エネルギー変換技術に関する教材開発
Development of teaching materials for technology
of energy conversion
廣瀬 泰弘*

福岡 大輔**
常富 真弘********
佐藤宮川 景行
Yasuhiro HIROSE
Daisuke FUKUOKA
Masahiro TUNETOMI
Yuuta SATOU
Hiroyuki MIYAGAWA
優太****

平成 29 年度告示学習指導要領技術・家庭科編（技術分野）において，C エネルギー変換の技術の中で歯車を代表例とした動力伝達に関するエネルギー変換技術を扱うことが求められている。本研究では，歯車に着目し，学習者が歯車の動力伝達について歯車を組み替えながら学習できる教材として，掲示用歯車教材，トルク体感歯車教材，速度伝達比体感歯車教材の 3 種類のエネルギー変換技術に関する教材の開発を行い，提案教材の教育的有効性を検証した。岐阜県内中学校において 3 回の授業実践及び調査を実施した結果，提案学習方法の有効性として，学習者の学習意欲の向上及び，学習内容に対する理解の促進が示唆された。また，授業者の黒板上での演示指導における援助に繋がる可能性が推察された。
キーワード：歯車，教材開発，デジタルファブリケーション，エネルギー変換技術

平成 29 年度告示学習指導要領技術・家庭科編（技術分野）1)において，C エネルギー変換の技術で歯車を代表例とする動力伝達に関するエネルギー変換技術を扱うことが求められている。
エネルギー変換技術に関する教材として，現在は図材加工の技術を用いて行うことにより，基本的な工具の取り扱いを学習しながら，動力伝達の仕組みについて学習することができる可能性を示した。しかし，構造が複雑な点，学習者が動力伝達の仕組みを組み合わせることはできない点，導入が困難な点を課題として示した。
また，北村 3)は，3D プリンタを用いた歯車教材の開発において，3D プリンタを用いた学習教材用の歯車の1(a)に示すような教材が用いられている。教材では，モータの動力を歯車及びテコ・クランク機構により伝製作を行い，中学校技術・家庭科（技術分野）での活用方法を考察した。結果として，ABS 樹脂を用いてイ達，変換して動作することを製作の中で学習できる。
この時，使用される歯車及び，ギヤボックスは，図ンボリュート歯車を 3 次元 CAD データから作成することができることを示した。しかし，教材の教育的有効

1(b)に示すように，基準円半径 10mm 程度の歯車が用いられている。そのため，歯車が小さく内部に隠れて性を検証する必要性を示した。
これらの先行研究を踏まえ，歯車の動力伝達に着目おり，学習者が歯車の働きや動力伝達の仕組みを理解することは困難である。

したエネルギー変換技術に関する教材は，学習者が動作を視認しにくい点，動力伝達を体験的に学習できな

松永ら 2)は教材用木製機械式振子時計の開発において，動力伝達に関する教材として振り子時計の教材をい点，教材の教育的有効性が示されていない点に課題がある。そこで，動力伝達に着目したエネルギー変換開発し，授業実践を実施した。製作を中学校段階の木技術に関する多様な教材開発及び授業実践が求められている。

1．はじめに

***
***
****
*****

岐阜大学（大学院生）
岐阜大学
羽島市立竹鼻中学校
羽島市立羽島中央中中学校
神戸町立神戸中学校

本研究では，歯車の動力伝達について学習者が歯車を組み替えるなどして，体験的に歯車の動力伝達を学習できるエネルギー変換技術に関する教材の開発し，その教育的有効性を検証することを目的とする。

(1)

廣瀬 泰弘・福岡 大輔・常富 真弘・佐藤 優太・宮川 景行

開発する教材の歯車に関しては，各教材間で連結ができるように，歯車のモジュールを等しくする。さらに，導入のしやすさを考慮し，教材の材料費を可能な限り低コストで行うこととする。




（a）教材の全体像
!



