大学生の回路・電流概念に関する実態報告 : 実態に即した電荷保存モデルの開発と授業実践

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(1)Title. 大学生の回路・電流概念に関する実態報告 : 実態に即した電荷保存モデルの開発と授業実践. Author(s). 高松, 諭志; 倉賀野, 志郎. Citation. 釧路論集 : 北海道教育大学釧路校研究紀要, 第42号: 117-125. Issue Date. 2010-12. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/2361. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) 釧路論集－北海道教育大学釧路校研究紀要－第42号（平成22年度） Kushiro Ronshu, - Journal of Hokkaido University of Education at Kushiro - No.42(2010):117-125. 大学生の回路・電流概念に関する実態報告－実態に即した電荷保存モデルの開発と授業実践－高松諭志１・倉賀野志郎２１２. 北海道教育大学大学院理科教育専修. 北海道教育大学釧路校地域学校教育専攻. The actual situation report about university student's electric circuit concept -Teaching model development for electric charge conservation, and class practiceSatoshi TAKAMATSU, Shiro KURAGANO. 大学生を対象に行ったアンケート調査から実に多様な回路観、電流観がみえてきた。それはＲ．オズボーンらの類型化した子どもの構成する電流認識を遥かに超えて複雑であり、中等教育を経ての一層の混乱の様相を感じさせるものであった。本論文は主として回路教育の課題を示唆する基礎資料として位置づくものである。この調査結果から明らかになった電流・電圧等の概念の未分化や、対象となった大学生の大部分が電流減衰モデルを支持している実態を踏まえ、電流観のパラダイム形成の基礎となる電荷保存概念獲得を促すモデル開発・授業実践を行なった。モデル教具に関しては、従来１つのモデルではできなかった「電流保存」と「電子の流れとしての電流」という電流の構造である２点の視覚化を試みた。授業を終えて、大部分の学生が電流に対する「粒子性」、「保存」の概念を獲得することができた。しかし、この実践は一面的であり、ここで明らかになった教育課題をはじめとした電流・回路教育の混乱を解消していけるだけの教授法は未だに確立していない。実験結果を日常的な感覚で解釈することが困難であることや、回路における規則性の学習というのが子どもの問いに即していないこと、 “電流・電圧・電力”等のことばの分化が難しいことなどが問題として考えられる。この問題意識をもってすれば、単に教師主体の知識詰めこみ教育、子どもの前概念に働きかけた概念変換を促す教授法だけでは不十分である。このような状況を踏まえて教授法の再検討はもちろん、教育課題の明確化、教育内容の精選を今一度すすめて行かねばならないだろう。. おいては規則性の発見というよりも、モデルを用いた規則. １．はじめに（問題の所在）. 性の解釈に重点が置かれている。個人的構成主義といえば、子どもの電流概念の話題がそ. こういった学習の背後にあるカリキュラムは、「結局、. の代表格としてあがるだろう。単純回路における子どもの. 電流・電圧って何なのだろう？」といったような子どもの. 電流概念の類型化をしたオズボーン(1)らの研究を受けて、. 問いに即していないと考える。結果として、オームの法則. 日本でも子どもの電流概念を明らかにしようとする研究は. や水流モデルを教えこみ、テスト問題を解くことに短絡的. 行われてきた。また事態がそれをこえて複雑であることを. に熟達させることにどんな意味があるだろうか。. (2). 日本で明らかにした研究もある（安藤）。そのような学. 「電圧は水位差だというが電気の落差ってどう考えれば. 習者の実態を受け、さまざまなモデルや教授法が模索され. いいの？」、「電流計ってそもそも何を測っているの？電気. ているが、電気回路に関する理解困難な実態の解決にはつ. の勢い？速さ？」、「電池はなぜ寿命があるの？」、「豆電球. ながらないでいる。. では何が消費されているの？」といったような潜在的な子. 電流計・電圧計の示す値から回路の規則性を学習するだ. どもの問いと向き合った本質に迫る教育内容が、真の意味. けでは、真の意味での電流・電圧理解にはつながらないだ. での電流・電圧・回路理解には必要なのではないだろうか。. ろう。しかし、だからといって電流・電圧計で何をどのよ. それは子どもの前概念に不満を持たせ概念変換を促すため. うに測っているかを明らかにすることも困難である。中学. の絶好の機会であり、そのプロセスの中にこそ学び方を学. 校第２学年「電流のはたらき」の単元では、回路における. ばせることができるのだと考える。. 電流や電圧の規則性を見出すことを１つのねらいとしてい. また、本研究であえて大学生を調査の対象とするのは、. (3) る（指導要領解説）。その規則性を覚え、オームの法則. 大学生のわからなさには中等教育を通しても答えてもらえ. に適用しながら問題を解くことを求められる学習の現状に. なかった潜在的な問いに起因していると考えたからだ。そ. － 117 －.

