中高の材料科学分野における教育の現状と課題
秋重幸邦

実施され，高校は 2013 年から年次進行で実施されている．

.

は じめに

2015 年からは新学習指導要領で学んだ学生が大学に入学してくる．
著者は，チタン酸バリウムに代表される強誘電体の結晶作製や物性研究を 30 年以上続けている．物理学会に所属し，



小中理科科 研 費 は ， 主 に 「 物 性  」 に 出 し て き た ． 2003 年 に理科の新学習指導要領では，科学的な概念の理解など基礎BaTi2O5 の強誘電性を発見し(1)，鉛フリーな圧電体として応的・基本的な知識・技能を確実に定着させる観点から，物理用に繋げたいとの思いから，材料科学的な視点からの研究を領域は「エネルギー」，化学領域は「粒子」，生物領域は「生進めるようになって 10 年である．教育面では，教員養成学

命」，地学領域は「地球」などの科学の基本的な見方や概念部で小学校や中学校の理科の教師を目指す学生を対象に，力を柱として，小中を通した内容の構造化が図られた．図学，電磁気学，物理実験，理科内容構成研究(2)などの授業をに，第 1 分野すなわち「エネルギー」と「粒子」領域で，担当している．今回，表題の原稿の依頼を受けたものの，テ学習する内容を学年ごとに図式化して示している．図中の下ーマが特殊であり著者には荷が重いと躊躇したが，勉強し直線で示した項目，小学校「物と重さ」「電気の利用」，中学校す良い機会と思い，お引き受けすることとした．

「イオン」「プラスチック」「放射線」などは国際的な通用性，材料とは物質の中で直接人間の役に立つものと言われてい系統性の確保等の観点から新たに導入された内容である．下る．石器時代，青銅器時代，鉄器時代など人間が使う材料と点線で示した項目は，学習する学年が変更されたり，選択か共に時代は変遷し，2014年にノーベル賞に輝いた GaN 青色ら必修に変わった内容である．図には表れていないが，科学発光ダイオードにより，時代は環境配慮の省エネ時代へと変的な思考力・表現力等を育成する観点から，観察・実験の結わろうとしている．物質科学も材料科学も英語では Materi-

果を分析し解釈する学習活動や科学的な概念を使用して考え

als Science と同じである．表題の「中高の材料科学分野」

説明する学習活動の充実が求められている．また，科学を学と言っても，該当するものはおそらく物理学や化学からなるぶことの意義や有用性を実感させ科学への関心を高める観点

理科第一分野の物質科学の部分であろう．

から，日常生活や社会との関連を重視することが求められて

本稿では，学校教育におけるバイブルであり改訂されたばいる．学習内容の増加に伴い，理科の授業時間は小学校でかりの学習指導要領(3)(5)を紹介し，材料科学的な視点から350時間から 405時間へ中学校で 290時間から 385時間へと，理科の学習指導要領の現状を見直してみる．さらに，昨年のそれぞれ15.7，32.8増加した．

修士学生が中学生と大学生を対象に行った電熱線の発熱に関

図 1 に示した単元を詳細に見て頂ければ分かるように，するアンケート調査結果を基に(6)，高校教育について言及す

小中の理科第一分野(｢エネルギー」と［粒子])で学ぶ内容は，る．少々私見を述べることで，「教育の現状と課題」の一端材料科学に必要な科学的な知識がほとんど盛り込まれていにでも触れることができればと思う．

る．高校で「物理学」や「化学」の別教科として学ぶ内容が，渾然一体とした形となって繰り返し出てくる．複合科学であ.

新学習指導要領に伴う変更

る材料科学にとっては，小中の理科の内容は理想的である．
この時期に，多くの実験を行い，物質の諸性質を子供たちに約 10 年ごとに改正される学習指導要領の最新版が小中は体験として学ばせることが重要である．小中の先生方の腕の2008 年 3 月に(3)(4) ，高校は 2009 年 3 月に文科省より告示さ見せ所でもあるが，世界一多忙といわれている先生方であれた(5) ．小中はそれぞれ 2011 年および 2012 年 4 月から全面り，教える内容は日々高度になるため，理想と現実とには開島根大学教授教育学部自然環境教育講座(〒6908504 松江市西川津町1060)
Current Status and Issue of Education in the Field of Materials Science in Junior High School and High School; Yukikuni Akishige(Department of Naturel Science Education, Faculty of Education, Shimane University, Matsue)
Keywords: materials science education, science curriculum, government guideline for teaching, junior high school, high school
2014年11月 6 日受理[doi:10.2320/materia.54.138]

