- 129 - １．はじめに 天文学に関する研究においては，最先端の科学技術 がもたらす新鮮な映像や研究情報が随時更新され，広 く公開されている。また，科学博物館における近年の 天文学に関する展示では，実物やレプリカ展示の他， ハンズ・オンと称される双方向性をもった展示物 (interactive exbition)が来館者を集めている。さらに， 併設されることの多いプラネタリウムにおいては，宇 宙の立体感を映し出すビデオ映像やCG 映像等の演出 が好感度を高め，天文台の公開も地域に根づいている。 このような環境にある児童・生徒は，多くの情報や 体験，イメージから素朴な疑問・感動を育み，天体観 察への興味とともに「もっと知りたい，納得したい， 体験したい」という学習動機を，それぞれの段階にお ける理科教育のレディネスとして持ち合わせている。 一方，平成17 年度版の小学校理科の教科書（参考： 大日本図書株式会社発行）における天文教育に関する 学習内容は，小学校３年生で｛太陽の動き，太陽の光 のはたらき｝，小学校４年生で｛星の明るさや色，月の 動き，星の動き｝を扱う。また，中学校理科の教科書 （参考：東京書籍株式会社）では，｛地球の運動と天体 の動き，惑星と恒星，宇宙の広がり｝を３年生におい て学習することになっている。 文部科学省学習指導要領・中学校理科第２分野「地 球と宇宙」の目標には，「身近な天体の観察を通して， 地球の運動について考察させるとともに，太陽の特徴 及び太陽系についての認識を深める。」とあり，前述し た児童・生徒に身近な天文学に関する最新情報や太陽 系外・宇宙に広がる学習は，「選択理科」や科学館・天 文台等における自主的な学習，さらには履修機会の少 ない高校地学にその後，主に委ねられることになる。 そこで，彼らの動機や意欲を授業へ積極的に生かし ていく工夫の一つとして，これまで幾つかの天文学に 関する教材（interactive teaching materials）を開 発してきた。これらを使った疑似体験により、この学 習内容のイメージ化やシミュレーションが容易になれ ば幸いである。また、新たな教材へのヒントや指導者 の交流，また，授業や各種ワークショップ等で活用し ていただければと思う。 ２．開発した教材の紹介 １）「宇宙のスケール感，星座をつくる恒星の立体 的な位置関係を伝える」教材 宇宙空間におけるスケール感を子どもたちに少しで も疑似体験してほしいと考え，ﾌｨﾘｯﾌﾟおよびﾌｨﾘｽ・ﾓﾘ ｿﾝ,ﾁｬｰﾙｽﾞおよびﾚｲ・ｲｰﾑｽﾞ事務所共編著村上陽一郎・ 公子訳（1994）を参考に，身近な材料を使って，科学 館等に見られるハンズ・オン展示をイメージした一連
中学校理科の天文学に関する単元のための教材開発
Development of interactive teaching materials for the astronomy unit in junior high school’s science education
下山田 隆
＊ Takasi SIMOYAMADA佐賀県立致遠館中学校
Chienkan Junior High School in Saga Prefecture
Several interactive teaching materials were developed which would help teach astronomy in junior high school science classes. The topics of these interactive teaching materials were “Composition of Stars in Space,” “Three-dimensional Placement of Stars in a Constellation,” “Apparent Movement of the Planets,” and “Acceleration of Gravity.” These materials were made for the purpose of visualizing some scientific phenomenon through experience. By the positive use of these interactive teaching materials, they bring images to live for students. This study took a hands-on approach to teaching students difficult concepts in astronomy. As a result of the interactive teaching materials, student’s imaginations were engaged. Student interest has increased because of this interactive unit on astronomy.
