高校物理簡明なプログラムによる便利な高機能運動解析システム山口県立宇部中央高等学校末　谷　健　志目　的開発したソフトウェア教材「運動リアルタイムアナライザー」は、中学校または高校における授業や科学クラブ等で使用し、次の 2 点を目的とする。 1．目の前で起こる物体の運動をリアルタイムに解析し、軌跡やグラフを表示することで、生徒に運動の特徴を理解させる。 2．教材を形作るプログラム（Ｃ＋＋言語）を簡明にすることで、生徒が自由に改変したり、他に応用できるようにする。写真 1　教材の構成と使用風景太陽光や蛍光灯下などの明るい場所で使用する。表 1　開発した教材＊ 2．シンプルかつイージー使う際には、PC と Web カメラをつなぎ、「運動リアルタイムアナライザー」を立ち上げるだけである。表示されるカメラの映像上で、解析対象の物体をクリックすると、後は自動的にその物体を解析し始める。記録タイマーなど、従来の実験装置と比べると、手軽で簡単に扱える。 3．幅広い応用が可能本教材の最大のポイントは、カメラに映し出された物体の位置を精度よく求める機能である。モーションキャプチャと呼ばれるこの技術を API（Application Program Interface）などのパッケージされた命令群をできるだけ用いず、シンプルな理論とプログラムで実現した。これにより、多少の知識を持った生徒ならば、プログラムを他に応用できる。近年、モーションキャプチャを利用した研究や製品が大学や企業から次々と発表されているが、この教材を利用して、生徒でも高度な研究作品を実現できるようになる。実際に、この教材や内包する理論を利用して、新しいロボットや PC インターフェースなど、オリジナリティあふれる数多くの中高生の研究が誕生した。また、これらは、全国規模の生徒の科学コンクールで何度も優勝するなど、高い評価を受けた。教材名「運動リアルタイムアナライザー」形態ソフトウェア Ⅱ．「運動リアルタイムアナライザー」の原理必須機器 Web カメラ、PC（Windows） PC 必須条件 Core2Duo クラス以上の CPU 開発環境 VisualStudio2008（Ｃ＋＋言語）ソフトウェア内部で行われる処理を図 1 に示す。最初に解析対象を選択する以外は、処理は全て自動で行われる。カメラから次々に送られてくる各瞬間の元画像（静止画像）から、指定した物体のみを抜き出す。抜き出した画素群の座標値から、物体の位置、速度、加速度などを算出して表示する。この一連の作業を 1 秒間に何十回も繰り返し行うことで、物体の運動をリアルタイムに解析して表示する。この中で、最も重要かつ困難な仕事が、画像から物体のみを抜き出す作業である。本教材では、色フィルタとノイズフィルタがこの作業を行っている。また、これらのフィルタを構成するプログラムは、基礎的な数学知識で理解できるように工夫されている。概　要 Ⅰ．「運動リアルタイムアナライザー」の特徴 1．任意物体の運動をリアルタイムに解析する Web カメラの前で動く、ボールなどの任意物体を背景と分けて認識し、その位置、速度、加速度などを瞬時に計算して、数値やグラフ、軌跡をリアルタイムに示すことができる。これにより、平面運動や衝突運動など、これまで難しかった測定も可能になった。＊すえたに　たけし　山口県立宇部中央高等学校　教諭　〒 755-0039　山口県宇部市東梶返４-10-30 ☎（0836）21-7266　E-mail [email protected] 1 ⑵　軌跡モード（2 次元）解析対象とした物体の軌跡を 2 次元で表示する。連続ストロボ写真モードに比べると、高い精度で軌跡を得ることができる。図 1　「運動リアルタイムアナライザー」の原理元画像の各画素に対して各フィルタを適用する。教材・教具の製作方法 1．