日本科学教育学会研究会研究報告

Vol. 31

No. 8（2017）

溶岩流の形態を支配する要因に対する探究学習
‐実験教材の開発と中学校での授業実践‐
Experimental study for active learning on the factors affecting lava flow
morphology: Development of experimental procedure and practicein the science classes of the junior high school
岡田京1・川上紳一・長澤美穂
Kei OKADA, Shin-ichi KAWAKAMI, Miho NAGASAWA
岐阜聖徳学園大学
Gifu Shotoku Gakuen University
橋田千尋・武下晃慎
Chizu HASHIDA, and Akinori TAKESHITA
岡山県立倉敷天城中学校
Kurashiki Amagi Junior High School〔要旨〕火口から流れ出したマグマの定置は，マグマの粘性，斜面勾配，地面との摩擦などの要因に支配される．1983 年三宅島の溶岩流を事象提示として用い，3D プリンターで火山地形をつくり，ココアパウダーとチョコレートを用いたモデル実験を通して溶岩流の形態を探究するための教材を検討した．開発した教材を用いて，中学 1 年生を対象に授業実践を行った．本発表
では，教材開発の意図，教材開発の概要を報告すると同時に，中学生を対象として行った授業実践をもとに成果と課題を議論する．
キーワード：溶岩流，シミュレーション，探究学習，三宅島，３Ｄプリンター

１．はじめにる．これらはキッチン火山学と呼ばれており，

 火山の発達は長大な年月をかけた規模の溶かしたチョコレート，ココアパウダー，カ様々な噴火の繰り返しの結果であり，溶岩流ルメ焼きの材料などの食材を用いて，火山現の流れ方は地形，地面との摩擦，マグマの粘象をシミュレーションし，学習者の火山に対性，マグマの噴出量，噴出率，斜面の傾斜などする 興味･関 心を高める試み である （林 ，の要因が関係している．一方で，現在の中学2015）．中学校の理科授業においても，実際の理科の授業ではマグマの粘性に重点を置いて火山活動に近い状況を実験的に探究する試みいるため，一回のマグマの流出と火山の形をが行われている．多和田ほか（2008），石原ほ概念的に関係づけようとしている．中学校のか（2008）では，紙粘土を用いて，伊豆大島

理科授業で行われている実験は一般的な火山の地形を模擬した火山模型を作り，下から歯の活動でみられる噴火活動とは異なっている．

科用印象材を液状化させて流出させ，溶岩流

 火山活動に関する実験的な学習は，各種団の流出や，火山灰の放出による火山体の発達体のアウトリーチ活動など，多くの実践があ過程を探究する授業実践を行っている．本研1

愛知県美浜町立上野間小学校― 7 ―日本科学教育学会研究会研究報告

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究では，1 回の火山活動で流出した溶岩流のて，溶岩流実験を行うのに適した火山として，形態に着目し，形態を支配する要因を探究す三宅島を選び出した．

るための実験教材を開発した．また，この教

三宅島は，日本有数の活火山の活動ででき材を用いて，中学生を対象とした理科授業をた火山島の１つであり，アア溶岩と呼ばれる実践したので，その概要を報告し，生徒が記粘性の小さい溶岩が流下するため，たびたび述したワークシートの内容をもとに，この実山麓の集落が溶岩流の被害にあっている（津践の成果と課題を考察する．

久井・鈴木，1998）．1983 年の噴火開始地点
は七島展望台と二男山との間の西斜面であっ

２．溶岩流の画像検索と三宅島の溶岩流

た．この噴火の溶岩流は数本の枝に分かれて

 火山地形や火山の噴火様式は多様であり，流下した．この溶岩流について，2016 年 9 月

こうした多様性を生む要因にマグマの粘り気に現地調査を行って教材化した(図１)．

や揮発性成分の含有率がある．中学校の授業では，マグマの粘り気と火山の形の関係を学習することになっているが，1 回の噴火活動で火山体が形成される例は，昭和新山の形成などがあるが，あまり多くはない．一般的には，長い年月をかけて徐々に火山は発達し，火山地形が形成される．山頂や山腹からの溶岩流の流出は，そうした過程の一つである．
実際の火山活動では，一回の溶岩流の形態が図１．三宅島粟辺地区の溶岩流． 年の噴火でマグマの物理的性質に大きく支配されるが，流出した．

