エ ネ ル ギ ー 変 換 を ど う 教 え る か -エ ネ ル ギ ー 変 換 - 居 川 幸 三 は じ め に 教 育 課 程 の 移 行 期 に 入 り B. エ ネ ル ギ ー 変 換 に 関 す る 技 術 の 内 容 を ど の よ う に す れ ば い い か 毎 回 の 事 な が ら 先 生 方 の 悩 む と こ ろ で あ る し か し 指 示 さ れ て い る と こ ろ を 見 て み れ ば 教 え る べ き 内 容 に 何 ら 変 化 は な い と い う よ り 私 た ち が こ れ ま で 研 究 し て き た テ ー マ 内 容 で 十 分 対 応 で き る と 思 う そ こ で 前 回 の 改 訂 時 か ら こ れ ま で の 授 業 を ふ り 返 り こ れ が ベ ス ト で は な い か と 思 わ れ る 計 画 を 立 て た の で 参 考 に し て ほ し い こ れ は 今 年 度 実 践 し て い る 内 容 で あ る 1. 年 間 指 導 計 画 で の 位 置 づ け 下 表 は 今 年 度 の 年 間 指 導 計 画 で あ る 次 年 度 か ら も ほ ぼ 同 じ 内 容 で 行 う 予 定 で あ る エ ネ ル ギ ー 変 換 に 関 す る 学 習 は も の づ く り の 発 展 と し て と ら え 2 年 で エ ネ ル ギ ー 変 換 の 基 礎 学 習 を 行 っ た 後 で 応 用 と し て 製 作 を 行 う 最 初 は 次 に 生 物 活 用 の 時 間 は 次 年 度 よ り 各 学 年 毎 に 作 物 栽 培 を 行 う 予 定 で あ る 年 間 指 導 計 画 一 学 期 二 学 期 三 学 期 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 1 年 技 術 A( 技 術 とものづくり)30h 技 術 B( 情 報 )5h 2 年 技 術 A( 技 術 とものづく り:エネルキ ー 変 換 )21h 技 術 B-2( 情 報 )14h 3 年 技 術 B( 情 報 )35h 注 :17hは 学 校 選 択 の 技 術 科 として 評 価 - 1 -
2. 学 習 の テ ー マ と 授 業 の ポ イ ン ト エ ネ ル ギ ー 変 換 に 関 す る 学 習 の 具 体 的 な 計 画 は 以 下 の 通 り で あ る 1 学 期 は 基 礎 学 習 を 行 い 2 学 期 に は 応 用 学 習 と し て ダ イ ナ モ 発 電 ラ イ ト の 製 作 を 行 う ( 2 学 期 の 内 容 は 省 略 ) 回 学 習 内 容 1 エ ネ ル ギ ー の 種 類 と 使 い 方 一 学 期 2 火 力 の エ ネ ル ギ ー か ら 力 の エ ネ ル ギ ー へ 3 電 気 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 電 気 基 礎 実 験 4 電 気 回 路 の ま と め 短 絡 (シ ョ ー ト )と は 5 電 気 を 作 っ て み よ う (1 ) 備 長 炭 電 池 6 い ろ い ろ な 電 池 電 気 を 作 っ て み よ う (2 ) 7 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (1 ) 光 へ の 変 換 1 8 (2 ) 光 へ の 変 換 2 蛍 光 灯 9 (3 ) 光 へ の 変 換 3 ダ イ オ ー ド 等 1 0 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (4 ) 熱 へ の 変 換 1 1 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (5 ) 力 へ の 変 換 1 2 発 電 所 か ら 家 庭 ま で 1 3 電 気 の 安 全 な 使 い 方 初 め に エ ネ ル ギ ー と は 何 か エ ネ ル ギ ー 変 換 と は に つ い て 実 験 や 実 習 を 通 し