高等学校における電磁気学習の構造化と場の概念形成に関する研究

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(1)高等学校における電磁気学習の積造化と場の概念形成に関する研究教科・領域教育学専攻自然系コース（理科）. ”07199G 新村晃司. 1．動機と背景. が重要であるのか、を明確にすると共に、高等. 高等学校において電磁気分野の学習を苦手と. 学校における電磁気学習を理解しやすい形に構. している生徒は多い。その理由として①高校段. 造化・系統化した地図を作ること、②棒磁石の. 階では電磁気全体の構造が見えないこと、②場. 周りの磁力線解析と渦電流の発生メカニズムの. の概念の理解が困難であること、③現象が目に. 解析を行い、科学的考察を行う中で場の理解を. 見えず直感的な実験が行いにくいことなどが考. 深める方法を探ること、の2点とする。. えられる。本研究では①と②に注目した。. 3．研究の成果. 学習者が新しい事柄を学ぶとき、それまでに. 学んだこととの関連性、今まで持っていた自分. （1）電磁気学習の構造化. の知識との比較によって新たな内容を理解する. 電磁気学の全体構造を把握し、それによって. ことが大切である。ところが現在の電磁気の学. この学問が5つの基礎方程式を柱とした体系的. 習内容は基礎的な事柄があちらこちらに散在し、. な学問であることを確認した。同時に、それら. 学習が進むにつれて、自分が全体の中のどの位. と高等学校における学習内容との関連性を分析. 置にいるのかが分からなくなってしまう。この. し、高校生にわかる形で解釈し直した。. ことが多くの生徒にとって電磁気の理解を漠然. このことによって高等学校の学習内容を体系. としたものにさせる大きな理由になっていると. 化することができ、この結果を構造図として表. 考えられる。. した。生徒にとってこれは学習する上での地図. 電磁気の学習を進める上で場の概念を欠くこ. の役割を果たし、これにより電磁気学の重要な. とはできない。場の考え方では、本来何も無い. 点を逃すことなく、系統的な理解に結びつける. はずの空間に特別な性質を持たせるという抽象. ことができる。. 的な思考が求められ、生徒にとって電磁気理解のための高いハードルとなっている。生徒の場の概念形成を促すためには、場を把握しやすくするための何らかの工夫が必要である。. 2．目的以上のような現状をふまえ、本研究の目的は. ④. ①電磁気学の全体構造を把握し、電磁気学の何. 図1 電磁気学習における構造図. 一406一.

(2) と推測されるが、その原理については簡単な図. （2）棒磁石の周りの磁力線解析. 棒磁石の周りの砂鉄模様の写真は多くの教科. を使ったイメージ的な説明にとどまっている。. 書で磁場の導入に使われている。しかし、ここ. そこで、今回、渦電流が発生する最も簡単な. で述べられている磁力線から磁場を説明する論. 場合である、金属板の斜面を滑り降りるネオジ. 理には少なからず飛躍があり、場の概念形成に. ム磁石の運動を解析することで、電磁誘導によ. つながらないと考える。そこでひとつひとつの. り渦電流が発生するメカニズム、それによって. 砂鉄に注目させるために、シミュレーションプ. 磁石にはたらく電磁力の大きさについて考察し. ログラムを作成し、砂鉄がどのような条件の元. た。ここでは（1）モノポール近似、（2）ビオ・サ. でどのような模様を描き出すかをシミュレーシ. バールの法則による数値計算、という2通りの. ョンした。この過程と結果を通して、砂鉄模様. アプローチにより解析し、カを求めるための2. の背後には磁場があることを生徒にはっきりと. 種類の方程式を導き出し、実験データと比較す. 認識させることができる。また、加えて、今回. ることで、その妥当性を確かめた。. 作成したプログラムは、砂鉄以外の複雑な現象、金風板の厚みによる連い（Cu）. 多体系が集団として見せる現象を理解するためにも活用できることがわかった。. 埠オ車. 西国一地‘㎜リ o㎜巾＾｛. 図3 ネオジム磁石の速度. また、この実験は目に見えない渦電流、磁場、. 電磁力をイメージし、その振る舞い方を定量的に理解することで、場の概念を深めるのに有効. 図2 砂鉄模様の再現. な素材であることがわかった。. （3）渦電流の解析. 渦電流は誘導電流の一種であり、原理的には. 4．まとめ. ファラデーの電磁誘導の法則によって引き起こ. 電磁気学習を構造化することで教師や生徒が. されるものである。渦電流は電磁調理器や電力. 授業を進める指針となる地図を作り上げた。ま. メーター、新幹線などの高速車両のブレーキな. た、場の概念形成を促す方法として、棒磁石の. ど至る所で実用的に使われている。. 周りの砂鉄模様の解析、並びに渦電流による電. ほとんどの教科書で渦電流（うず電流）とい. 磁力を求める理論式の導出を行った。. う言葉が見られるものの、その扱いは極めて定性的である。渦電流の実験は生徒を引きつける. 主任指導教員庭瀬敬右教授. ものが多く、多くの授業で取り上げられている. 指導教員石原論准教授. 一407一.

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