"
"

図 2 思考・体感型歯車教材の構想図

2.2 インボリュート歯車の基礎理論
本教材では，図 3 に示すインボリュート歯車を設計し，製作する。
インボリュート歯車とは，インボリュート曲線の一部が用いられている歯車である。インボリュート曲線を用いることで 2 つの歯が接する点における接線が共通する。そのため, 歯車の回転速度が一定になり，歯車間のエネルギー伝導が最適になる。 論理的には滑りが無いとされている。この場合おけるインボリュート曲線とは，平面曲線・曲面状の一点を通り, その点の接線と垂直な直線が常に一定円に接するような平面曲線である。同図(a)の条件において次式で表される。

（b）教材の動力伝達部
図 1 教材の一例

2．教材開発2.1 教材の構想
開発する教材は， 図 2 の構想図に示すように学習者自身で歯車の選択や，そのほかの動力伝達機構の選択を行う。それにより，歯車の動力伝達における速度伝達比やトルクを決定し，学習者が動力伝達の構成を組むことができる。学習者自身が動力伝達の構成を組み試行する中で，歯車の動力伝達について学習できる教材を目指す。そこで，前述した課題点を踏まえ，歯車の動作の視認性を高めるため，教材には大きい歯車を使用する。また，学習者が体験的に学習を行えるように，歯車やそのほかの動力伝達機構を組み替えられる
ことの 2 点に留意して，掲示用歯車教材，トルク体感歯車教材，速度伝達比体感歯車教材の 3 つの歯車の動力伝達に着目したエネルギー変換技術に関する教材の開発を行う。

𝑥 = 𝑟(𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝜃𝑠𝑖𝑛𝜃)𝑦 = 𝑟(𝑠𝑖𝑛𝜃 − 𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃)

(2.1)
(2.2)

インボリュート歯車の歯の大きさを表すパラメータとしてモジュールがある。モジュールが一致する歯車同士がかみ合うことで，円滑な動力伝達ができる。同図(b)の条件でモジュール m，歯数 z は，次式の関係がある。
12𝑚= 3(2)(2.3)

エネルギー変換技術に関する教材開発

CNC とはコンピュータ数値制御のことであり，工具の移動量や移動方向，移動速度などをコンピュータにより制御し，切削及び切断を行う。加工手順のプログ
ラムは G-code と呼ばれるプログラミング言語を用いる。
そのため，設計した CAD（Computer -aided Design）データを，CAM（Computer-aided Manufacturing）ソフトウェアを用いて G-code に変換し，CNC 機器に入力し加工する。
歯車の設計には，歯車計算ソフトウェア「GCSW（小原歯車工業製）」を利用する。歯車のモジュールと歯数を入力することで歯形を算出し，1 ピッチ分の歯形を dxf ファイル形式で出力する。
その後，出力した dxf ファイルから CAD ソフトウェ
ア で CAD デ ー タ を 生 成 す る 。 本 研 究 で は ，「Illustrator CS6（Adobe Systems 社製）」を使用する。
生成した CAD データを CAM ソフトウェアに読み込
み，CNC 機器に入力するための G-code データに変換する。本研究では，CNC フライス盤で加工する場合「Cut2D（Vectric 社製）」を利用し，レーザー加工機で加工する場合「SmartDIYs Creator（Smart DIYs社製）」を利用する。
最後に，生成した G-code データを CNC ソフトウェ
アに入力し，指定した原点から X，Y，Z 座標に加工ツールが移動し加工を行う。本研究では，CNC ソフト
ウェアとして「Mach3Mill（ArtSoft 社製）」を利用する。レーザー加工機で加工する場合，CAM／CNC
ソフトウェアとして「SmartDIYs Creator」を利用する。

