内燃機関学習における熱と仕事とサイクルに関する中学生の認識

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(1)Title. 内燃機関学習における熱と仕事とサイクルに関する中学生の認識. Author(s). 上里, 正男; 有川, 誠; 佐分利, 正美. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 43(2) : 139-148. Issue Date. 1993-03. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6206. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . ３巻第２号北海道教育大学紀要（第２部Ａ）第４. 平成５年３月. ｉ坪ｏｆＥｄｕｃＳｅ雨ｏｎｌＩＡ）ＶＯＩｆＨｏ嘘種ｄｏＵ匝ｖｅＪｒｓａｄｏｎ（ｏ国軍烈ｏ．４３ ‐２，Ｎｏ. Ｍａ立ｃｈ，１９９３. 内燃機関学習における熱と仕事とサイクルに関する中学生の認識上. 里. 正. 男・有. 誠＊・佐分利. 川. 正. 美＊＊. ８０５釧路市北海道教育大学釧路分校技術科教育研究室＊８１４福岡市原北中学校技術科＊＊１８４小金井市東京学芸大学教育学部技術科学科. ＪｕｎｉｏｒＨｉｇｈＳｃｈｏｏＩＳｔｕｄｅｎｔＵｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆＨｅａｔＷｒｏｒｋ，，ｌｅ血ＬｅａｒｎｉｎｇａｂｏｕｔｌｎｔｅｒｎａＩＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｓａｎｄＣｙｃＭａｓａｏＵ豆ＳＡＴ０，ＭａｋｏｔｏＡＲ弾丸ＡＷＡ＊嶺，ｄＭａＩＢ団ＲＩ＊＊ｓ鍵山ＳＦＴｅ吐血ｏｌｉｏｒｏＣｏｎｅｇｅｌけＥｄｕ蝕むｏｎ，Ｋｕｓ，Ｈｏ懸恋ｄｏＵＤｉｉけｏｆＥｄｕｉｖｅｒｓ｛譲ｄｏｎｒｏ０８５，Ｋｕｓ＊Ｈａ憎亙撫ｊｕ晒ｏｒ甑ゆＳ強仰もＦ溢血ｏ鯨８１４＊＊ＴＣｈｐｌＥｄｄＴｉＵＤｉｉ１８４ｅｏｏｇｙｕ偽ｏｎｖｅ煎り，ＫＯｇａｐｅ，ｏ勾ｏＧａｋｕｇｅ. ａｂｓ鞠ａｃｔ罰ｈｆｌ賑ｓｓ雨ｄｙｗａｓｔｏｌ錠ｍｗｈｅｍｅｒｊ楓ｄｏｒｍ感ｓｃｈｏｏｌｓｔｕｄｅｎｔｓｕｎｄｅｒｓｔｏｏｄ出ｅｃｏｎ‐ ｅｐ度ｐｏｓｅｏｔｌｃｅｐｔｓｏｆｈｅａｔｃｅｉｎｄｌｎｅｉｅ叩副ｃｏｍｂｕｓｄｏｎｅｎ柳Ｐｅ，ｗｏｒｋ，ａｎｄｃｙ．Ｆｏｒ曲ｉｌｌｌｏｉｔ副ｉｓｓ加ｄｙｅｆｏ間ｎｇｅｎｓ富山ｍｅｎｔｗａｓ広ぷｌｅ前血ｅｎｌａｄｅｔｏｓｈｏｗ化１ｑ）ｅｓｍｄｅｎｔｓせｅｓｅｃｏｎ－，仕ｃｅｐｔｓ：１１ｂｅｉｎｓ立ｕ１ｍｅｎｔｉｄｃｙ臆｝ｔｏｎａｄｅｒｉｆｓｌｌｔｉｌｌ ‐Ｔｓｏ・ｌｎｈｇ珪ｎｔｏｗｏｒｋｇロｌｅｄｔｏ立ａ，ｗａｓａｐ，ｄｅｓ ‐ ２ｄｅｒｆａｑｙｉｉｌａｄｅｏｂｌｆ曲ｅｒｅｃｉｎｔｏｅ服ｃｒｅｓｙ塗ｌｉｅｏｂｓｅｌｙａ旗ｏｎｏｆ故ｅ ‐ Ｔｈｅｃ（乳匝］ｇｍｏｄｏｎｏｐｒｏ，ｗａｓ凹Ｕ１ｓｔｏｌ＆Ｐ. 罰ｂｅｓｍｄｅｎｔｓｗｅｒｅａｓｋｅｄｑｕｅｓｄｏｎｓａｂｏｕｔｈ鎚もｗｏｒｋａｎｄｃｙｃｌｂ〔ロｅｎｔｅｂａｓｅｄｏｎｅｅｄｓｕｓｍｇ菌塵ｓｍ－１ｑ）ごＩＰ〔Ｄｅｎｔｓｂ. Ａｓａｒｅｓｕｌｔーｌｉｅ角１ｏＷｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｗｅｒｅｍａｄｅ‐ ，せｄｅｒｓ１ｔｏｏｄ位ｅｃｏｎｃｅｐｔｄｗｏｒｋ）Ｍａｎｙｓｍｄｅｎｔｓｕｌｌｓｏｆｈ総ｔ嶺ｌ．. ２ｉ）Ｍ組まｙｓｍｄｅｎｔｓｄｄｎｏｔｌ駁ｌｄｅｒｓｔｍｄ菌ｅｃｙｃｌｅ‐. １．緒. 言. 内燃機関学習では，燃料を燃焼させ，熱を仕事に変える「エネルギー変換」が重要な教育内容である．このため熱工学の基本の学習が必要であるが，中学生の発達段階では熱工学を直接導入する. （７７）.

