気分野の指導に関する一考察
著者
塚本 充
雑誌名
福井大学教育・人文社会系部門紀要
巻
3
ページ
241-251
発行年
2019-01-17
URL
http://hdl.handle.net/10098/10552
本論文では，教員養成系技術科学生に対して，電気分野の能力向上の試みの一環と して，受講学生たちが，小学校から中学校にかけて履修してきた電気関係の項目や 内容を踏まえて指導していることを報告し，今後の授業科目の構成と概要について 検討する。 1．まえがき 近年の科学・技術の発展に伴って，中学「技術・家庭」の技術分野での「ネルギー変換の技術」 や「情報の技術」において取り扱うべき内容も，複雑・多様化，そして高度化しており，限られ た授業時間の中で教える技術科教員の力量向上が求められる。 このような状況にも関わらず，福井大学教育学部における中学技術の 1 種免許を取得して卒業 するための最低必要単位数は，平成10年度までの旧教育学部時代は，40単位であったが，平成11 年度からの教育地域科学部時代には，28単位へと大幅に減少した。 さらに，大学の経営事情もあり，平成27年度より，開講される各教科専門科目の削減を余儀な くされ，それをもとにして，現在の教育学部中学技術の免許取得のための専門科目群が構成され ている 1）。 そのため，福井大学の技術科における電気関連の授業は，「電気工学基礎」「電子工学基礎」に 加えて，「電気工学基礎実験」の3科目にとどまっているが，この3科目で学生に対して，必要な 知識と技能を身につけさせなければならない。また，教育学部では，カリキュラムの見直しを進 めており，2020年度には，開設できる専門科目なども変更せざるを得ないことが懸念されるので， ＊ 福井大学 教育・人文社会系部門 教員養成領域
基づく電気分野の指導に関する一考察
A Consideration of Guidance of Electric Field based on the
Learned Experience for Student in Technology Education
of Teacher Training University
塚 本 充
＊電気分野の科目の見直しも喫緊の課題となる。 一方，福井大学の技術科の学生には，福井県外出身者も一定数おり，それらの県外生は出身府 県での教員採用試験受験を希望しているために，その府県の教員養成大学・学部の技術科の学生 と同等以上の専門科目での知識・技能がなければ，採用されることが難しいことになる。 本論文では，まず，近隣大学の技術科免許科目の中での電気関係の科目数や授業で扱う概要な どについて調査し，本学技術科での電気科目の授業科目・内容の見直しの糸口を探る。次いで， 学生たちが，小学校から中学校にかけて，習ってきた電気関係の内容を学年ごとに振り返り，そ れを踏まえた授業の必要性について述べる。最後に，教育学部として，カリキュラムの見直しを 進める中での技術科の電気関係科目の見直しについて検討する。 2．近隣の大学の技術科の電気分野の授業科目の開設状況 2.1 調査対象と方法 日本教育大学協会や日本産業技術教育学会において，福井大学は北陸支部に所属している。そ こで，本支部所属の大学のうち，中学技術の教員免許状が取得できる新潟大学，上越教育大学， および信州大学の 3 大学に加えて，福井県に隣接している府県の中で技術の免許を出している国 立大学である滋賀大学，京都教育大学，岐阜大学の合計 6 大学の電気関係の授業科目の状況を調 査した。調査は，福井大学を含め，上記大学のWeb上に公開されているシラバス 2）-8） を通してお こなった。 なお，隔年開講などで，毎年開講ではないことも懸念されるため，複数年度のシラバスを確認 した。 2.2 調査の結果と考察 2.2.1 調査結果 （1）新潟大学 1年次後期の「電気Ⅰ」から3・4年次後期の「電気Ⅵ」までの6科目がほぼ半期ごとに開設され ている。また，実験実習として2年次後期の「電気実習Ⅰ」と3・4年次前期の「電気実習Ⅱ」が 開講されている。また，「技術科特別演習（電気）」のAとBが開設されているが，電気関係の歴 史などにも触れており，電気の専門科目の周辺に位置する科目として分類したい。 （2）上越教育大学 2年次後期に「電気工学概論」，3年次前期に「電気工学実験実習」の2科目が開講されており， また，「電磁気学」という科目が開設されているが，担当者の専門分野により，本科目は理科の物 理の学生対象の授業であると思われる。 （3）信州大学 2 年次後期の「電気電子基礎」と 2・3 年次前期集中授業として「電気電子実習」の 2 科目が開