「運動リアルタイムアナライザー」の全体画面表示される Web カメラの映像上で、解析対象とする物体をクリックして選択する。後は、ソフトウェアが自動で解析し、結果を表示する。図 4　軌跡モード（2 次元）投げられたボールが、カメラの左端に置かれた壁にぶつかり、跳ね返っている様子。　⑶　軌跡モード（3 次元）カメラの視線に対して垂直な同一平面上で物体が運動するものとして、軌跡やアニメーションを 3 次元で表示する。画面上でマウスをドラッグして動かすと、観察する視点を変えることができ、軌跡などを様々な方向から眺めることができる。図 2　「運動リアルタイムアナライザー」色の特徴で物体と背景を分離するため、物体の色は目立つ蛍光色などが望ましい。 2．各種表示モード「運動リアルタイムアナライザー」は、解析結果を様々に表現する 5 つの表示モードを実装している。 ⑴　連続ストロボ写真モード動く物体のみを連続的に背景に上書きして、教科書でもおなじみの連続ストロボ写真を得る。図 3　連続ストロボ写真モード図の時間間隔は 28ms（1 秒間に 31 ショット）で、間隔値は変更可能である。 2 図 5　軌跡モード（3 次元）取得した物体の平面座標を元にして 3 次元表示している。 ⑷　グラフモード物体の位置や速度、加速度の時間変化をグラフに表示する。表示したい物理量やその成分などは、リストから選択する（図 6）。 ⑸　AR モード物体の軌跡やグラフ、または運動のアニメーションをカメラに映ったマーカー上に表示する。現実空間に情報を上書きする技術、AR（Augmented Reality；拡張現実）を応用したモードである。手に持ったマーカーの傾きや方向に合わせて、アニメーションや軌跡の視点を変えることができる（写真 2）。この AR モードは、加藤博一先生（奈良先端科学技術大学院大学）が開発された ARToolKit ライブラリを利用している。図 6　グラフモードグラフは上から順に、鉛直軸の座標、速度の鉛直軸成分、速度の水平軸成分を表す。図 7　授業の展開例色で示した場面で教材を用いる。筆者の場合、結果をすぐに印刷して生徒に配布する。図 7 で示した PISA 型学力の各プロセスと理科授業の関係は、奈良女子大学附属中等教育学校で筆者らが取り組んだ教育研究をベースにしている。これは、理科教育、特に素養としての科学的思考力を論じる上で有用だと思われるが、本文の主旨から外れるため、ここでは割愛する。 Ⅱ．科学クラブにおける実践写真 2　AR モードカメラに映ったマーカー上に、軌跡やグラフ、運動のアニメーションなどの情報を表示する。学習指導方法 Ⅰ．授業における実践「運動リアルタイムアナライザー」のように、手軽に結果を得られる教材は、その便利さが、逆に生徒の思考チャンスを奪いかねない。いくら実験をしたところで、科学的思考力を削いでしまった授業は、もはやレシピを追うだけのアクティビティでしかなく、「楽しかった」という生徒の感想は「楽（らく）だった」と同義になりかねない。これは、教材を使う側が常に注意すべき問題であろう。他の教材と同様に、「運動リアルタイムアナライザー」も、発問の工夫次第でいくらでも科学的思考力を伴う授業展開が可能である。筆者の経験上、結果から理論を考察させたり、仮説を立案させたりする展開、つまり、図 7 に示すような PISA 型学力における科学的思考力過程のプロセス 2 またはプロセス 3 を促す授業展開において、本教材は力を発揮する。例えば、床との衝突をテーマに、プロセス 2 の展開であれば、教材で得た図 4 などの軌跡を示し、「水平方向の間隔が一定」「最高点が徐々に下がる」などに気づかせ、その理由をニュートン力学で考察させる授業展開になる。これまで、特殊な環境や装置が必要であったモーションキャプチャを、本教材は平易なプログラムとシンプルな機器構成で実現した。これが、生徒が教材を他に応用できるようにした大きなポイントである。