(3) . １４０. ・１里正男・有川上里. ；・誠・佐分利正美. ことには困難があり，中学生の発達段階に応じた学習とは何であるかを論議する問題が生じる．例. えば内燃機関学習は，工業高校や大学段階では「機構学」「機械力学」「熱力学」「燃焼工学」などに支えられて学習されており，そのためには総合的な熱工学の知識・理解が必要とされるが，総合的な熱工学の知識・理解が未発達な中学生の発達段階を考慮すると，何が重要な教育内容と方法であるかが課題として十分検討されなければならない‐ その場合，筆者らは次の２つを重要な課題と考えている．. ① 「熱を仕事に変換する過程」の学習熱機関である内燃機関では，動作流体（混合気，燃焼ガス）はシリンダ内で状態変化して，熱はピストンを押し動かす仕事に変換される‐ これは「熱エネルギー」が「機械的エネルギー（動力）」に変わる仕組みを扱うもので，熱と仕事とは互いに変換できることを示す「熱力学の第１法則」の学習として，中学生の発達段階を考慮しながら特に重点的に位置づける必要性がある． ② 「内燃機関のサイクル」の学習熱と仕事は互いに変換できることを示す「熱力学の第１法則」は熱と仕事の量的関係を明らかにしたものであるが，熱機関である内燃機関では，その熱と仕事の変換には条件があり，高温度の物体（高熱源）と低温度の物体（低熱源）を用意して，その間に熱を移動させることを必要とする‐ この関係を「熱力学の第２法則」が明らかにしている．内燃機関では，シリンダ内の動作流体が高熱源（燃焼）から熱量を得て高温，高圧となり，ピストンを押し動かして仕事を行う‐ しかし内燃機関では，このような１回の作動ではなく連続した仕事が取り出されねばならないので，一定の膨張が終わった動作流体から熱量を低熱源（大気）に移して温度と圧力を下げ，気体を収縮させてはじめの状態に戻す必要がある‐ このように動作流体が色々な状態変化をしたあと，はじめの状態に戻る一連の過程を「サイクル」と言い，実際の内燃機関では燃焼ガスと混合気の交換で元の状態に戻りサイクルを継続している．このサイクルを繰り返すことによって熱から連続して仕事が取り出せるという概念は，中学生段階における内燃機関のエネルギー変換の学習にとって重要な課題になるであろう．すなわちサイクルの概念を学習する必要性は，熱を仕事に変えるということと，連続して仕事を取り出すことを結び付ける学習として，中学生の発達段階でも大変重要な課題と考えられる． ①の内容については，先行研究として，燃料の燃焼による仕事を視覚的方法によって教授しよう）４）など数編が報告され２）やそれらを使用した時の学習効果について調査したもの３）としたもの１，，ている．また筆者らはこの内容に関する研究として，「熱を仕事に変換する過程」の学習の中に「気）具体的な教育内容や方法につ体の状態変化に関する学習」を位置づけることの必要性を主張し５，）を進めてきているいて検討６．. このように① 「熱を仕事に変換する過程」の学習は，内燃機関学習におけるｒエネルギー変捌学習の中心として重視され，研究も進められているが， ② 「内燃機関のサイクル」の学習はこれまであまり注目されず，その具体的内容と方法はあまり検討されてきていない．このような状況をふまえ，本研究では，これまであまり注目されていない「サイクル」の学習を「エネルギー変換」学習の内容としてどう位置づけたら良いかを考察した．その方法は，まず理科教育で取り扱われている熱に関する用語（熱力学の基礎的用語）を用いて，内燃機関学習に関係する熱工学的現象を中学生がどの程度理解し得るかを明らかにしようとした．その中では，「熱力学の基礎的概念」「熱と仕事の関係」「熱と連続的な仕事の関係」などについて中学生がどのような認識を持っているかを調査研究することにした‐ そして研究目的のために，内燃機関の熱力学的な現象を単純化した実験装置を考案し，それが作り出す熱力学的現象を中学生がどのように認識するか（７８）.

