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授業連携
群馬県・群馬県立高崎工業高等学校
ＳＰＰの連携講座として生徒の興味関心の高い航空関係の分野を取り上げることで、好奇心を喚起しながら科学的な思考・判断能力の充実を図ることを目的とする。
超音速機について、空気力学の基礎を学び、衝撃波やソニックブームのメカニズムなどを知る。また、衝撃波を打ち消す工夫をした模型の設計、製作を行い、さらに、製作した模型を使った浅底水槽での衝撃波の観察やコンピュータ解析を行うなかで、試行錯誤しながら超音速機の特性を学び、超音速機の開発や最先端研究の成果を知るとともに超音速機の開発の難しさも理解させたい。
高校１～３年生 ２０名
平成２２年７月２７日～平成２２年８月２３日
回 |
実施日 |
時間 |
形式 |
人数 |
授業内容 |
|---|---|---|---|---|---|
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1
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330分
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見学
講義 見学 演習 講義 |
20名
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JAXA調布航空宇宙センターの概要
・展示室 ・YS-11コックピット ・１ｍ×１ｍ超音速風洞 (説明：超音速機チーム 村上計画管理チーフマネージャ) ・飛行シミュレータ (説明：飛行技術研究センター 舩引セクションリーダ) 「超音速機の空気力学の基礎」 (講師：超音速機チーム 吉田 憲司チーム長) 研究現場を知ろう (講師：超音速機チーム 渡辺セクションリーダ、上野研究員) 体験 ・ソニックブームを体感する ・JAXAの超音速機の研究成果を知る (講師：超音速機チーム 牧野セクションリーダ、中研究員) 超音速複葉翼の設計とコンピュータ解析及び水槽実験 (講師：超音速機チーム 渡辺セクションリーダ、上野研究員) 支援：伊藤 和哉 |
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2
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90分
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講義
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150名
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１回目の講義をもとに課題を実施する
・各チームに別れ、衝撃波を打ち消す複葉翼を設計する ・設計した模型を製作する |
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3
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270分
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演習
発表 |
20名
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２回目で制作した設計・模型をもとに実習（解析・実験）
・水槽実験 ・ＣＦＤ解析 実習のまとめ 実習結果の発表と講評 (講師：超音速機チーム 渡辺 安セクションリーダ上野 篤史研究員) 支援：伊藤 和哉 |
＜今回の授業の指導目標＞
実際に航空・宇宙開発事業が行われている航空宇宙技術研究センターを訪れることにより、生徒の科学的な興味関心を喚起する。展示室の超音速実験機やYS-11、風洞実験装置などを間近で見ることができ、航空宇宙開発の研究現場を身近に感じることができると期待される。また、現在の超音速機開発に関する基礎的な知識を身につけ、設計実習を行うための基礎的な空気力学と超音速機の翼設計について学ぶ。
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 (90分) |
JAXAの活動を理解するため調布航空宇宙センターの展示室、ＹＳ－１１コックピット、１ｍ×１ｍ超音速風洞を見学する。 分室へ移動し、飛行シミュレーションを体験する。 |
△ 展示されている小型超音速実験機や超音速風洞などについて見学し説明を受けた。 分室では飛行シミュレータを体験した。 必要に応じて、メモを取ったり、カメラ付き携帯電話等で写真を撮った。 ◎参考資料用写真を撮る。 |
見学・体験に伴い、安全に注意する。 |
展開 (180分) |
講義「超音速機の空気力学の基礎」 航空プログラムグループの吉田憲司チーム長より超音速機についての基本的な講義をしていただき、超音速機の歴史やソニックブームなど超音速での現象、超音速空力や抵抗の低減などについて学ぶ。 研究室を見学し、研究室の雰囲気や研究者の仕事する様子などを知る。 体験 ・ソニックブームシミュレータを体験する ・ＪＡＸＡの超音速機の研究成果を知る |