Key Words： teaching materials, astronomy unit, junior high school, science education
- 130 - の教材を制作した（図１，図２，図３）。 開発した「宇宙のスケール感」に関する一連の教材 の各テーマは，「人と地球の大きさを比較するもの」， 「地球と月の大きさを比較するもの（図１）」，「地球と 月の大きさと距離感に関するもの」，「地球と太陽の大 きさ比較」，「太陽−地球間のスケール感 （図２）」，「地 球−太陽間の距離と地球−最も近い恒星 間の距離比 較」，「地球から星座(オリオン座)までの距離とオリオ ン座の立体モデル（佐賀県教育センター，2003）（図 ３）」，「銀河系といろいろな形の銀河」などである。 一連の教材を授業や科学の祭典等における普及活動 で活用してきた。疑似体験が可能な教材への児童・生 徒の反応は積極的かつ好意的で，科学の祭典における 実践で養護学校の教師に喜ばれたこと，体験を通して 外国の方にも理解してもらえたことが特に印象的に残 っている。 図１．「地球と月の大きさ」を比較する教材． 図２．「太陽−地球間のスケール感」に関する教材． （ケースの裏蓋の問いと３つの選択肢からなる。解答例 では，太陽が木球で作られ，その直径の比率で計算され た長さの異なる３本の各ロープの先に地球の点像と大き さが記載されたカードがつながっている。児童・生徒は ロープを引き延ばしながら，太陽と地球のモデルの大き さの比率から，太陽―地球間の距離に該当するロープの 長さを選ぶ。） プラネタリウムでは，ビデオ映像やCG 画像等の活 用により，オリオン座などの星座を形作る各恒星まで の距離の違いを立体的に表現できるようになってきて いる。しかし，教科書等の写真や天体観望会等で星座 を学習する際，恒星を結んで出来る平面的なオリオン 座が印象に残り，各恒星の立体的な位置関係のイメー ジは得にくい。そこで，映像資料の活用の他に，オリ オン座を探すための星図と合わせて，オリオン座をつ くる恒星の立体的な位置関係が把握できる教材（図４） を，工作活動を取り入れた形で制作した（下山田， 図３．「地球からオリオン座の代表的な恒星までの距 離と立体的な位置関係」に関する教材． （ケースの裏蓋の問いとケース内の３つの解答例からな る。ケース中に配置された星の並びを見て星座名を答え
- 131 - る。ケース内の恒星の並びは写真の方向から見るとオリ オン座には見えない。試行錯誤の末，児童・生徒が視点 を変え，写真下部のケース側面から覗いた場合にオリオ ン座に見えるという教材。生徒の位置が地球のある方向 であること。ケースのスケールにより，オリオン座を結 ぶ恒星までの地球からの距離はそれぞれ異なり，これら の恒星は立体的な位置関係をもつことを学習できる。） 2006a）。これは図３の教材の個別化を図った改良版で ある。 図４の教材は授業の他，天体観察会で夜空を眺める 前の予習や動機付けとして，また，天候がすぐれない ときの屋内活動としても利用されてきた。切り込みを 入れるためのカッターの使用に注意が必要であるが， 一人一人に配布できるため，地元の科学館等のワーク ショップの材料ともなった。 」 図４．「地球からオリオン座の代表的な恒星までの 距離と立体的な位置関係」に関する教材Ⅱ． （必要な情報が印刷された用紙の切り込み線等をカッタ ーで切ったり，折り込んだりすると，写真の教材を個別 に制作できる。裏面には冬の南天，北天の星図が印刷さ れていて，オリオン座の位置をまず知ることができる。 この写真の教材は手前に二つ折りにでき，これを開くと 写真の状態でオリオン座を形作る恒星が飛び出す。