(4) . . １４１. 内燃機関学習における熱と仕事とサイクルに関する中学生の認識. という教育実験を行った．この中学生の認識研究は，今後の「サイクル」学習を構想する基礎資料とするものである．. ２．実験装置・認識調査の方法（１），〈実験装置について〉こ示す．この装置は，「熱により仕事を取り出す」という現象を明今回考案した実験装置を園ＩＰ確に表せるよう工夫した．各部の材質，寸法などは図中に示した‐ シリンダ，ピストンは少ない圧力差で容易に動くように簡単な擦り合わせを行い，潤滑剤としては食器用洗剤を使用した．空気の容器としては，市販のアルミニウム製ビール缶（容積：３のを使用した．）は生徒実験用のもので，高熱源は手のひら（体温）図１（Ａ，低熱源は水（約１５℃）を用いた‐ この装置であれば，熱源の温度差が２０℃もあればピストンの往復運動をスムーズに行わせることができた．生徒実験の目的は，生徒に高熱源と低熱源があればピストンを動かすことが可能なこと，両方の熱源を交互に与えることで，ピストンの往復運動が羽膚瀞こなることを実際の現象として知らせることである‐. 図１（Ｂ）は教師実験用のもので，生徒実験用のものに「てこ」運動をさせる部品を取り付けたものである．これは生徒用の装置では，連続した仕事を取り出すという現象が明らかでないという点から，なるべく仕事の現象を明確にするためのものである．高熱源はドライヤーの熱風，低熱源は氷を入れた水（約５℃）を用いた．. Ａ：生徒実験. シリンダ；透明アクリルパイプ１＝３００の（内径）＝１５ピストン：アクリルパイプの片面にふたをしたものアルミニウムかん：Ｖ＝３し. アルミニウムかんゴムせん. てこ連接棒. ：厚紙１（鞠問｝＝ＩＤＯ：針金１＝５０００＝１. ピストン（円筒内を自由に動く）. Ｂ. ：馨文節面影選麹韓. 連接棒（ピストンと『てこ』をつないでいる）. て（；ｉ. アルミニウムかん. てこ（ピストンが働くと左右に動く）. 当ピストン（円筒内を自由に動く）. 軽く自由に回転する. 図１. 実験装置. （７９）.