（a）設計したインボリュート曲線（b）設計した歯車の例
図 3 インボリュート歯車

2.3.1 CNC フライス盤
2.3 開発方法
本研究では，MDF の加工には CNC フライス盤であ本 研 究 で は ， 教 材 の 製 作 に ， MDF （ Medium
る mini-CNC HAKU2042（ORIGINALMIND 社製）
Density Fiberboard）及び，ホワイトボード素材の発を使用する。切削加工に用いたエンドミルは直径泡スチロールを用いる。MDF は比較的安価で加工し1.6mm のトリマ・ルータービット（ライト精機株式
やすく，木材のような反りをおこしにくい。そのため， 会 社 製 ： Super TR-53 ） を 使 用 す る 。 mini-CNC
インボリュート曲線という精密な構造を持つ歯車の製
HAKU2042 の外観を図 4 に，仕様を表 1 に示す。
作に適している。また，歯車及び，そのほかの動力伝達機構の加工方法として，手作業による精密な製作は2.3.2 レーザー加工機
困 難 で あ る 。 そ こ で ， MDF は ， CNC （ Computer
本研究では，ホワイトボード素材の発泡スチロールNumerical Control）フライス盤を用いて切削加工をの加工にはレーザー加工機である FABOOL Laser CO2行う。ホワイトボード素材の発泡スチロールは，レー（SMART DIYs 社製）を使用する。FABOOL Laser
ザー加工機を用いて切断加工を行う。
CO2 の外観を図 5 に，仕様を表 2 に示す。

(3)

廣瀬 泰弘・福岡 大輔・常富 真弘・佐藤 優太・宮川 景行

図 4 CNC フライス盤の外観（mini-CNC HAKU2042）

図 5 レーザー加工機の外観（FABOOL Laser CO2）

表 1 CNC フライス盤の仕様（mini-CNC HAKU2042）

表 2 レーザー加工機の仕様（FABOOL Laser CO2）;0!1+'< $!1+')#7%
"5&(/43() HAKU2042 ,45

X 6>203.5mm
Y 6>425.0mm
Z 6>68.8mm

VSSV55mm
200mm(W)
420mm(D)084

8000 "/eY

26W(DC  )

IFL

25.2kg:.

DC24V(AC100V   )

ODF

=-2=*+1200mm/min

89C k88354 9 g2VV#!+#+#+ #++&+&+%'+)f!"(%+ , "$ *+ , +  WeY

188AaB6

2.4 掲示用歯車教材の概要
開発した教材は，平歯車ユニット及び，テコ・クランク機構ユニットから構成される。歯数の異なる平歯車ユニット及び，テコ・クランク機構ユニットを組み合わせて目的とする動力伝達を構成することができる。
各ユニットでは図 6 に示すように，各ユニットの背面に直径 20mm のフェライト磁石を埋め込んでおくことで，各ユニットを黒板上に吸着させ，平歯車の軸間距離を学習者が自由に調整することができる。
また，各ユニットに使用する歯車のモジュールを統一して設計することで，ユニット同士の連結により，ユニット間の動力伝達ができるように作成する。

(4)

図 6 掲示用教材の裏面

エネルギー変換技術に関する教材開発

2.4.1 平歯車ユニット
平歯車ユニットを図 7(a)に示す。歯車は MDF を用いてモジュール 4，歯数 10，20，30，40，120 の 5 種類を製作する。歯数 120 の歯車は基準円直径 480mmとなり，CNC フライス盤の最大切削サイズを超えるため，歯車を 24 個のパーツに分割し，切削後に接着することで製作する。
平歯車ユニットの構造は図 7(b)に示すように，歯車を，土台に固定された雄ネジを切った木製軸に差し込み，雌ネジを切った木製ナットで挟み込むように固定する構造である。そのため，歯車の取り替えが容易に行え，学習者が動力伝達の構成を構築することが可能となる。
また，土台背面にフェライト磁石を埋め込み，接着剤で接合することにより，黒板上に掲示でき，歯車間の軸間距離を調整することもできる。

2.4.2 テコ・クランク機構ユニット
テコ・クランク機構ユニットを図 8(a)に示す。図8(b)の構造図で示すように，テコ・クランク機構の各要素となる「テコ」「クランク」「リンク」を MDFで作成した留め具及び木ネジで固定することで可動部品とする。それにより歯車が「クランク」要素となり動力を受け回転運動し，リンク棒を通して動力を伝達する。腕部品が「テコ」要素となり，伝達された動力により，腕部品が土台との接合点を原点とした揺動運動を行う。
土台背面にフェライト磁石を埋め込み，接着剤で接合することにより，黒板上に掲示できる。
また，歯車をモジュール 4 で設計することで，平歯車ユニットと連動させて使用できる。