下面 右に地球の位置とおおよその距離が目盛りとして印刷さ れている。ホームページからこのシートを自由にダウン ロードできるようにした。） ２）「金星の見え方，季節による星座の見え方モデル」 教材 中学校理科における天体の見かけの運動に関する理 解は，生徒にとって容易ではない。原因は，複数の天 体の運動を、視点を変えたイメージとしてシミュレー ションすることが難しいことと，日常の実体験と結び つけにくいためと考えられる。そこで，「金星の満ち欠 け」や「四季の星座の移り変わり」については，ボー ルやライトを使ったモデル（関向，2004）等，反復操 作により理解が進む優れた教材が開発されている。 図５．「金星の見え方モデル(上)，季節による星座の 見え方モデル(下)」教材．
- 132 - （図５上：太陽を回転軸とする太陽系を天の北極方向か ら俯瞰したシミュレーションが可能なモデルで，自転す る地球上で教材の利用者が南天を見ている設定である。 地球と太陽と金星の位置関係を合わせた後（図の場合は 「宵の明星」の位置関係），地球にあるもう１つの回転軸 で図の西方向へ南天を右回りさせると，太陽が地平線に 沈んだ後，西の地平線上に「宵の明星」が再現される。 図５下：太陽を回転軸とする太陽系周辺の星座を天の北 極方向から俯瞰したモデルで，自転する地球上で教材の 利用者が南天を見ている設定である。地球と太陽と目的 の星座の位置関係を合わせた後（図の場合，太陽はおと め座の方向），地球にある回転軸で図の西方向へ南天を右 回りさせると，太陽とおとめ座が地平線に沈んだ後にい て座が南中することになる。生徒は印刷された用紙にあ る切り込み線等をカッターで切ったり，折り込んだりし て本教材を個別に制作できる。） 本報でも図５のような星座早見版をイメージした教 材を２つ開発した。これらは，２軸の回転により金星 の位置や太陽方向の星座等の条件に応じて，みかけの 運動のシミュレーションが繰り返し再現できる点が特 徴である。いずれも工作活動を伴い、個別化が図れる 教材である。 ３）「擬似的な無重量状態」教材 図６は「地球上を回る人工衛星がなぜ落下しないの か」，「重力加速度を求めることができるか」をテーマ に，擬似的な無重量状態を回転運動に伴う遠心力と重 力のバランスから体験的に学ぶ教材である。 この教材を使った実験により重力加速度も概算がで きる。高校理科の内容ではあり，現象に対して基礎的 な説明が必要となる。重力加速度については，「遠心力 ＝重力」とした関係式から重力加速度を求める式を事 前に示し，式の変数に実験から求めた測定値を代入し て算出させ，理論値と比較させた。 ３．中学校理科の天文学に関する単元の授業展開の工 夫と開発した教材の活用場面 上述した教材を実際の授業で生かしていくに当たっ て，天文学に関する基礎・基本的事項を中心とした内 図６．「疑似的な無重量状態」に関する教材． （人工衛星に見立てた小豆や大豆をペットボトルに入れ， 柄のついた先に図のように容器を固定し，塩ビ管の回転 軸を回転させる。柄の回転軸（地球）から容器の底（人 工衛星）までの長さを長くしたり，短くしたりすると， 落下音が無くなる最低回転数が長さにより変化する。こ の現象を体験させ，実際の人工衛星の高さと周期の関係 に例えた解説を行う。また，上位の容器内の大豆の落下 音が無くなる最低回転数の際に「擬似的な無重量状態」 になっているとし，その回転周期と柄から容器の底まで の長さを理論式に代入して重力加速度を求めることがで きる。重力加速度自体は自由落下や振り子等で求めた方 がより正確であるが，最低回転数で 10 回転する時間を正 確に測り，１周期の平均値を求めること等で，求める重 力加速度の精度を高めることができる。） 