講されており，上越教育大学と同様に「電磁気学」という科目も開設されているが，こちらも理 科の物理の学生対象の授業である。また，「エネルギー変換」という授業が開講されているが，電 気に加えて，機械と環境に関する内容も含まれており，機械を専門とする方が担当者である。 （4）滋賀大学 2年次前期に「電気工学概論」と2年次後期に「電気実験実習Ⅰ」の2科目がシラバスでは確認 できる。「電気実験実習」に「Ⅰ」があるので，「Ⅱ」以降も存在するものと思われるが，何かの 事情で開講できていないものと推察される。 （5）京都教育大学 「電気基礎・実習」「電気技術概論」「電気電子実験」の3科目に加えて，「電気工学特講」と「電 気工学演習」があるが，この 2 科目は，卒業研究のための学習や文献調査，そして進捗報告など が中心の 4 年次生が履修する科目となっており，ゼミ相当と推察され，通常の授業科目とは異な るものとして分類する。 なおシラバスには，対象の学年が記載されていないが，基礎的な講義や実験は他大学同様に 2 年次から3年次に受講するものと思われる。 （6）岐阜大学 2 年次前期に「電気電子工学」，2 年次後期に「電気電子工学及び実習」，3 年次前期に「電子回 路」，4年次前期に「電気電子工学及び実験」の4科目に加えて，「電気電子工学演習Ⅰ」と「電気 電子工学演習Ⅱ」が開設されている。ただ，演習の2科目は，4年次生対象であり，かつ，授業の 場所が「研究室」となっているために，ゼミ形式の授業と思われる。また，「電磁気学（講義及び 演習）」のⅠとⅡが開講されているようであるが，担当者名より，理科の物理の授業であることが 推察される。 2.2.2 考察 各大学のシラバスより，読み取ることのできる授業の内容や方式により，授業科目を「講義」 「実験実習」「ゼミ相当」「関連科目」の4つに分類することとした。各大学の電気関連科目の数は， 表1のようになる。なお，新潟大学の「技術科特別演習（電気）」のAとBと信州大学の「エネル ギー変換」については，関連科目として数えている。
表1 北陸地区と福井県隣接府県の国立大学・技術免許用電気関連科目数 大学名 講義数 実験実習数 ゼミ相当数 関連科目数 新潟 6 2 0 2 上越教育 1 1 0 0 信州 1 1 0 1 滋賀 1 1 0 0 京都教育 1 2 2 0 岐阜 2 2 2 0 福井 2 1 0 0 表 1 より，新潟大学以外は，電気関係の講義も実験実習も 1 科目から 2 科目であることがわか る。ただ，文献1）でも述べているように，福井大学では，「電子工学基礎」を「電気工学基礎実 験」の補習科目のような取り扱いをおこなう年度もあるため，実質的な開講授業科目は，講義， 実験実習とも，1科目となり，近隣大学では，最低の科目数となってしまう。 このような状況で，いかにして学生に電気関係の能力を身につけさせ，指導力向上に取り組む かが課題である。授業以外での種々の取り組みを活かして学生の資質・能力向上を目指している 試みに関する詳細は，文献9）に述べている。 3．電気分野に関する学生の履修経験について 本章では，小学校第3学年以降の「理科」と中学校「理科」の第1分野，および中学「技術・家 庭」の技術分野における現行の学習指導要領とそれらの解説 10）-13） の中から，電気分野に関する項 目と用語・記述を列挙し，履修の概要と相互の関係について考察する。 なお，電気分野としては，いわゆる流れる電気に加えて，静電気や磁気を含むので，「電気・磁 気」と表現するほうが正確かもしれない。 それぞれの記述の中で，電気・磁気関係のキーワードとなる語に下線を施している。 3.1 小学校理科 小学校の理科では，児童は，以下のことがらを理解することになる。以下に学年ごとの項目と 理解する事柄を列挙し，考察を加える。 （1）第3学年 〇「磁石の性質」 ・磁石につくもの，つかないものがあること ・磁石につけると磁石になるものがあること