(3) 高松諭志・倉賀野志郎ういった問いや子どもの学びに即したカリキュラムの再検討、教授法の改善がされていく必要性を感じる。２．研究の目的本研究では問題の所在であると考える、子どもの学びに即していない回路教育のカリキュラムを再検討するまではできないが、大学生の回路・電流概念を明らかにすることを主な目的として取り組んできた。とりわけ直列回路における抵抗１つの場合と２つの場合とでの電流認識を明らか. 〔３〕の設問においては（エ）の選んだ者はなかった。. にすることをねらいとし、状況に依存しない正答者の直列. ここでは〔３〕、〔４〕における（ア）（イ）の選択肢を「電. 回路における電流説明の共通性を考察した。また、そこで. 流非保存」、（ウ）の選択肢を「電流保存」の考え方として. 明らかになった共通性を基本視角とした授業プランを開発. 回答の推移パターンを分類する。. した。. ① （ア）、（イ）→（ア）、（イ）電流非保存 → 電流非保存 ② （ア）、（イ）→（ウ）. ３．対象と方法. 電流非保存 → 電流保存【調査の対象】. ③ （ウ）→（ア）、（イ）. 北海道教育大学釧路校２年生 141人. 電流保存 → 電流非保存 . 【調査実地日】 . ④ （ウ）→（ウ） . 平成21年（2009年）11月30日. 電流保存 → 電流保存 . 【調査内容】〔１〕豆電球がつく回路の条件について. 学生が描いた〔５〕の説明図はP ６～の資料ページに紹介. 〔２〕電流、電子の流れる向き、電子の存在認識について. する。. 〔３〕豆電球１つの直列回路を流れる電流の大きさ（抵抗前後における）について〔４〕明るさの異なる豆電球２つの直列回路を流れる電流の大きさ（各豆電球における）について〔５〕〔３〕の回路内部における電流、電圧を絵やことばで説明しようを用意し、設問ごとの回答の分布、考え方を類型化した。次に〔３〕→〔４〕の回答の推移パターンごとの〔５〕の絵に表れる特徴を挙げる。そこから状況に依存しない正答者の電流説明にみられる共通性を取り上げて考察する。４．結果と考察. 電流保存. 電流非保存. 図１．回答の推移パターン ① 電流非保存 → 電流非保存 33％・何らかの電気が抵抗通過後に消費されると考える者がほとんどであった。しかしそれは電流に限らない。・電流概念があいまいである。・流れや向きとしての電流を理解する傾向が強い。・粒子性のある〔５〕が少ない。ある場合も非常に多様な説明である。何らかの電気が抵抗通過後に消費される減衰モデルの考. － 118 －.

