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群馬県・群馬県立館林商工高等学校
テーマ『ロケットの設計ミッション (自分たちのロケットを設計しよう)』

<全授業を通した指導目標>

生徒に興味関心が高い宇宙分野のロケット開発技術を、SPP授業で学ぶことを通して、目的のための問題解決思考や科学的に考えることの楽しさを体感させたい。さらに、宇宙をとりまく題材は、ただ単に生徒の興味関心が高いだけでなく、理科(物理、化学、生物、地学)すべての分野につながるものであると考える。つまり、SPP授業で宇宙における科学技術の一端を知る経験をきっかけにして、科学分野全体への興味関心の向上や科学的思考能力の充実につながることをねらいとする。

<対象>

高校1年生12名、3年生6名 合計18名

<期間>

平成18年12月23日~平成19年2月18日
回数(総時間):3回(15時間50分)

<区分>

SPP(サイエンス・パートナーシップ・プロジェクト)
SPP(サイエンス・パートナーシップ・プロジェクト)

構成表

実施日
時間
形式
人数
授業内容
1
290分
見学
9名
筑波宇宙センター 見学(90分)
講義
「ロケットの設計」(90分)
講師:野田 篤司
(JAXAシステムズエンジニアリング推進室 ミッションデザイン支援グループ 主幹開発員)
授業
ディスカッション(ロケット設計のテーマ決め)(110分)
支援:浅野 眞・森 理恵
2
320分
講義
見学

授業
17名
「自分たちのロケット設計しよう」(110分)
はやぶさプロジェクト関連の見学(80分)
(はやぶさ模型・イオンエンジン)
ロケット設計のグループディスカッション(130分)
講師・解説・支援:清水 幸夫
(JAXA宇宙科学研究本部
技術開発部 試験技術開発グループ 主任開発員)
TA:細田 聡史
(JAXA宇宙科学研究本部 宇宙輸送工学研究系 研究員)
TA:斉藤 健史
(東京大学大学院 工学系研究科 航空宇宙工学専攻)
TA:碓井 美由紀
(東京大学大学院 工学系研究科 航空宇宙工学専攻)
支援:浅野 眞・岸 詔子
3
200分
授業

発表
11名
グループごとのロケット設計のプレゼンテーション準備
(115分)
「研究報告発表会」(85分)
支援・講評:清水 幸夫
(JAXA宇宙科学研究本部 技術開発部
試験技術開発グループ 主任開発員)
支援:浅野 眞・岸 詔子

第1回目/全3回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>
 初回において、生徒に科学的興味を強く喚起するために、実際に宇宙開発事業が行われている「筑波宇宙センター」に足を運ぶことによって、その臨場感を体感してもらう。自分の目でその場所を見学することは、映像や知識だけではまかなえないものがあり、生徒にとっては宇宙開発の現場を身近に感じることのできる効果が期待される。また、現在の宇宙開発に関する基礎的な知識を得る。
 講義ではロケットの設計に関する基本的な考え方を具体的な計算をもとにしながら話していただき、宇宙開発の魅力や難しさについて知ることを目標とする。

時間配分
学習内容
◎教師の活動
△生徒の活動
              
指導上の留意事項
             
(20分)
・紹介ビデオを視聴し、筑波宇宙センターの概要を学んだ。
△必要に応じてメモをとるなどした。
(240分)
・施設見学ツアーに参加し、展示室や宇宙ステーション試験棟、無重量環境試験棟、宇宙飛行士養成棟などを見学した。



・その後、自由見学時間を設け、見学レジュメや写真などをとり、レポートを完成させた。


・講義では、野田篤司さんによる「ロケットの設計」と題した講義を受講し、技術が新しい設計を生むのではなく、新しい設計が新しい技術を生むなどの考え方、また、様々な面からの設計の評価方法などを知ることにより、良い設計が1つだけではないということを学んだ。
△必要に応じてメモをとり、レポート・報告書作成に備えた。

