１ はじめに
家具や住宅，自動車等のようなものづくりの現場では，つくるものをどのような形や構造にする かを設計し，実際に製造し，最終的に評価する一連のプロセスによってものづくりが行われる
1）。 このようなプロセスでは，設計する段階において，つくりたいものをコンピュータ上でデザイン （設 計）し，設計時に入力したデータを機械に出力し，制御することによって，ものづくりを行う
CAD/CAM システムが導入されている。近年，つくりたいものの耐久性を評価する場合には，コン
ピュータ上に現れる設計物を利用して，より耐久性のある最適な製品の形や材料選び等のシミュ レーションができるようになってきた
2）。
以上のようなものづくりの機会を通して，科学的なものの見方や科学の法則や原理を応用しても のを生み出す力を養う教育は，中学校の技術教育で行われている。中学校の技術教育は，ものづく りの内容だけでなく，近年の情報技術教育の促進も視野に入れ， 「技術とものづくり」と「情報とコ ンピュータ」の内容から構成されている
3）。 「技術とものづくり」の内容では，ものづくりの現場に おける基本的なプロセスに準拠して，設計，製作および評価を通して，製作品をつくる中で技術の 教育が行われている。また，中学校の技術教育の教科書では，衝突のシミュレーションの例なども 紹介されており，シミュレーションを通して，製品の強度の計算，構造や機能を検証する重要性が 認識されつつある
4）。このようなシミュレーション技術の教育は，実際の授業ではまだまだ取り上 げられることが少ないが，製品が変形しにくい構造などについて考える場合には，力が作用する条 件などについて視覚的にイメージできる利点がある。近年のわが国における子どもの理科離れの傾 向や科学的応用力の低下が叫ばれているが，このような科学の法則や原理を応用した場面を活用
材料力学の視点から見た中学校技術教育における ものづくりの教育内容の分析
腰塚実穂*・大谷忠*
（2007年11月30日受理）
Analysis of Educational Contents for Material Strength in Junior High School Technology Education
Miho KOSHIZUKA* and Tadashi OHTANI * (Received November 30, 2007)
茨城大学教育学部木材加工研究室（〒310-8512 水戸市文京2-1-1； Laboratory of Education, College of Education, Ibaraki University, Mito 310-8512 Japan）
*
し，子どもが本当に理解しやすい力学の内容について検討していくことは意義がある。そこで，本 研究ではその第一歩として，現在の中学校の技術教育で取り扱われている力学の内容について，科 学の基礎を扱う理科との関連から調べた。さらに，ものづくりの力学の基礎になる一つの学問分野 である材料力学の視点から，現在の中学校で取り扱われる力学の教育内容について検討した。
２ 分析の方法
２-１ 中学校の技術教育で取り扱う力学の内容の抽出方法
中学校の技術教育では， 「本立て」等の作品を通して，設計，製作および評価の一連のプロセスを 学習できる題材
3）が用いられる。そのため，題材の参考例等は，文部科学省の検定を受けた教科書 に取り上げられる場合が多く，それらの題材の製作を通して，学習指導要領に定められた教育内容 を生徒が学習している。そこで，中学校の技術教育で取り扱う力学の内容を調べるため，教科書の 分析を行う前に，中学校学習指導要領解説技術・家庭編における教育内容を分析した。
中学校学習指導要領解説技術・家庭編においては，技術分野における「A 技術とものづくり」の 内容において，製作品の設計の内容を取り上げている
3）。設計の内容には，製作品に用いる材料の 特徴や利用方法を知らせ，使う目的や条件を満たした，機能や構造を考え，製作に必要な図面がか けるように指導すること等が取り上げられている。このような場面では，変形しにくい構造にする にはどうすればよいか等の使用する材料の力学の理解が必要になってくる。そこで，本論では設計 の内容における構造の検討に関する事項から，力学の内容を抽出することにした。
図１は本研究における分析の流れを示す。中学校の技術教育で取り扱う力学の内容を抽出するた め，学習指導要領における力学の内容を抽出し，項目別に分類した。さらに，図１に示すように，
学習指導要領解説に対応する教科書の力学の内容を分析するため，教科書の記述を抽出した。分析 する教科書は，文部科学省の検定を受けた技術分野のK 社および T 社の教科書を用いた
