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平成２１年度理数教育ステップアップ研修実践記録

目に見えない空気を実感し，科学的な見方・考え方を促す授業の工夫

－小学校４年理科「空気と水」の指導を通して－（実践者柏崎市立柏崎小学校山之内知行）私は「理数の面白さや深く追究する楽しさなどを味わわせる」ために，子どもと「人・もの・こと」との豊かなかかわりを大切にして理科の授業を展開している。それは，子どもが単に知識を暗記したり，教師が正解を効率よく教えたりするということではない。子どもが自ら自然の事物・現象に働きかけ，仲間と共に科学的に追究しながら，実感を伴った理解を深めていく学習プロセスにおいて「理数の面白さや深く追究する楽しさを味わう」ことができると考える。本単元「空気と水」では，子どもは，主に空気とかかわっていくこととなる。しかし，子どもが目に見えない事物・現象にかかわっていくことは容易なことではない。そこで，空気遊びの体験によって空気の存在を実感する活動や空気をモデル化したり可視化したりすることによって，空気を科学的に追究する活動を設定した。その結果，子どもは，空気をからだ全体で感じながら空気の存在を実感し，空気をモデル化することで，空気を「もの」としてとらえ，科学的に追究しながら粒子概念を形成することにつながった。１「理数の面白さや深く追究する楽しさなどを味わわせる」ための構想（１）目に見えない空気の存在を実感させるための工夫子どもにとって，空気は大変身近なものであるにもかかわらず，目に見えない，透明，形がないといった空気の特性により，その存在を実感することは容易ではない。子どもは，空気の存在を，知識としては知っている。しかし，子どもが目に見えない空気を「もの」としてとらえ，その性質について考えていくことは，本単元を学習する上で大きな壁であるといえる。そこで，まずは空気遊びを通して，子どもが，目に見えない空気の存在を感じ，空気の面白さや不思議さを味わえるようにしていきたい。そして，そこで生まれた子どもの気付きや疑問を生かしながら学習を展開していくことが大切だと考えた。空気遊びは子どもの興味や関心を惹き付けるであろう。しかし，単なる遊びだけでは「ああ，面白かった」で終わってしまう。そこで，「空気の『すごい！』を見付けよう」の学習を導入として設定し，体験したことを言葉に表し，実感を伴った理解に結びつけたい。（２）科学的な見方・考え方を促し，粒子概念を形成するための工夫科学的なものの見方・考え方を促すために，子どもが「なぜ？知りたい！」という事象に出会わせていき，子どもの気付きや疑問をつないで学習課題をつくっていくことを大切にしたい。また，自分の見方・考え方が独りよがりにならないように，友達と交流する場面を設ける。そのための方法として，目に見えない空気をモデル図で表現させ，友達の見方・考え方と交流しながら吟味していく。なぜそうなるのか，空気の性質と関連付けながら話し合ったり，実験によって確かめたりしていく科学的なプロセスによって，理数の面白さや深く追究する楽しさを味わうことができると考える。また，このことは，新学習指導要領で示された粒子概念の形成の基礎につながるとも考えた。（３）単元構成と評価の計画（全８時間）次学習内容学習活動評価と方法１空気の「すごい！」を探ろう（２時間）・空気砲遊びで空気の「すごい！」を探る。・巨大な袋を使って，閉じ込めた空気の「すごい！」を探る。 ○空気遊びの体験を基に，空気にはどんな性質があるのかを表現できる。（発言・ノート）

