夏休み科学教室「センサーとコンピューターで測る、身近な世界」

科学への不信感

まず、夏休み科学教室への、情報科学科から出講するにあたって一つの目的は、コンピュータや情報科学を少しでも身近に感じてもらう、ということがあります。そのためにはコンピュータ上でプログラミングを体験させるような教室とあわせて、コンピュータが実世界に結びつく姿を見せる教室も必要だと考えました。そこでセンサやアクチュエータをコンピュータで制御する電子工作教室が一つの案として上がったのですが、それだけで済ませてはいけないという思いが私にはありました。というのも、ワークショップを設計した2011年には、東日本大震災と、それに続いた原発事故という、大きな事件が起きていたためです。

ワークショップの基本的な内容を決める締切は2011年の4月頃だったのですが、その頃は発電所本体はひとまず沈静化したものの、実際の自分達の生活へこの事故がどのような影響を与えるのかを具体的に恐れる段階に入っていました。放射性物質がどれほど周辺に飛来しているのかを確かめるべく、ガイガーカウンターを買い求めて計測し、その結果を Twitter 等で報告するといった動きがそこかしこで見られた時期です。実際、毎日のニュースで放射線強度の上昇が伝えられ、また一方で、杉花粉を原発由来の放射性物質と誤認してちょっとした騒動になったりするなどの混乱もありました。

一連の流れの中で実感したのは、科学に対する不信感の高まりです。特に、国の諮問委員会や研究機関主導で動く、大きな組織による科学に対しての不信は強いものがありました。その一方で、ガイガーカウンターの正しい使い方を学ぶ勉強会の開催や計測データの活用を目指した市民科学ネットワークの動きもあり†1、科学に対して我々はいかに取り組むべきか、そのことについて考える重要性があらためて問われていたように思います。

科学と計測

その頃、私は私で、漠然と「量と計測」という概念に興味を持っていて、なにか計測に関することを手がけてみたいと考えていました。そこで色々と下調べをしていて思ったのは、想像以上にそれは重要な概念であり、またその重要さ・面白さを現在の教育ではうまく伝えられていないのではないか、ということでした。

科学の発達の歴史は、すなわち計測技術の発達の歴史と換言してもよいくらい、科学と計測とには密接な関係があります。なにか未知の現象があったとき、その現象を確実に捕捉し、またそれを正確に記録するためには、まず何を測ればよいのかを探り、測った量に対して適切な単位系を定める必要がありますし、それを正確に記録する計測技術の開発が不可欠です。ひとたびそれが確立すれば、そこから次々と新たな事実が浮かび上がっていきます。例えば日々の天候の変化にどう科学的に切り込むかは、かつてはそれこそ雲をつかむような話だったのですが、気圧計が発明され、日々の気圧の変動が記録されるようになるや、それが天候と密接な関係にあることが見出されます†2。以降、気圧を精密に、かつ広範に記録・分析する事で気象の研究は進展するようになったわけです。さらには電信の発達により、遠隔地の気圧と天候の情報をかつてない速度で得られるようになると天気図の精度も向上し、大気の動きが可視化されるようになり、気象の理解がさらに進展するようになります†3。計測技術の発達が、新しい現象の発見と理解につながるのです。

このように、計測・記録技術の発達によって、それまでとりとめもなく漠然と捉えられていた「大きさ」が、計測・記録可能な「量」として次々と「発見」されていく歴史の上に現在の我々の生活は築かれています。時計によって時刻が、簿記によって経済の動きが、楽譜によって音楽が、それぞれ計測・記録され、可視化され、比較の対象となり、定量的な議論の俎上に載せられてきたわけです（参考文献: アルフレッド・W・クロスビー 『数量化革命』）。いまなおそうした取り組みは続いており、2016年現在、世間を賑わせている「ビッグデータ」の類も、こうした試みの延長線上にあると言えるでしょう。

しかしながら、学校で習う「計測」は、こうした新しい現象に斬り込む時の高揚感を伝えるのにはあまり成功していないように思えます。多くは、教科書に書かれている既知の法則の検証に留まり、測定器具や測定手法の信頼性は疑問の余地もないものとして捉えられ、理科の授業を離れればもう自分の生活とは関係のないものとして切り離されているように見受けられます。

コンピュータと計測

一方で、計測を取り巻く状況は、コンピュータとインターネットの発達によって大きく加速されました。それまで計測機器の目盛を人手で読み取って、これまた人手で記録されていたものが、コンピュータとセンサの組み合わせによって自動化されるようになりました。さらにそのデータはインターネットを通じて集積され、交換され、処理されるようになってきています。こうした流れは現在は "Internet of Things (IoT)" と呼ばれるようになり、今後ますますの加速が予測されています。

