の教材を制作した図１図２図３ケースの裏蓋の問いと３つの選択肢からなる解答例開発した宇宙のスケール感に関する一連の教材では太陽が木球で作られその直径の比率で計算されの各テーマは人と地球の大きさを比較するものた長さの異なる３本の各ロープの先に地球の点像と大き地球と月の大きさを比較する

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しげじろうかがんじ
5 years ago
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1 科教研報 Vol.22 No.1 1. はじめに天文学に関する研究においては, 最先端の科学技術がもたらす新鮮な映像や研究情報が随時更新され, 広く公開されているまた, 科学博物館における近年の天文学に関する展示では, 実物やレプリカ展示の他, ハンズオンと称される双方向性をもった展示物 (interactive exbition) が来館者を集めているさらに, 併設されることの多いプラネタリウムにおいては, 宇宙の立体感を映し出すビデオ映像や CG 映像等の演出が好感度を高め, 天文台の公開も地域に根づいているこのような環境にある児童生徒は, 多くの情報や体験, イメージから素朴な疑問感動を育み, 天体観察への興味とともにもっと知りたい, 納得したい, 体験したいという学習動機を, それぞれの段階における理科教育のレディネスとして持ち合わせている一方, 平成 17 年度版の小学校理科の教科書 ( 参考 : 大日本図書株式会社発行 ) における天文教育に関する学習内容は, 小学校 3 年生で { 太陽の動き, 太陽の光のはたらき }, 小学校 4 年生で { 星の明るさや色, 月の動き, 星の動き } を扱うまた, 中学校理科の教科書 ( 参考 : 東京書籍株式会社 ) では,{ 地球の運動と天体の動き, 惑星と恒星, 宇宙の広がり } を 3 年生において学習することになっている中学校理科の天文学に関する単元のための教材開発 Development of interactive teaching materials for the astronomy unit in junior high school s science education 文部科学省学習指導要領中学校理科第 2 分野地 * 下山田隆 Takasi SIMOYAMADA 佐賀県立致遠館中学校 Chienkan Junior High School in Saga Prefecture Several interactive teaching materials were developed which would help teach astronomy in junior high school science classes. The topics of these interactive teaching materials were Composition of Stars in Space, Three-dimensional Placement of Stars in a Constellation, Apparent Movement of the Planets, and Acceleration of Gravity. These materials were made for the purpose of visualizing some scientific phenomenon through experience. By the positive use of these interactive teaching materials, they bring images to live for students. This study took a hands-on approach to teaching students difficult concepts in astronomy. As a result of the interactive teaching materials, student s imaginations were engaged. Student interest has increased because of this interactive unit on astronomy. Key Words : teaching materials, astronomy unit, junior h 球と宇宙の目標には, 身近な天体の観察を通して, 地球の運動について考察させるとともに, 太陽の特徴及び太陽系についての認識を深めるとあり, 前述した児童生徒に身近な天文学に関する最新情報や太陽系外宇宙に広がる学習は, 選択理科や科学館天文台等における自主的な学習, さらには履修機会の少ない高校地学にその後, 主に委ねられることになるそこで, 彼らの動機や意欲を授業へ積極的に生かしていく工夫の一つとして, これまで幾つかの天文学に関する教材 (interactive teaching materials) を開発してきたこれらを使った疑似体験によりこの学習内容のイメージ化やシミュレーションが容易になれば幸いであるまた新たな教材へのヒントや指導者の交流, また, 授業や各種ワークショップ等で活用していただければと思う 2. 開発した教材の紹介 1) 宇宙のスケール感, 星座をつくる恒星の立体的な位置関係を伝える教材宇宙空間におけるスケール感を子どもたちに少しでも疑似体験してほしいと考え, フィリッフおよびフィリスモリソン, チャールスおよびレイイームス事務所共編著村上陽一公子訳 (1994) を参考に, 身近な材料を使って, 科学館等に見られるハンズオン展示をイメージした一連

の教材を制作した図１図２図３ケースの裏蓋の問いと３つの選択肢からなる解答例開発した宇宙のスケール感に関する一連の教材では太陽が木球で作られその直径の比率で計算され

