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天動説的宇宙観と地動説的宇宙観を
結びつけるデジタル地球儀教材の開発
（１）はじめに 国立天文台の行った調査の報告（2004）では，「小学 校４年生～６年生の約４割は太陽が地球のまわりをま わっている天動説を支持」とある。これはニュースで も大きく取り上げられた。しかし，児童生徒に天動説 の考えを持たせることは間違いではない。なぜなら， 天体の座標を決めるために利用されている天球の概念 は天動説に基づくものであるからである。そこで，そ んな中で私たち理科の教師に必要なことは何であるか を考えた。 小学校では天体に親しませ，日々の生活の中の太陽 や星の動きをていねいに観察させる必要性から，まず は天動説で宇宙の学習を行う。 また，中学校の学習指導要領には，「太陽や星座の日 周運動の観察を通して，その現象が地球の自転による 相対的運動であることをとらえさせる」とある。つま り，小学校で身につけた地球上から宇宙を見たときの 視点（天体の視運動）と，地球外から見た地球の運動 の視点（地球の実運動）を結びつけさせること，言い かえれば，自分中心の視点（天動説的宇宙観）と自分 の外側からの視点（地動説的宇宙観）を自由に切り替 えられる生徒を育成することが私たちの使命であると 言える。 （２）研究の概要 これまでの中学校での天体学習では，相対的運動を 教えるときに，黒板で平面的に説明することが多かっ た。これは，生徒にとって抽象的で理解しがたいもの である。また，見せたら分かる式の従来のモデル実験 では，生徒の問題意識が高まりにくい。問題意識がな いままの授業では，生徒に内容を十分に理解させるこ とが難しくなる。そこで，この問題を解決するために， これまで広く用いられてきた地球儀や天球儀を用いた モデル実験に改良を加え，開発したモデル実験教具『ア ース君』（図１）を２年前に製作した。この教具を使用 して，生徒に自由に地球上と地球外の視点を切り替え させながら，天体の日周運動について考えさせる場面 を多くもてるような授業実践を行ってきた。大半の生 徒からは，「非常に分かりやすい。」や「実験，観察を 行うことで理解がしやすかった。」などの評価を受けた が，どうしてもアース君に取り付けられた透明半球を 実際の天球と見立てることが苦手な生徒も見られた。 この状況を改善するため，今年度の新たな取組みと して，ノート型パソコン（本校では生徒が自由に使え るノート型パソコンを約１０台所有）とｗｅｂカメラ をアース君に取り付け，リアルタイムで地球からの視 点と宇宙からの視点を切り替えられるように改良し， 単元に組み込んだ。 図１：実験教具『アース君』 （３）天体の学習における問題点 実践を紹介する前に，天体の学習についてその問題 点を整理すると以下のようになる。 天体の学習をしていて，子どもたちに学習後の感想 を聞くと，「天体の運動と地球の自転・公転の関係が難 しくてよく分からなかった」という返答が多く返って くる。ここには，①観測は様々な制約があり，困難で ある。②実際に手に取って調べることができず，五感 をはたらかせた観察をおこないにくい。③あまりにも 時間的，空間的に大きすぎて，イメージが湧きにくい。 ④地球上から見た天体の運動と宇宙から見た地球の運 動との視点の切り替えが難しい。⑤学習課題が抽象的 になりやすく，問題意識が散漫になりやすい。などの 理由が考えられる。 理科の学習において，実物の観察や実験を通して得 るものは非常に多い。しかし，天体に関しては，観測 が天気の影響を受けやすく，夜に集合することも社会 的に難しくなってきた。そのためか，授業者によって は観測をせずにビデオやお話で終わる場合もある。ま た，最近では光害で星空が見えない地域も増えている。 附属中学校のある大津市でも，中心部では街の光の影 響で天体観測は難しい状況である。しかも，本校では 通学区域が滋賀県全体と広く，夜に集まることは非常 に難しい。