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２空気と水の性質を比べよう（５時間）・「本当に空気は圧し縮められるのか？」を探る。（本時）・空気と水が縮むのかを実験する。・水と空気を一緒に圧したらどうなるか実験する。・筒に空気や水を閉じこめて，玉を飛ばしてみる。・空気鉄砲の玉が飛ぶ仕組みを考える。 ○ 空気の性質に興味をもち，閉じ込めた空気が圧し縮められることを理解する。（発言・ノート） ○空気や水の性質について比較しながら実験することができる。（実験の様子・記録） ○空気鉄砲の玉が飛ぶ仕組みを空気や水の性質と結び付けて考えることができる。（発言・ノート）３空気や水の性質を利用して（１時間）・日常生活の中で，空気と水の性質が使われているものを探し，紹介し合う。 ○空気や水の性質が使われているものを見付け，仕組みを説明することができる。（発言・ノート）２授業の実際（１）空気遊びを通して，目に見えない空気の存在を実感する子ども（１次１・２時間目）まずは，子どもの空気に対する興味・関心を高めたいと考え，空気砲を使った空気遊びを行った。紙で作った的を置き，空気砲から出た空気によって的が倒れるという演示を行うと，子どもからは，目に見えない空気によって的が倒されたことに「おーっ」と驚きの声が上がった。また，遠い的ほど時間差で遅く倒れることにも興味をもったようであった。そして，実際にグループ毎に空気砲を作り，的を倒したり，空気砲から出てくる空気をからだで感じたりしながら，目に見えない空気とかかわった。（写真１）活動後には，「今日見付けた，空気の『すごい！』を書こう」と投げ掛け，空気砲を使った活動を通して見付けた空気の面白さや不思議さを言葉で表現させた。さらに，どうして紙が倒れたのかについて理由を書くことによって，空気の性質に目が向くようにした。以下，子どもの見付けた「空気のすごい！」である。このように，はじめに空気砲による空気遊びを取り入れることで，子どもは「空気は目に見えないが何かがある」「空気は当たると感触がある」など感覚的にとらえたり，「空気はどうやって的を倒したのか？」「空気にはまだまだ『すごい！』がありそうだぞ」など，知的好奇心をくすぐられたりしながら，これからの学習に期待をもつことができた。２時間目。「空気を集めて，もっと空気のすごい！を見付けよう」と投げ掛けた。子どもには，かさ袋を使って空気を集めようと提案した。かさ袋は，筒状に膨らむため，剣のようにたたき合ったり，ロケットのように飛ばしたりして，空気の感触や跳ね返りを確かめる姿が多く見られた。次に，「もっと大きな袋にたくさんの空気を集めてみよう」と提案し，各グループに，長さ２メートル，直径５０センチほどの巨大なビニール袋（クリーニング店で使用している袋）を用意した。みんなで協力して体育館を走り回りながら，空気を入れ，膨らませ，巨大な空気のかたま写真１空気砲を使って空気とかかわる子ども ○空気のしょうげきを受けた。○空気は遠いところまで飛んですごい！○１０本以上あった鉛筆を全部たおしてすごい！○空気がほわーんと出てきて気持ちよかった。

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りに興奮する子どもたち。思いっきり上に飛ばしてみたり，友達にぶつけてもらい，その衝撃を楽しんだりした（写真２）。以下，子どもの感想である。このように，巨大な袋に空気を閉じこめ，からだ全体でかかわることによって，空気の存在を，ある－ない，多い－少ない，重い－軽いなどの性質をもつ「もの」としてとらえることができた。さらに，遊びを通して，空気を圧すとはね返される感触や，空気の量と硬さの関係に着眼する子どもの姿も見られた。（２）目に見えない空気を，科学的に追究する子ども（２次１時間目）空気遊びによって，空気の存在を実感してきた子どもたち。これまでの空気遊びの体験と空気の性質とを結びつけながら，さらに科学的に追究していけるように，次のような学習活動を展開していった。時間学習活動教師の働きかけと予想される児童の反応 ○支援 ☆評価・留意点 10 5 １教師の演示実験から，課題をつかむ。２実験の条件を確認する。・１．５リットルのペットボトルＡとＢがある。２つとも空気だけが入っていて，見た目はほとんど変わらない。・Ａは，ふたをしただけ。Ｂは，空気を空気入れで圧縮してパンパンに入れてある。・ペットボトルにしぼんでいる袋をかぶせておき，ふたを開ける。・Ａのふたを開けると，変化なし。Ｂのふたを開けると，勢いよく袋がふくらむ。・空気が圧し縮められることをどうしたら確かめられるか，実験の条件を考えさせる。 ○１．５リットルのペットボトルを開けると袋が膨らむという驚きから，課題意識をもたせる。 ○「どうしてそう思ったのか」を問い，これまでの体験とつなぐようにする。 ☆課題をつかみ，自分なりに予想することができたか（つぶやき・発言・ノート） ○空気がもれないこと，変形しないことを条件としておさえる。 ○空気はさわれないのに，閉じこめたら感触がある。○友達にぶつけてもらったら，すごい衝撃だった。○空気を少なくするとやわらかく，たくさん入れるとかたい。○空気に乗っかったらはね返される感じがした。袋を体に当てるとやわらかかった。強くするといたい。写真２巨大な袋を使って空気とかかわる子ども空気は，本当に圧し縮められるのだろうか？