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地球から星座(オリオン座)までの距離とオリオプラネタリウムではビデオ映像や CG 画像等の活ン座の立体モデル佐賀県教育センター2003 図３

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2 の教材を制作した図１図２図３ケースの裏蓋の問いと３つの選択肢からなる解答例開発した宇宙のスケール感に関する一連の教材では太陽が木球で作られその直径の比率で計算されの各テーマは人と地球の大きさを比較するものた長さの異なる３本の各ロープの先に地球の点像と大き地球と月の大きさを比較するもの図１地球とさが記載されたカードがつながっている児童生徒は月の大きさと距離感に関するもの地球と太陽の大ロープを引き延ばしながら太陽と地球のモデルの大ききさ比較太陽地球間のスケール感図２地さの比率から太陽地球間の距離に該当するロープの球太陽間の距離と地球最も近い恒星間の距離比長さを選ぶ較地球から星座(オリオン座)までの距離とオリオプラネタリウムではビデオ映像や CG 画像等の活ン座の立体モデル佐賀県教育センター2003 図３銀河系といろいろな形の銀河などである用によりオリオン座などの星座を形作る各恒星まで一連の教材を授業や科学の祭典等における普及活動の距離の違いを立体的に表現できるようになってきてで活用してきた疑似体験が可能な教材への児童生いるしかし教科書等の写真や天体観望会等で星座徒の反応は積極的かつ好意的で科学の祭典におけるを学習する際恒星を結んで出来る平面的なオリオン実践で養護学校の教師に喜ばれたこと体験を通して座が印象に残り各恒星の立体的な位置関係のイメー外国の方にも理解してもらえたことが特に印象的に残ジは得にくいそこで映像資料の活用の他にオリっているオン座を探すための星図と合わせてオリオン座をつくる恒星の立体的な位置関係が把握できる教材図４を工作活動を取り入れた形で制作した下山田図１地球と月の大きさを比較する教材図３地球からオリオン座の代表的な恒星までの距離と立体的な位置関係に関する教材ケースの裏蓋の問いとケース内の３つの解答例からな図２太陽地球間のスケール感に関する教材るケース中に配置された星の並びを見て星座名を答え

るケース内の恒星の並びは写真の方向から見るとオリこの写真の教材は手前に二つ折りにできこれを開くとオン座には見えない試行錯誤の末児童生徒が視点写真の状態でオリオン座を形作る恒星が飛び出す下面を変え写真下部のケース側面から覗いた場合にオリオ

金星の見え方季節による星座の見え方モデルの恒星は立体的な位置関係をもつことを学習できる教材 2006a これは図３の教材の個別化を図った改良版で中学校理科における天体の見かけの運動に関する理解は生徒にとって容易ではない原因は複数の天ある

金星の満ち欠入れるためのカッターの使用に注意が必要であるがけや四季の星座の移り変わりについてはボー一人一人に配布できるため地元の科学館等のワークルやライトを使ったモデル関向2004等反復操ショップの材料ともなった作により理解が進む優れた教材が開発されている図４

3 るケース内の恒星の並びは写真の方向から見るとオリこの写真の教材は手前に二つ折りにできこれを開くとオン座には見えない試行錯誤の末児童生徒が視点写真の状態でオリオン座を形作る恒星が飛び出す下面を変え写真下部のケース側面から覗いた場合にオリオ右に地球の位置とおおよその距離が目盛りとして印刷さン座に見えるという教材生徒の位置が地球のある方向れているホームページからこのシートを自由にダウンであることケースのスケールによりオリオン座を結ロードできるようにしたぶ恒星までの地球からの距離はそれぞれ異なりこれら２金星の見え方季節による星座の見え方モデルの恒星は立体的な位置関係をもつことを学習できる教材 2006a これは図３の教材の個別化を図った改良版で中学校理科における天体の見かけの運動に関する理解は生徒にとって容易ではない原因は複数の天ある図４の教材は授業の他天体観察会で夜空を眺める体の運動を視点を変えたイメージとしてシミュレー前の予習や動機付けとしてまた天候がすぐれないションすることが難しいことと日常の実体験と結びときの屋内活動としても利用されてきた切り込みをつけにくいためと考えられるそこで金星の満ち欠入れるためのカッターの使用に注意が必要であるがけや四季の星座の移り変わりについてはボー一人一人に配布できるため地元の科学館等のワークルやライトを使ったモデル関向2004等反復操ショップの材料ともなった作により理解が進む優れた教材が開発されている図４地球からオリオン座の代表的な恒星までの距離と立体的な位置関係に関する教材Ⅱ 必要な情報が印刷された用紙の切り込み線等をカッターで切ったり折り込んだりすると写真の教材を個別に制作できる裏面には冬の南天北天の星図が印刷さ図５金星の見え方モデル(上)季節による星座の見え方モデル(下)教材れていてオリオン座の位置をまず知ることができる