(4) 大学生の回路・電流概念に関する実態報告えがほとんどであった。しかし、それが電流かというとこ. 答者である④の中で理論を持って電流保存を選択した者に. ろまでは判断が難しい（①－Ａ,Ｂ,Ｅ）。また、①を選び. は粒子性のある〔５〕の記述が多くみられた。また、衝突. ながらも絵の矢印の太さに変化がない記述があったことか. 説は②を除くすべてのケースにあることもわかった。（①. らも、電流をあらわすのに用いられた矢印は必ずしも、そ. －Ｉ、③－Ｇ,Ｊ、④Ｊ,Ｋ）. の増減を表すものとして使われていないと考えられる。（①. 状況に依存しない正答者（④の回答者）の電流説明にみ. －Ｌ,Ｍ）。また、電子の流れと電流とを完全に区別するよ. られる共通性は、主に「電流を粒子として記述しているこ. うな回答もみられた（①－Ｇ,Ｋ）. と」、「電流を量として捉えていること」があり、他の回答者との違いとしてあげられる。粒子により電流をイメージ. ② 電流非保存 → 電流保存２％. することは、量としての電流概念獲得を促し、保存量とし. 標本数が少ないために考察の対象とはしない。. ての電流イメージをつくりやすくすると考える。それに関連した研究では、電流の強さについて流体よりも粒子の方がイメージしやすいことを明らかにした衣笠ら（4)の報告も. ③ 電流保存 → 電流非保存 34％. ある。・電流概念が多様であり、あいまいである。. . ・電流概念の多様さに伴い電圧観も多様。. 筆者はアンケートで明らかになったこのような実態を受. ・〔５〕の絵に粒子的な記述が多い. けて、電荷保存概念の獲得がはじめに達成されるべき課題. ・〔３〕の理由として、「覚えた・なんとなく・直列だから」. であると考えた。それは電子の「存在し、移動する」とい. などの定性的記述が多い. うイメージが電流をエネルギー概念ではなく量概念として理解させ、電圧概念を位置づけていくための足がかりにな. 粒子や矢印などが抵抗前後で増減するような〔５〕の絵. ると考えたからである。上述のような仮説に基づき、直列. はほとんど見られない。また、〔５〕の特徴として粒子の. 回路における電荷保存モデルを開発し、電荷保存概念獲得. 絵を描く者が多くみられた。（③－Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ）. を目指す授業実践を行った。. 「電流は流れる電気の勢い、速さ。電圧はその量」といったような非常にあいまいな電流概念が読みとれる記述が他. ５．授業展開. と比べ多かった。（③－Ｋ,Ｌ,Ｍ） ① 電荷保存モデルの開発 ④ 電流保存 → 電流保存 31％アンケートの中で、電流をエネルギー的に捉え電流減衰・量としての電流概念が読み取れる記述が多数あり。. モデルを支持する者が多かったことや、設問〔５〕の説明. ・電圧観は多様。. に「電気の“向き＝電流”、 “勢い＝電圧”」や「電気の“勢. ・〔５〕の絵に粒子的な記述が多い. い＝電流” 、 “量＝電圧” 」という考えがあったことなどか. ・〔３〕の理由として、「覚えた・なんとなく・直列だから」. らも、多くの大学生のあいまいな電流観が明らかになった。. などの定性的記述が多い. 私も高垣(5)の主張するように、減衰モデル克服のためには単純電気回路において「何が供給源で、どのようなルー. ④と同様に、粒子や矢印などが抵抗前後で増減するよう. トで何が消費されるのか」を明示することの重要性を感じ. な〔５〕の絵はほとんど見られず、〔５〕の特徴として粒. る。そのため、消費されない量としての電流観を形成する. 子の絵を描く者が多くみられた。しかし、電流を量的に捉. ことは電池（供給源）の仕事を考える材料となり、電圧理. える記述がみられたのが①～③と異なっていた（④－Ｅ,. 解や単純回路理解につながっていくものだと考える。. Ｌ,Ｍ）. 【考察】アンケートの解答結果から設問を見直さなければ電流・電圧等の概念を読みとれない部分が多くあることがわかった。しかし、この調査により単に電流概念の類型化といって分類しきれない、中等教育を経て一層混乱した実態が明らかになった。両設問に正解した者もほとんどは納得の論理を持っているわけでない。むしろ、誤答である電流非保存の回答者の方が〔３〕で自身の論理的な記述をしている。一貫した正. 電荷保存モデル. － 119 －.