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5 20 5 ３空気を圧し縮める実験をする。４実験のまとめと考察をし，友達と考えを交流する。５空気がどのように圧し縮められるかを確かめる。Ｃ：やっぱり，縮んだ。Ｃ：圧したら戻った。Ｃ：強く圧すと，圧し返す力も強いぞ。・「空気は確かに縮んだ。でも，筒の中で空気はどうなっていたのかな？言葉や絵，モデル図などを使って書いてみましょう。」・班の中で考えを交流してみましょう。・筒の中でシャボン玉をつくり，空気が縮む様子を見てみましょう。 ☆実験の条件を理解し，正しく実験することができたか（実験の様子） ○筒の中の様子が書けるワークシートを配布する。 ○班の中で考えを交流した後，いくつかの考えを全体で紹介する。 ☆自分なりの表現で，空気が縮む様子をイメージできたか（ノート）学習活動１のペットボトルによる演示実験を基に，課題作りを行った。以下は，その時のやりとりである。Ｃ１：「何これ，すごい！」Ｔ：「何が起こったの？」Ｃ２：「空気が袋に入った。」Ｃ３：「何か，白いけむりが見えた。」Ｔ：「もともとこの空気（ふくらんだ袋を指しながら）は，ペットボトルに入っていたんだよね。これ（袋がふくらむ現象）って，どういうこと？」Ｃ４：「ペットボトルに空気がいっぱい入っていた。」Ｔ：「じゃあ，どうやって入っていたの？」Ｃ４：「わかった！わかった！」Ｃ５：「空気がめっちゃ，入っていた。」Ｃ３：「Ｂは，白くなっていたから，何か関係がありそう…。」Ｔ：「どうやったら，これが，ペットボトルの中に入るのかな？」Ｃ４：「圧す，圧す。」Ｔ：「袋をぎゅーって圧すと入るんだね。」Ｔ：「じゃあ，Ｃ４さんが言うように，袋を圧すと，空気が縮められてペットボトルに入る？」Ｃ４：「入る，入る。」Ｃ６：「入らないよ。」Ｔ：「空気って，圧すと縮められるの？」Ｃ７：「えー，無理だよ。」Ｃ８：「できるかも知れないよ。」このように，目に見えない空気を「袋がふくらむ大きさ」として可視化し，起きた現象についての子どもの考えをつないでいくことで「空気は，本当に圧し縮められるのだろうか？」という課題をもたせることができた。１．５リットルのペットボトルから，それ以上のかさの空気が出てきた事実，見た目のペットボトルより多くの空気が，ペットボトルに入っていたというギャップから，「空気は，本当に圧し縮められるのだろうか？」という疑問が生まれ，科学的な追究への導入ができたのである。課題提示の後，予想をノートに書かせた。この時点での予想と理由の中に，これまでの空気遊びによる「目に見えない空気を実感させる」手立てがどれだけ有効に働いていたのか検証したい。