図５上太陽を回転軸とする太陽系を天の北極方向から俯瞰したシミュレーションが可能なモデルで自転する地球上で教材の利用者が南天を見ている設定である地球と太陽と金星の位置関係を合わせた後図の場合は宵の明星の位置関係地球にあるもう１つの回転軸で図の西方向へ南天を右回りさせると太陽が地平線に沈んだ後西の地平線上に宵の明星が再現される図５下太陽を回転軸とする太陽系周辺の星座を天の北

4 図５上太陽を回転軸とする太陽系を天の北極方向から俯瞰したシミュレーションが可能なモデルで自転する地球上で教材の利用者が南天を見ている設定である地球と太陽と金星の位置関係を合わせた後図の場合は宵の明星の位置関係地球にあるもう１つの回転軸で図の西方向へ南天を右回りさせると太陽が地平線に沈んだ後西の地平線上に宵の明星が再現される図５下太陽を回転軸とする太陽系周辺の星座を天の北極方向から俯瞰したモデルで自転する地球上で教材の利用者が南天を見ている設定である地球と太陽と目的の星座の位置関係を合わせた後図の場合太陽はおとめ座の方向地球にある回転軸で図の西方向へ南天を右図６疑似的な無重量状態に関する教材回りさせると太陽とおとめ座が地平線に沈んだ後にいて座が南中することになる生徒は印刷された用紙にあ人工衛星に見立てた小豆や大豆をペットボトルに入れる切り込み線等をカッターで切ったり折り込んだりし柄のついた先に図のように容器を固定し塩ビ管の回転て本教材を個別に制作できる軸を回転させる柄の回転軸地球から容器の底人工衛星までの長さを長くしたり短くしたりすると本報でも図５のような星座早見版をイメージした教落下音が無くなる最低回転数が長さにより変化するこ材を２つ開発したこれらは２軸の回転により金星の現象を体験させ実際の人工衛星の高さと周期の関係の位置や太陽方向の星座等の条件に応じてみかけのに例えた解説を行うまた上位の容器内の大豆の落下運動のシミュレーションが繰り返し再現できる点が特音が無くなる最低回転数の際に擬似的な無重量状態徴であるいずれも工作活動を伴い個別化が図れるになっているとしその回転周期と柄から容器の底まで教材であるの長さを理論式に代入して重力加速度を求めることができる重力加速度自体は自由落下や振り子等で求めた方３擬似的な無重量状態教材図６は地球上を回る人工衛星がなぜ落下しないのか重力加速度を求めることができるかをテーマがより正確であるが最低回転数で 10 回転する時間を正確に測り１周期の平均値を求めること等で求める重力加速度の精度を高めることができるに擬似的な無重量状態を回転運動に伴う遠心力と重力のバランスから体験的に学ぶ教材である部資源の獲得を優先し最後に難解な天体の運動や見この教材を使った実験により重力加速度も概算がでかけの運動を扱うように構成主義的に教科書の単元きる高校理科の内容ではあり現象に対して基礎的内の指導順序を入れ替えた授業を試験的に進めてきたな説明が必要となる重力加速度については遠心力下山田2006b 重力とした関係式から重力加速度を求める式を事進め方のポイントとしては単元展開の最初の部分前に示し式の変数に実験から求めた測定値を代入しで最新の研究成果等を視覚に訴え前半の天文学に関て算出させ理論値と比較させたする基礎的学習と身近な現象の理解への動機付けとしたその後映像資料や開発した教材等を使ってイ３中学校理科の天文学に関する単元の授業展開の工夫と開発した教材の活用場面上述した教材を実際の授業で生かしていくに当たって天文学に関する基礎基本的事項を中心とした内メージを育てシミュレーションを多用しながら天文事象への理解を積み重ねたそして最後に既習事項を基に後半部分の見かけの運動現象の理解シミュレーション探究へと誘導した