(5) . １４２. 上里正男・有川. 誠・佐分利正美. このようにアルミニウム缶を用いて，空気の加熱と冷却の繰り返しによって「てこ」を連続運動（仕事）させたことは，筆者らの考えた「サイクル」のモデルに関係している‐ 厳密には，加熱による膨張と冷却による収縮という２つの動作ではサイクルとは言えないかもしれないが，筆者らは加熱と冷却による空気の状態変化は，中学生の発達段階では１つのサイクルになると考えた．加熱と冷却を繰り返すことはサイクルを繰り返すことになり，そのサイクルの繰り返しによって連続した仕事（「てこ」の運動）を取り出せるようにしたことは，筆者らが考えた「サイクル」の学習のモデルの特色である．（２）〈認識調査の対象について〉認識調査の対象は，福岡市内公立中学校３年生男女生徒：１３０名で，これらの生徒に「連続的な動作」を行う簡単な実験装置を用いた実験を行わせ，熱が連続的な仕事に変換される現象を観察させるとともに，実験に関連する認識調査を行った．なお熱や仕事に関する教育実験を行う場合，内容的に関連する理科教育の学習状況をあらかじめ把握しておく必要がある．これにあたる部分とし）第２分野「天気の変化」８）があるが認識調査を行た時点で生ては，第１分野「熱と仕事」７っ，，徒は「天気の変化」は学習していたが「熱と仕事」は学習していなかった．（３）〈認識調査の問題について〉認識調査に用いたテストの問題は，正しいと思うものに○をつける選択問題で，文章記述問題は含んでいない‐ 図２～図４に実際に作成したテストを示す‐ 問題数は事前テスト，事後テスト合わせて３１問である．なお事後テストは，生徒実験に関するものと，教師実験に関するものに分けて別紙となっている．内容として含まれている項目は表１に示す８項目である‐ この項目には，理科教育と関連させた熱力学の基本的概念になる項目が含まれている‐ 個々の問題の構造は，これらの項目が単独で用いられている場合と，複数の項目が組み合わされている場合がある．以下で各項目について説明する．表１. 問題内容. ①．実験観察ｊ実験結果 ②．温度 ③‐ 圧力 ④．体積. ⑥．サイクルを行わせる必要条件（冷却）. ⑦．熱と仕事 ⑧．加熱と冷却項目①：実験で得られる現象を把握できるかどうか，あるいは実験のやり方を理解したかどうかを問う内容である．項目②：温度と感覚，温度差について問う内容である‐ 項目③：圧力と感覚，圧力差について問う内容である．項目④：体積と感覚，体積差について問う内容である．（８０）.

(6) . 内燃機関学習における熱と仕事とサイクルに関する中学生の認識. １４３. 項目⑤：熱量や熱の移動に関する内容である．項目⑥：連続的な仕事をさせるには熱の出入りによるサイクルが必要であるが，その必要性を理解しているかを問う内容である‐. 項目⑦：内燃機関は熱エネルギーから動力（連続した機械的仕事）への変換装置であり，熱と仕事が密接な関係を持っていることが認識できるかを問う内容である‐ 項目⑧：加熱による気体の膨張は理科教育でも扱われているが，冷却した場合の現象はほとんど扱っていないため，これらに関する認識を問う内容である．熱機関である内燃機関を熱力学的に考える場合，冷却によるシリンダ内の気体の収縮という現象は重要な項目であり，加熱によるシリンダ内の気体の膨張と並行して考える必要がある‐ 以上の８項目がこの実験を規定する熱力学の基本的概念であり，この各項目概念を使用すれば生徒を正解に導けるように，テスト問題に関連性を持たせた‐. Ｌ事前テストｌーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーＭーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー－ー－－ ” －－－－－－－－－：＝. …机の上にある装置に手をふれずに，装置と右の図を見くらべて問いに答えよ． … 」Ｌ－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－. ａｃ）～（）の中から最もあてはまると思うものを選び○をつけなさい．問題次の文章を続み，（１‐ アルミニウムかんに手のひらをあてた時つめたく感じた‐ これは，ａ（）手のひらの温度の方が高いｂ（）手のひらとアルミニウムかんの温度が同じだｃ）アルミニウムかんの温度の方が高い（からである‐. ２．しばらく手のひらをあて続けたら冷たく感じなくなった‐ これは，ａ（）手のひらからアルミニウムかんに熱が移動したｂ）熱の移動はないが，手のひらがなれた（２－１）（ｃ（）アルミニウムかんから手のひらに熱が移動したからである．またこの時，. （ａ）手のひらの温度の方が高く，ｂ（２－２）（）手のひらとアルミニウムかんの温度が同じで，ｃ（）アルミニウムかんの温度の方が高く，手のひらをあてる前にくらべ，ａ（）手のひらの温度が上昇した‐ 手のひらの温度もアルミニウムかんの温度もどｂ）手のひらの温度もアルミニウムかんの温度もどちらも変化していない（２－３）（．ｃ（）アルミニウムかんの温度が上昇した．３．アルミニウムかんに手をあてて冷たく感じた時，しばらく手のひらをあて続けるとピストンは，ａ（）右に動く‐ ｂ（３－１）（）左右のどちらにも動かない‐ （ｃ）左に動く‐ この時アルミニウムかんの中の空気は，ａ（）温度も圧力もどちらも変化する．ｂ（３－２）（）温度だけが変化する．（ｃ）温度も圧力もどちらも変化しない‐. 化. ４‐ アルミニウムかんにいつまでも手をあて続けた時，アルミニウムかんの温度は，手のひらの温度まで上がらない．手のひらの温度と同じになる‐ 手のひらの温度よりも高くなる．図２事前テスト. （８１）.