(5) 高松諭志・倉賀野志郎このモデルは高分子吸水球（自由電子）が電場（重力場）. 【授業展開】. で力を受けて電池のマイナスからプラスへと移動する装置. ① 課題把握（直列回路を流れる、抵抗前後での電流の大. である。このモデルを用いれば高分子吸水球のアナロジー. きさ）. により粒子の流れ（電流）を保存量として捉えることが視. ② 仮説交流（考えた理由を絵やことばで説明しよう。ワー. 覚的に可能である。また、高分子吸水球を上のボールにく. クシート【問題１】）. み上げることで電池の仕事を説明することも可能である。. ③ 電流の測定・仮説検証. 図の高分子吸水球は、100円均一の園芸コーナーで購入す. ④ 仮説の再検討. ることができる。. ⑤ モデル提示 ⑥ 物質の構造 ⑦ 公理：電荷間相互作用 ⑧ 電池のしくみを考える ⑨ 電池内部の電位モデル：メダカの学校 ⑩ 絵やことばで直列回路を説明しよう（ワークシート【まとめ】）本来ならば数時間の学習プランになると考えるが、⑨を除く①～⑩のステップをコンパクトにして50分の授業を行なった。⑥、⑦において既習事項を問い直すといったスタンスで授業を進行させていることからも本授業プランの対象は大学生であり、あらゆる対象に普遍的に有効なプラン. . ではもちろんない。. 並列回路についても説明可能なモデルにするために、改. この授業の対象となる生徒の１番多くが持つ電流モデル. 良の余地はある。並列回路用ホースを開発するなどしてキ. は減衰モデルである。減衰モデルに固執する学習者の実態. ルヒホッフの法則を視覚的に理解させることのできるモデ. を明らかにした永井(6)らの研究からも、電流を生じる要因. ルにしたいと考えている。. を考え、電池内部の機構を明らかにすることは教育的意義があると考える。. ②電荷保存モデルを用いた授業展開. 授業の中では電池の仕事の説明を試みるため、その前段階に物質の構造についての学習も組み込んだ。導線や電池. 作成した電荷保存モデルを用い、以下のような大学生の. をつくる全ての物質は原子核（＋）と電子（－）から成っ. 回路・電流概念の実態に即した授業プランを開発、展開し. ており、電荷間には引力と斥力がたらくということを再確. た。. 認した。この電荷間相互作用の前提は、さまざまな電気現象、複雑な電気回路などにおいても演繹的に思考をめぐら. ○ あいまいな電流概念. せるための道具になりうると考える。. → 電流、電圧概念の多様さ、未分化 → 「電流≠電子の流れ」. ③授業実践の考察. ○ 電流減衰説の支持者が多い ○ 電流保存説支持者の理解が定性的である. ワークシートの記述内容から授業前後の電流概念の変化. ○ 電池の仕事イメージの多様さ. を考察する。まず、下図は授業開始直後に提示したワークシート①の問題である。授業前の学生の「直列回路におけ. 【目標】. る抵抗前後の電流の大きさ」に関する認識は以下のようで. （１）電荷保存概念を獲得し、直列回路における抵抗前後. ある。. の電流の大きさを理解することができる。（２）電荷間の相互作用という前提から、電池の仕事を積極的に考えようとすることができる。【日時】平成22年（2010年）1月18日（月）１講目（50分）【対象】北海道教育大学釧路校２年生生徒役16名. （ア）８人（イ）０人（ウ）８人（エ）０人. － 120 －.

