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授業実践記録(理科)

ビー玉モデルを活用した電気単元の授業実践

栃木県佐野市中学校 教諭

1.背景

全国学力・学習状況調査小中学校報告書によると,エネルギーまたは物理領域,とくに電気単元の正答率が低い。

電気単元の理解が難しいことの原因の1つに,「見えない」ということがある。そこで,可視化した教材を提示することによって,概念形成の助けになるのではないかと考え,電流回路を可視化した「ビー玉モデル」を作製し,それを導入した授業を行った。

2.目的

(1)電流回路を可視化した,より分かりやすいモデルを提案すること。

(2)新しいモデルを活用することにより,電気単元の理解度を向上させること。

3.方法

(1)電気単元のアンケート調査を行う。

(2)電流回路を可視化した「ビー玉モデル」を作製する。

(3)「ビー玉モデル」を導入した授業を実践し,モデルの有効性を検証する。

4.「ビー玉モデル」の作製

図1.ビー玉モデルの構想図
図1.ビー玉モデルの構想図

写真1.ビー玉モデル
写真1.ビー玉モデル

抵抗・電流・電圧・電池の概念学習教材として「ビー玉モデル」を作製した。水流モデルや粒子モデルはこれまでに多く報告されているが,その多くは電流学習用教材であったり,大がかりであったりする。

今回は,簡便かつ抵抗・電流・電圧・電池のすべての概念をイメージできることを考慮して作製した。材料は,100円ショップやホームセンターで手に入るような身近な素材である。

ビー玉を持ち上げるための装置として,バンダイ社製のスペースワープという玩具の一部を利用した。この玩具は単2電池で動くが,スピードが制御できないため,理科室にあるような電源装置または手回し発電機をつなげた。

斜面の部分には,抵抗をイメージさせるために,配線レールの溝に,三角柱のひごを短く切ったものを貼り付けた。導線を意味する平らな部分には,段差はない。

ビー玉が一つ放たれると,連鎖的に押し出されるようになって,最後の一つが戻ってくる仕組みである。このことは,自由電子をイメージさせるのに活用できる。

5.授業実践・検証

中学2年生の電気単元の導入として,2コマ(100分)の授業を行った。

通常の授業では,抵抗や電圧はあとで実施するが,今回は初めに実施した。事前事後調査を行い,抵抗・電流・電圧・電池の概念について学習前後での比較,知識理解の定着度について検証した。

調査結果から,乾電池の+極と-極から電気が流れ,豆電球で衝突して光っているという,いわゆる「衝突説」が2番目に多い,ということが分かった。しかし,生徒が誤解しやすい図であったため,問題を修正して再度授業前と後に質問した。その結果,正答者数が2名増えただけで,衝突説は依然としてクラスの約半数を占めており,誤概念の変容は難しかった。電気のように目に見えない現象では,このような誤概念をもちやすく,具体物を示せないために,指導が難しいと感じる教師が多いのではないだろうか。

表1.電圧概念の変化(値は人数)
表1.電圧概念の変化(値は人数)

つぎに,電気概念の変化について述べる。 表1の上段は,電圧について知っていることを質問した結果を示し,下段はイメージについての結果である。この表から,授業前には,よく分からなかったり,無回答が多かったりしたが,授業後には無回答はなくなり,電圧は高さであるというイメージをもっている生徒がクラスの約半数に増えたことが分かった。

図にはないが,電流や電気抵抗,乾電池の概念についてもイメージができる生徒が格段に増えた。しかし,その内容について見ると,乾電池では電池の形そのものの図であったり,実験で使用した用具そのものを描いていたりしたので,理解しているとはいえない。

6.成果と課題

アンケート調査の結果から,児童生徒の多くが電気単元を難しいと感じ,教師も生徒に理解させるのが難しいと感じていることが分かった。

その対策として,ビー玉モデルを開発し,提案した。その結果,電圧の概念形成に有効であることが分かった。

しかし,電流の衝突概念はあまり変わらなかったので,そのことに留意して繰り返し指導していく必要がある。さらに,モデルの簡素化をし,個別化する必要もある。

<参考文献>

1) 国立教育政策研究所「平成24年度全国学力・学習状況調査小学校報告書」(2012)

2) 伊東 明彦,高橋 紘子,石井 俊行:「水流モデルと電位測定回路を用いた中学校電気単元の指導法」日本理科教育学会全国大会要項 (56), 142, 2006-08-04

3) 猪瀬 武:「電気単元における概念形成の調査研究~水流モデルを活用したイメージづくり」平成17年度後期内地留学研究報告書,2005,宇都宮大学教育学部

4) 沖花 彰,谷口 信一:「中学校電気分野における電位概念の導入と学習教材の開発」物理教育 57(2), 97-102, 2009-06-10 ,pp.95-102. 日本物理教育学会

5) 本間 翔志,定本 嘉郎:「小学校の電流学習における粒子水流模型を用いた授業実践」物理教育 58(3), 143-146, 2010-09-06,日本物理教育学会

6) 重松 宏武,棟居 翼,松永 武,内田 由美子,前川 真利奈:「金属導体中の電子の運動とオームの法則 : 中学校理科「電流,電圧と抵抗」における洗濯板モデル(washboard model) の提案」 研究論叢. 第3部, 芸術・体育・教育・心理 61, 195-206, 2011-00-00 ,山口大学 教育学部

7) 佐藤 革馬:「BB弾を用いた電気回路モデルによる授業実践(<特集>北海道支部)」物理 教育 60(1), 64-67, 2012-03-08,日本物理教育学会

8) 村田 光宏,木村 和孝:「ブロックを利用した電気回路(小中学生)の学習-ブロックによる電流・電圧のイメージの手助け-」日本理科教育学会全国大会要項 (61), 361, 2011-08-19,日本理科教育学会

9) 日置 光久・星野 昌治 編著: シリーズ日本型理科教育「『子ども』はどう考えているか-とらえやすい自然認識と科学概念-」p.132,138,150東洋館出版社,2007

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