◎欠席した生徒のためにビデオを撮影するなどし、学校での補習の教材を作った。

△自由見学時間に、展示室に移動し、レジュメを穴埋めしながら自由に見学を行った。その際、それぞれに写真を撮らせ、プリントアウトし貼り付けることで、視覚的にも学習効果の高いレジュメ作りを行った。

◎レジュメの穴埋めを生徒と一緒に行うことにより、細かい内容などを展示物をともに見ることでヒントを出しながらサポートした。

△質問や考えながら講義をきき、新しいロケットの設計について議論しあった。
・知識羅列になってしまわないよう、それぞれが考えながら見学できるように、生徒の発見を大切にするよう留意した。
(30分)
・質疑応答
△今回の3回コースの趣旨などを踏まえ、それぞれの学年や能力に合わせた、目標設定の具体的なものについて話し合った。
・講義では、1年生には難しい内容も含まれていたが、各論の詳細の理解より、設計を通して、考えることに大切さや面白さを理解してもらえるよう留意した。

授業の感想・メモ

  •  見学時には、生徒も何度も模型を眺めたり、国際宇宙ステーションの運用棟では、実際に宇宙に行く機材を目の当たりにし、多くのものを感じてくれていた。モデルや実物を見ることにより、宇宙開発の背景などを知ることができていた。
     講義では、難しい場面もあったが、知識の羅列ではなく、考え方の面白さなどを実際に計算しながら行ってくださったため、特に3年生に関しては大きな収穫であったと思われる。1年生に対しては理解が難しいところもあったようであるが、各論の理解が目的ではなく、考え方の面白さを知る今までに受けたことのないような授業であり、よく生徒も理解しようと努力していた。

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第2回目/全3回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>
 宇宙科学研究本部の研究拠点である相模原キャンパスに実際に行くことで、ロケットや衛星の推進システムの試験現場を身近に感じてもらう。また、講義でロケットの定義、ロケットの推進システムの分類やそれぞれの特徴などを知り、自分たちのロケット設計の材料とする。また、小惑星「イトカワ」を探査している小惑星探査機「はやぶさ」の模型を見ながら、衛星の分類やその目的などを知り、ロケット設計の目的部分の参考とする。
 グループ分けして、それぞれのグループでミッションの目的と、そのためのロケットの設計をしてもらう。TAの方に支援してもらいながら、それぞれのグループでディスカッションしながら、設計を完成させる。

時間配分
学習内容
◎教師の活動
△生徒の活動
                
指導上の留意事項
              
導入
(10分)
・宇宙科学研究本部に行き、宇宙開発の研究拠点であることを実感する。

・今日の日程と講義内容の紹介。
△必要に応じてメモを取るなどした。
・今回の最後のディスカッションで自分の意見を述べることができるようヒントを講義や見学の中から探すように、今回の学習の趣旨を徹底させるように留意した。
展開
(290分)
・講師の清水さんより、ロケットの定義、様々なロケットの燃料、ロケットの推進システムの紹介など、様々な燃料やシステムの紹介を実際の研究経験を交えながら講義していただき、自らのロケットを設計する上でのヒントを得た。(110分)




・宇宙科学研究本部の見学をさせていただいた。実際の研究現場や小惑星イトカワの探査機であるハヤブサの実物大モデルを見学、解説していただいた。(80分)



・18人の生徒を3つのグループに分け、それぞれのグループで大学院生のTAの方のリードで自分たちのミッションの目標を決め、そのためのロケットの設計についてディスカッションし、考えをまとめた。(100分)
△講義内容をメモしながら、様々なロケットの種類や特性について考えながら講義を聞く。講師の方からの質問に対して自分なりの考えを述べる。

◎講義内容が少し難しい部分などは、質問を入れたり、生徒に投げかけたりしながら講義を進めていただいた。

◎机間支援しながら、メモの取り方などをアドバイスした。

△携帯電話のカメラを使って写真を撮り、見学の記録とした。最先端のイオンエンジンの研究室を見学させていただき、講師の方や大学院生の方に質問しながら、見学を行った。

◎共に見学し、見学時の記録をとった。

△グループに分かれてディスカッションを行った。TAの方のリードのもと、グループによっては最初にブレインストーミングを行い、それぞれの考えを大切にしながらグループとしての考えをまとめていく作業を行った。