小特集図1

小学校及び中学校理科第一分野(｢エネルギー」・「粒子」領域)で学習する内容の流れ．

きがある．


高校理科なっている．物理・化学・生物・地学の 4 領域それぞれの標準単位数の合計は，現行課程，新課程とも 6 単位と変更はない．しかし，現行課程の「物理」は「物理基礎」とな「理数教育」の充実は学習指導要領改訂の 1 つの柱となっり，標準単位数が 3 単位から 2 単位へと 1 単位減少する．ており，図に示すように，高校理科では「科学と人間生活」

一方，現行課程の「物理」は「物理」となり，標準単位数及び「理科課題研究」が教科として新設された(5)．前者は指が 3 単位から 4 単位に 1 単位増加する．

導内容と日常生活や社会との関連を，後者は知識や技能を活大学入試におけるセンター試験利用については，国公立大用する学習や探究する学習を重視する教科である．なお，理文系では基礎 4 科目のうちから 2 科目を選択するパターン

科の必履修は，「科学と人間生活」，「物理基礎」，「化学基礎」，が，国公立大理系では「物理」など 4 科目のうちから 2 科目「生物基礎」及び「地学基礎」のうちから 2 科目(うち 1 科を選択するパターンが主流になると思われる．したがって，

目は「科学と人間生活」とする．）又は「物理基礎」，「化学文系では，単位数は 2 科目 4 単位であり，旧課程時の理科 1基礎」，「生物基礎」及び「地学基礎」のうちから 3 科目と科目 3 単位と比べて 1 単位分負担は重く，科目数も増える．

ま て り あ 第54巻 第 4 号(2015)
Materia Japan表1

小中学校学習指導要領の理科第一分野(｢エネルギー」と「粒子」領域)および高等校学習指導要
領の理科(｢科学と人間生活」「物理基礎」「物理」「化学基礎」「化学」「理科課題研究｣)に出てくる
4 つの単語(材料，物質，粒子，エネルギー)の出現件数．
小中

高全体

材

料

0055物

質

63757100粒

子038116284882

エネルギー

チックの基本的な特徴を金属や他の物質と対比して調べ，そ図2

高校理科の新・旧教科の比較．の用途や使用限界などについて考えるだけでも十分ではないだろうか．
一方，今回の改訂で物理領域と化学領域の概念の柱とされ理系では，2 科目 8 単位の出題であり，こちらも旧課程時の理科 2 科目 6 単位と比べて 2 単位分負担は重くなる．

た「エネルギー」と「粒子」という言葉について調べてみると，高度な概念である「粒子」は全体で 11 件と出現頻度は.

理科学習指導要領における材料科学極めて少ない．しかも，「粒子性」，「素粒子」，「粒子の熱運動」などとして使用され，物理分野の言葉として主に高校で新学習指導要領に材料科学的視点がどれだけ入っているか使われている．
「エネルギー」の出現数は全体で82件であり，調べるために，「材料」「物質」「粒子」「エネルギー」という主に物理分野の言葉として数多く使用されている．「粒子」

単語がどの程度の頻度で，どの分野で使用されているか検索

概念は今回の学習指導要領改訂の目玉的な内容であり，学校してみた．対象としたのは，小中学校学習指導要領の理科の現場では小学校の早い時期から「粒子」概念を教える取り組第一分野(「エネルギー」と「粒子」)と高校学習指導要領のみが始められ，そのことの是非について議論されているとこ

理科「科学と人間生活」「物理基礎」「物理」「化学基礎」「化ろでもある(7)．気体分子の運動，溶けた物質の行方など，目学」「理科課題研究」についてである．表に示すように，に見えないものを子供たちに学ばせる難しさがある．発達段

小中高全体で「物質」という単語が100件ヒットしたのに対階に応じた粒子概念の教授法など，大いに議論されるべき課

し「材料」という単語は 5 件しかなかった．「材料」という題である．

単語は高校の「科学と人間生活」の中で使われているだけで，

.