△レジュメをもとに講義を聴き、必要に応じてメモを取る。 △研究室やそこで仕事をしている人たちの様子を見学し、研究現場の雰囲気を体感する。 △数人ずつ、ソニックブームシミュレータ体験を行う。順番を待つ間に、超音速関連の展示物を見学する。 |
仕事をしている人の邪魔にならないように配慮しつつ、生徒から疑問があれば質問などもさせてもらう |
まとめ (60分) |
次回までの課題について 「超音速複葉翼の設計とコンピュータ解析及び水槽実験」と題して、超音速複葉翼の可能性、チャートを利用しての設計実習のやり方、設計結果を使ったコンピュータ解析と浅底水槽による実験についての説明を受ける。 |
△レジュメ、チャートをもとに講義を聴き、必要に応じてメモを取る。学習した内容をもとに設計練習を行い知識の定着を行う。 ◎学校での課題がうまくいくよう、生徒とともに講義メモを取り、必要に応じて、質問をした。 |
＜今回の授業の指導目標＞
１回目の講義・説明で学んだことをもとに、実際に複葉翼の設計と模型製作を行う。
条件に合う模型設計を目指し、試行錯誤を繰り返しながら、各班、３年生を中心に、生徒が協力して計算や模型製作作業を行うことを目的とする。理論的に考えられることがベターであるが、チャートを使って試行錯誤することで、最終的に設計を完成させられるよう積極的に取り組ませ、思考判断力を向上させたい。
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) |
・実習を行うための班分けをする |
△２０名を４班５人ずつに分け、班編制を行う。 ◎学年、学科に偏りがなく、班分けができるよう助言する。 |
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展開 (140分) （100分） |
・衝撃波を打ち消す超音速機の複葉翼の模型を２つ設計する。 コンピュータ解析用、（比熱比１．４での設計）と、浅底水槽で使う模型用（比熱比２．０での設計）をマッハ数、翼の頂角などを班ごとに変えて、設計する。 ・設計した模型を製作する。 厚さ１０mmのアクリル板を切断、研磨する |
△チャートを使い、協力して、２つの設計を行う。 設計条件と設計結果（全長を１とした作図）を記入した設計図を作成する。さらに、浅底水槽で使用するために作成する模型の実際の大きさを決める。 ◎班毎に、異なる条件で設計できるよう助言する。 △ 設計図に基づき模型の製作を行う。 ◎アクリル板の切断・研磨については安全に配慮し、ある程度手伝う。 |
生徒が自ら考えて、工夫、協力ができるように注意する。 設計結果を見せ合い、自分の班の設計の確からしさも考察させる。 アクリル板の切断・研磨については、危険のないよう十分に配慮しながら、できる部分は生徒に行わせるようにする。 |
まとめ (20分) |
次回の講座に向けて ・設計図と作成した模型の確認 ・諸連絡 |
△ 設計図と模型を班毎にまとめ、提出する。 |
＜今回の授業の指導目標＞
前回、設計・製作した模型を使って、ＣＦＤ解析と浅底水槽実験での水流に対する抵抗についての観測をする。設計がうまくできたかを視覚的に確認する。また、実習を通して、翼の間隔や速さ（水流）を変えると抵抗がどのように変化するか，なぜそうなるのかなどを考え、科学的に考える力を向上させることをねらいとする。また、グループでのディスカッションや発表を通して、協力しながら問題を解決する能力を磨かせたい。
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) |
日程確認 実習の班の確認 |
△班毎にＣＦＤ解析と水槽実験の実習を交代して行うので、それぞれの班の日程を確認し、模型や設計図を持って移動の準備を行う。 |
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展開 (200分) |
衝撃波を打ち消す複葉翼の模型の設計をもとに実習をする。 ・ 設計したデータを入力し、ＣＦＤ解析を行う。 ・製作した模型を使い、浅底水槽で衝撃波の観測を行う。 実習のまとめとして、配布された用紙に、実験・実習の結果や考察を書き入れる。 |
△ ＣＦＤ解析で、衝撃波がうまく打ち消される場合、翼の間を空気がうまく流れず詰まってしまう場合などのデータを入れ、解析結果を確かめる。 △作成した模型で、衝撃班が消える様子を観察する。翼の間隔や水流の速さを変えて、どのような変化が起きるかも確認する。 ◎生徒の実習の様子や水槽実験での結果を、事後学習の資料用として写真を撮影する。 △条件の設定、模型の形状、ＣＦＤ解析の結果の添付、水槽実験での水流の観察図や実験でわかったことなどを書き入れ、班毎のまとめを行う。各個人の感想も書く。 |
全ての生徒が、実習に積極的に参加できるよう、配慮する。 |
まとめ (60分) |
「実習のまとめと感想」を発表する。（各班１０分） 講師による講評とまとめを聞く。 |
△ 実習のまとめをした用紙を教材提示装置で提示しながら、班毎に結果と感想を発表する。 ◎事後の学習に活かせるよう、講評についてメモを取る。 |
役割分担をして、全員が少しずつ発表するようにさせる。 |
群馬県・群馬県立高崎工業高等学校
