岐阜大学教育学部

教師教育研究第5号

2009

水圧学習における効果的な教材・教具の開発―中学 1 年生

理科「身近で起こる不思議な現象」―
岐阜市立陽南中学校

川瀬秀樹同伊藤貴範同蟹江康弘同

栗本和宏

川上紳一

岐阜大学

1 ．はじめに覚的に観察できるようにした．

新学習指導要領において，中学 1 年の第 1

中学校の理科授業における水圧の学習は，分野「身近な物理現象」では，身近な事物・平成元年発行の学習指導要領の中に位置づけ現象についての観察，実験を通して，光や音られており，「水の圧力を調べる実験を行い，の規則性，力の性質について理解させるとと水の圧力は水面からの深さに関係があることもに，これらの事物・現象を日常生活や社会を見いだすとともに，空気に重さがあることと関係付けて科学的にみる見方や考え方を養を調べる実験を行い，その結果を大気圧と関う」とされている（文部科学省，2008）．

連付けてとらえること」とされている．気圧「身近な物理現象」については，現行の学や水圧を測定する実験器具に関しては，高橋習指導要領においても学習内容として位置づ（1993）の研究などがある．ゴム膜を用いたけられているが，水圧に関する学習は含まれ簡易水圧測定器の概念ついては，恩藤ほかていない．今回の改訂では，水圧の学習が復（1991）にも記述がある．本研究は，新学習活しており，「水圧については，例えば，ゴ指導要領における学習内容の改訂を踏まえ，ム膜を張った円筒を水中に沈める実験を行

透明アクリル円筒を用いて，生徒に視覚的にい，深いところほどゴム膜のへこみが大きく観察できるような装置を開発し，授業で活用なることから，水圧と水の深さに関係があるして学習効果を調べたものである．

ことをとらえさせる」とされている．

2 ．教材・教具の開発

本研究では，こうした改訂を受けて，現行の学習指導要領のなかで，水圧の学習を発展（1）導入で用いた教材・教具的な内容として位置づけ，授業で実験を行っ

事象提示では，水の噴き出る様子の違いをて，水圧と深さの関係を捉えさせようと考え示す目的で， 2 種類の円筒水槽を用いた教た．この実験を行うため，アクリル製の透明具を製作した．一つは，内径 2 ㎝の透明ホー円筒とゴム膜を用いた実験器具を開発した．

スを用いた丸底水槽で，水を1.5ｍの深さま透明なアクリル製の円筒水槽に水を入れ，ゴで入れた．もう一方は，90リットルのポリム膜で栓をしたアクリル製円筒を沈めることバケツを用いた丸底水槽で，水を60㎝の深で，水圧とともにゴム膜がへこむようすを視さまで入れた． 2 種類の水槽とも底から同じ−89−

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図 1 ．演示実験で用いたホースとバケツを用いた丸底水槽（左）と演示実験の様子（右）．
高さの位置に同じ大きさの穴を開けてあり，栓を取り外して水が噴出す様子を観察させるものである（図 1 ）．
（2）生徒実験で用いた教材・教具
生徒実験のための水圧測定器を製作した．

図 2 ．水圧センサー．（上）アクリルパイプ

まず，圧力センサーとして，内径 5 ㎝の透にゴム膜を張った水圧センサー．（下）明アクリルパイプを長さ 5 ㎝に切断し，そ空気抜きをするためのガラス管の取りの両端に薄いゴム膜を瞬間接着剤で貼り付け付け部．

た．切断したアクリルパイプの側面に直径 1㎝程度の穴をあけ，ガラス管を付けたゴム栓

かい方のゴム膜」の変形の度合いを圧力センをして，空気が抜けるようにした．図 2 に圧サーとして，測定させることにした．図 3 は，力センサーを示す．

圧力センサーを水中に沈めて，ゴム膜がへこ一方の面には，避妊器具（コンドーム）を，んだ様子を示す．圧力センサーに用いたアク片方にはゴム手袋を貼り付けた．両面をコンリル円筒には目盛りがつけてあり，ゴム膜のドームにすると，両面とも同じ強さで張るこ変形の程度を定量的に調べられるように工夫とが容易ではないために，水中に沈めたときしてある．に変形の差がでてしまうこと，コンドームは次に，圧力センサーを入れる水槽を用意す薄いために，ある程度（30㎝）まで沈めると，る必要があった．水槽にはある程度の深さ両面から押されてアクリルパイプ内で接触し（50㎝以上）が必要である．しかし水生生物てしまうというという弊害が出たために，片の飼育用水槽を班の数だけ用意するには費用面で測定させようと考えた．一方を塩化ビニがかかる．また．水生生物の飼育用の水槽はルやアクリル板等を用いて密封しようと試み