（a）外観（a）外観   
3 （b）構造
図 7 平歯車モジュール（b）構造
図 8 テコ・クランク機構モジュール(5)

廣瀬 泰弘・福岡 大輔・常富 真弘・佐藤 優太・宮川 景行

2.5 トルク体感歯車教材の概要
本教材では土台部品と歯車の 2 つのパーツで構成される。開発した教材を図 9(a)に示す。MDF ボードを用いて，モジュール 4，歯数 40，10 の 2 種類の歯車を製作する。構造は図 9(b)に示すように，歯数 40 と 10 の歯車を各 5 個ずつ製作し，2 段歯車を製作する。製作した 2 段歯車を小歯車が下になるように，2 軸へ交互に重ねていくことにより，各階層の速度伝達比及びトルクが変わり，実際に回すことにより，最上部の小歯車が最大速度で回転する様子が視認でき，最下部の大歯車が最大トルクになることが体感できる。各階層にある大歯車を指で回転させることにより，トルク及び速度伝達比を観察できる。最上部の大歯車を 1 回転させると，最上部にある小歯車は 4 回転する。さらに，最下部まで連結していき，最下部の大歯車を 1 回転させると，最上部の小歯車は 1024 回転する。

2.6 速度伝達比体感歯車教材の概要
開発した教材を図 10(a)に示す。歯車のモジュール 4，歯数「40，32，30，24，20，16 ，10，8」の 8 種類用意することで，約 2 万通りの歯車の組み合わせを設計でき，「時計の設計」や，「最速の加速機の設計」など「速度伝達比」を変化させ，学習者が目的に応じた動力伝達の構成を設計・構築できる。構造は，図10(b)に示すように，ホワイトボード素材の発泡スチロールで作成した歯車を軸台に取り付けて動力伝達の構成を構築する。
この時，各歯車の中心から 10mm の位置にフェライト磁石がシールで埋め込まれている。これにより，歯車同士が磁石の吸着力により接合され，時計の設計などにおいて容易に多段歯車を作成することができる。
また，歯車の製作には，ホワイトボード素材を使用して作成することにより，学習者が歯車上に思考の過程や思考の支援となる記録を図 12 のように記入することができる。

（a）外観（a）外観00014（b）構造
図 10 速度伝達比体感歯車教材（b）構造
図 9 トルク体感歯車教材(6)



エネルギー変換技術に関する教材開発

3.1 掲示用掲示用歯車教材の評価
岐阜県内公立中学校第 2 学年 40 名を対象に提案カリキュラムモデル①，②の内容に関して授業実践を実施した。授業では，掲示用歯車教材を 1 セット用いて授業を行った。授業終了時に，教材に対する授業者への聞き取り調査を実施し，内容分析を行った。
調査結果の中から抽出したものを表 3 に示す。授業者の回答において回答番号 2，3 に示すように，黒板上に歯車を掲示できことに対する好意的な意見が見られる。一方で，歯車の大きさに対する問題意識が回答で示された。
図 11 思考過程の記録例