て 学 習 す る 一 昨 年 ま で は 動 機 づ け と し て ポ ン ポ ン 船 の 製 作 を 通 し て こ れ ら の こ と を 学 習 さ せ て い た が 以 前 よ り 授 業 時 間 の 確 保 が 難 し く な っ た の で や む を 得 ず 基 礎 学 習 と し て 実 験 や 実 習 で 理 解 さ せ よ う と 考 え て い る 時 間 に 余 裕 が あ れ ば ポ ン ポ ン 船 の 製 作 を や ら せ て ほ し い ( 参 考 : ポ ン ポ ン 船 の 製 作 技 術 教 室 586-2001 年 5 月 号 ) < 学 習 の 方 法 > 授 業 は 教 科 書 は ほ と ん ど 使 わ ず 自 作 の プ リ ン ト を 用 い て 上 記 の 様 な 計 画 で - 2 -
行 っ て い る 学 習 内 容 に よ っ て は 小 プ リ ン ト で テ ー マ に 合 わ せ た 質 問 を 行 い 生 徒 の 考 え を 知 る と と も に 授 業 の 動 機 付 け を し て い る ま た 授 業 の 中 で ど ん ど ん 質 問 を し よ い 意 見 に は ポ イ ン ト を 与 え る 工 夫 を 行 っ て い る 具 体 的 な 授 業 の 進 め 方 を 教 材 お よ び プ リ ン ト を 示 し な が ら 紹 介 し よ う 3. 授 業 の 進 め 方 (1 )エ ネ ル ギ ー の 種 類 と 使 い 方 こ こ で は ま ず エ ネ ル ギ ー と は 何 か を 学 習 の 初 め に と い う 小 プ リ ン ト で 書 か せ る ( 下 図 ) こ の 小 プ リ ン ト は 書 か せ る こ と を 大 事 に し 内 容 に つ い て は あ ま り 問 わ な い 問 い 1 で は エ ネ ル ギ ー と は 目 に 見 え な い 力 で あ る こ と を 押 さ え る 問 い 2 で は 人 間 が 自 然 界 の 力 ( エ ネ ル ギ ー ) を 利 用 し 生 活 に 役 立 て て き た 歴 史 を ふ り 返 ら せ る と と も に 科 学 技 術 の 進 歩 人 間 の す ば ら し さ に 気 づ か せ る ま た こ の 科 学 技 術 の 進 歩 が 地 球 環 境 悪 化 を 生 み 出 し て い る こ と に も 触 れ 電 気 エ ネ ル ギ ー を 作 り 出 す 環 境 に 優 し い 方 法 を 調 べ さ せ る 学 習 を 始 める 前 に ( 1の2) < 問 い1> エネルギー とは 何 だろう 自 分 の 考 えを 書 きましょう < 問 い2> 自 然 界 に 存 在 するエネルギーにはどのようなものがあるだろうか また 人 間 はそのエネルギーをどのように 生 活 に 役 立 てていただろう か 具 体 的 な 例 をひとつあげてみよう エネルギーの 名 前 生 活 への 役 立 て 方 自 作 プ リ ン ト の す す め 自 作 プ リ ン ト で は 自 分 の 考 え て い る 学 習 計 画 通 り に で き る 小 プ リ ン ト や レ ポ ー ト な ど も す べ て プ リ ン ト に 貼 付 さ せ る 単 元 が 終 了 し た と き に は 一 冊 の ノ ー ト の よ う に 仕 上 げ さ せ る 毎 時 間 1 枚 の プ リ ン ト で 学 習 が ま と め ら れ る よ う に す る - 3 -