しかし，その一方で，子どもたちは天体観 測ができることに喜びを感じている。望遠鏡で昼間の 月を見たり，太陽の黒点を投影板に映すと「見えた！ 見えた！」と嬉しそうである。透明半球に黄道を記録 する太陽観測では「雲よ。ちょっとどきなさい！」と- 50 - 叫びながら楽しんで取り組んでいる。 しかし天体観測は，その記録を授業後に反映させに くいことも問題である。例えば，一度限りの観測では， 黄道の記録からせいぜい太陽の動く角度，南中高度や 日の出の方角を割り出す程度になる。観測記録をもと に，太陽の動きを地球の動きと結びつけるためには， 長期間の観測をおこなったり，天球儀などの違う方法 であらためて理解することが必要である。 ②，③について，スケールの大きなものを分かりや すく説明するために，天球儀や３球儀が考案された。 天球儀は，地球の自転と天体の日周運動を見方を変え て説明できるすぐれた教具である。いろいろな緯度で の日周運動を実験できるのも魅力である。また，３球 儀は地球の自転と公転を分かりやすく説明し，恒星・ 惑星・衛星の運動を理解できるすぐれた教具である。 しかし，これらの教具は高価であり，各校に１台あれ ばよほうである。そのため，教師が『見たら分かる』 式に説明するために使用される場合が多い。私たちは， 子どもたちの既存の認識様式を新しい認識様式に転換 することがいかに難しいか経験している。モデル実験 は，子どもたちにとって『見たらわかる』式であれば よいというものではない。既存の認識と新しい認識の 中に子どもたちの内的矛盾が生まれ，その矛盾を克服 すべく予想や仮説が立てられ，それを検証することが 大切である。 また，指導要領には記されていないが，時間的，空 間的なイメージが確かなものにならない段階で学習を 進めると，地球上から見つめた天体の運行と，地球外 から見た天体の動きとを結びつけることができなくな るので注意が必要である。 ④，⑤については，これまでの観察実験による方法 では解決することが困難である。いかにすれば地球の 自転や公転に起因する難解な視運動（天体の見かけの 動き）を，より簡単に理解させることができるのだろ うか。数学的な平面図形の証明では，子どもたちは学 習当初から興味を失ってしまう。 （４）問題解決のために これらの問題を少しでも打破するために，これまでに 地球儀や天球議を使ったモデル実験が考え出されてき た。しかし，残念なことに従来のものでは問題を充分 に解決しているとはいえなかった。そこで，天体の学 習で欠かすことのできないモデルについて，従来のも のを改良してまったく新しいモデルが誕生した。子ど もたちに『アース君』と名づけられたこのモデル実験 教具は，地球上から地球外へと自由に視点を変えて考 えることができるので，その利点を生かしながら，方 位や天球の概念を形成させ，自然との直接体験から課 題を見つけ，自分の頭の中で考えたことと，観測記録 が結びついいていくという醍醐味を感じさせるような 単元構成をおこないたいと考えた。 また，アース君を用いた実践において，地球から見た 天体の運動（視運動）と地球外から見た天体の運動（実 運動）をより明確に結び付けさせるためには，デジタ ル機器が必要不可欠であると以前から考えてきた。子 どもたちの中には天体観測の結果とアース君の天球で の結果をうまく結び付けられない子どもも見られる。 そういった子どもたちにとって，自分の視覚として， 一瞬の中で視点の切り替えを行うことができれば，天 体の視運動と実運動が容易に結びつくと考えられる。 これを実現するために，小型のｗｅｂカメラをアース 君に取り付け，リアルタイムで子どもたちが視点の切 り替えをおこなえるようにしたいと考えている。また， 実験記録を運動としてつなげるために，パソコンの有 効利用についても考えていきたい。 図２：アース君を使った実験の様子 （５）単元構成について 今回の実践では，次の３つのポイントを意識して単 元の構成を行った。①時間と空間のスケールの巨大を 感じさせ，宇宙・天体に対する興味・関心をより高め ること。なぜなら天体の学習を進めるうえで，他の天 体までの距離がとてつもなく遠いことを意識すること が大切だからである。 ②方位の学習をしっかりと行うこと。方位の概念が 形成できていない状態で天体観測をしても正しい認識 につながるとは考えられない。しかし，ここでは単に 観測地点での東西南北を知るという意味ではなく，地 球上のあらゆる場所で方位を示すことができるように なることが大切である。なぜなら，方位は天体の視運