◎グループによっては、生徒が自主的に動けないようなところには支援を行った。
・講義が受身にならないように、メモを取らせ、机間支援しながらどのようなポイントがあるのかをアドバイスした。

・講義の内容で難しいと思われる部分では、教員から質問をしたり、生徒に考えを述べるように促したりして、理解を深めるように留意した。

・見学時には教員も共に見学し、生徒と共に感じることに重点を置いた。生徒に質問したりして、分からない部分を生徒から講師の方に質問させるなど、問題意識を持って取り組むように留意した。

・ディスカッションではグループ学習になることで、自分の考えを述べない生徒が出ないよう、生徒一人ひとりが積極的に参加できるよう発言を促すことに重点を置いた。どんな意見でも、必ず一度は皆で考え、否定をしないようにして、自分の考えを言葉で表現することの大切さや楽しさを味わえるように配慮した。
まとめ
(20分)
・それぞれのグループでの考えをまとめ、次回のプレゼンテーションの準備をする。
△グループごとの考えをまとめ、さらに時間内に分からなかったことの課題を分担し、次回の発表時に持ち寄ることを確認した。
・グループとしてのまとまった意見を確認できるよう配慮した。

授業の感想・メモ

  •  講義の内容も、様々なロケットについて紹介していただき、生徒がディスカッションするときの大きなヒントとなった。実際に研究を行っている現場を見学させていただき、学生の方や研究者の方に直接解説していただく機会を設けていただき、80分の見学時間もあっという間に感じられたようである。ディスカッションも大学院生の方にTAとしてグループごとに付いていただいたこともあり、細やかな指導を行っていただき、ディスカッションの時間が短く感じられたほどであった。学校の一斉授業ではディスカッションを行うことが難しく、経験も少ない生徒をTAの方や講師の方がリードしてくださり、帰りのバスでも生徒が口々に面白かったと話すほどであった。

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第3回目/全3回『授業記録シート』

<今回の授業の指導目標>
 前回までの講義や見学を経て、自分たちのグループで考えたロケットの設計についての発表を行う。ディスカッションの内容について、各班で考えをまとめ、足りないデータなどをインターネットや資料などで補足しながら、プレゼンテーションを行うための資料作りを行う。この過程より、他の人に自分達の考えを紹介するプレゼンテーション能力を養う。手段としては、紙芝居のような形にし、それぞれが分担してプレゼン内容を一斉に準備することができるようにした。各班で、イラストなどを工夫するなどその形やレジュメ作りから、生徒主体で行うことを目標とする。  

時間配分
学習内容
◎教師の活動
△生徒の活動
               
指導上の留意事項
          
導入
(10分)
・前回のディスカッショを支援してくださった、JAXA宇宙研究科学本部の清水講師に来校していただき、今回の発表会に対してのアドバイスをいただく。
△今回の発表会の日程の確認を行い、グループでの資料を確認する。
展開
(150分)
・前回の相模原でのディスカッションを支援してくださった清水講師から、今までの経緯を含めた支援をしていただき、グループごとの内容の完成度を上げる。

・生徒が互いに宿題にした調査結果を持ち寄る。


・イラストや見易さを考えながら、生徒が主体的にプレゼンテーション資料を作り、レジュメもすべて生徒が作成し、各グループで発表の分担を行い、発表の準備を行う。



・各グループ質疑応答を含めて15分の発表を行い、他のグループから、講師の方、教員から質疑応答を受ける。
△前回までのディスカッション内容をお互いに確認し、宿題となっていた部分を持ち寄る。さらに、疑問な部分をインターネットやJAXAよりお借りした資料を使って調べ、内容を詰める。

◎机間支援しながら、グループごとの考えがまとまるように促す。

△グループごとで資料作りの分担を行い、その部分についてのレジュメ作りを進める。発表資料作成にはイラストを使ったり、文字を見易くするなどの工夫を盛り込む。

◎レジュメ作りに行き詰る生徒などに対して支援を行う。

△各グループでの発表を行い、質疑応答を行う。

◎発表の中で、足りない部分などを補足できるような質問を行い、生徒からの質問を促す。
・前回までの内容を確認し、グループとして一つの意見をまとめることを大切にするよう留意した。
 
