兵庫県川西市立多田中学校 前田　誠通 （前任校，明峰中学校での実践です）

１．はじめに 　１分野の最終単元「科学技術と人間」は，１分野の学習の締め括りとして，科学技術と人間生活との関連について考えていく単元である。２分野では，「自然と人間」という大きな括りの最終単元の中で，それまでの学習をもとにして，たくさんの問題を提起をしている。どちらも総合的な単元である。これらの単元で学習することは，重要な内容であるにもかかわらず，これまで時期的，時間的な問題から，軽い扱いで終わってしまうことが多かった。最近の入試問題でもこれらの内容は出題されるが，まだまだ軽くしか扱われていないようである。 　そこで，この単元のねらいにあった学習を展開できる教材を考えた。 ２．教材について 　実験・観察が少ない単元である。知識としては学べるが，実感がわいてこない，変化の時間（歴史的な内容など），尺度が長いなどの理由から，できるだけ話題性がある実験などで学習できないかと考えてきた。最近の自動車業界をとりあげて，ガソリン車・ディーゼル車→ハイブリッドカー→電気自動車→燃料電池車という流れをつくりながら，「なぜ今燃料電池を開発しているのか。」「その原理はどうなのか。」「今までになぜ出来ていないのか。」など問題を投げかけながら進めた。内容が濃すぎるので適当に簡略化しながら生徒の反応を見ながら，『その原理ならできそう。』『今話題の燃料電池を作ってしまおう。』と製作に取りかかった。 　なお生徒は，直前の単元「物質の変化とエネルギー」で，酸化と化学エネルギーの変換を学習しており，その学習が生かせる教材でもある。 　　 　実際に気体の酸素と水素を容器に入れ，導線で結んでも電流は流れない（この点が研究課題である。理科室などでも実験は可能であるが，触媒を使うなど手軽ではない）。いろいろな方法が教材として研究されているが，いかに簡単で生徒にわかりやすくするかが問題である。 　教材化するために，竹串の炭素化，鉛筆を使う方法，シャーペンの芯などいろいろ試作してみたが，扱いやすさ，強度，経済性，生徒の作業能力などから結局電極はステンレスねじとし，活性炭に埋め込む方法を使った。活性炭は，水槽の浄化用の，しかも使い古した物を洗って使用した。 ３．製作方法 　授業では，口頭で指示していく。 　(1) 　フィルムケースのふたに３ヶ所ドリルで穴をあける。 →２つの穴は電極用で，もう１つの穴は水溶液に電解液などを入れるときのためのものである。 　(2) 　フィルムケースにざら紙のしきりを底までＳ字に入れる。 →Ｓ字に入れると，活性炭が接触するのを防ぐことができるため。（紙の高さにも注意する） 　(3) 　活性炭をしきりでできた空間につめる。 　(4) 　フィルムケースの２つの穴にステンレスねじを１cmほどねじ込んでおく。 　　 　　 　(5) 　フィルムケースに水道水を入れる。 　(6) 　それぞれのねじの先を活性炭にくいこませる位置に注意して，ふたをしっかり取り付ける。 　(7) 　ふたをしっかり押さえながら，ドライバーでねじをしめて活性炭にくい込ませる。 　ねじの頭部は，１cmほど出しておく。 　(8) 　この段階で電圧計につないで，電圧が０Ｖであることを確かめる。 →金属による電池でないことの確認ができる。この段階で電圧が生じていては，意味がない。 　(9) 　手回し発電機を接続して，電流を流す。 →水の電気分解 (10) 　手回し発電機をはずして＊，代わりに発光ダイオードをつなぐ。 →燃料電池ができたことを確認する。 (11) 　発光ダイオードをはずして，電圧計で電圧を測定する。 　＊特に(10)の「手回し発電機をはずす」操作は確認する。 ４．まとめと今後の課題 　○ まず水の電気分解であるが，水素と酸素に分ける必要がないので，装置は簡単である。電極は，金属電池ではないので，１種類の金属でよい（この１種類という点を強調しておくとよい）。 　○ 水は，ただの水道水でもよい。水道水でも発光ダイオードは１秒以上ついた。消えた後，電圧を測ると１Ｖ以上あった。（使用した発光ダイオードは２Ｖ以上必要な普通のもの。保護抵抗は入れなかった） 　○ 生徒から『電気分解するのに薬品を入れなくてよいのか』という質問があった（このような発言は，ぜひ評価してやりたい）。