大きく，準備や後片付けが大変である．そこたが，うまく接着ができず，ゴム用の瞬間接で，アクリルパイプの製造・販売を行ってい着剤を用いてコンドームよりも厚手のゴムをる（株）富士精工（所在地は岐阜県岐南町）接着することにした．結局，生徒には「柔らに依頼して内径10㎝の透明アクリルパイプ−90−

水圧学習における効果的な教材・教具の開発

3 ．授業実践
授業は，単元「身近な自然現象」における「力の性質」の学習の最後に位置づけた．
生徒はすでに大気に重さがあることや，大気圧について学習している．授業は，2008
年 9 月に実施した．
（1）レディネステストと授業の構想
本時導入前に，以下のような設問でレディ
図 3 ．ゴム膜の変形の様子．水深20㎝のとネステストを行った．

ころで，ゴム膜のへこみが3.5㎝であ問）右の図のような 2 つの円筒（丸い水槽）に水を満タン入れ，同じ高さの位置に穴を開けると，どちらの方が勢いよく水は噴き出るでしょうか？

ることがわかる．

①パイプの方が勢いよく出る【15名】
・水面（上）からの力が加わるから（ 7 名）・高い分，重力が加わるから（ 5 名）・深いから（ 2 名）・何となく（ 3 名）
②水槽の方が勢いよく出る【 8 名】
・水がたくさん入っていそうで重そうだから（ 2 名）・空気とふれ合う面が大きいから（ 3 名）
③同じ勢いで出る【 0 名】
④無回答【11名】
パイプ（ホース）の方が勢いよく水が噴き出るととらえている生徒（①の回答）が
図 4 ．直径10㎝，長さ60㎝のアクリル製水槽．

44％，水槽（バケツ）の方が勢いよく水が噴き出ると誤認識している生徒（②の回答）を長さ60㎝ごとに切断してもらい（ 1 本約が24％いた． 6 ％の生徒は，水の深さに着6,000円程度），その片方にアクリル板を適切目できており，35％の生徒は，水にも重さな大きさに切ってアクリルボンドで接着したがあることを把握していることが分かる．しものを水槽として用いた．透明なシートに目かし，生徒の記述を見ると，水から受ける圧盛りを入れ，水深がわかるようにした．図 4

力を深さとの関係でとらえている生徒は多くにアクリル製の水槽を示す．

はなかった．水槽の中に入った水全体の重さにとらわれていることがうかがえる．
2 つの設問の結果から，多くの生徒が，水−91−岐阜大学教育学部

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表 1 ．生徒の測定データの例．

圧という身近な現象について直接体験はしているものの，実際にそれが科学的に説明でき水深【㎝】

01020304050

るものであるとはとらえていないことが分か

ゴム膜のへこみ【めもり】

02471117る．自然体験の欠如も起因していることも考えられる．そこで，本時は，水によってはたらく圧力がもつ規則性に気付かせ，自然の事

斑のなかには，水深とゴム膜のへこみの関物・現象を日常生活とかかわらせて科学的に係をグラフに示し，水深が30㎝までは，両考えさせていく必要があると考えた．

者に比例関係があることをホワイトボードに描き，交流の場面で発表した．

（2）授業の導入での演示実験

斑によっては，水圧センサーのゴム膜のへ授業の導入では， 2 種類の円筒水槽を用こみ方は，センサーを入れる向きを変えても変いて水の噴き出る事象を提示し，意外性を突化しないことから，圧力が向きによらず一定のくことで「なぜだろう」という課題意識をも値であることを確かめる実験を行っている．

たせようと考えた．演示実験の直前においこうした実験結果と，実験結果の交流をもて，多くの生徒は500g しか水が入らない透とに，生徒は水面からの深さとゴム膜のへこ

明ホースよりも，75kg（75,000g）も水が入っみを関連付けて考察し，水深と水圧の大きさているポリバケツの方が，勢いよく水が噴きにある関係を見いだすことができた．そして，出すのではないかと予想した．図 1 に演示実