< プ リ ン ト 1 の 一 部 > 自 然 界 に あ る エ ネ ル ギ ー 水 力 電 気 エ ネ ル ギ ー 風 力 光 の エ ネ ル ギ ー 火 力 熱 の エ ネ ル ギ ー 原 子 力 力 の エ ネ ル ギ ー 波 力 そ の 他 ( 通 信 等 ) 地 熱 etc (2 ) 火 力 の エ ネ ル ギ ー か ら 力 の エ ネ ル ギ ー へ 前 回 の 改 訂 で エ ネ ル ギ ー 変 換 と い う 単 元 名 が 出 て き た と き 使 用 す る 教 材 が 一 つ パ ッ と 浮 か ん で き た そ れ は 以 前 内 燃 機 関 の 学 習 で 導 入 に 用 い た ガ ソ リ ン の 爆 発 実 験 の 教 具 で あ る ( 右 図 ) こ の 教 具 は 内 燃 機 関 の 学 習 が で き な く な っ て し ば ら く 封 印 し て き た 物 で あ る 燃 焼 か ら 爆 発 へ つ ま り 火 力 を 力 の エ ネ ル ギ ー に 変 え る こ と が 一 目 で わ か る 物 で あ る 実 験 は ま ず 灯 油 の 燃 焼 か ら 初 め 灯 油 の 温 度 が 上 が れ ば ガ ソ リ ン と 同 じ よ う な 燃 焼 の 仕 方 を す る こ と を 見 せ る そ の 後 教 具 ( 名 付 け て バ ズ ー カ 砲 ) を 取 り 出 し て 実 験 を 始 め る 点 火 は 細 い 芯 線 の シ ョ ー ト に よ る 火 花 を 利 用 す る こ の 教 具 で は ふ た が ボ ムッ と 音 を 立 て て 飛 び 出 す 最 高 8 m 飛 ん だ こ と も あ る ガ ソ リ ン の 爆 発 か ら 力 の エ ネ ル ギ ー が 生 み 出 さ れ た 瞬 間 で あ る 細 か い 説 明 は 不 要 エ ネ ル ギ ー 変 換 が す べ て わ か る 教 具 で あ る - 4 -
プ リ ン ト 2 で は 燃 焼 の 科 学 爆 発 の 科 学 と 題 し て ま と め を 行 っ た (3 ) 電 気 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 電 気 基 礎 実 験 人 は 自 然 界 に あ る エ ネ ル ギ ー を 生 活 に 役 立 つ エ ネ ル ギ ー に 変 え る 方 法 を い ろ い ろ 考 え て き た 近 年 で は こ の エ ネ ル ギ ー を ひ と ま ず 電 気 エ ネ ル ギ ー に 変 え そ の 後 光 や 熱 な ど の エ ネ ル ギ ー に 変 え て 生 活 に 役 立 て て い る 従 っ て こ れ か ら エ ネ ル ギ ー 変 換 を 考 え て 行 く に あ た っ て は 電 気 に 関 す る 知 識 が 必 要 で あ る こ こ で は 電 気 基 礎 実 験 と し て 電 気 回 路 の 基 本 を 実 習 を 通 し て 身 に つ け さ せ よ う と 考 え た 実 習 で は 電 気 が 流 れ る み ち す じ を 考 え る こ と を テ ー マ に し て 6 つ の 回 路 を 考 え さ せ た ( 右 図 参 照 ) こ の 実 習 で は 直 列 接 続 並 列 接 続 短 絡 に つ い て 考 え さ せ て い る 特 に (エ )や (カ )に つ い て は 教 師 の 指 示 の 元 に 補 足 実 験 を さ せ る (エ) こ の ま ま で は 豆 球 は 点 灯 し な い が も う 一 個 電 池 を 加 え る こ と で 豆 球 を 点 灯 さ せ ら れ る ど の よ う に す れ ば い い か (カ) 一 番 上 の 線 を つ な が な け れ ば 豆 球 は 明 る く 点 灯 す る そ の ま ま の 状 態 で 上 の 線 を つ な ぐ と 豆 球 は ど う な る か (4 ) 電 気 回 路 の ま と め 短 絡 (シ ョ ー ト )と は (3 )で 行 っ た 実 習 の ま と め と し て 特 に 短 絡 ( シ ョ ー ト ) に つ い て 考 え さ せ る ( プ リ ン ト 3 ) 実 習 で は 電 池 を 使 っ た が 交 流 1 0 0 V を 使 っ た 等 価 回 路 ( 次 図 ) を 使 っ て 実 験 を し 短 絡 の 怖 さ を 実 感 さ せ る ( 線 が シ ョ ー ト す る と き 小 さ な 火 玉 が 飛 ぶ こ と が あ る の で 前 列 の 生 徒 に 注 意 を 促 し て お く 必 要 が あ る ) - 5 -