地形（斜面の傾斜），植生の有無など，地表の３．実験教材

状 態 に も 影 響 を 受 け る (Hallworth et al.,

 国土地理院が公開している 3D プリンター

1987; Gregg and Fink, 2000;石原ほか，1984)．

用データをホームページからダウンロードし，実際の火山を想定し，溶岩流の形態を支配す地形モデルを製作した．3D プリンターは，る要因を探究するという学習課題に対しては，Mutoh の MF-1100 を使用した．溶岩流のモ溶岩流のモデリングに適した溶岩流地形を選デル実験では，実際の地形が溶岩流の流れ方び，事象提示することが重要である．そこで，に影響されるように，三宅島の南西部を一辺本研究では，google Earth を用いて，世界の18cm としてプリントした．
このモデルの地形

火山について，衛星画像で溶岩流の形態を調勾配は，プリンターのパラメータで変更できべ，溶岩流の空間的広がりが捉えやすい事例

る．ここでは，斜面が緩やかなモデル(×1.5)，を探した．知名度が比較的高い火山で，溶岩標準モデル（×１），斜面が急なモデル（×1/2）

流の形態を読み取ることが可能な火山として，の 3 種類の模型を作り，斜面の傾斜が溶岩流

国外では，ハワイのマウナロア火山，キラウの流れ方にどのように影響されるのかを調べ

エア火山，国内では，伊豆大島，三宅島を取りることができるようにした．

上げた．この中で，実際に火山体模型を作っ― 8 ―日本科学教育学会研究会研究報告

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地学を履修していないことから，火山噴火についての予備知識はもっていないが，実験結果を基に，多くの学習者が，溶岩流の形態を支配する要因として，斜面の勾配や地形，マグマの量，流出率，マグマの粘り気を記入していることがわかった．また，斜面の勾配やマグマの粘り気が，マグマが流れるスピードに関係しているという記述もみられた．さら図２．３' プリンターで製作した三宅島南西部のに，授業後の感想には，溶岩流のモデル実験火山モデル．

は面白かったという記述が多くみられた．この結果から，本実験は中学生にとっても有効実験で使用する溶岩流の模擬物質としては，ハチミツ，シロップなども検討したが，最終であり，溶岩流の形態を探究的に学習することが可能であると考えた．

的には溶かしたチョコレートを使用した．模型の表面が溶かしたチョコレートの流れ方に影響することを踏まえ，実験を行うたびに，火山模型にココアパウダーを振りかけたあと，溶かしたチョコレートをマグマに見立てて流し，その形態を調べた．このモデル実験によって，流出したマグマの総量によって，どこまで流れるかが決まることや，溶岩流の幅はマグマの流出率が大きいほど，幅が広くなる

図３．実験結果を記入したワークシートの例．

ことを確認した．実際の授業では，高さの異なる模型を使い，溶かしたチョコレートの粘このときの授業では，実験結果を図に表す

り気，流す量（5ml と 10ml）などを変化させ際に，白紙のスペースに記入させたが，学習て，繰り返し実験を行う．チョコレートの粘者によって，火山模型と流れた溶岩流の形態

り気は，溶かしたチョコレートにお湯を４：の記入に個人差がみられた(図 3)．そこで，溶１あるいは２：１の割合で混ぜることで変化岩流の形態や空間的な広がりを記入するワーさせた．一回実験を行ったあと，溶かしたチ

クシートは，３D プリンターで使用した国土ョコレートを流した部分をティッシュペーパ

地理院の地図と同じエリアを印刷して使用すーで拭き取り，ふたたびココアパウダーを振ることにした．

り掛けて，溶かしたチョコレートを流すこと

で，容易に実験を繰り返すことができる．

４．中学校での授業実践 予備実験を行ったあと，岐阜聖徳学園大学

 中学校での授業実践は，2017 年 1 月 23 日，教育学部理科専修 1 年生を対象に，実験を行

24 日に，岡山県立倉敷天城中学校 1 年生 3 クって，予察的検証を行った．学習者は高校でラスを対象に，出前授業として行った．授業― 9 ―日本科学教育学会研究会研究報告