4， 5）。両教科 書から抽出した力学の内容は，異なる表現で記述されているため，記述の表現から同一の内容に分 類した。
２-２ ものづくりの設計段階における力学の内容の分析方法
製作品が変形しにくい構造等について考える場合，力が作用する条件等についてイメージできる
能力が必要になる。このような能力の基礎にある内容は，中学校では理科の第一分野で取り扱われ
ている。図２は中学校学習指導要領解説理科編と教科書で取り扱われている力学の内容を示す。学
習指導要領解説理科編から抽出した力学の内容は，力の単位として「ニュートン」を用いることや
力には大きさ，向き，作用点の三つの要素があること，これらを矢印を用いて表すことが示されて
いる
6）。さらに，矢印を用いて表すことによって，力を具体的なイメージとして表現できることへ
の理解が示されている。そこで，図１に示すような技術分野の教科書における力学の内容の分析
は，理科で学ぶ内容を基礎にして，記述の内容における作用する力の状態を分析した。力の状態の
分析は，項目別に分類した記述の内容が含まれる図をイメージ化し，図中に力を矢印で表現するこ
とによって，作用する力を分析した。作用する力の分析は，構造体に加える力を想定し，力が加わ
ることによって，構造体に作用する力を図中（図３〜５の結果を参照）に矢印でイメージ化した。教 科書の記述の内容を図によってイメージ化し，その構造体に作用する力を矢印で表現することに よって，作用する力と構造の関係を示した。
図１ 本研究における分析の流れ
図２ 中学校の理科で取り扱う力学の内容の特徴
２-３ 材料力学の視点による力学の内容の分析方法
前節で作用する力と構造との関係について示した後，共通する構造の内容別に教科書の記述を 分類した。内容別に分類した構造において，作用する力を簡素化して表記するため，図１の分析 の流れに示すように，作用する力の簡素化モデルを提案した。さらに，簡素化モデルの特徴を把 握するため，機械や構造物の部材の強さや変形を調べる工学の一部門である材料力学の内容と比 較した。比較の方法は，一般的な材料力学に関する専門書で取り扱われる内容を抽出した
8)。内 容の抽出は，力を表現するため，簡略的にイメージ化してある図も同時に抽出し，これらを材料 力学の力の形態モデルとした。図１に示すように，技術分野の教科書の分析を通して，提案した 作用する力の簡素化モデルと材料力学の力の形態モデルとを比較し，技術分野の教科書で取り扱 われる力学の内容の特性を検討した。
３ 分析の結果及び考察
３-１ 現在の中学校技術教育で取り扱う力学の内容の特徴
表１は中学校学習指導要領解説技術・家庭編の解説文において，技術分野で取り扱われている 製作品の設計に関する構造の内容を示す。表中の A 〜 F の項目の内容は，製作品を設計するとき に構造に関して工夫する内容を表している。また，評価の観点は，学習指導要領における知識・
理解や技能，創意工夫等に関する内容別に分類した結果である。表１における構造に関して工夫 する内容は，材料の使い方の工夫を知ることや材料の組合せ方の工夫を知ること，部材の接合の 仕方の工夫を知ること等が含まれている。さらに，製作品の構造の強さを増すために工夫する方 法として，部品の厚さ，幅，断面形状を工夫する方法を知ることや三角形の構造などの部品の組 合せ方の工夫を知ること，補強金具を用いる方法を知ること等が記述されている。すなわち，評 価の観点から捉えると，これらの内容はすべて，知識・理解の内容として記述されており，構造 に関して工夫する知識の理解が望まれていることがわかる。
表２は上述した学習指導要領解説技術・家庭編における構造の内容（表１）に対応する記述を 教科書から抽出した結果である。表２は技術分野の K 社および T 社の教科書における T 教科書で 取り上げる力学の内容を示す。表中の対応する項目 A 〜 F は表１において分類した項目を示して おり，T 教科書では番号 T1 〜 T17 の力学の内容の記述を抽出することができた。これらの記述 は，番号 T1 のように繊維の方向よって強さが大きく異なること，番号 T2 のように側板にくぎ打 ちをしただけでは横からの力に弱いこと等の内容が含まれている。このような内容は，教科書に おける本文や本文解説，表，資料等の記述から抽出することができた。表２の結果に対して，K 教科書においても力学の内容の記述を抽出した結果，それらの内容はチャレンジ，図および参考 等の記述から抽出することができた。以上の T および K 教科書における記述の内容は，内容に含 まれるキーワードは共通しているものの，各々異なる記述を有していた。そこで，両教科書にお ける記述の内容を分類した結果，表２に示すような番号 T1 （K 教科書では K1 に相当）の内容は，