小中理科第一分野や高校「物理基礎」「物理」「化学基礎」

アンケート調査結果から見えてきた高校教育「化学」では使用されていなかった．一方，「物質」という単語は，小中高で万遍なく使用され，化学分野で圧倒的に多く新学習指導要領では，新しく導入された小学校 6 年の出現する．従って，小中高の理科第 1 分野「エネルギー」「電気の利用」の単元で，電気による電熱線の発熱実験を取と「粒子」領域は，「材料」というより「物質」を取り扱うり扱う．図のような回路を用いて，長さが同じで太さの異分野であることは間違いないだろう．今回の改訂で，日常生なる細い電熱線と太い電熱線でどちらがより発熱するかを，ろう活や社会との関連を重視するとされた割には，「材料」とい蝋や発泡スチロールの切断時間で調べる実験である．定電圧

う記述はまだまだ少ない．しかし，材料科学に関連する言葉での実験であるので，より電流の流れる太い電熱線の方がよ

は，金属( 23)，プラスチック( 7 )，セラミックス( 1)，半導り発熱し，蝋の切断時間は早くなる．乾電池の内部抵抗と電体(2)，絶縁体(1)，磁石( 20)，電気(47)，状態変化(11)と熱線の抵抗が同程度であると，電池が発熱し明確な実験結果数多く使用されている(括弧内の数字は単語の出現数)．中 1が得られないため，教育現場では混乱が生じている(8)．定電

では，身近な物質として金属(鉄，銅，アルミ)，無機物(ガ

圧電源を用いないと，満足のいく結果は出ない実験である．

ラス，塩)，有機物(砂糖，でんぷん)に加えて，新しくプラアンケート調査は(6) ，図 3 の回路を示して細い電熱線とスチックを教えることになった(図 1)，身近なペットボトル

太い電熱線でどちらの蝋が早く落ちるかを選択させ，その理等の製品を利用して，比重や加熱実験でポリエチレン由を文書で記述する内容である．中学 2 年生と現役大学生(PE)，ポリエチレンテレフタレート(PET)，ポリ塩化ビニを対象にアンケートを実施し，結果を比較してみた．中学生

ル( PVC )などを区別する実験を行う．これなどまさしくプに対しては， 2012 年 7 月 4 日，島根大学教育学部附属中学

ラスチック材料に関する実験である．「材料」という言葉を

校第 2 学年130名を対象とし，大学生に対しては，2012年10意識して用い，「物質」ではなく「材料」としての用途や使月，島根大学松江キャンパス 106 名を対象として行った．

用限界について考えさせることができる．しかし，物質の多106名中，高校で物理学履修者は35，非履修者65であっ様性として複数のプラスチックを識別させるよりは，プラスた．結果を表に示す．なお，中学生の半数程度は小学校の

小特集表2図 3 の回路で，細い電熱線と太い電熱線とでは，蝋はどちらが先に落ちるかとの問への回答の割合()．中学校 2 学年130名，大学生106名(内，高校で物理学履修者は35，非履修者65)．
細い方 太い方 変わらない 無回答

図3

同じ長さで太さの異なる電熱線を用いた蝋の加熱実験の回路図．

中学 2 年
大学生(高校で物理履修)

3358

24351

670

大学生(高校で物理非履修)

4248

100

いかに高めていくかは，日本が技術立国としてあり続けるた

時にこの実験を経験していた．
中学 2 年生では，太い方と 58 の生徒が正しく選択してめに，避けて通れない重要な課題である．

いるが，記述で答えた理由の正誤を含めると約 22 しか正

新学習指導要領では，理数教育の充実が謳われ，小中の理しい認識ができていない．誤った理由で最も多かったのは電科の内容や授業時間が拡充されている．また，日常生活と関熱線の表面積や体積に関した理由であり，「細い電熱線」と連して教えることが重視され，高校では「科学と人間生活」

答えた生徒は蝋との接点が小さいというような刃物のイメーという教科が新設された．この理科学習指導要領の中では，ジをもっていた．他方，「太い電熱線」と正しく答えた生徒「材料」という単語はほとんど使われていない．理科は「物質」であっても，高温部分の接点が大きい方がより広く溶かすこを科学する教科として捉えられており，材料科学的な視点をとができるという考えが多くあった．生徒の考えが電熱線内理科の中にどのように入れていくかは，今後の課題である．