(7) . １４呂. 上里正男・有川. 誠・佐分利正美. １事後テスト（生徒実験）ｌ．－－－．・・．－－．・ ‐ －－－－－－． “ －－” ”－－鴨州－冊－－－．－－－－輪細冊層層．－－－－－－－－－－－－－－－－－－．－－－－－－－－－－－－－．－－－－－－－－一「ｒ. １机の上にある装置を使って実験を行ったのち，下の問いに答えなさい‐ …. 実験１．アルミニウムかんに手をあて，ピストンが動くのを確かめる．２．ピストンが十分に動いたら手のひらをはなす．（ピストンが円筒から抜けないように注意する．）３‐ 次にアルミニウムかんに冷水をかけて，ピストンが逆方向に動くのを確かめる．問題. ａｃ次の文を続み，（）～（）の中から最もあてはまると思うものを選び○をつけなさい．. １‐ アルミニウムかんにしばらく手をあて続けたらピストンが動いた．これは手のひらでａ（）アルミニウムかんの中の空気に熱を与えたｂ（）ピストンに熱を与えた（ｃ）円筒に熱を与えたためである．２．この時，円筒がどこまでも長ければ，ピストンは手をあて続けていると，（ａ）いつまでも動き続ける‐ ｂ（）しばらく動いて止まる‐ ｃ（）どちらとも言えない．３‐アルミニウムかんに冷水をかけた時，ピストンが逆方向に動くのは，アルミニウムかん内の圧力が，ａ（）そとの空気の圧力より高いｂ（３ー１）（）そとの空気の圧力と等しい（ｃ）そとの空気の圧力より低いためである‐ またこの時，アルミニウムかんの中の空気の温度は逆方向に動く前にくらべ，ａ（）高くなっている‐ ｂ（３－２）（）変化していない‐ （ｃ）低くなっている‐ ４‐ アルミニウムかんに手のひらをあててピストンを動かし，次に冷水をかけてはじめの位置までもどして静止させた‐ この時，手のひらが与えた熱と冷水がうばった熱をくらべると，（ａ）手のひらの与えた熱の方が大きい．ｂ（４ー１）（）どちらも同じである‐ ）冷水のうばった熱の方が大きい．（ｃまた，手のひらをあてる前と冷水をかけたあとのらをあてる前と冷水をかけたあとのアアルミニウムかんの中の圧力を比べると，ａ）手のひらをあてる前の方が高く，（ｂ（４－２）（）両方とも同じで，（ｃ）冷水をかけたあとの方が高く，アルミニウムかんの中の温度を比べると，ａ（）手のひらをあてる前の方が高い．ｂ（４ー３）（）両方とも同じである．（ｃ）冷水をかけたあとの方が高い．５．アルミニウムかんに手のひらをあてた時あたたかく感じた．この時ピストンは，ａ（）右に動く．ｂ（）左右どちらにも動かない．ｃ（）左に動く．図３. 事後テスト（生徒実験）. （８２）.