・資料作りなどで一人ひとりがちゃんと分担できているのか、自分の分担でないところもお互いに助け合い、グループとしての意見をお互いが熟知できているように留意した。

・グループとしての発表にいたるまでのディスカッションの経緯も、質問することでお互いに話し合うことができるよう留意した。
まとめ
(40分)
・清水講師からディスカッションの経緯を含めた講評をいただく。また、3回のコースを通して、生徒を支援してくださったJAXA宇宙教育センターの講師の方々より、最終的な講評をいただく。
△発表時に話しきれなかったディスカッションの経緯も大切にしていいということを学び、お互いの意見を聞くことの大切さや、発表の効果的方法についてアドバイスをいただいたことをもとに考える。
・自分なりの意見を持つことや、グループで協力して一つの意見をまとめ、他の人に理解してもらうための発表を行うことの大切さを理解してもらう。

授業の感想・メモ

  •  前回のディスカッションの内容から宿題を持ち寄り、さらに今回内容を発展させたグループもあり、生徒は前向きに取り組みを見せてくれた。発表の際には様々なディスカッションの経緯があったにもかかわらず、結局現実の壁に倒れ、変わり映えのしない内容になる傾向があり、そのディスカッションの過程を発表していいことをもう少し支援してあげることができたらよかったと反省した。全体的には発表資料もレジュメ作りもほとんど生徒が主体的に行い、自分達で進めることができ、グループごとでの協力体制もできていたことが大変評価できる点となった。もう少し、発表資料作成における支援を行うことができれば、今までの考えたディスカッション内容を各グループで共有することができたかもしれないと反省した。


     ≪グループ発表の内容≫
     1班「目的:火星に行くロケットを開発しよう」
     (1年生:6名)
    議論の過程
     ○最近、火星探査などの話題があったが、地球に近い惑星である火星に探査機を送り、グループの
      一員であるクルーで遊んだりすることを目標にした。
     ○火星でのミッションの目的・・・遊ぶ
     ○議論の中でのロケット設計・・・ISSから火星、火星からISSまでのことを考える。

    ロケット設計の流れ
     ISS
     ↓大気のほとんど無い状態なので、イオンエンジン(1円玉を動かす程度の力)をつかって、移動
     ↓
     火星の軌道
     ↓
     #火星の軌道に乗るためにブレーキをかけなければいけない(通り過ぎてしまう)
     ⇒自分の方向を転換することで逆噴射
     #本船を火星に着地させようと思うと、火星には重力があるのでブレーキのための燃料が必要
     ⇒探査船を切り離し、着地させる。着地させる際のエネルギーは火星に重力があることを逆に
      利用して、バルーンを(ベクトランという生地)使って、落とし、バウンドさせる。
     ↓
     火星に滞在《1年間》理由はつめていない。
     ↓
     #本船に戻るためのエネルギーが必要なのでこれは、火星にある物質を燃料として使う。
     ⇒火星にはドライアイスがあるということなので、ドライアイスを採取して、火星は
      太陽エネルギーが届く範囲にあるので、1年間の間に太陽の光エネルギーをため、
      (電気エネルギーの形で貯める)レーザー光線を使って、ドライアイスを温め、火星から
      脱出し、本船へ帰還。
     ↓
     #本船からは、またイオンエンジンを使って、ISSへ帰還。
     ↓
     ISS


     2班「目的:できるだけ低コストでISSへ荷物を運ぶロケット」
     (3年生:5名)
    議論の過程
     ○筑波宇宙センターで野田さんの講義を聞いて、ロケット設計でのコスト計算などの考え方について
      聞いた。
     ○様々なアイディアでロケットを飛ばす方法を模索し、アイディアを出したが、野田さんに難しい
      理由を説明してもらう。
      例)磁石の力を使ってリニアモーターのように空を飛ぶ
     ○様々な燃料を教えていただいたりしたので、どのような燃料がもっとも低コストなのかなどを
      模索することに。
     ○ミッションの目的・・・とにかく低コストでISSへ
     ○議論の中でのロケット設計・・・地球からISSへ、とにかく低コストということから、無人の
      ロケットを設計。現行のHTVを超えるものを作りたい。