コンピュータを使って計測を楽しく行う

学校の実験で使う計測器具、例えば温度計だと、計測値が安定するまでしばらく待つ必要があり、またその値を目測して記録する手間があり、その計測の仕方は例えば日なたと日陰の比較、あるいは1分おきの計測、といったように、時間でも空間でも離散的な計測をせざるをえません。そのため、計測の最中に空き時間が生じて飽きがきてしまったり、もっといろいろな場所を測りたいと思っても時間の制約で難しくなるといったことが生じます。

そこで、電子センサとコンピュータによってリアルタイムに計測し結果を記録するデータロガーを導入することで、計測の新しい体験をしてもらうことを狙いました。ポイントは、「変化」に対する感受性が高まるところにあります。すなわち、計測頻度を上げ、また記録を自動化したために、「なにかをすることで、計測結果に即座に変化が生じる」ということに気づきやすくなる、ということです。

参加型エンタテインメントの設計では、この「なにかをしたら即座になにかが起きる」は基本中の基本です。例えば拙作「EffecTV」は、カメラの前に立つ人の動きをリアルタイムに増幅した映像を提示しますが、このリアルタイム性により利用者は、その映像の変化が誰によって引き起こされるのかを瞬時に知り、様々な動きを試したくなります。本システムはその応用と言えるでしょう。温度センサーを持って建物の外に出ると温度が上がる、建物に入れば温度が下がる、という反応を即座に受け取ることで、いろんな場所に行ってみたり、いろんなものを測ってみよう、という好奇心を引き出します。

計測が身近な生活に深く関わっていることを実感する

ワークショップの冒頭では、電子センサが我々の生活空間のいたるところで使われていることを参加者に伝えます。エアコンや自動ドア、ゲームコントローラやスマートフォンなど、据え置きのものから持ち歩くものまで、いまや色々な場所にセンサは使われており、ずっと計測をし続けていることを口頭で伝えるのですが、口で伝えただけだといまひとつピンと来ないようです。そこで、ワークショップではセンサが様々な場面で使えるものだということを身をもって体験してもらうことを狙っています。

データロガーには、パッケージ化されていない、むきだしのセンサを取り付けて使うようにしています。データロガー自体が一つの製品のようには見えず、未完成で不完全なものに見えるようにするためです。それにより、これが日常生活で目に触れる電化製品の中に入っている部品と同じなんだ、ということを実感してもらうことを狙っています。これはどこまで伝わったかはあまり自信がありません。なにせ、いまどきは小型化された製品にもセンサが入っており、今回ワークショップで使ったような無骨なものがそれらに入っているとはちょっと信じにくい、ということがあったかもしれません。

さて、ワークショップの冒頭では、練習としてデータロガーにはまず CdS セルによる照度センサを取り付けて計測してもらいます。このとき、教室の照明をすべて消して、計測値が急に下がっていく様子を観察してもらうようにしています。あたりが暗くなったらセンサが反応して値が変化する、これを一度経験させると、以降の説明はとてもやりやすくなります。周辺環境の変化にセンサが反応する様子から参加者は、例えば暗くなったら自動的に照明がつく装置や、明るくなったらスマートフォンの画面も明るくなる仕掛けなどを連想し、それらの裏側にセンサが働いているということを理解します。

さらにワークショップ本番で、次節で述べるようなセンサの様々な応用を目にすることで、生活の様々な場面でセンサが役立つだろうことを参加者は理解していきます。

科学の基礎に計測があることを学ぶ

ワークショップでは、参加者二人で班をつくって計測してもらいますが、このとき一班に一人、インストラクターをつけています。インストラクターの役割は、データロガーの使い方を教えたり、計測過程で参加者に危険がおよばないよう付き添うことにありますが、さらに追加の役割として、計測対象ができるだけばらけるよう、参加者を「けしかける」ことをお願いしています。すなわち、突拍子もないものを計測することも辞さぬよう、積極的にデータロガーで遊ばせることを狙っています。

これを指示した背景として、ワークショップを実際に開講する前の予想として、放っておけばみんなおとなしいものしか測ってくれないのではないか、という危惧があったからです。開催場所が大学で、周囲は年上の学生や教員ばかりだし、手渡される器具も見慣れないもので、壊してはいけないと恐れるばかりに、手堅いものしか測らない、という事態が起きうることが想像されたのです。

先手を打って、無茶な測定でも遠慮なくやらせるようインストラクターにけしかけさせたのが奏功したか、最終的にはこの目論見はうまくいったようです。

ワークショップでは最後に、各自がどのようなセンサでどんなものを測ってきたかを発表してもらいます。このときに、センサで様々なものが計測できるということを実感してもらうことを狙っています。実際、我々教員やインストラクターの大学生・大学院生も、意外な計測対象や、センサの想定外の使い方に驚かされることがままありました。

このように、いままで測ったことのない、新しい対象をとにもかくにもまずは測ってみて、それをグラフにしてみることで、それをベースに検討し議論を重ねることができる、ということを学んでもらえたと思っています。