(8) . 内燃機関学習における熱と仕事とサイクルに関する中学生の認識. ［. 事後テスト（教師実験）. １４５. １. １さらに同じ装置を使って，教師が次のような実験を行なうのを見て，下の問いに答えなさい‐ ｉ. 実験１．２．３．４．. アルミニウムかんに熱風を吹きかけてピストンを右に動かし，てこが右に動くのを確かめる‐ ピストンが円筒からはずれないうちに熱風を吹きかけるのを中止して，アルミニウムかんに冷水をかけてピストンを左に動かし，てこが左に動くのを確かめる‐ 熱風と冷水を交互にかけた時，ピストンとてこが左石に繰り返し動くのを確かめる．. 問題１‐ ２‐ ３‐ ４‐ ５‐ ６‐ ７‐ ８‐ ９．ＩＱ１１ ‐ １２．１３．. 次の文章の中で，正しいと思うものの番号に○をつけなさい．アルミニウムかんをあたためるために熱風を吹きかけた．同じ温度の熱風であれば，吹きかける時間が長くても短かくても全体の熱量は変わらない．熱風を吹きかけてもアルミニウムかんの内部に熱が伝わらない‐ ピストンを動かすため，熱風をかけてアルミニウムかんの中の空気をあたためた‐ ピストンがうごくのは，あたためたり冷やしたりする事と関係ない‐ アルミニウムかんの中の空気の体積が変化してピストンが動いた‐ 吹きかける時間が同じなら，温度が高い熱風ほどピストンを動かす力は大きい‐ 熱風を吹きかけた時，てこが動いてピストンを引っ張った‐ 冷水をかけたらアルミニウムかんの中の温度が下がった．冷水をかけた時，ピストンが動いててこを引っ張った．アルミニウムかんをあたためた熱の一部が仕事に変わってピストンやてこを動かした‐ 熱と仕事は違うのだから，熱が仕事に変わることはない．木と木をこすり合わせると木の温度が上がり火がつくが，これは木と木をこすり合わせる仕事が熱になった．１４ ‐アルミニウムかんに熱風を吹きかけるだけで，ピストンに繰り返し往復運動をさせることができる‐ １５．ピストンに繰り返し往復運動させるには，冷水で冷やすことが必要である．１６．熱を加えて仕事を続けさせる時，あたためる必要はあるが，冷やす必要があるとは限らない‐ 図４事後テスト（教師実験）. ４）〈実験，認識調査の手続きについて〉（今回の実験，認識調査は次のような内容と方法で行った．１）事前テストまず実験装置（Ａ）を教師が提示し，装置の構造について生徒に説明する．次に事前テストを生徒に配布し，教師が問題を読み上げながら順次回答させていく‐ 全員の回答が終わった段階でテストは回収する‐ （所用時間１０分）. ２）生徒実験生徒を５～６人からなる６つの班に分け，実験装置（）を各班に１台ずつ配り，次のような実験をＡ行わせる．１‐ アルミニウム缶に手のひらをあてる（ピストンが外側に移動するのを観察する）. ２．ピストンが十分に動いたら手のひらを離す３‐ アルミニウム缶に水をかける（ピストンが逆方向に移動するのを観察する）（８３）.

(9) . . １４６. 愛誠・佐分利正美・分. 上里正男・有川. ０分）以上の実験を数回繰り返し行わせる．（所用時間１次に装置をかたづけた後，事後テスト（図３：生徒実験）を配布し，教師が問題を読み上げなが０分）ら順次回答させていく．全員の回答が終わった段階でテストは回収する．（所用時間１. ３）教師実験実験装置（Ｂ）を提示し，教師が行う次のような実験を観察させる‐ １‐アルミニウム缶にドライヤーで熱風を吹きかける（この時ピストンに連接棒で接続された「てこ」が動くのを観察させる）２．てこが十分に傾いたら，熱風を吹きかけるのを止める３‐ アルミニウム缶に氷で冷やした水をかける（「てこ」が逆方向に動くのを観察させる）０分）以上の実験をリズミカルに数回繰り返す．（所用時間１この後，事後テスト（図４：教師実験）を配布し，教師が問題を読み上げながら順次回答させて０分）いく‐ 全員の回答が終わった段階でテストは回収する‐ （所用時間１. ３．認識調査の結果と考察認識調査の結果を正答率として図５に示した‐ これを見ると，正答率が高いのは，事前テスト（以）や（２ー３）のような感覚と温度差，単純な熱の移動に関するもの，１下，前テストと略す）では（１）や（３ー１）（３－２）のような単純な熱事後テスト（生徒実験：以下，生テストと略す）では（の移動や，圧力という１つの項目概念で理由を説明するもの，事後テスト（教師実験：以下，教テ ‐直接関係３４Ｘ５Ｘ９ぬ唖４）のような，単純な熱の移動に関するものや，実験観察とＸストと略す）では，（するものである．鈍鯵. . 鋤ミ）. 甥. 事後テスト（生徒）. 事前テスト. 事後テスト（教師）. “”. ”. . . ” “ “‐. ‐１. ”. . ＝. . ‐. ”. －. ”. . . . . １８. ‐－. －. ◎ ２２３１４２１２３３２. １. ３１４１４３２３２４２５. ２１. 問題番号図５調査結果. （８４）. ４３. ８. ６５. ７. １◎ １２１４１６９１１１３１５.

(10) . キハ、クルに関する中学生の認識内燃機関学習における熱と仕事とサイク・ルに、＼する子の認、子に、Ｍ。. １４７. 逆に正答率が低いのは，生テストの（４ー２）（４－３）（）のような熱と仕事の両方を含めて考５える問題，教テストの回のような熱と仕事の関係を問うものや，回のように連続した仕事を行わせる上での（冷却して元の状態に戻すための）低熱源の必要性を問うものである．これらの結果から考えて，複数の熱力学の項目概念を組み合わせ現象を把握するような思考，例えば熱平衡や「熱力学の第１法則」に関する問題などは中学生には難しいようである‐ またサイクルの必要性を問う問題（教テスト回）の正答率が低かったことについては，テスト問題の中での問い方が「一般的」な必要性を問うものであったため，生徒には今回の１回の実験から，一般的にサイクルは必要であると考えさせるには無理があったようである‐ もし今回の実験の範囲でサイクルの必要性を問う問い方であれば正答率は高くなったであろう．逆に考えれば，「一般的」なサイクルの必要性を考えさせるには，高熱源，低熱源と連続した動作の関係がもっと直接的に提示できるような装置（今回用いた「てこ」にかえて，ピストン機関のように「回転」という形で取り出せるもの，あるいは「仕事」をもっと強く意識できるようにしたもの）を考案し，学習の方法も生徒の理解水準に応じて，単純な概念から複合した概念へと流れを考えながら組み立てていけば可能であろう．そしてこの学習をより系統的に行うために，理科教育の「熱と仕事」などの学習との関連，さらにこの実験装置で認識させようとした「エネルギー変劉のモデルと，実際の内燃機関のエネルギー変換に関する総合的な熱工学的認識との関連が今後の重要な課題となろう‐. ４．結. 論. 本研究で考案した実験装置を用いた実験と，これに関連して行った認識調査から次のようなこと力ゞわかった‐. １）中学生は，熱，仕事など，１つの項目概念でエネルギー変換を理解することはできるがこれ，ら複数の熱力学的概念の組み合わせで現象を理解することはできない．２）１）との関連から「サイクル」の学習を行うにあたっては，これに関わる概念を生徒の認識に応じて組み合わせる方法が必要であり，理科教育との関連も十分に考慮する必要があると言える．. 引. 用. 文. 献. １）坂井公一・佐分利正美・阿久津勝利‐ 内燃機関学習に関連した爆発実験‐ 日本産業技術教育学会誌．第２２巻１号．（１９８０）ｐ１６１～１６６. ２）浜昭一・西村竜明・三輪恵‐ ピンポン玉発射装置を用いたエネルギー変換教材について．日本産業技術教育学会誌‐ 第２９巻１号‐ （ｉ９８７）ｐ８５～９２３）佐分利正美・有川誠・上里正男‐ 内燃機関学習に関する研究－機関内の燃焼を中心として－－日本産業技術教育学会誌．第２６巻３号‐ （１９８４）ｐ９９～１０３４）佐藤泰彦・菊池庄作・笹島格‐ 爆発実験装置の試作とそれを用いた内燃機関の学習システム‐ 日本産業技術教育学会誌．第２７巻４号（１９８５）ｐ３５～３９５）有川誠・上里正男・佐分利正美‐ 内燃機関学習に関する研究（２）－圧力に関する生徒の認識について－－日本産業技術教育学会誌．第２９巻４号‐ （１９８７）ｐ８９～９２６）上里正男・有川誠．内燃機関学習に関する研究－圧力と熱に関する生徒の認識について一‐ 技術教育研究‐ 通巻第３５号‐（１９９０）ｐ５２～５６（８５）.

(11) . １４８. 上里正男・有川. 誠・佐分利正美. ８６）ｐ１６３～１６４１９７）大木道則他．新訂理科，１分野下．啓林館‐ （８６０～４１９）ｐ２４８）大木道則他．新訂理科，２分野下．啓林館．（. （８６）.

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