木材の特徴に関する記述の内容として，番号 T2 （K 教科書では本記述は無し）の内容は側板と底
板の組み合わせに関する記述の内容として分類できた。
以上の結果から，現在の中学校技術教育で取り扱う力学の内容は，製作品の構造の知識を理解 する内容が含まれており， それらの内容は構造の組み合わせや接合，部材の断面および補強等に 関する内容を取り扱っていることがわかる。
評価の観点 構造に関して工夫する内容
項目
知識・理解 材料の使い方を工夫する必要のあることを知らせる
A
知識・理解 材料の組合せ方を工夫する必要のあることを知らせる
B
知識・理解 材料の接合の仕方を工夫する必要のあることを知らせる
C
知識・理解 部品の厚さ，幅，断面形状を工夫する方法があることを知らせる
D
知識・理解 三角形の構造などの部品の組合せ方を工夫する方法があることを知らせる
E
知識・理解 補強金具を用いる方法があることを知らせる
F
表１ 中学校学習指導要領解説技術・家庭編で取り扱う設計に関する力学の内容
記述の内容の分類 抽出箇所
教科書における力学の内容の記述 対応す
番号 る項目
木材の特徴 本文
繊維の方向によって強さが大きく異なる A
T1
側板と底板の組み合わせ 本文解説
側板にくぎ打ちをしただけでは横からの力に弱い B
T2
背板と側板の組み合わせ 本文解説
幅のせまい背板をつける B
T3
背板と側板の組み合わせ 本文解説
背板を２枚つけるとさらに強くなる B
T4
木材と木材の接合方法 表
くぎ，接着剤 C
T5
木材と金属の接合方法 表
ねじ，接着剤，小ねじ，ボルト，ナット C
T6
木材とプラスチックの接 表 合方法
ねじ，接着剤 C
T7
金属と金属の接合方法 表
ねじ，リベット，はんだ C
T8
金属とプラスチックの接 表 合方法
ねじ，接着剤 C
T9
プ ラ ス チ ッ ク と プ ラ ス チックの接合方法 表
ねじ，接着剤，補強材 C
T10
木材と木材の接合方法 相がきつぎ，おおいれつぎ，だぼつぎ，通しほぞつぎ， 資料
C 留めつぎ T11
部品の使い方と強さ 資料
断面が１：２の長方形の棒材の使い方で強さが２倍になる D
T12
棒材の断面の工夫 資料
Ｉ形，Ｈ形，Ｌ形 D
T13
金属うす板の断面の工夫 本文解説
折り返し，ふち巻き，波形，折り曲げ D
T14
四角形と三角形の構造 四角形の構造は不安定なので，部材を加えて三角形の 本文解説
構造にすると安定したじょうぶな構造になる E
T15
三角形の構造 本文解説
背板の四すみをくぎ打ちをすると三角形の構造になる E
T16
木材と木材の接合の補強 資料 方法
F 補強金具 T17
表２ T教科書で取り上げる力学の内容
３-２ 力学の内容における構造体に作用する力の特性
図３は技術分野の K 社および T 社の教科書で抽出した材料の使い方を工夫する内容において，力 学の内容の記述を模式図によりイメージ化し，構造体に作用する力の状態を分析した結果である。
図中の対応する番号は，表２に示すような K および T 教科書の記述の番号を示している。図３にお ける記述の内容は，木材の特徴（項目 A ‐ 1）に関して，繊維方向の異なる 2 枚の木材の板に垂直方 向から力を加えた場合が想定できる。このような 2 枚の板における作用する力と構造の関係におい て，材料が強い方向に注意して使い方を工夫する場合には，図中に示した作用する力を考えること ができる。材料の特徴（項目 A ‐ 2）では，材料の曲げ変形に注意して種々の材料の使い方を工夫す るには，項目 A‐1 と同様，図中に示した作用する力を考えることができる。
図４および図５は材料の組み合わせ方や部品の形状等を工夫する内容について，図３の場合と同 様，構造体に作用する力の状態を分析した結果である。項目 B は材料の組合せ方について，項目 D は部品の形状等に工夫する内容を示している。項目 B では，底板と側板の組み合わせ（項目 B‐1）
や背板と側板の組み合わせ（項目 B‐2，B‐3，B‐4）における接合部分の接合力に注意して，作 用する力を考えることができる。さらに，項目 D では，金属平板の断面の工夫（項目 D‐1）や棒 材の断面の工夫（項目 D‐2，D‐3）に注意して，作用する力を考えることができる。
以上の結果から，技術分野で取り扱う力学の記述を模式図により表し，構造に使用する部材自身 や接合部分等に作用する力の状態を矢印を用いて具体的にイメージ化できる。
図３ 項目Aの材料の使い方を工夫する内容における作用する力の状態
３-３ 材料力学の視点から見た中学校の技術教育の力学の形態