部資源の獲得を優先し，最後に難解な天体の運動や見 かけの運動を扱うように，構成主義的に教科書の単元 内の指導順序を入れ替えた授業を試験的に進めてきた （下山田，2006b）。 進め方のポイントとしては，単元展開の最初の部分 で最新の研究成果等を視覚に訴え、前半の天文学に関 する基礎的学習と身近な現象の理解への動機付けとし た。その後、映像資料や開発した教材等を使って，イ メージを育て、シミュレーションを多用しながら、天 文事象への理解を積み重ねた。そして最後に、既習事 項を基に後半部分の見かけの運動・現象の理解（シミ ュレーション）、探究へと誘導した。
- 133 - １） 中学校理科 単元名 地球と宇宙 ◇指導観：この単元では，宇宙という空間的・物体的 なイメージ情報が生徒の日常の既有概念にある。しか し，いくつかの座標系における諸現象の理解が求めら れており，空間認識を背景とした視運動の理解が容易 には進まない。かつては中学１年生で扱う内容であっ たが，現在は中学３年生での学習になっている。 そこで単元の始めでは，空間的な宇宙とそれを構成 する事象に関する学習内容を展開する。視聴覚教材や イメージ化・シミュレーションが容易な教材を多用す ることで興味・関心と宇宙の諸事象のイメージを育み， 続いて太陽系，地球へと題材を進めながら，身近な現 象の把握と科学的な思考を必要とする見かけの事象の 理解へと学習を進めたい。 ◇単元構成の試案（概要） １ 宇宙（空間と構成） 宇宙全体についての概要に触れ，時間・空間概念を広 げる。最新の映像資料と開発した教材を使い，単元全体 を配慮した興味・関心，イメージを育てる。 宇宙のはじまり ビックバン，宇宙論 ↓ （物質の誕生） いろいろな天体 銀河，銀河系，ﾌﾞﾗｯｸﾎｰﾙ ↓ 銀河系 形状、天の川，回転運動 ↓ 恒星までの距離(図３) ↓ ２ 地球から見た宇宙（現象） マクロの宇宙観から銀河系内の太陽系，そして，公転・ 自転している地球へと視点を移動させ，地球から見える現 象を生徒の経験やエピソードと関連させながら，年周運動 と日周運動に分けて捉えさせる。 太陽系 微惑星，原始地球、惑星の生い立ち ↓ 太陽系を構成する天体 ↓ 宇宙のスケール感（図１,２） 年周運動 公転、軌道（周期，半径），彗星 ↓ 四季の星座の移り変わり 天球、北極星、方角 ↓ ﾌﾟﾗﾈﾀﾘｳﾑ（日周運動、星座、流星） ↓ 黄道12 星座と星座占い ↓ 四季の星座（図４） ↓ ３ 地球から見た宇宙（理解） 公転・自転する地球から宇宙を見た際の現象を，太陽を 中心に公転する地球（生徒），そして，天球の中心にいる 地球（生徒）の視点から理解（シミュレーション）させ， 季節による星座の見え方の違いや季節の変化，太陽や星座 の日周運動について理解させる。 ↓ 日周運動 星と太陽の１日の動き ↓ 出没方位と高度の変化 ↓ 太陽や星の動き 太陽の日周運動の観察（記録） ↓ 日没位置の年間の変化、環状遺跡 ↓ 南中高度の年間の変化 ↓ 昼夜の長さの年間の変化 ↓ 気温の年間の変化 ↓ 太陽の日周運動の観察（記録） ↓ 日の出時刻の変化 ↓ 季節による星座の変化（図５） ↓ 地軸による説明（傾き） ↓ ４ 地球から見た星々（応用） 地球・太陽・惑星の位置関係により，惑星（月）の見 え方が変化することを，観察結果や経験と関連させなが ら理解させ，モデルを使って説明できるようにする。 ↓ 金星の満ち欠け 満ち欠け（図５） ↓ 宵の明星、明けの明星 ↓ 視直径、形状、明るさの変化 ↓ 月の満ち欠け，月食，日食，星食 火星の見え方 内惑星、外惑星 ↓ ５ 星々の最後に（発展） ↓ 恒星の色と表面温度 ↓ 恒星の誕生、星雲 ↓ 名月記（超新星「かに星雲」記録） ↓ ニュートリノと小柴昌俊博士 ↓ 屈折式・反射式望遠鏡の操作 章末課題