    ロケット設計の流れ
     地球
     #ペイロード20tと考えた。現行のHTVでは15t前後ということで、今回は帰還させる部分のための
      帰還のための燃料を考えて、20tのペイロードとした。
     ↓
     #大気の抵抗があるので、大きなエネルギーが必要SRB固体ロケットブースターをたくさん
      使って、(10本)一気に飛ばす。大きなロケットブースターだと大きさが大きくなるので、
      回収することが難しい。低コストを考えて、SRBは再回収するので、小さなものをたくさん
      つけて飛ばすことにした。
     #また、100KmまでSRBをつかって上空まで打ち上げできると、その後は液体燃料を使って、
      再回収したときに燃料を詰め替えることができるようにと、大気がほとんど無ければ、
      微調整のできる液体燃料のほうが良いということで、1段目のロケット、2段目のロケットは
      液体燃料にした。
     ↓
     #1段目のロケットは今回、回収が難しいということで、切り離し、2段目のロケットは
      回収型にしてある。
      2段目のロケットに関しては荷物をISSにおいて、もう一度地球に帰還させる。
     ↓
     ISSへ
     低コストということで、燃料の計算やペイロードのことを考えたがプレゼンテーションに
     ちゃんと明示することができなかった。

    今回のポイントとしては
     ○低コストという面で再回収にこだわり、SRBの使い終わった殻と2段目のロケット
      (液体ロケット)を帰りの分まで燃料を積んで地球に帰還させること。
     ○SRB1つの大きさを小さくしてクラスターのように使うことで、再回収しやすい
      ように工夫した。
     ○今までHTVでは、すべて使い捨てだったところをエコと、低コストの面から
      再回収できるように設計をした。


     3班「目的:スペースデブリや壊れた人工衛星を直すロボットを打ち上げるロケット」
     (1年生:6名)
    議論の過程
     ○ブレインストーミングを行い、皆の意見をさまざまだしていった。
     ○今、宇宙ではスペースデブリや壊れた人工衛星などが多くあることを知る。
     ○このような人工衛星を直すための機動部隊があってもいいのでは?
     ○その場所に行くことを考えたが、人が行くと危なかったりするので、ロボットに
      代わりを務めさせることができるのか。
     ○パワースーツ(ガンダムをイメージ)を着た人間が行くといいのではないか?
      ↓
      しかし、そのための重量や運ぶためのエネルギーを計算したところ、その
      パワースーツの重さを運ぶための燃料がスーツ自体よりも大きくなってしまうこと
      が難関となった。
      ↓ 
      断念
      ↓
     ○仕方なく、人型のロボットを使って修理を行うことを目的とした。今ある
      人型ロボットはアシモが思い浮かぶので、アシモを宇宙に送って、修理を
      行うことを目的とした。

    ロケット設計の流れ
     地球
     ↓
      #ロケットでアシモを宇宙へ打ち上げ、ISSで燃料を補給したりする。
       ⇒ホンダに問い合わせを行い、アシモの重量、身長、Gに対する耐久などを調べた。
        (1G以上の負荷をかけたことが無いので不明という回答)
     ↓
      #ISSから観測し、デブリや壊れた人工衛星を修理する。
     ↓
     ISSに待機


     講評
     ●せっかくパワースーツで人形なのは人が操縦するときに自分と同じ形で操縦するのは
      感覚的にとてもやりやすいというメリットがある。しかし、燃料のことで断念して
      しまったことは残念。(浅野さん)
     ●人が入らないのであれば、人型のロボットである必要が無いのではないか?
      アシモを使うメリットは?(3年生徒より)
     ●しかし、遠隔操作でいまや医者が別の場所で手術をおこなうことが可能な現在、
      アシモを使って、遠隔操作で自分の形と同じ形で作業ができることで解消しては
      どうか?(3年生徒より)

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