・磁石の極性の理解 〇「電気の通り道 （電気の回路）」 ・乾電池と豆電球をつなぎ，電気を通すつなぎ方と通さないつなぎ方があること ・電気を通すものと通さないものがあること 小学校の第3学年では，「磁石」と「電気」の概念が扱われる。磁石につく・つかない物質があ ることと磁化の基本概念を学ぶ。また，乾電池と豆電球を使って，電気の基本的な概念として， 「電気を通す」「通さない」という表現を用い，さらに「回路」という表現を用いている。 （2）第4学年 〇「電気の働き」 ・乾電池の数やつなぎ方と豆電球の明るさやモーターの回り方が変わること ・光電池を使ってモーターを回すことができること 第 4 学年では，乾電池を直流電流供給源とし，豆電球やモーターを負荷として，「直列つなぎ」 「並列つなぎ」を扱うこととしている。 （3）第5学年 〇「電流の働き」 ・コイルによる鉄心が磁化する ・電流の向きと電磁石の極の関係 ・電磁石の強さと電流の強さ，導線の巻数との関係 電流の大きさや方向と電磁石の強さや極性との関係を取扱っている。この第5学年で，磁石と電 気という別の概念で扱われていたものが，関係深いことを知ることとなる。電気の「陽極（＋）」 「陰極（－）」の電極と「S」「N」の磁極の「極」の語も混乱と難易度を高めている。 （4）第6学年 〇「電気の利用」 ・電気は，つくりだしたり，蓄えたりできること ・電気は，光，音，熱などに変えられること ・電熱線の発熱は，その太さによって変わること ・身の回りには，電気の性質や働きを利用した道具があること
第 6 学年では，中学校理科のエネルギーの概念や中学技術のエネルギー変換の概念のもととな る事柄を理解することになる。 （5）小学校を通しての電気関係の履修について 小学校では，第3学年で「磁石の性質」「電気の通り道」を学び，第4学年で「電気の働き」，第 5学年では「電流の働き」を習う。そして，第6学年で「電気の利用」などの電流の働きや磁石の 性質についての初歩的な学習をおこなうこととなる。 3.2 中学校「理科」第1分野 中学校理科では，小学校で習った初歩的な事柄をもとにやや高度な内容を扱うこととなる。生 徒は，以下のような実験や観察をおこない，それぞれの現象・関係・規則性などを見いだすこと になる。以下に項目と理解する事柄を列挙し，考察する。 〇「電流」 ・回路と電流・電圧 回路をつくり，回路の電流や電圧を測定する実験 電流，電圧の規則性 ・電流・電圧と抵抗 金属線に加わる電圧と電流を測定する実験 電圧と電流の関係 金属線には電気抵抗があること 電気抵抗に関しては，2つの抵抗の接続による「合成抵抗」について扱うこととなる。また，実 験や観察を通して，電圧，電流，そして抵抗の関係と規則性を見いださせることになる。 ・電気とそのエネルギー 電流によって熱や光などを発生させる実験 電流から熱や光などが取り出せること 電力の違いによる熱や光などの発生量に違いがあること 電力については，電流と電圧の積であり，単位がワット（W）と表され，1Vの電圧を加えて， 1Aの電流を流したときの電力が1Wであることを理解させることになる。 ・静電気と電流
異なる物質同士をこすり合わせると静電気が起こること 帯電した物体間では空間を隔てて力が働くこと 静電気と電流は関係があること 〇「電流と磁界」 ・電流がつくる磁界 磁石や電流による磁界の観察 磁界を磁力線で表すことを理解する コイルの回りに磁界ができることを知る ・磁界中の電流が受ける力 磁石とコイルを用いた実験 磁界中のコイルに電流が流れると力が働くこと ・電磁誘導と発電 磁石とコイルを用いた実験 コイルや磁石を動かすことにより電流が得られること 直流と交流の違いを理解する 本項目では，磁界の概念を取り扱うこととなる。小学校第3学年での磁石と第5学年の電磁石の 知識・概念を磁界中の電流が受ける力や電磁誘導に発展していく。コイルと磁石の相互運動によ り，誘導電流が得られ，それが発電につながることを取り扱うので，難易度が急に高くなるよう に感じられる。 3.3 中学校「技術・家庭」技術分野 中学技術では，小学校理科で習った事柄や中学理科で取り扱う内容をもとにして，社会や生活 に密着した技術的な内容を扱う。 〇「エネルギー変換に関する技術」 ・エネルギー変換機器の仕組みと保守点検 機器の基本的な仕組みに基づく，保守点検と事故防止 ・エネルギー変換に関する技術を利用した製作品の設計・製作 製作品の組立て・調整