このことについては，予備実験で，もう１つの穴から炭酸ナトリウム（炭酸水素ナトリウムの分解でできたものでよい）の水溶液を少量スポイトで入れたとき，発電機の手応えが重くなることを確認している。時間的な余裕があればその実験もさせたい。 　○ 他のクラスで別のメーカーの新品の活性炭を使ってみたが，形状が異なる（接触面積の違い）のためなのか，それとも水槽の汚れが何らかの作用をしているのかわからないが，期待したほど良い結果は得られなかった。今回の教材では，電気分解によって活性化している酸素・水素でうまくいっているが，物質としての水素・酸素の確認はできていないので，燃料電池の学習教材として，これでよいのかどうか検討する必要がある。 【参考資料】　学習指導案 ［単元］   「科学技術と人間」（１分野）， 「自然と人間」（２分野）の小単元「自然環境と人間」 ［学習の展開］      学習事項    生徒の活動 指導上の留意点 導 入 ・ これまでの復習 ・ 本時の目標 ・ 最近の話題 ○ 自動車産業について，最近の話題から思いつくものをあげる。 ◇ すでにIC開発や電卓戦争などは学習している。 展 開 ・ 自動車のエネルギー源の変化 ・ 燃料電池 ・ 燃料電池の原理 ・ 燃料電池の製作 ・ 後片付け ○ メーカーが生き残りをかけて，何を研究しているかを知る。 〈（あとの板書例による）展開〉 ○ 燃料電池と金属電池と電気分解の違いを区別できる。 ◇ 自動車の問題点も考える。深入りすれば盛り上がるが，時間が足りなくなる。 ◇ 発光ダイオードがつかなくても，電圧計で確認できる。 ま と め ・ 本時の学習内容 ・ 結果の整理 ○ 最先端技術といわれる燃料電池が，今まで学習したことから理解できると共に，製作もできることを知る。 ◇ 燃料電池を自動車に使う場合には，いくつも解決すべき課題があることも知る。 ［板書例と授業の進め方］ 板書例と質問 予想される答と解説例 ◎ 最近の自動車業界の話題 自動車はどう変化していこうとしているか。   　○ ガソリン車・ディーゼル車 〈質問〉問題点は何か。 〈化石燃料を使うので〉 　・ 石油がなくなる。 　・ 二酸化炭素を出す→地球温暖化 　・ ＮＯｘを出す→光化学スモッグ　など 　○ ハイブリッドカー 〈質問〉・ ハイブリッドカーの利点は何か。 ・ 問題点は解決されたか。 　・ 燃費はいいが，石油を使うことはガソリン車と同じ。 　・ 値段が高い。 　・ バッテリーが重い。 　○ 電気自動車 〈質問〉 まだ一般的でないのはなぜか。 悪い点はないか。 　・ 排気ガスや騒音はない。 　・ バッテリーが重い。 　・ 長く走れない。 ◇ よく考えると，発電所から電気をもらうので，火力発電所からなら化石燃料を使うことに変わりはない。 　○ その他 〈質問〉 いまの自動車業界の開発競争は何か。   ◎ 燃料電池車・燃料電池とは？ 酸素＋水素 →（　水　）＋（　　　） 〈質問〉（　　　）は何？ ※ この熱エネルギーを熱ではなく，直接電気エネルギーとして取り出すしくみ 〈質問〉・ 原理は単純であるのになぜ今まで開発されていなかったのか。 ・ それでも開発していこうとしているのはなぜか。 ◇ 他の化学変化によるエネルギーでもよいが，できた物質が有害では困る。 ◇ 気体の水素と気体の酸素を混ぜても化学変化は起こらず，簡単にはエネルギーは取り出せない。 　・ 水素は危険。 　・ 燃料電池の性能が低い。 　・ 電気自動車としての性能が低い。 　・ 研究にお金がかかる。 　・ 石油のほうが安い。 　〈いくつかの問題点は解決されている〉 ◇ 環境とエネルギー資源のことを考えると，早く実用化しなければいけない。 そのために各社は，多くの費用と技術と時間をかけ，生き残りをかけてしのぎを削っている。または協力している。 ◎ 燃料電池を作ろう ・ 原理自体は古くからあって簡単。 最先端技術といわれる燃料電池を作ろう。 〈質問〉 酸素，水素はどうして作り出しますか。 　・ 塩酸と亜鉛。二酸化マンガンとオキシドール。電気分解する。 ◇ 電気分解なら両方同時に取り出せる。 それを使いましょう 〈参考文献〉 　・川村康文氏，八島弘典氏・杉山剛英氏の各ホームページ 　・理科教育ニュース（少年写真新聞社）