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時間は 2 時間続けて約 90 分とした．

始した．生徒にとって初めての実験なので，生徒は 3 学期になって，地学分野の授業をまずは火山模型にココアパウダーをふりかけ，始めたところであった．そこで，どの程度のチョコレートをお湯で溶かしたあと，お湯で知識があるについて，授業でいくつかの質問薄めて粘り気を調整し，注射器に入れて上かをして，生徒の実態を調査しながら進めた．

ら火山模型に流した．流す場所は，1983 年に(1) 知っている火山の名前について実際に溶岩流が流出した三宅島の南西部の尾 まず，生徒が知っている火山の名前につい根に統一させた．て，ワークシートに記入させた．富士山(98 人)，各班で 1 回実験を行ったあと，流れたチョ

桜島(94 人)，御嶽山（68 人），阿蘇山（64 人）

コレートを拭き取る作業を行い，このあと，など，最近活動した火山の名前や有名な火山溶岩流の形態を支配する要因として予想したの名前を記入する生徒が多かった．

項目を考慮して，パラメータを変えて実験を(2) 火山災害について行うよう促した．ワークシートには，4 回の実火山噴火については，世界の多くの火山に験結果を記入できるように，同じ地図を４枚おける噴火や溶岩流流出の資料を視聴させた添付したものを配布している．図４に生徒のあと，火山が噴火するとどのような災害があ記入した実験結果の例を示す．

るかを質問した．
・火山灰による被害(66 人)
・溶岩流の発生(37 人)
・火山弾による被害（32 人）
・火砕流の発生（12 人）
・地震(24 人)(3) 溶岩流実験に対する予想
世界の火山噴火や火山災害の資料を視聴したあと，溶岩流の流れ方や形態（空間的な広がり）を支配する要因にどのようなものがあるかを予想させ，ワークシートに記入させた．
 溶岩流の形態を支配する要因として，・地形（96 人）：急な斜面ほど遠くまで・マグマの粘り気（60 人）：
粘り気が強いと遠くまで・噴き出る溶岩の量（39 人）：   多いと遠くまでといった要因を記入した生徒が多かった．
(4)溶岩流実験

図４．ワークシートに示された実験結果の例．

 火山模型と溶かしたチョコレートを用いた実験の仕方を説明したあと，各班で実験を開― 10 ―

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No. 8（2017）(5) 生徒の感想(4) 実験結果の交流実験のあと結果を班ごとにまとめさせ，

 本授業実践のと，学習者に感想を記入させその後に口頭で発表することで，クラスた．面白かった，楽しかったという記述が多全体で交流した．

かったが，記述が具体的なものは次のようである：
・溶岩の粘り気や地形によって，溶岩が流れる様子が変わることがよくわかった（38 人）
・チョコを使った実験は，とても分かりやす
く，面白かった（22 人）
・身近にない火山について，チョコという身近にあるものを使って実験できてわかりやす
かった（16 人）

図５．実験結果を発表し合い，交流する生徒．

・火山を身近に感じたことはなかったが，この授業を通じて，火山に関する興味がわいた

ワークシートに示された生徒の記述に基づい（25 人）て，実験からわかったことを箇条書きにする：

 岡山県には火山がないことから，火山を身・斜面が急なほど，速くたくさん流れた(49 人)

近に感じていない生徒が多かったが，溶岩流・斜面がきついと速く，遠くまで直線的に流のモデル実験で火山現象を身近に感じることれた(14 人)ができたことが読み取れる．

・傾斜が小さいと，広範囲に流れ，火口付近にとどまった（14 人）

．議論

・溶岩の粘り気が小さいと，速くたくさん流

 中学生を対象とした探究学習におけるれた．粘り気が強いと，ゆっくり流れ，火口付溶岩流のモデル実験の意義

近にとどまった（67 人）

 キッチン火山実験では，火山現象を身近な・溶岩の粘り気が強いと流れず，広がらない．

食材でモデル化することで，現象を楽しく理・マグマの量が多いと遠くまで流れる（21 人）

解することを目指している(林，2015)．各地の・溶岩の流れ方は，地形によって決められる博物館や，日本火山学会のアウトリーチ活動（7 人）のほか，日本各地のジオパークにおけるイベ これらの結果から，マグマの流れ方が，斜ントでも実施されている．学習効果としては，面の傾斜と，マグマの粘り気によることを理「楽しい」，「わかりやすい」が学習過程にお解した生徒が多いことが読み取れた．マグマ