電気回路の配線・点検 中学技術の学習指導要領解説には，「屋内配線についても取り上げ，漏電，感電，過熱及び短絡 による事故を防止できるよう指導する」「安全で正しい使用方法を守ることや，保守点検が必要 であることを実験や観察から気付かせる」「製作品の電気的な部分の組立て・調整を行う場合に は，ラジオペンチ，ニッパ，ねじ回し，はんだごてなどの工具を用いて，スイッチや各機器の接 点と適切な接続を行わせるとともに，配線の段階ごとに，回路計等による点検をさせる」といっ た記述がある。 学生への指導に際しては，これらの事項に配慮しつつ，学生自身にも意識を持たせなければな らない。 3.4 小学校・中学校理科，技術での電気関係の履修のまとめ 3.3までで述べた内容をまとめると図1のような流れとして表現される。 図1 小学校・中学校理科，技術における電気関係の履修の流れ •
小3
••小4
• 電気の働き 直列／並列つなぎ •小5
• 電流の働き コイル／磁化／電磁石 •小6
• 電気の利用 電熱線／エネルギー変換の概念 •中2
• • 電流と磁界，電磁誘導，直流交流中学技術
・エネルギー変換に関する技術 ・本技術を利用した製作品の設計・製作 磁石の性質 電流／電圧／電気抵抗，静電気 電気の通り道（回路）このような小学校・中学校での電気の学習を中学技術につなげる研究報告もなされている 14） が，中学理科と中学技術の単元の取り扱いの順序に工夫が必要になる。 なお，現行の学習指導要領の解説本である「中学校学習指導要領解説 理科編」 13）では，「電流」 と「電流と磁界」とは，第2学年に配当されているので，技術の電気分野を第3学年での指導とす ることが妥当かもしれない。 いずれにしても，技術の教員を目指す学生たちが，図 1 のような流れで電気関連の知識・技能 を習得してきていることを踏まえて，学部，場合によっては大学院の授業を組み立てる必要があ り，さらには，授業受講の学生たちにも図 1 の流れで児童生徒が学んでいることを意識させるべ きである。 4．福井大学技術科電気関連科目の概要 4.1 授業開設状況と授業概要 福井大学の技術科における電気関連の授業は，「電気工学基礎」「電子工学基礎」「電気工学基 礎実験」の 3 科目であり，福井県近隣の大学と大差はない。内容も小学校や中学校での復習と思 われる基本的な内容に数コマ割いており，特に高度な内容は扱っていない。 2 年次前期の「電気工学基礎」においては，今までに授業で習ってきた電気に関する事項の振 り返りに始まり，電気の基本用語，オームの法則，キルヒホッフの法則，ジュール熱，ブリッジ 回路に触れる。ブリッジ回路に関しては，その平衡条件を導かせている。 さらに，複素記号法によるリアクタンスやインピーダンス等の表現を扱い，RLC 回路，RC 回 路とフィルタを扱っている。そして，半導体の概念とダイオード，トランジスタの基本的な動作 原理等に触れている。 これを受けて，2 年次後期に「電気工学基礎実験」を開講しているが，実験に関わる諸注意と データのまとめ方の留意点の説明に始まり，テスター作成キットを用いたテスターの製作実習， 抵抗測定，ブリッジ回路，フィルタ回路，ダイオードの静特性，整流回路までは，どの年度でも 取り扱うことができる。シラバスに記述されていても，たどり着かない項目がある年度もある。 「電子工学基礎」については，ある意味において，学生の知識・力量を越えた内容であるために 実質的には，開講されていないので，本科目を名称と内容を変更して，学生の力量向上に資する ことができないか考えることが必要である。 4.2 開設科目の変更案 4.1 のように授業概要を概観すると「電子工学基礎」の内容を「電子」に限らないものとしつ つ，実質的に毎年開講できるように修正することが必要であることが導かれそうである。 2.2.1 で近隣大学の開設科目名を見てきて，演習科目を新規に開講してもよいように思えてい る。つまり演習科目「電気工学基礎演習」の新設である。これには，「電子工学基礎」の授業開設