3.2 トルク体感歯車教材の評価
岐阜大学教育学部附属中学校第 3 学年 40 名を対象にカリキュラムモデル①，②，③の内容に関して授業実3．実践授業による評価践を実施した。授業では，掲示用歯車教材を 1 セット，岐阜県内中学校 3 校において中学校技術・家庭科
トルク体感歯車教材 10 個を用いて，3 人程度のグルー（技術分野）において授業実践を実施した。授業内容
プ毎にトルク体感歯車教材を用いた実習を行い，授業に関しては，平成 29 年度告示学習指導要領（1）生活を実施した。授業終了時に，「トルク体感歯車教材をや社会を支えるエネルギー変換の技術での実施を想定使う学習を通して，歯車が生活の中でどのように活用した図 12 に示すカリキュラムモデルに順い，実施した。 されていると感じましたか？」という自由記述調査を①では，運動エネルギーを利用するための機構や歯車実施し，内容分析を行った。の基本的な働きや仕組みを学習する。②では，掲示用調査結果の中から抽出したものを表 4 に示す。学習歯車教材を用いて入力の歯車を変えた場合の，テコ・者の回答において回答番号 2，6 に示すように，「力をクランク機構ユニットの動きを考える。③では，トル大きくする」という学習内容であるトルクに関連したク体感歯車教材を用いて各階層の大歯車を回転させた
記述が多く見られる。また，回答番号 1，3 に示すよう時に要する力及び，最上部の小歯車の回転速度を観察に，「風力発電機」や「時計」などの歯車が活用されし，歯車と速度伝達比，トルクの関係を体験的に考察る機器を明確に回答する記述が見られた。
する。④では，③で学習した内容を基に，速度伝達比3.3 速度伝達比体感歯車教材の評価
体感歯車教材を用いて時計などの生活の中の動力伝達の構成を作成する。
岐阜大学教育学部附属中学校第 3 学年 120 名を対象にカリキュラムモデル①，②，③，④の内容に関して.
53()
()()
授業実践を実施した。授業では，掲示用歯車教材を 1
1 3セット，トルク体感歯車教材 10 個，速度伝達比体感歯車教材 10 個を用いて，3 人程度のグループに毎に各実()()習を行い，授業を実施した。授業終了時に，質問紙調21査を実施し，分析を行った。質問項目は，「Q1:活動2 .
は有意義でしたか？」「Q2:速度伝達比体感教材で歯()2車を実際に組み合わせる活動で，速度伝達比について整理できましたか？」の 2 項目とした。
0調査結果を図 13 に示す。どちらの質問項目に対して()も中間値を上回る値を示した。また，Q2の質問項目に2対する好意的な回答は，75.8%あり，学習内容を整理できたと感じる生徒が多いことが分かる。
図 12 カリキュラムモデル(7)廣瀬 泰弘・福岡 大輔・常富 真弘・佐藤 優太・宮川 景行

表 3 授業者への聞き取り調査の結果

表 4 自由記述調査の結果
N575576oo43o26 5245oN

326366566 53N15357

33N15574441737 6530.845.0N12.5724.3Q2655.0Q137.50.07.550.02%

100.01   

図 13 質問紙調査の結果

4．考察

5．おわりに掲示用歯車教材に関する，聞き取り調査結果では，授業者の黒板上での演示に関する好意的な反応が得られた。したがって，提案学習方法は，授業者の学習指導支援につながる可能性が示唆された。
トルク体感歯車教材に関する自由記述調査では，「力の大きさ」という表現の記述が多く見られた。この表現は，学習内容である歯車とトルクの関係を表したものだと考える。したがって，トルク体感歯車教材により学習内容の理解が促進されたと考えられる。また，歯車の活用場所に関して具体的な場所を示し，「今後も気にして生活したい」という記述が見られたことから，生活の中にも目を向ける意識の芽生えたと考える。つまり，トルク体感歯車教材が学習意欲の向上へ有効的に影響を与えたと考えられる。
速度伝達比体感歯車教材に関する質問紙調査では，学習内容である速度伝達比に関して整理できたと感じる学習者の割合が高い傾向にあった。したがって，学習内容の理解を促進する可能性が示唆された。

本研究では，学習者が歯車を組み替えながら体験的に歯車について学習できるエネルギー変換技術に関する教材として，掲示用歯車教材，トルク体感歯車教材，速度伝達比体感歯車教材の開発を行なった。教材の教育的有効性を検証した結果，歯車を組み替え，動力伝達の構成を作成することで，学習者の学習意欲の向上及び，学習内容に対する理解の促進が示唆された。また，授業者の指導援助になる可能性が示された。

参考文献
1)

文部科学省：中学校学習指導要領解説 技術・家庭科編，開隆堂，pp.40-47(2017)2) 松永泰弘・柴田祥吾・今川延洋：教材用教材用木製機械式振子時計の開発，静岡大学教育学部研究報告，第 41 号，pp.121-130(2010)3) 木村一浩：3D プリンタを用いた歯車教材の開発，愛知教育大学研究報告. 芸術・保健体育・家政・技術科学・創作編，第 65 号，pp.53-55(2016)(8)