- 51 - 動と実運動を関連させるひとつのカギにあたるからで ある。｢私｣を地球の外から｢人形｣に例えて見る関係で， この方位をちゃんと理解していないことには｢私｣とア ース君に立っている｢人形｣とが重なって見えないから である。 ③天球と地平線の概念をしっかりつかませること。 肉眼でも望遠鏡を使うにしても，天体の見かけの運動 （視運動）は天球上で起こる。従って，天体の視運動 を天球上できちんととらえておかなくてはならない。 なぜなら，実際の太陽の動きの観測とアース君のモデ ル実験は，透明半球に記録するという作業によって重 なっているものだからである。 （６）単元構成 各時間の学習目標を整理すると次のようになる。 第１次 太陽と星座 ①太陽の直径の 10 億分の 1 のモデルで太陽系のスケ ールの大きさ理解する。 ②ガリレオの黒点のスケッチから太陽は，球体であ ること，ガス体であること，自転していることに気づ く。 ③望遠鏡で見て，星座の星の遠い近いを見分けること ができるかを考え，天球の概念を身につける。（豆電球 によるオリオン座のモデル） 第２次 天体の一日の動きと地球の運動 ①１日の太陽の動きを透明半球に記録し，太陽は真 南に来たとき高度が一番高いことに気づく。 ②人形を用いて，人形が東の方角に太陽を見ている と き が 朝 で あ る こ と を 理 解 し ， 地 球 の 自 転 の 向 き を知る。（アース君，ｗｅｂカメラ使用） ④世界の各地で，太陽はどこから出て，どこを通って， どこに沈むかをアース君を使って調べ，地球上のどこ からでも，昼間の太陽は東から西に動いているように 見えることに気づく。（アース君，ｗｅｂカメラ使用） ⑤東西南北の星の動きから，天頂付近の星の動きに 気づく。（教室全体を天球に見立てて） ⑥地球が自転しても星が動かないようにアース君で 試し，北極星は，地軸の延長上方向にあるので見かけ の位置を変えないことに気づく。（アース君，ｗｅｂカ メラ使用） 第３次 天体の一年の動きと地球の運動 ①季節によって見える星座が異なる理由を説明するこ とができる。（ｗｅｂカメラ使用） ②月日がたつにつれて同じ星が東→西へ動いている ようにアース君を置くことができる。（アース君，ｗｅ ｂカメラ使用） ③季節によって太陽の通り道の違うわけをアース君 を使って説明することができる。（アース君，ｗｅｂカ メラ使用） ④地球から，金星が見える時間が限られている理由 を人形を使って説明することができる。（ｗｅｂカメラ 使用） 図３：アース君とｗｅｂカメラを接続した様子 （７）成果と課題 今回の実践では，太陽と地球の大きさの違いを１０ 億分の１のサイズで考えさせあと，豆電球で作ったオ リオン座をモデルに遠い星と近い星を見分けることが できるかどうかを考えさせた。子どもたちは，1.3ｃｍ かない地球に驚き，150ｍも離れた地球にそのスケール の大きさを感じ，天球という距離を無視した考え方が できることが確認できたようであった。 次に，地球から見た太陽の一日の動きを観察させた 後，アース君を用いて地球外からの視点での確認をさ せた。その際，実際の日の出の方角をもとに，アース 君で同じように日の出を見ることを考えさせ，地球の 自転の向きの意識付けも行った。アース君での実験と 実際の観察とで同じ結果がでたこと，またｗｅｂカメ ラの映像が実際の地球と同じであったことから，生徒 は視点の切り替えのこつをつかめたようであった。 視点の切り替えにさらに慣れさせるために，世界各 地の太陽の動きについて考えさせる授業を組み込んだ。 生徒には，まずは天球上で予想させ，そのあとアース 君とｗｅｂカメラを使って確認させた。生徒の予想で は，天の子午線上での太陽の通過位置はバラバラであ ったが，世界のどこでも東から西へという動きについ てはおおむね揃っていた。このことからも，生徒が予 想をするときに，地球外からの視点を大切にできるよ うになったことが分かった。 公転や地軸の傾きについては，天体の視運動をもと