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○圧し縮められる・・・２７人【空気遊びから】１７人・ビニール袋を圧したら，縮んだから。・空気をさわったり，空気におされたりできるから。・袋の中で空気はやわらかかったし，たくさん入れるとパンパンになるから。・空気は袋に入って，パンパンになっても，それは空気がバラバラの状態で，圧せばそれが一つのかたまりになって縮まると思う。【その他】１０人・ボールがはね返ってくるのと同じで，空気もボールの中で縮んだり伸びたりしている。・空気鉄砲やポットは，空気が圧し縮められる仕組みだから。・さっきはその空気がペットボトルに入っていたのだから，ペットボトルに縮んで入る。・空気が大きくなったり，小さくなったりする。 ●圧し縮められない・・・８人【空気遊びから】４人・空気がはれつしてふくろがわれてしまうから。・空気砲で空気がおされて出てきたから，縮めても空気が出てくるのではないか。・空気はうかんでいるものだから。・空気は目に見えないものだから。【その他】４人・あんな小さなあな（ペットボトルの入り口）じゃ入らない。・空気はもうパンパンだから。・空気はもともと透明でさわれないから。「圧し縮められる」と予想した２７人の児童のうち，１７人の児童が，前時までの空気遊びの経験から理由を述べていた。また，本時での演示実験の現象から理由を述べている児童，これまでの生活経験から理由を述べている児童など，何らかの自分の経験から理由を述べている児童がほとんどであった。「圧し縮められない」と予想した児童がいたことは，空気遊びの体験が誤った考えを与えているともとれる。しかし，どれも「空気がにげる」と考えていることから，「閉じこめた空気が逃げられない状態で」という条件をきちんと確認することでクリアできる問題である。このことから，空気遊びの体験は，子どもの空気に対する概念形成に大きく関係していることが分かる。それだけに，体験だけに終わらせることなく，言葉に表すなど，体験をきちんと意味付けていく必要があると考えた。予想を立てた後，空気を圧し縮められるのかを確かめるためには，空気が逃げないようにしなくてはならないという条件を確認した上で，ピストンを使って閉じこめた空気を圧す実験を行った。ピストンを圧すと，ピストンは下に沈み「おーっ」という歓声が上がった。子どもたちは，この実験によって「空気は圧し縮められる」ということを実感し，さらに圧し棒が「押し戻される」「はね返ってきた」という手応えから，空気の伸び縮みを実感することができた。（写真５）（３）空気をモデル化し，粒子概念をつくり始める子ども（１次３時間目）そこで，「ピストンの中で，空気はどうなっていたのか」と問いかけ，粒子をイメージする活動を設定した。これは，中学校，高等学校へとつながる「粒子概念」の形成も意図している。教師は，子どもが粒子をイメージしやすくなるように，ワークシートに，12 個の粒子を予め描いておいた。以下，子どものモデル図を考察する。写真５空気の伸び縮みを実感する子ども

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以上のように，ほとんどの子どもが，空気が圧し縮められ，また圧し返すというイメージはもつことができた。結果は，粒子が小さく圧し縮められ，圧し返すモデル（図１）をイメージした児童が多くいたものの，１２個の粒子の数が変わらずに，圧し縮められたモデル（図２）を描いた児童は２名であった。また，粒子が結合したモデル（図３）や結合後，分裂したモデル（図４），粒子と粒子との間隔が広がるといったモデル図（図５）を描いた児童もいた。さらには，閉じこめた空気が外に出て行ったモデル（図６）もあった。これは，１２個の粒子の数は変わらないという条件を教師が指示しなかったためである。さらに，その後の，グループ内での話し合いの時間が十分でなく，そこまで話が及ぶことはなかった。（４）可視化された空気によって，空気の伸び縮みを実感する子ども実際に空気がどのように圧し縮められ，圧し返しているのかを可視化するために，シャボン玉液を使用した。ピストンの筒の中に，シャボン玉液を入れ，ストローでゆっくり吹く（写真６）と筒の中全体に，十数個のシャボン玉の泡ができる。泡ができた状態の筒を圧すと，シャボン玉（空気）が圧し縮められ，泡の大きさが小さくなるのが見て分かる。演示実験を見た子どもたちは，「圧したら，シャボン玉は小さくつぶれたけど，また元の大きさに戻った」「空気の一つ一つは，圧されて小さくなり，写真６空気の伸び縮みを可視化する図１粒子が縮み，圧し返すモデル（２６名）図２１２個の粒子の数は変わらないモデル（２名）図３粒子が結合し，圧し戻すモデル（２名）図４粒子が結合し，分裂するモデル（２名）図６粒子が外に出て行ったモデル（１名）図５粒子の間隔が広がるモデル（１名）

