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よりよい理科実験とは？

２．プロジェクトの名称、目的

名称：よりよい理科実験とは？



目的：児童・生徒の「理科離れ」を打開するために、授業では積極的・効果的に実験を行なう必要がある。そのための教＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

材研究・準備実験はより深化したものである必要がある。そこで、理科の教科書

第１章 プロジェクトの概要など
１．はじめに
本学は教員養成大学ということもあに掲載されている実験について、よりよい授業構成のための実験として試行し、改良を試みる。

り、学生の多くは教職員を志望している。

また、活動を通してコミュニケーショ

本学卒業後、即戦力として学校現場で働ン能力や科学的な思考をお互いに向上くという人も少なくない。また、理科のしあうことで、実験の知識や技能の向上

教員には実験や観察の技能が必要となだけでなく、人間的な成長も目指す。

る。
しかし、大学在学中に学校現場で行なえるような実験の知識・技能を習得する機会は多くはない。そこで、そういった機会を増やし、実験の知識や技能を向上

３．代表者および構成員・代表者
田中 雄太 理科領域専攻 ５回生・構成員させるために、教科書記載の実験を行な

田上 智之 理科領域専攻 ５回生

うことを考えた。

小倉 晃

理科領域専攻 ４回生

牧野 志穂 理科領域専攻 ４回生
また、平成２４年４月に実施された全伊豆蔵功己 理科領域専攻 ２回生

国学力・学習状況調査の結果から小・中

北川はるの 理科領域専攻 ２回生

学生の「理科離れ」が進行していること

山元 麻衣 理科領域専攻 ２回生を裏付けているという報告がなされた。

山本 美咲 理科領域専攻 ２回生

特に、質問紙調査では、中学校の理科で学習したことが将来役に立つと思うかを問う質問で、約 53％の生徒が役に立つ

４．助言教員村上 忠幸先生（理学科）と思うと答えているが、逆を言えば約半数の生徒は「役に立たないだろう」と思っているということになる。

第２章 実験の概要
１． 実験の概要について（１） 実験の決定身の回りには科学技術の発展による実験を決定するために、教科書を購入した。

科学の恩恵にあふれかえっている。理科

購入した教科書に掲載されている実験の中か離れが進むことで、恩恵を受ける機会をら実施する実験を決定した。実験の単元は、失わせることにはならないか。理科好き

中学校の「水の電気分解」の実験とした。

っ子の育成も、これからの理科の教員にこの実験の生徒実験を見学した際に、結果求められる能力となるのではないだろが出ないという現状を目の当たりにしたメン

うか。

バーもおり、この実験に決定した。

実施する実験の決定後、実験に必要な物品

表１：教科書別、電解装置を購入した。そのような準備もあり、実験開始が９月末となった。
（２） 実験の単元

学校図「電気分解」は、中学校２年時に学ぶ、中書

学校学習指導要領の第４節理科・第一分野

教育出

内容（４）化学変化と原子・分子 ア 物質版の成り立ち の単元にあたる実験である。

啓林館

この実験は、電流を流すことで水分子を酸大日本素と水素に分解する。加熱以外の方法で物質図書を分解するという最初の活動となる。

東京書

化合物を分解することにより元の物質とは性質の異なる物質が生成すること、及び分解

籍

H 字管式

ケニ

水槽

ス製型

簡易式

△○×○

○

△×○

○

○

×○

○

×○

×○

×○

○

ホフマ
ン型

○…操作方法付、△…記載のみ、×…掲載無して生成した物質から元の物質の成分を推定することができることを学ぶ。
この実験に用いる物質としては、水以外にも塩化銅水溶液や塩酸などもある。

今回は、主としてケニス製の電解装置を実験に用いることとした。また、実験に使用した電源装置は、理学科の谷口和成先生よりお借りさせていただいた。

（３） “水”の電気分解
教科書には、“水”の電気分解とあるが、実（２） 実験方法・考察際に用いるのは純水に水酸化ナトリウムを溶実験方法の内容について、大まかな流れはかした水酸化ナトリウム水溶液である。これ

各教科書類似しており、以下のとおりである。

は、純水では電気分解に適さないためであり、水に水酸化ナトリウムを加えることで、電流を通りやすくしている。
また、水道水や塩酸では、電気分解を行っ＜実験方法＞① 電解装置を水溶液で満たす。
② 電解装置の電極と電源装置をつなぐ。

た際に塩素が発生し、水の電気分解の実験と③ 水に電流を流す。

しては適さない。これらの点から、この実験④ それぞれの電極付近から発生する気体をでは、水酸化ナトリウム水溶液などを用いる。

集める。
⑤ 気体が集まったら電流を止める。

２． 装置・実験方法の概要について（１） 電気分解装置
水の電気分解の実験に用いる電気分解装置⑥ 陽極と陰極それぞれに発生した気体の体積を比べる。
⑦ 以下の２方法で、集めた気体の性質を調については、教科書1に記載されているものをべる。

用いることとした。教科書各社に記載されて・陽極（＋極）側では、火のついた線香いる装置と、その操作方法の有無は次の表 1を、集めた気体中に入れる。のとおりである。

・陰極（－極）側では、火のついたマッチを集めた気体に近づける。

1中学校の文部科学省認定教科書

（３） 考察について

キズキと痛む、目に入ると失明するといった方法の中で考察のポイントとなるのは、方法⑥・⑦の結果である。

メガネを必ず着用することとしている。そこ

方法⑥の結果については水の電気分解を表す、化学反応式
2H O → 2H

危険がある。どの教科書でも、実験中は安全で、本研究でも安全メガネを着用し、実験を行なった。

Oの示すとおり、酸素（陽極）と水素（陰極）もう１点は、火を用いることである。気体との発生量の比が 2：1 となる。このことをの確認の際に線香に火をつける。マッチを陰確認し、実際の電気分解の実験の結果が、化極側の気体に近づける。さらには、近づけた学反応式と対応することを見出す。