ける重要な評価となっている（林，2010）．本の量について記述した生徒は 21 人で比較的実践においても多くの生徒が面白かった，分少なかったのは，注射器を用いてマグマの量かりやすかったという感想を述べており，キを変化させるのが難しいなど，実験方法に問ッチン火山実験は中学校の理科授業において題があった可能性がある．

も有効であると考えられる．
中学校の理科授業において火山現象に関す― 11 ―

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るモデル実験をさらに深めるには，実施するデルを用いて，演示実験として行うことも可実験によって，どのような概念形成を目指す能であろう．のかを設定することが重要である．火山学に 謝辞．(株)森商会長尾好裕氏，（株）ケニス

おける溶岩流のシミュレーションでは，溶岩の竹森浩氏から，３D プリンターで火山モデ流の長さ，幅，厚みなどの観測量に対する，マルを製作する際にアドバイスを受けた．ここ

グマの流出率，斜面勾配，マグマのレオロジに記して深謝する．

ーの関係を明らかにし，溶岩流の形態からマ引用文献

グマの性質を推定する試みがなされているGregg, T.K.P, and J.H. Fink: A laboratory(Gregg and Fink, 2000; 石原ほか，1984)．本

investigation into the effects of slope on

研究では，中学生を対象とした探究学習におlava flow morphology. J. Volcanology andける実験教材の開発が目的であり，実際の火

Geothermal Research, 96, 145-159, 2000.

山の溶岩流をモデリングすることを意図してHallworth, M. A. et al.: A laboratory

いない．したがって，溶岩流の長さや流路，定simulation of basic lava flows. Modern

置などについて，実験結果をもとに生徒が自Geology, 11, 93-107, 1987.

ら考えを構築することや，概念形成を促すこ

林信太郎：ジオパークにおけるキッチン火山とを重視した．実験を行う前の生徒の予想と実験活用の可能性，日本火山学会 2010 年

して，マグマの粘り気，斜面勾配，マグマの量度秋季大会 3.講演予稿集，3, 2010.

といった要因が挙げられたが，実験結果から

林信太郎：キッチン火山実験と火山学の普及，これらの考えを裏づける結果が生徒の発言か

日本火山学会 2015 年度秋季大会講演予稿らなされた．このことから，本研究で狙った集，93，2015.

探究学習を目指した教材開発として，一定の石原和弘・井口正人・加茂幸介：玄武岩質溶岩流のシミュレーション，火山，第２集，29成果が得られたものと考えている．

（三宅島特集号），S242-S252，2004.

 ３' プリンターを用いた火山モデルの

石原里佳・多和田有紗・川上紳一：歯科用印象活用
中学校の理科授業においては，火山の形と材を用いた火山噴火と地層の形成に関するマグマの粘り気を調べる実験が行われている．

モデル実験．岐阜大学教育学部研究報告（自この実験を行うときに生徒から出る予想とし然科学），33，25-30，2009.て，マグマの粘り気だけでなく，火山の形や多和田有紗・武藤正典・東條文治・川上紳一：斜面の傾斜が影響しているという意見がださ

火山噴火現象と地層のでき方を関連付けるれることがあった．しかし，火山の形や斜面実験教材の開発と中学校での授業実践によの傾斜を変えて実験を行うことは困難であっる予察的評価，岐阜大学教育学部研究報告

た．３D プリンターで，鉛直方向のスケール（自然科学），33，17-24，2009．

を変化させて，火山モデルを作ることで，火津久井雅志・鈴木裕一：三宅島火山最近 7000

山の形や斜面の勾配の影響を調べることがで年間の噴火史，火山第２集，43，149-166，きる．マグマの粘り気と火山の形の授業の終1998.

末において，３D プリンターを使った火山モ― 12 ―