水圧は水中にある物体に加わる水の重さに験の様子を示す．この実験で，ホースの方がよって生じることを説明することができた．

勢いよく水が飛び出すことがはっきりと示さ

4 ．議論れたため，意外性を突かれた生徒たちは，事象に対する疑問が生まれ，結果的に本時の課題を絞り込むことができた．

本研究で開発した水圧測定器には，大きく3 つの工夫が施されている．一つは，アクリルパイプの片方に変形しやすいコンドームを（3）水深と圧力の関係を調べる実験使用し，もう一方は変形しにくいゴム手袋を水槽に入った水全体の重さが，水の噴き出取り付けたことである．この工夫によって，る勢いには関係がないことを認識し，水面かコンドームのゴムの変形量を測定することらの深さに着目して「深さと圧力には関係がで，圧力の大きさを量的に測定することがでありそうだ」という仮説を立て，検証実験をきた． 2 つ目は，水圧センサーの側面に穴行うことにした．

を開け，ガラス管をとりつけることで，セン生徒は水圧測定器のゴム膜の変形をもとサー内の圧力を大気圧と一致させたことであに，水面からの深さと水による圧力の大きさる．この工夫によって，ゴム膜の変形量は水を関連付け，深くなるほど水から受ける圧力圧と大気圧の差になって，水深と水圧の間のが大きくなるという規則性に着目できた．以比例関係を示すデータを得ることができた．

下は，ある班のゴム膜のへこみ具合を測定し3 つ目は，水槽として透明アクリルガラスのたデータである．

パイプ（径10㎝）を用いたことである．このパイプの径は圧力センサーを沈めるのに必要な最小径のものである．アクリルパイプは−92−水圧学習における効果的な教材・教具の開発

透明なため，外から圧力センサーのゴム膜ので，水圧に関する学習を発展的な学習と位置へこみ具合を観察できる．また深さ60㎝のづけて授業実践を行った．

もので， 1 つ6000円で購入できるため，比生徒らに水圧と水深の関係を捉えさせるた較的安価に実験器具を準備することができる

めに，視覚的によくわかり，しかも両者の関ことである．

係を定量的に調べることができる水圧測定器

授業実践からは，水圧と水深の関係が視覚を開発した．この実験は，平成20年発行の的に理解でき，しかもそれらの比例関係を量

中学校学習指導要領解説－理科編にも明記さ的に示すことができた．その結果，生徒は現れているものであり，今後多くの中学校で水象にみられる規則性をしっかりと捉えること

圧と水深に関する授業実践がされることになができ，本時の授業における課題に対する考る．本研究は，その先行研究として位置づけ察を的確に文章で表現することができた．以られるものであり，今後より安価で洗練され下に，授業の振り返りにおける生徒の記述例た実験器具へと改良されることを期待したを示す．

い．
なお，本研究は，岐阜県教育委員会現職教

水の中で受ける水圧は，水面からの深さが深くなればなるほど大きくなることが分かった．10㎝沈めた時のゴム膜は 2 目盛り程度しかへこまなかったのに対して，50㎝沈めるとゴム膜はひっつきそうなぐらいへこんだことからも深さと水圧の大きさの関係がいえる．

員12年目研修岐阜大学研修講座「 2 学期から使える理科教材・指導案」（EZT081408）
を川瀬が受講し，そこでの議論をもとに，陽南中学校理科部で教材・教具の研究開発を行い，指導計画を練って，授業実践したものでただ水の中に沈めただけなのに，こんなにもゴム膜がへこむなんてびっくりした．
50～60㎝ぐらいの深さであんなにへこんだのなら，深い海の底に持っていったらどうなるのか…と疑問がわきました．

ある．研修第 1 日目は，2008年 7 月29日に，第 5 日目は， 8 月21日に岐阜大学で実施した．開発した指導案，教材・教具の授業実践による検証は，2008年 9 月29日に，岐阜市立陽南中学校の全校研究会で実施している．

同様の記述は，多くの生徒のワークシートに見られた．すなわち，本研究で開発した水引用文献

圧測定器は，水圧と水深の関係を調べるうえ文部科学省（2008）中学校学習指導要領解
説－理科編，149p，大日本図書．

で，適切な教材であり，身近な自然現象における力の性質に対する理解を可能にするもの

恩 藤 知 典 ほ か（1991） ス ー パ ー 理 科 事 典，718p，受験研究社．

であることが示された．

高橋弘（1993）中学校理科の水圧と気圧に5 ．おわりに関する簡易実験装置の試作，日本科学教育

本研究では，新学習指導要領の内容を踏まえ，現行の学習指導要領に沿った授業のなか−93−

学会年会論文集，17，63-64.