図６は技術分野で取り扱う力学の内容において，具体的にイメージ化した作用する力が共通する 内容をまとめた結果を示す。図中の作用する力と構造の関係は，作用する力が共通する内容別に，
対応する項目を分類した結果である。対応する項目が A‐1，F‐1，F‐2 および F‐3 を含む内容で は，材料が強い方向に注意して使い方を工夫する内容や接合部分に補強金具を用いる方法等が含ま れる。すなわち，これらの内容では材料や補強金具に生じる曲げ強さが問題になり，作用する力を 簡素化して考えると，曲げ強さのモデルを取り上げることができる。項目 A‐2 を含む作用する力 と材料の曲げ変形との関係では，材料を曲げたときのモーメントが問題になり，曲げモーメントの 簡素化モデルが抽出できる。項目 B および C の内容を含む作用する力と接合力との関係では，材料
図４ 項目Bの材料の組合せ方を工夫する内容における作用する力の状態の分析
の組み合わせや材料の接合の仕方における接合力が問題となり，重なり合う部材における面同士の せん断力の簡素化モデルが抽出できる。さらに，リベット接合等の例を含む接合材料のせん断力の モデルや異なる形状の断面に作用する力が問題となる断面の形状のモデル，三角形および四角形の 構造に作用する力が問題になる力のつり合いのモデル等が提案できる。
図７は上記で提案した作用する力の簡素化モデルと材料力学で取り扱う力の形態モデルを比較し た結果である。作用する力が（i）曲げ強さに関する簡素化モデルは，両端支持はりに発生する曲げ 強さの力と対応しており，材料力学の（I）両端支持はりの形態モデルと一致する。また， （ii）曲げ モーメントに関する簡素化モデルは，片持ち支持はりに発生する曲げモーメントと対応しており，
材料力学の（II）片持ち支持はりの形態モデルと一致する。さらに，簡素化モデルの（iii）面同士の
図５ 項目Dの部品の厚さ，幅，断面形状を工夫する内容における作用する力の状態の分析せん断力および（iv）接合材料のせん断力は，材料力学の（III）せん断力と対応し， （v）断面の形状 や（vi）力のつり合いは，それぞれ（IV）断面二次モーメントや（V）トラス構造における力のつり 合いの力の形態モデルと一致する。
以上の結果から，作用する力の簡素化モデルとして，曲げ強さ，曲げモーメント，面同士のせん断 力，接合材料のせん断力，断面の形状，力のつり合いの６つのモデルを提案することができる。さら
図６ 技術分野の教科書で取り上げられる作用する力の簡素化モデル
に，これらのモデルは材料力学の視点から見ると５つの力の形態モデルに分けることができる。
図7 作用する力の簡素化モデルと材料力学で取り扱う力の形態モデルの比較
４ おわりに
現在の中学校の技術教育で取り扱う力学の内容を理科の内容や材料力学の視点から調べ，その特 性について検討した結果，以下の結論を得た。
¸ 中学校の技術教育で取り扱う力学の内容は，材料の使い方，組合せ方，接合の仕方の工夫や 部品の厚さ，幅，断面形状の工夫，三角形の構造などの部品の組み合わせ方，補強金具を用い る方法等の内容において，製作品の構造の知識を理解する内容が含まれていた。
¹ 中学校の技術教育で取り扱う力学の記述を模式図により表し，構造に使用する部材自身や接 合部分等に作用する力の状態を，矢印を用いて具体的にイメージ化し，構造との関係について 明らかにすることができた。
º 記述の内容を作用する力の状態から分析し，曲げ強さ，曲げモーメント，面同士のせん断力，
接合材料のせん断力，断面の形状，力のつり合いの６つの作用する力の簡素化モデルが提案で きた。
» 結論 º における簡素化モデルを材料力学の視点から分析し，現在の中学校の技術分野の教科 書で取り扱う力学の内容は，両端支持はり，片持ち支持はり，せん断力，断面二次モーメント，
トラス構造における力のつり合いの５つの力の形態モデルを含んでいることがわかった。
引用文献
１）日本機械学会．1998．『生産加工の原理』（日刊工業），pp.1‐8.
２） CAD/CAE研究会．2001．『ANSYS工学解析入門』（理工学社），p.8.
３）文部科学省．1999．『中学校学習指導要領（平成10年12月）解説 −技術・家庭編−』（東京書籍）． ４）加藤幸一・永野和男．2006．『新編 新しい技術・家庭 技術分野』（東京書籍）．
５）間田泰弘．2006．『技術・家庭［技術分野］』（開隆堂）．
６）文部科学省．1999．『中学校学習指導要領（平成10年12月）解説 −理科編−』（大日本図書）． ７）戸田盛和．2006．『中学校理科 第１分野』（大日本図書）．
８）柳沢・野田．1986．『基礎材料力学』（日新出版）．