- 52 - に，アース君を使って自分たちで試行錯誤させながら， 地球の実運動へと結び付けさせるようにした。 今回の実践では自作教材「アース君」を用いた単元 構成で実践したが、子どもたちがどのように感じたか をまとめるために、アンケートを行った。結果を以下 に示す。 ＜生徒の感想＞ ・すごくわかりやすか ったです。知識だけ でなく、宇宙での天 体の様子などを理解 できてよかったです。 黒板だけではとても 想像しにくかったと 思います。 ・動きがスムーズで使 いやすかった。光の あたるところがよく わかった。 ・実際に個人個人で見 ることができるので、 イメージが持ちやす かった。 ・自分たちで書き込ん だりするので、理解 できるとともに印象 に残りました。 ・地軸の傾きや緯度が うまく再現できて、 天体の学習を進める 上で理解を深めるの にとても役立った。 ・宇宙をミニチュアに したようで、天体の ことがよくわかった。 ・入試対策の天体の学 習では３Ｄがなくて イメージしにくかったが、アース君はとてもよかった。 アース君ありがとう！ ・黒板ではできないことも、アース君ならできたり、興味 をもったりできるのがよかった。使ったほうがみんなが 集中していると思った。 ・立体的に分かるのが非常によかった。本質論的に分かる から。 ・どうしても黒板の上だとイメージがしにくくて分かりに くいけど、アース君で実際にやるとわかりやすくてよか った。 ・太陽の通り道を観測する実験がとてもおもしろく、わか りやすかった。本当に地球が動いているのがよくわかっ た。 ・視覚的に平面よりもわかりやすくてよかった。黒板だけ の授業よりも面白かったと思う。 生徒の感想からも、今回の実践は生徒にとっても興 味深いものになったようである。生徒自らが試行錯誤 を繰り返すなかで視点の切り替えを何度も行うので， 視点の切り替えがスムーズに行えるようになったと考 えられる。 私が出会った時点でかなりの完成度であったアース 君にｗｅｂカメラを取り付けたことで，さらにたくさ んの子どもたちが天体に対する理解を深めることがで きたように感じた。しかし，画面上では方位が分から ないので，タブレットなどを利用するなどの工夫が必 要であると感じた。 今後は，地球上で起こるさまざまな現象をアース君 を使って表現することでさらに天体への理解が深めら れると考えるので，アース君で影の観測を行ったり， 小型のソーラーパネルを取り付けて発電量から地面の 温まり方を比較する実験を取り入れた単元構成を考え ていきたい。 なお，本実践は平成１９年度科学研究費の助成を受 けて行った。 （保木 康宏） とてもそう 思う 51% そう思う 44% あまり思 わない 3% 思わない 2% 天体の学習は楽しかったですか。 とてもそう 思う 68% そう思う 29% あまり思 わない 3% 思わない 0% ア ース君を使うことで、天体の学習は理解しやすく なったと思いますか。 アース君 68% どちらか といえば アース君 23% どちらか といえば 黒板 4% 黒板 5% 天体の学習をアース君で行うのと黒板で行うので はどちらが興味をもって授業を受けられそうです か。 アース君 67% どちらかと いえば アース君 24% どちらかと いえば黒 板 5% 黒板 4% 天体の学習をアース君で行うのと黒板で行うのでは どちらが理解が深まると思いますか。