5 1) 中学校理科単元名地球と宇宙指導観 : この単元では, 宇宙という空間的物体的なイメージ情報が生徒の日常の既有概念にあるしかし, いくつかの座標系における諸現象の理解が求められており, 空間認識を背景とした視運動の理解が容易には進まないかつては中学 1 年生で扱う内容であったが, 現在は中学 3 年生での学習になっているそこで単元の始めでは, 空間的な宇宙とそれを構成する事象に関する学習内容を展開する視聴覚教材やイメージ化シミュレーションが容易な教材を多用することで興味関心と宇宙の諸事象のイメージを育み, 続いて太陽系, 地球へと題材を進めながら, 身近な現象の把握と科学的な思考を必要とする見かけの事象の理解へと学習を進めたい単元構成の試案 ( 概要 ) 1 宇宙 ( 空間と構成 ) 宇宙全体についての概要に触れ, 時間空間概念を広げる最新の映像資料と開発した教材を使い, 単元全体を配慮した興味関心, イメージを育てる宇宙のはじまりビックバン, 宇宙論 ( 物質の誕生 ) いろいろな天体銀河系銀河, 銀河系, フラックホール 4 地球から見た星々 ( 応用 ) 形状天の川, 回転運動恒星までの距離 ( 図 3) 2 地球から見た宇宙 ( 現象 ) マクロの宇宙観から銀河系内の太陽系, そして, 公転自転している地球へと視点を移動させ, 地球から見える現象を生徒の経験やエピソードと関連させながら, 年周運動と日周運動に分けて捉えさせる太陽系微惑星, 原始地球惑星の生い立ち太陽系を構成する天体宇宙のスケール感 ( 図 1,2) 年周運動公転軌道 ( 周期, 半径 ), 彗星四季の星座の移り変わり天球北極星方角フラネタリウム ( 日周運動星座流星 ) 黄道 12 星座と星座占い四季の星座 ( 図 4) 3 地球から見た宇宙 ( 理解 ) 公転自転する地球から宇宙を見た際の現象を, 太陽を中心に公転する地球 ( 生徒 ), そして, 天球の中心にいる地球 ( 生徒 ) の視点から理解 ( シミュレーション ) させ, 季節による星座の見え方の違いや季節の変化, 太陽や星座の日周運動について理解させる日周運動星と太陽の 1 日の動き出没方位と高度の変化太陽や星の動き太陽の日周運動の観察 ( 記録 ) 日没位置の年間の変化環状遺跡南中高度の年間の変化昼夜の長さの年間の変化気温の年間の変化太陽の日周運動の観察 ( 記録 ) 日の出時刻の変化季節による星座の変化 ( 図 5) 地軸による説明 ( 傾き ) 地球太陽惑星の位置関係により, 惑星 ( 月 ) の見え方が変化することを, 観察結果や経験と関連させながら理解させ, モデルを使って説明できるようにする金星の満ち欠け満ち欠け ( 図 5) 火星の見え方宵の明星明けの明星視直径形状明るさの変化月の満ち欠け, 月食, 日食, 星食内惑星外惑星 5 星々の最後に ( 発展 ) 恒星の色と表面温度恒星の誕生星雲名月記 ( 超新星かに星雲記録 ) 章末課題ニュートリノと小柴昌俊博士屈折式反射式望遠鏡の操作