終了を意味する。現段階での，演習内容として，考えられることは以下のようになる。 ① 電気回路演習 （合成抵抗算出，平衡条件導出，インピーダンスの計算など） ② 増幅回路演習 （周波数を変化させた場合の回路の挙動の観察など） ③ 論理回路演習 （ゲート回路を組んで真理値表の作成など） ④ 電子ブロック演習 ⑤ 電気・電子関係の教材作成演習 ここにあげた③の論理回路においては，現在は，情報関連授業「計算機利用応用演習」のなか で演習をおこなっているが，情報，電気ともに著者が担当しているために，柔軟なカリキュラム 編成が可能かと思っている。 なお，エネルギー変換の授業のうち，電気関連では，製作を伴うこともあり，配当時間数は， 比較的多いという報告もあり 15），技術免許取得希望者に，電気・電子関連の製作を伴う演習をお こなわせることには意義があると思われる。 5.むすび 本論文では，中学技術の教員免許状の取得を目指す学生の電気関係の力をつけさせるために， 彼らの小学校や中学校における電気関係の履修状況を確認し，中学校での技術の指導とその指導 者となる学生の指導の双方をにらんだ電気関係の授業内容と科目の再編について考察した。 中学技術の教員としての力量向上のためであれば，日本産業技術教育学会が，平成20年度から， 「技術科教員指導能力認定試験」という技術科に関する教員養成大学・学部の学生に対する能力 保証を主目的とした試験をおこなっている 16）ので，その受験を促すことも必要かと思っている。 なお，本能力認定試験には，例年70名程度の受験者があり，平成28年度までに129名の合格者 がおり，その 83.3% が小・中・高等学校に勤務しているという 17）。従って，本能力認定試験合格 が，技術教員としての資質・能力を保証してくれているといえる。 いずれにしても，学生の資質を高め，能力を伸ばす方策の検討が今後の課題となる。 参考文献 1） 塚本，川端，平岡：「教員養成系技術科学生を対象とした電気分野の指導に関する実践と考察」；福井大学 教育・ 人文社会系部門紀要，第1巻，pp.265-280 （2017） 2） 新潟大学 シラバス参照・条件入力：http://syllabus.niigata-u.ac.jp 3） 上越教育大学 シラバス検索：http://syllabus.juen.ac.jp/ext_syllabus/ 4） 信州大学 シラバス検索：https://campus-2.shinshu-u.ac.jp/syllabus/syllabus.dll/Search 5） 滋賀大学 シラバス検索：https://success.shiga-u.ac.jp/Portal/Public/Syllabus/searchMain.aspx 6） 京都教育大学 平成 30 年度 教育学部 時間割・シラバス（授業内容）検索：http://kyoumu.kyokyo-u.ac.jp/
jikanwari/2018/search/1_gakubu/gakubu-index.html 7） 岐阜大学 シラバス検索：https://alss-portal.gifu-u.ac.jp/campusweb/syllabus.html 8） 福井大学 SYLLABUS：https://syllabus1.sao.u-fukui.ac.jp/ 9） 塚本：「教員養成系技術科学生を対象とした情報分野と電気分野の指導に関する実践と考察」；福井大学 教育・ 人文社会系部門紀要，第2巻，pp.243-256 （2018） 10） 文部科学省：「小学校学習指導要領」（2008） 11） 文部科学省：「中学校学習指導要領」（一部改正） （2010） 12） 文部科学省：「小学校学習指導要領解説 理科編」（2008） 13） 文部科学省：「中学校学習指導要領解説 理科編」（2008） 14） 大高，勝本：「電気回路の学習における小学校理科と中学校技術科の関連性の検討」；日本産業技術教育学会第 61回全国大会（信州）講演要旨集，p.79 （2018） 15） 全日本中学校技術・家庭科研究会，全国中学校産業教育教材振興協会：「中学校技術・家庭科技術分野の現状 と課題－調査の狙いと調査結果報告－」；日本産業技術教育学会誌，第58巻，第4号，pp.251-255 （2016） 16） 技術科教員指導能力認定試験事務局：「技術科教員指導能力認定試験の現状と課題」；日本産業技術教育学会 誌，第56巻，第4号，pp.289-292 （2014） 17） 日本産業技術教育学会 技術科教員指導能力認定試験委員会：「技術科教員指導能力認定試験の検証 －合格者 への追跡調査及び教員採用試験との関連性から－」；日本産業技術教育学会誌，第 58 巻，第 4 号，pp.245-250 （2016） ※ 参考文献中のURLは2018年9月28日に存在していることを確認している。