科学クラブ（奈良女子大学附属中等教育学校サイエンス研究会）において、生徒に本教材やプログラムを示し、段階を追ってモーションキャプチャを実現させ、徐々に他へ応用させていく学習を展開した。つまり、本教材の実現を中間的なゴールに設定して、生徒の基礎技術を確立させながら指導した。プログラムは科学計算では一般的なＣ＋＋言語で書かれているが、生徒のほとんどは全くの素人であった。しかし、数年間の指導で、筆者も驚くほどの成長を見せ、生徒が互いに議論し、オリジナルな研究を次々と実現させていった。図 8　教材の開発画面（VisualStudio2008）科学計算では一般的なＣ＋＋言語で記述している。 3 実践効果その他補遺事項 Ⅰ．授業実践における生徒の反応 Ⅰ．誤差について・物体の動きに合わせて、画面上で軌跡がぐりぐり動いたり、グラフが描かれるのがおもしろい。・ボールを斜めに投げると、水平方向と鉛直方向の運動が全然違う。2 つの軸に分けて力学を考える理由がよく分かった。・みているだけでもおもしろいが、なぜそのような運動をするのかを考えるのも楽しい。きちんとした理由があって、物体が動いていることがよく分かる。教材を用いて、自由落下や振り子を利用した重力加速度の測定実験を行い、教材の精度を検証した。グラフ 1 が示すとおり、振り子などゆっくりとした運動に対しては、高い解析精度を実現しているが、落下など比較的変化が激しい運動に対しては、まだ不十分である。本教材の解析精度は、カメラの解像度や PC の処理能力などに依存する。今後は、並列処理の導入などにより、さらなる解析精度の向上を図っていきたい。本教材は、力学分野の授業で頻繁に使用することができる。その度「この結果から何が分かるか」「結果を予測しよう」「その理由は」といった発問で授業が展開される。知的に楽しみながら、生徒と教師が授業をつくる雰囲気を感じることができた。その様子は、上のような生徒の反応からも読み取ることができよう。グラフ 1　重力加速度の測定値真値（9.8m/s2）を 0％としたときの実験値のずれ。 Ⅱ．公開について本教材は学会等で公開し、無償で配布する。 Ⅲ．今後の展開写真 3　実験の様子教材で得る軌跡やグラフから生徒の科学的思考を促す。 Ⅱ．科学クラブにおける成果生徒の自由な発想に基づく数々の研究作品は、全国的な生徒の科学コンクールで高く評価された。写真 4　生徒の研究作品新しい PC インターフェースやソフトウェア、ロボットなどの研究作品が誕生した。 4 開発したソフトウェア教材「運動リアルタイムアナライザー」は、従来の記録タイマーなどと比べると、使い勝手の良さや運動の種類を選ばない自由度の高さなどを有する。今後は、解析精度をさらに高めると同時に、インターフェースの改良を行う。特に、 AR （拡張現実）モードは、直感的な理解や操作を可能にするばかりか、「運動を共有する」という新しい可能性をもった強力なツールになり得ると考えている。図 9 に示す「運動解析共有システム（iMass）」の試作品を近く公開する予定である。図 9　運動解析共有システム（iMass）本教材と AR の組み合わせが実現する「運動を共有する」システム。 Ⅳ．謝辞本教材の開発に当たり、前任校である奈良女子大学附属中等教育学校の教職員や関係者の方々に大変お世話になりました。特に、スーパーサイエンスハイスクールの指定に伴って設立された同校のサイエンス研究会においては、多くの知的な刺激を得ると同時に、研究会顧問であった筆者の教育実践の場となりました。協力してくれた生徒諸君に深く感謝いたします。また、本教材をまとめるに当たって、山口県立宇部中央高等学校の教職員の方々や生徒の皆さん、山口県高等学校教育研究会理化部会の先生方、さらには奈良物理サークルの先生方より、様々なアドバイスを頂きました。ご支援いただいた多くの方々に感謝いたします。 5