6 2) 選択教科理科における単元開発教育課程上の必修理科の時間は, 指導内容の削減や時間的な条件等により生徒実験や最新情報を積極的に取り入れることが容易ではないしかし, イメージを拡げる視聴覚教材や, 疑似体験を促すパソコン等を使った数々の指導方法が紹介され ( 藤井江見, 2005), 本報のような天文教材も開発され続けているこのような状況の中, 理科における天文教育の充実を基本としながら, 今回開発した教材等を使った選択教科理科の単元も開発を続けている ( 下山田, 2002) ここでは, 高等学校の物理や地学への接続性も含めた検討を行っている 4. おわりにこれまで中学校理科天文学の単元における基礎基本的な学習を支援する教材開発と, 開発した教材を生かすための単元構成の検討や選択理科での単元開発について実践と改善を重ねてきた本報は経過報告ではあるが, 年度を重ねる毎にこの取り組みによる生徒の興味関心, 学習効果の高まりを感じているこれは, 本単元の展開で扱われる情報や実物モデル疑似体験によるイメージ化シミュレーションが容易になる教材の積極的活用が単元の進行に伴って既視感を生みやすく, 現象理解への意欲と共に学習への没入感をより高めているからだと思う今後は, 地元の専門家や大学等の研究, 古文書等に見られる箒星や超新星の出現隕石等に関する記載遺跡遺物等を取り入れた教材開発や単元構成加えて, 地域の科学館や博物館プラネタリウム天文台自然の家コミュニティーセンター等の施設の普及活動との連携も含めて, 選択教科理科の単元やサイエンス部の活動, 学校行事としての理科研修プログラムの開発等についても, サイエンスコミュニケーションに基づく地域プログラムの一つとして広く考えていきたい最後に本報における教材開発において名古屋芸術大学の山田卓三教授に多くのご助言と開発した教材による実践機会を賜りました紙面をもって感謝申し上げます引用文献佐賀県教育センター (2003) 衣装ケースを使い宇宙の立体感を学習. 内外教育第 5373 号.P.2 3. 下山田隆 (2002) 選択理科における天文分野の単元試作. 平成 14 年度全国理科教育センター研究協議会並びに研究発表会地学部会 ( 第 40 回 ) 研究集録下山田隆 (2006a) 立体星座カードでスターウォッチンク.! Science & Technology 2 月号. 文部科 Journa 学省下山田隆 (2006b ) ストーリーを重視した中学校理科の単元指導. 日本理科教育学会九州支部大会表論文集第 34 巻関向正俊 (2004) 指導と評価の活用を中心とした太陽系と惑星の学習展開. 平成 16 年度全国中学校理科研究大会発表資料. -ed.jp/kakusitu/kag o/happyoshiryo/venus2.pdf. フィリッフおよびフィリスモリソン, チャールスおよびレイイームス務所共編著村上陽一郎公子訳 (1994 ) POW ERS OF TEN. 日経サイエンス. 藤井佳直江見圭司 (2005) 3 次元 CGを用いた天体現象の可視可に伴う問題点とその解決. 天文教育 7 月号.2-9. 弁理士会 (1999) 無重量状態実験器. パテント No.9. 弁理士会. 表紙裏. 地球からオリオン座の代表的な恒星までの距離と立体配置に関する教材, -ed.jp/workshop/edq

千葉市科学館プラネタリウム活用てびき A-1 太陽の動きと星座の観察 ( 第 3 学年 ) この番組は第 3 学年の内容に合わせて方位時刻を調べながら太陽の 1 日の動きを観察について学習しますプラネタリウムの特長を生かし実際には観察しにくい太陽の動きや季節の星座について学習する意欲

千葉市科学館プラネタリウム活用てびき A-1 太陽の動きと星座の観察 ( 第 3 学年 ) この番組は第 3 学年の内容に合わせて方位時刻を調べながら太陽の 1 日の動きを観察について学習しますプラネタリウムの特長を生かし実際には観察しにくい太陽の動きや季節の星座について学習する意欲千葉市科学館プラネタリウム活用てびきこのてびきは学校団体の利用が多い学習投影 A-1 から A-4 を学校での天文授業に活用しやすいように投影内容を整理し指導のてびきとして作成したものですプラネタリウム利用前及び利用後の学習指導の参考としてご利用くださいこのほかの番組につきましては千葉市科学館学校団体用プログラム別紙 3 ( 当館ホームページ学校団体見学のご案内ボタンよりダウンロード