- 134 - ２）「選択教科・理科」における単元開発 教育課程上の必修「理科」の時間は，指導内容の削 減や時間的な条件等により、生徒実験や最新情報を積 極的に取り入れることが容易ではない。しかし，イメ ージを拡げる視聴覚教材や，疑似体験を促すパソコン 等を使った数々の指導方法が紹介され（藤井・江見， 2005），本報のような天文教材も開発され続けている。 このような状況の中，「理科」における天文教育の充 実を基本としながら，今回開発した教材等を使った「選 択教科・理科」の単元も開発を続けている（下山田， 2002）。ここでは，高等学校の物理や地学への接続性 も含めた検討を行っている。 ４．おわりに これまで中学校理科天文学の単元における基礎・基 本的な学習を支援する教材開発と，開発した教材を生 かすための単元構成の検討や選択理科での単元開発に ついて実践と改善を重ねてきた。本報は経過報告では あるが，年度を重ねる毎にこの取り組みによる生徒の 興味・関心，学習効果の高まりを感じている。 これは，本単元の展開で扱われる情報や、実物・モ デル、疑似体験によるイメージ化、シミュレーション が容易になる教材の積極的活用が単元の進行に伴って 既視感を生みやすく，現象理解への意欲と共に、学習 への没入感をより高めているからだと思う。 今後は，地元の専門家や大学等の研究，古文書等に 見られる箒星や超新星の出現・隕石等に関する記載・ 遺跡・遺物等を取り入れた教材開発や単元構成、加え て，地域の科学館や博物館・プラネタリウム・天文台・ 自然の家・コミュニティーセンター等の施設の普及活 動との連携も含めて，選択教科「理科」の単元やサイ エンス部の活動，学校行事としての理科研修プログラ ムの開発等についても，サイエンスコミュニケーショ ンに基づく地域プログラムの一つとして広く考えてい きたい。 最後に、本報における教材開発において、名古屋芸 術大学の山田卓三教授に多くのご助言と開発した教材 による実践機会を賜りました。紙面をもって感謝申し 上げます。 引用文献 佐賀県教育センター(2003)衣装ケースを使い宇宙の 立体感を学習．『内外教育』第 5373 号．P.23． 下山田 隆(2002)選択理科における天文分野の単元 試作．『平成１４年度全国理科教育センター研究協 議会並びに研究発表会地学部会（第４０回）研究 集録』．57− 60． 下山田 隆(2006a)立体星座カードでｽﾀｰｳｫｯﾁﾝｸﾞ！. 『Science & Technology Journal』2 月号．文部科
学省．38− 39． 下山田 隆(2006b)ストーリーを重視した中学校理 科の単元指導．『日本理科教育学会九州支部大会表 論文集』第 34 巻．55− 58． 関向正俊(2004)指導と評価の活用を中心とした「太 陽系と惑星」の学習展開．『平成 16 年度全国中学 校 理 科 研 究 大 会 発 表 資 料 』 ． http://www1.iwate-ed.jp/kakusitu/kagakusangy o/happyoshiryo/venus2.pdf． ﾌｨﾘｯﾌﾟおよびﾌｨﾘｽ・ﾓﾘｿﾝ,ﾁｬｰﾙｽﾞおよびﾚｲ・ｲｰﾑｽﾞ事 務所共編著村上陽一郎・公子訳(1994)『POWERS OF TEN』．日経サイエンス． 藤井佳直・江見圭司(2005)３次元 CG を用いた天体現 象の可視可に伴う問題点とその解決．『天文教育』 ７月号．2− 9. 弁理士会(1999)無重量状態実験器.『パテント』No.9． 弁理士会．表紙裏. 「地球からオリオン座の代表的な恒星までの距離 と 立 体 配 置 に 関 す る 教 材 」 ， http://www.saga-ed.jp/workshop/edq01467/
