接続した超音波センサーを用いた実験例を紹介する。任意の動きが可能な自動制御された鉄道模型を超音波センサーで測定することにより、速度や加速度の学習に効果的に活用できる。本学習システムは、大学教育の向上だけでなく、中学や高校での物理教育にも貢献することを目的としている。
１．はじめに
. スマートフォン（スマホ）を使ったアプリケーション（アプリ）Diracmaシリーズを開発し、高校・大学での物理実験をどこででもできるようにしてきた。授業実践を行いながら、アプリの改良を繰り返し、通常授業の授業だけでなく、オンライン授業でも使いやすいものに発展させてきた。このDiracmaシリーズには、スマホの内部センサー（加速度センサー、オーディオ機能等）を使ったものや、外部センサー（超音波センサー、複数の音センサー等）をスマホに接続するものがある。下記では、最近の研究を中心に概要を紹介する。
低価格で完成品を入手することができる（図1、測定可能距離：2～400cm、分解能：0.3cm）。
GooglePlayよりダウンロードでき、上記の超音波センサーユニットとスマホをUSBで接続することで、距離、速度、加速度の時間変化を測定できる（図1中）。
超音波センサーを用いた簡単な実験の１例として、おもちゃの車（100円）の運動の測定結果を示す（図２）。斜面を転がり下りていく等加速度運動の測定例を示す（図３）。このような実験器具ならば、自宅での実験も容易となる。
Sokoloff教授（オレゴン大学）の開発された”RealTime Physics(RTP)”では、学生に超音波センサーを持たせて、提示したx-t,v-tグラフになるような動きをさせる実験があり、物理概念を効果的に獲得させている。逆に、物体の動きから、グラフを予想させることも同様に効果があると考えられる。その実験概要は、図4のように鉄道模型の動きを超音波センサーユニットで測定している。
鉄道模型の動きについては、図5のような5種類の動きに限定して、動きを答えやすいようにした。
図6は、実際の実験の概要写真である（他の動画は、モバイル物理教育ラボ7)に掲載）。オンライン授業では、電車の動きの動画を活用した。
図7は、ある動きの例（⑤停止→①前進大→⑤停止→③前進小→⑤停止）のx-t,v-tグラフを示している。運動の概念とグラフ表示とを関連させることは学生にとって難しいことであったが、これを解決するための新しいアプローチとなる。
上記の実験後の学生の一部の感想を下記に示す。
・教科書のような正確なグラフではなく実際に行い現実的なグラフのほうがイメージしやすい。
・動きによってグラフが変わるのが面白い。
・鉄道模型を使うというのが斬新で面白かった。
なお、本研究の一部はJSPS 科研費 JP19H00087、JP21K02954の助成を受けている。また、本研究は2020年度物理教育学会奨励賞を受賞している。
中学、高校の先生のための最新の電子機器を用いた物理実験講習会を開く予定です（オンラインの予定）。詳細は、大阪工業大学 教育センターの安達までご連絡ください。
論文
「スマホやセンサーを使った物理実験のオンライン授業への活用 －新しい物理概念構築法ー」(2021)『理科の教育』70(828)p.5.
「New Physics Experiments using Model Train and Smartphone Apps (Volume 1 Constant-Velocity Motion)」(2021)『Kindle e-Books』
「スマートフォンに接続した超音波センサーを用いた鉄道模型の運動の測定」(2020)『物理教育』68(4)p.234.
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