(5 ) 電 気 を 作 っ て み よ う (1 ) 備 長 炭 電 池 身 近 に あ る も の を 使 っ て 電 気 を 取 り 出 し て み よ う と い う テ ー マ で 実 習 を さ せ る 備 長 炭 は 日 曜 大 工 の 店 に も 置 い て あ る 物 な の で 以 下 の 材 料 は す ぐ に 手 に 入 る の で 絶 対 や ら せ た い 実 験 で あ る < 実 習 に 必 要 な 物 > 備 長 炭 ア ル ミ ホ イ ル 太 陽 電 池 用 モ ー タ ー 食 塩 キ ッ チ ン ペ ー パ ー 豆 球 (6 )い ろ い ろ な 電 池 電 気 を 作 っ て み よ う (2 ) 備 長 炭 電 池 の 原 理 ほ か 備 長 炭 電 池 の 発 電 原 理 に つ い て 説 明 す る 深 入 り は し な い が こ う し た 実 習 で は そ の 原 理 を 科 学 的 に わ か り や す く 説 明 し て お く 必 要 が あ る 理 解 で き る 生 徒 は 数 少 な い が と り あ え ず な る ほ ど な と 思 わ せ る こ と が 大 事 だ こ の う な づ き こ そ 次 の 学 習 へ の 足 が か り と な る は ず だ ま た こ の 学 習 後 身 近 で 使 わ れ て い る 電 池 が こ れ と 同 じ よ う な 科 学 的 な 方 法 で 電 気 が 発 生 し て い る こ と を 知 ら せ 一 次 電 池 二 次 電 池 の 種 類 に つ い て も 調 べ さ せ る 電 気 を 作 っ て み よ う (2 ) と し て 力 か ら 電 気 エ ネ ル ギ ー を 取 り 出 す 方 法 に つ い て 知 ら せ 実 習 で 確 か め さ せ る 実 習 は 模 型 用 の モ ー タ ー で モ ー タ ー の 軸 を 手 力 で 回 し 太 陽 電 池 用 の モ ー タ ー が 動 く か ど う か 試 さ せ る ( 強 く 回 す こ と が で き れ ば モ ー タ ー は 1 か ら 2 回 転 は す る ) < プ リ ン ト 6 の 一 部 ( 実 習 の 指 示 ) > 実 習 1 モーターを 使 って 電 気 を 作 ってみよう! - 6 -
< 方 法 1>マグネットモーターと 太 陽 電 池 用 モーターをつなぎ モーターを 手 で 回 して プロペラを 動 かそう! 問 い もっと 大 きな 電 気 を 起 こすにはどうしたらいいだろう? 実 習 2 モーター 同 士 をつないでプロペラや 豆 電 球 をつないだとき どう なるか 試 してみよう! 注 意 )モーターは まっすぐにつなぐ モーターをつけたままにしない 実 習 3 手 回 し 発 電 機 に 豆 電 球 をつなぎ 回 し 方 による 電 球 の 明 るさを 調 べてみよう また 豆 電 球 をつながないで 発 電 機 を 回 した 時 との 手 応 えに 違 いはないか < 実 習 の 様 子 > < 手 回 し 発 電 機 > 実 習 3 で は 豆 球 を つ け て い る と き の 方 が 発 電 機 を 回 す 時 に 手 応 え が あ る こ と が わ か る 力 の エ ネ ル ギ ー が 電 気 エ ネ ル ギ ー を 介 し て 光 の エ ネ ル ギ ー に 変 わ っ た 瞬 間 だ 簡 単 な 実 習 で は あ る が エ ネ ル ギ ー 変 換 を 体 で 感 じ る 事 が で き る よ い 教 材 と 思 う (7 ) 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (1 ) 光 へ の 変 換 1 こ こ で は シ ャ ー ペ ン の 芯 を 用 い た 発 光 実 験 を 見 せ る シ ャ ー ペ ン の 芯 が 赤 く な り ま ば ゆ い 光 を 放 つ 姿 は 生 徒 た ち に 強 烈 な 印 象 を 与 え る 電 気 エ ネ ル ギ - 7 -