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また大きくなってはね返した」という空気に対して新しい見方，考え方を更新したのである。しかし，子どもが自分たちで実験したときに，圧し加減が難しく，思いっきり圧すとシャボンの泡が割れてしまうということが起こった。それを見た子どもは，逆に「空気の粒子は，圧し縮められるときに結合する」という誤ったイメージにつながってしまったことが，本時後のノート記述から分かった。この授業後，研究協議会で，誤概念をもっていた児童について指摘をいただいたことで，教師の認識も変化し，修正をかけながら，次時を展開することとした。（５）仲間と話し合いながらイメージを確かにする子ども（２次２時間目）前時での誤概念をもった児童への支援が必要となり，もう一度，モデル図について話し合うこととした。それぞれが書いたモデル図から６つを取り上げ，図１～図６の拡大コピーをもとに，どのモデル図が妥当かをもう一度話し合った。Ｃ１：これは（図６）あり得ないでしょ。だって，閉じこめた空気を圧せるか？っていう実験をしたんだから，出て行ったら意味ないし。Ｔ：そうだね。他はどうだろう。Ｃ２：空気が合体するって（図３，４）おかしくない？Ｃ３：シャボン玉の実験でも，あわの一つ一つが小さくなったじゃん。Ｃ４：そうだよ。だって，空気のあわが合体したら戻らなくなるよ。それに，ここ（図３の圧した後）の空気のすきまは何？Ｃ１：すきまってあり得ない。空気もなくて，何にもないってこと？真空？Ｃ５：じゃあ，これ（図１）が正しい。だって，みんなつまっているから。Ｔ：確かに，空気の粒以外のところは何にもないってことになるね。ということは，これ（図１）が正しいのかな？Ｃ２：でもさあ，数が適当だよ。空気の数が増えてるし。これ（図２）は１２個のままだから，これがいいと思う。Ｔ：Ｃ１さんが言いたいのは，閉じこめた空気そのものは変わらないってことだね。空気の粒の数は変わらないっていうか…。Ｃ４：でも，（図２）は，やっぱりすきまがあるから，おかしいよ。Ｔ：なるほど，じゃあ，（図１）と（図２）をミックスしたようなイメージかな？そもそも，最初の圧す前の図に，すきまがあるのはおかしかったね。このように，子どもはモデル図をもとに，友達と話し合いながら，空気に対するイメージをつくりかえていった。まずは閉じこめられた空気という条件，合体したら戻らなくなる，もともとあった数が減るのはおかしいなどの理由によって妥当性を確かめていった。子どもの話し合いでは，図１か図２が妥当なのではないかという意見にまとまった。子どもは，空気をモデル図に表現することで，自分の空気に対する見方・考え方を自覚できた。さらに，友達と話し合うことで，より科学的に空気の見方・考え方を更新しながら，空気に存在する粒子を意識し始めたのである。しかし，空気の粒以外の所には何があるのか？という疑問も生まれてきた。これは，教師が示したモデル図の不備である。モデルとしては完全ではなく表現しきれない問題もあったが，教師の意図を超えて，子どもたちは空気を粒子としてとらえ始めたのである。３実践の考察とまとめ学習前と学習後にとったアンケート調査（アンケート対象：４年２組児童３５人調査実施日学習前：平成２１年５月１９日，学習後：平成２１年７月１６日）の結果を比較し，本実践の有効性を検証する。

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（１）目に見えない空気の存在を実感するための工夫についてアンケート結果からも，目に見えない空気の存在を感じ，空気の性質に目を向け，空気とのかかわりが深まってきたことが分かる。多くの子どもは，「空気は本当に圧し縮めることができるのか？」という課題に出会ったとき，空気遊びの体験を根拠に予想を立てていた。このことから，空気遊びを通して，からだ全体で空気を感じ，言葉に表していく活動は，目に見えない空気の存在を実感するのに有効であったといえる。（２）科学的なものの見方・考え方を促す工夫についてなぜ？知りたい！という事象に出会わせることによって，「空気は本当に圧し縮めることができるのか？」という科学的な見方・考え方につなげていくことができた。また，空気をモデル化することにより，友達と活発に話し合いながら，粒子概念を形成することにつながっていった。さらに，シャボン玉による実験で空気を可視化することで，「空気が圧し縮めることができる」ことを，実感を伴って理解することができた。しかし，モデル化させることで逆に誤概念にもつながる危険性もあり，空気をモデル化する際，適切に指導する必要があることが分かった。また，この時期に，どの程度「粒子の存在」を意識させていけばよいかも検討が必要である。（３）実践を終えて実践後，「はじめは空気ってよくわからないなあと思っていました。でも，空気で遊んだり，ピストンの実験をしたり，みんなと話し合ったりして，本当に空気ってすごいって感じました。」と感想を書いた児童がいた。これからも，子どもが豊かに「人・もの・こと」にかかわっていくプロセスを大切にし，理数の面白さを味わわせていきたいと感じた。参考文献：「つくってなるほど『親子おもしろサイエンス』」（平成１２年新潟県地区理科センター研究協議会）