部の電流の大きさにまで及んでいないことがわかる．また電プラスチックを中学校で教えることになったが，プラスチ

熱線内部の状況について説明している生徒であっても「細いックの材料としての特徴ではなく， PE や PET などのプラ方が早く熱が伝わる」というように熱に焦点を当てている生スチックの種類の確認になり，覚えることをさらに増やす可徒の存在が確認された．

能性がある．また，化学分野については，粒子概念を柱とし大学生の場合，細い電熱線の選択者(誤答)の割合がて小中高を通して教えることになった．そのため，学校現場42 ，太い電熱線の選択者(正答)の割合が 49 であった．

では小学校の早い時期から粒子概念を教える取り組みが始ま物理学履修者と非履修者の正答率は，表 2 に示すように，っている．

履修者 51 非履修者 48 と同程度の結果となった．選択肢

電熱線の加熱に関するアンケート調査を中学 2 年と大学の正誤のみでは 49 であった正答率は，理由の正誤も含め生を対象に行った．記述内容を含めた正答率は高校で物理をるとわずか 8に激減した．これは中学生の22と比較して履修した大学生の方が中学 2 年生より悪い結果となった．

非常に小さい．さらに物理学履修者と非履修者で見てみる

高校において，実体験を伴った経験によって身につく知識がと，履修者 3，非履修者10であり，履修者が非履修者よ得られていないのではないか，危惧されるところである．

りも正答率が低い結果となった．誤答理由には，電熱線の表最後に，理数教育の充実が図られ理科の授業時間や学習内面積に関わる記述や，電熱線への蓄熱に関わる記述，抵抗値容も増えている．そのことが，覚えるべき知識の量としてでの大きさと発熱量に関わる誤認などがあげられる．中学生とはなく五感を使った経験的な知識の量として，捉えられるこ

比較して正答率が低い理由としては，高等学校で物理学を履とを切に願っている．

文

修しても小学校のように実体験を伴って学習していないために，誤った知識に依存した回答をしたことが考えられる．
材料科学で重要な位置を占める「ものづくり」においては，瞬時の判断や次なるステップへの方向性を決める時に，経験として身についた知恵が頼りとなる．ナノテクノロジーなどの最先端の研究現場でも，日常生活で身に着いた材料に対する科学的な経験知が役に立っている．たとえ高校物理で方程式の解法は覚えたとしても，経験知として身についた知識の蓄積がなければ，具体的な場面において実際に役に立つだろうか．この電熱線の発熱に関するアンケート結果だけで結論

1983 年

的なことは言えないとしても，現状の一端が見えているような気はする．

.

まとめ

次世代の科学技術を担う若者の材料科学に関する経験知を

ま て り あ 第54巻 第 4 号(2015)
Materia Japan献( 1 ) 秋重幸邦熱測定，33(2006), 160
166．
( 2 ) 秋重幸邦島根大学教育学部紀要，45別冊，(2012), 3942.
( 3 ) 文部科学省小学校学習指導要領，東京書籍，(2010), 6171.
( 4 ) 文部科学省中学校学習指導要領，東山書房，(2010), 5773.
( 5 ) 文部科学省高等学校学習指導要領，東山書房，(2009), 64
89.
( 6 ) 別木政彦省エネルギー社会を臨む先端工学とエネルギー教
育の包括的研究，島根大学大学院教育学研究科修士論文，(2014), 134145.
( 7 ) 石川聡子，高崎裕太大阪教育大学紀要，62(2013), 1
16.
( 8 ) 別木政彦，塚田真也，秋重幸邦応用物理教育， 37 ( 2013 ) ,6772.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

秋重幸邦

早稲田大学大学院理工学研究科博士課程修了(理博)北海道大学理学部物理学科 助手
島根大学教育学部 助教授
2000年 4 月 同 教授
専門分野誘電体物性実験，エネルギー環境教育◎チタン酸バリウム系酸化物強誘電体の結晶育成や物性測定に従事．エネルギー環境教育用教材の作製も手がける．

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