ー か ら 光 の エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 が 一 目 で わ か る 教 材 で あ る 右 の 図 は 授 業 プ リ ン ト の 一 部 ( 実 験 の 回 路 ) で あ る シ ャ ー ペ ン の 芯 は B や 2 B が 適 し て い る 電 圧 は 図 の よ う に 一 度 に 1 0 0 V を か け ず ス ラ イ ダ ッ ク を 用 い て 徐 々 に 上 げ て い く 方 が よ い 結 果 が 得 ら れ る (8 ) 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (2 ) 光 へ の 変 換 2 光 の エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 は 3 つ の パ タ ー ン を 用 意 す る 上 記 ( 1 ) は 熱 を 伴 う 明 か り ( 2 ) は 放 電 に よ る 明 か り ( 3 ) は 物 理 的 な 方 法 に よ る 明 か り ( 発 光 ダ イ オ ー ド ) で あ る 蛍 光 灯 の 発 光 原 理 は 教 科 書 か ら 消 え て し ま っ た が こ れ も 原 理 か ら し っ か り 教 え る べ き だ と 考 え る 次 の 図 は 授 業 で 使 う プ リ ン ト の 一 部 で あ る 実 験 に 用 い る 蛍 光 灯 は 初 期 の 押 し ボ タ ン 式 蛍 光 灯 で 説 明 す る ま た 問 3 の 答 で あ る 高 電 圧 は 安 定 器 に 9 V 電 圧 を つ な い で 電 源 の O N O F F を す る 教 具 を 作 成 し 直 接 生 徒 に 体 験 さ せ る < 実 験 の 図 > 問 1 なぜ 蛍 光 灯 は 端 だけしかつかないのか 安 定 器 問 2 なぜ 蛍 光 灯 の 両 端 のみ 光 るのだろうか < 蛍 光 灯 が 光 るしくみ> 1 2 3 問 3 蛍 光 灯 全 体 を 光 らせるためには 何 が 必 要 なのか 考 えてみよう - 8 -
(9 ) 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (3 ) 光 へ の 変 換 3 前 述 の よ う に こ こ で は 発 光 ダ イ オ ー ド を も ち い て 光 へ の 変 換 を 学 習 す る 発 光 ダ イ オ ー ド は 今 日 価 格 も 安 く 高 輝 度 の 物 が 作 ら れ 身 近 に 多 く 使 わ れ る よ う に な っ て い る の で 必 ず 取 り 上 げ た い も の で あ る ( 詳 細 は 略 ) (10) 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (4 ) 熱 へ の 変 換 熱 へ の 変 換 は 蒸 し パ ン 作 り で 生 徒 の 関 心 を 引 く 工 夫 を す る 右 図 の よ う な 蒸 し パ ン 製 造 器 (?) を 使 い 生 徒 の 前 で 説 明 し な が ら セ ッ ト を 組 ん で い く 回 路 の 途 中 に 大 型 の 交 流 電 流 器 ( 10A 以 上 ) を 入 れ て お く と 電 流 の 変 化 が わ か る の で 説 明 が し や す く な る 中 に 入 れ る 材 料 は ホ ッ ト ケ ー キ ミ ッ ク ス で 卵 を 一 個 入 れ る と お い し い 蒸 し パ ン が で き る 熱 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 を 説 明 し て い る 間 に 材 料 が 大 き く ふ く ら ん で い く の で 生 徒 は び っ く り 授 業 の 終 わ り に み ん な に 小 分 け し て 味 わ う こ と に し て い る (11) 電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 (5 ) 力 へ の 変 換 力 へ の 変 換 は 省 略 す る こ と が 多 い な ぜ な ら 電 気 を 作 る で 実 証 済 み だ か ら で あ る た だ 時 間 が 許 す と き は ク リ ッ プ モ ー タ ー ( 磁 石 と エ ナ メ ル 線 電 池 ク リ ッ プ で 作 っ た 簡 易 モ ー タ ー ) を つ く ら せ る こ れ は 理 科 の 教 科 書 に 載 っ て あ り 実 習 さ せ て い る こ と も あ る の で 無 理 に す る 必 要 は な い (12) 発 電 所 か ら 家 庭 ま で エ ネ ル ギ ー 変 換 の 授 業 計 画 は 電 気 学 習 が 主 流 で あ る 従 っ て こ の 発 電 所 か ら 家 庭 ま で の 学 習 は 不 可 欠 で あ る 電 気 を 作 り 送 り 出 す 発 電 所 か ら ど の よ う な 経 路 で 電 気 が 送 ら れ 家 庭 で 効 率 よ く か つ 安 全 に 電 気 を 使 え る よ う に な っ て い る か は ぜ ひ 押 さ え た い 内 容 で あ る 詳 細 は 省 く が 送 電 の し く み 屋 内 配 線 は 自 作 教 材 を つ く り わ か り や す く 説 明 し て い き た い (13) 電 気 の 安 全 な 使 い 方 電 気 の 取 り 扱 い の 中 で 電 気 コ ー ド な ど の 安 全 性 に つ い て は 押 さ え て お く - 9 -
内 容 で あ ろ う こ こ で 使 用 す る 教 具 は 下 図 の も の で ナ イ ヤ ガ ラ と 銘 打 っ て 毎 年 使 っ て い る こ の 教 具 は 電 熱 器 の コ ー ド の 途 中 に 細 い コ ー ド と 交 流 電 流 計 を は さ ん だ 物 で あ る 電 熱 器 を 取 り 付 け る タ ッ プ は 複 数 有 り 負 荷 を 増 や す こ と が で き る 実 験 で は こ こ に ド ラ イ ヤ ー を 追 加 す る ド ラ イ ヤ ー を 送 風 か ら ド ラ イ に す る と ( 写 真 で は よ く わ か ら な い が ) 回 路 の 途 中 に 渡 し た 細 い 線 か ら 白 い 煙 と と も に 異 臭 が 漂 い 始 め る し ば ら く す る と こ の 線 か ら さ ら に 白 い 煙 が 滝 の よ う に 上 下 に 吹 き 出 し て く る 細 い 線 が 大 き な 電 流 に 耐 え き れ な く な っ た 状 態 が 演 出 で き た わ け だ こ の 実 験 の 後 電 気 の 安 全 な 使 い 方 を プ リ ン ト で ま と め て い く こ と に な る 4. ま と め に か え て 私 の 学 習 計 画 で は エ ネ ル ギ ー 変 換 は 電 気 学 習 が 主 流 で あ る 今 電 気 が 無 く て は い ら れ な い 生 活 で は こ の 学 習 が 主 流 で い い と 思 う 機 械 学 習 が ほ と ん ど で き な い の で 若 干 物 足 り な さ も あ り ま た も の づ く り の 時 間 が 少 な い の で 技 術 科 と し て は 不 十 分 か も し れ な い し か し 授 業 時 間 が こ れ だ け 少 な く な っ て し ま っ た 現 在 で は し か た の な い こ と だ と 思 う た だ こ の 学 習 計 画 を 進 め る に あ た っ て 留 意 し て お き た い こ と は 座 学 で 終 わ ら せ な い こ と で あ る 授 業 を わ か り や す く す る た め に で き る だ け 多 く 教 材 工 夫 し て い く 必 要 が あ る こ の レ ポ ー ト で 紹 介 し た 教 具 等 は 教 職 3 0 年 の 間 に 徐 々 に 作 り た め た 物 で あ る ぜ ひ 自 分 で 作 っ て 授 業 に 生 か し て い た だ き た い ( 滋 賀 湖 北 町 立 湖 北 中 学 校 ) - 10 -