(6) 大学生の回路・電流概念に関する実態報告大学生の実態調査でも大部分が減衰モデルを支持していたように、授業においても生徒の半数が豆電球前後で電流が変化すると考えていた。その理由として、豆電球で電流が消費するからというのが（ア）を選んだ生徒全員の考えであった。次に、ワークシート②における【問題１】と【まとめ】から生徒の電流概念の変化を考察する。【問題１】と【まとめ】は同じ問題である。【問題１】は授業の最初に、【まとめ】は授業の終わりに、提示した回路における電流の説明を生徒にさせるために用いた。この授業では電荷保存概. 【問題１】の時点では、電流減衰モデルとして（エ）〔粒. 念の形成を１つ目標としている。そこで生徒役16人の【問. 子×保存×〕の回答が半数を占めていた。そして（ア）〔粒. 題１】（授業前）、【まとめ】（授業後）の絵の変化を次の２. 子○保存○〕を選んだ生徒は１人もいなかった。しかし、. つの観点から考察する。. 授業後に描いた【まとめ】の絵では、目標達成に１番近い. （１）粒子：電流を粒子の流れとして理解できる. （ア）〔粒子○保存○〕を選んだ生徒の数が13 ／ 16人にま. （２）保存：電流保存の概念を持っている. でなった。また、粒子性はないにしても、回答した16人全員が（２）の保存の条件を満たす（断定できないものもある）絵を描いていたことからも、モデル教具を用いた本授業プランは電荷保存概念の獲得を目指す上で有効的であることがわかった。しかし、【まとめ】で（ア）に分類された絵についても多様性があることからも、生徒によって理解は一律ではないことも明らかである。これらのことが意味することや概念調査の方法は残された課題として検討していきたい。６．おわりに（まとめ）大学生を対象として行ったアンケート調査より大学生の回路・電流概念の混乱の様子が明らかになった。その事例としては後の資料をみてもらいたい。筆者の分析は１つの観点にすぎず、この資料自体にもっと吟味する価値があるという思いからも具体的資料は多く載せた。本研究では、２種類の直列回路において、変わらず電流保存の概念を保有し続ける者の単純回路の説明図には「粒子」、「量としての電流観」という２つの特徴があることを読み取った。その結果からも、粒子量としての電流を視覚化できる電荷保存モデルの開発、それを用いた授業を展開した。結果として、大部分の者が電流を「粒子」、「保存するもの」として記述していたことからも、学習者の電流観. ワークシート② 提示した回路. を科学モデルへと接近させることはできたと考える。しかし、電圧をどう教えていくか、社会での実用性・育. 生徒の描いた絵を. てたい子どもの能力を考えた上でどのような教育内容を構. （ア） ― （１）、（２）両方を満たす粒子○保存○. 築するべきなのか、現行の規則性発見を重視したカリキュ. （イ） ― （１）のみを満たす粒子○保存×. ラムをどのように子どもの学びへと接近させていくのかな. （ウ） ― （２）のみを満たす粒子×保存○. ど検討していくべき課題は多い。そういった課題と向き. （エ） ― どちらも満たさない粒子×保存×. 合っていく上でも、教育の対象である子どもの実態だけでなく、元小・中・高生である大学生の実態把握は意義があることだと考える。註 (1)Ｒ．オズボーン他，森本，堀訳「子ども達はいかに科. － 121 －.

(7) 高松諭志・倉賀野志郎学理論を構築するか」，東洋館出版,1988 (2)安藤裕明他「単純回路に関する小・中学生の考え方の再検討」，科学教育研究,Vol.21 ,No2,1997 （日本科学教育学会） (3)文部科学省「中学校学習指導要領解説理科編」，大日本図書株式会社，2008（Ｈ．20） (4)衣笠高広他「小学校理科における学習者のメタファー. ①－Ｅ. を生かした概念形成に関する研究―第６学年「電流のはたらき」の授業を通して―」，日本教科教育学会誌， Vol.22,No3,1999，（日本教科教育学会） (5)高垣マユミ他「「理想電圧源（電池）モデル（3DCG教材）」を導入した「電流」と「電圧」概念の統合」，理科教育学研究,Vol.45,No1,2004,（日本理科教育学会） (6)永井秀樹他「子どもが考えた電流モデルの有効性について」，理科教育学研究Vol.40,No1,1999. ①－Ｆ. 資料 ① 電流非保存 → 電流非保存 33％. ①－Ｇ. ①－Ａ. ①－Ｈ. ①－Ｂ. ①－Ｉ. ①－Ｃ ①－Ｊ. ①－Ｄ ①－Ｋ. － 122 －.

(8) 大学生の回路・電流概念に関する実態報告. ①－Ｌ. ③－Ｃ. ①－Ｍ. ③－Ｄ. ② 電流非保存 → 電流保存 2％. ③－Ｅ. ②－Ａ. ③－Ｆ. ②－Ｂ ③ 電流保存 → 電流非保存 34％ ③－Ｇ. ③－Ａ ③－Ｈ. ③－Ｂ ③－Ｉ. － 123 －.

(9) 高松諭志・倉賀野志郎. ③－Ｊ. ④－Ｃ. ③－Ｋ. ④－Ｄ. ④－Ｅ. ③－Ｌ. ③－Ｍ ④－Ｆ ④ 電流保存 → 電流保存 31％ . ④－Ａ. ④－Ｇ. ④－Ｂ. ④－Ｈ. － 124 －.

(10) 大学生の回路・電流概念に関する実態報告. ④－Ｉ. ④－Ｊ. ④－Ｋ. ④－Ｌ. ④－Ｍ. － 125 －.

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