マッチの火によって、気体が燃え上がる。これらの作業の中で、やけどをしないように気また、方法⑦については、陽極側には酸素を付けながら実験を行なう必要がある。
また、が発生すること、陰極側には水素が発生する

実験後に生徒がマッチを持ち帰ることのないことを確認するものである。それぞれ、陽極ようにしなければならない。

側では、線香が激しく燃える。陰極側では、ポンッと音を立てて（音が出ないこともある）気体が燃えるという結果となる。

第３章

実験と結果

１． 準備物＜溶液＞

酸素には、物が燃えることを助ける性質が・水酸化ナトリウム・純水あるため、線香は炎を上げて燃える。
水素には、燃える性質があるので、マッチ＜実験器具＞の炎を近づけることで、水素が燃え上がる。

・電解装置・直流電源装置・単１乾電池

その際、空気と混ざり合うため爆鳴器のよう・リード線・マッチ・線香に音を立てる。
２． 目的（４） 安全面

水の電気分解の実験を行ない、実験の結果実験を行なう際には、安全面の配慮は最大からの考察が行ないやすい実験を目指す。ま限行なう必要がある。日頃から安全に気を付た、条件を変えながら実験時間について設定けて実験を行なっていくことで、学校現場でが行なえるようにする。

実験をする際に気を付けるべき点が分かり、生徒にも安全に実験を行なわせることができ３． 実験るようになる。

（１） 実験について
電気分解装置にはケニス製電気分解装置を電気分解の実験について安全面では、２点用いて、前章で述べた方法で実験を行なった。

気を付けるべきことがある。まず１点目は、また、実験に用いた水酸化ナトリウム水溶液薬品についてである。水の電気分解では、前の濃度と電源装置の電圧については、条件を述のとおり「水酸化ナトリウム水溶液」を用変えつつ、実験を行なった。電源装置は直流いる。水酸化ナトリウム水溶液は、強アルカ電源装置と乾電池を用いて、別々に考察を行リ性の水溶液であり、取り扱いには十分に注なった。ただし、実験時間は、陰極側の気体意する必要がある。例えば、手にかかればズが４目盛り集まるまでの時間とした。

（２） 結果と考察（直流電源の場合）＜電流と時間の関係＞

実験時間は、実験に用いる水酸化ナトリウ
ム水溶液の濃度と電解装置にかける電圧を決電流と時間の関係を表す以下のグラフ１は、 めることで、設定できる。
累乗の関係にあることが分かる。
（３） 結果と考察（乾電池の場合）電源に単一乾電池を用いた場合の、実験の条件と結果を平均したものを表２に表わす。
ただし、B のカッコ内は乾電池の本数（直列接続）を表している。電流は計れていない。
表２：実験結果（乾電池）

グラフ１：電流と時間の関係

濃度[％]

電圧[V]

時間

106.0(４本)

2 分 15 秒

103.0(２本)

9 分 24 秒

5.06.0(４本)

2 分 58 秒

流れる電流が多くなるほど、実験時間が短5.03.0(２本)12 分 59 秒

くなる。実験時間は、このグラフをもとにし2.56.0(４本)5 分 02 秒て電流の量を決めることで設定できる。

2.53.0(２本)

17 分 12 秒＜各濃度における電圧と電流＞

電源装置と同様に、濃度が高いほど電圧が溶液の各濃度における、電圧と電流との関係は以下のグラフ２のとおりである。それぞ高いほど実験時間は短かった。また、乾電池
も 1.5V では、電流が流れなかった。

れのプロットは濃度別になっており、●：10％・■が 5.0％・×が 2.5％
▲が 1.25％・×が 1.0％である。

（４） 気体の確認実験の結果と考察
陽極側・陰極側に発生する気体の性質を調べる実験の結果と考察について述べる。
陽極側の結果では、図１のように激しく燃えるものが予想される。

グラフ２：濃度別に見た、電圧と電流電圧と電流は、比例の関係にあることが分かる。かける電圧が大きいほど、流れる電流の量も多くなる。また、濃度が高いほど変化の割合が大きくなる傾向がある。また、1.5Vの場合は、どの濃度でも電流が流れず電気分解が進まなかった。

図１：激しく燃えた場合

しかし、図 1 のように激しく燃え上がる結果は１割程度であった。全体の８割は、線香どちらの実験を先に行なう場合にも、結果には影響しなかった。の火が明るくなっていることは確認できた。
しかし、残りの２割は何も起こらない結果となった。

また、教科書の方法では、それぞれの確認
実験中にはもう一方のゴム栓を閉めるように

これは、陽極側には２目盛り程度しか酸素記述されている。しかし、ゴム栓をしない際がたまっておらず、酸素の量が少ないというにも、安全面・結果ともに影響はなかった。

ことと、ゴム栓を外した時に空気が入ること実験手順も簡易になるので、ゴム栓は外したの２点が要因であると考えられる。

ままで実験を行なうのがよい。

線香の火を「すばやく」「水面近くまで」持っていけば明るくなることが多くなったが、あまり改善できなかった。

４． まとめ今回の研究結果から水の電気分解の実験についてまとめる。
かける電圧を大きくすれば、実験に必要な陰極側の実験では、以下の３つの手順で行時間は短くなる。また、その傾向は水酸化ナ

なうことで、ほぼ失敗することはなく、音をトリウム水溶液の濃度が高いほど、大きくな立てて燃え上がるのを確認できる。

る。水溶液の濃度が、10％・5％・2.5％・①マッチの火をつける。

1.25％・1％の際には、ある程度の実験時間②ゴム栓を外す。

（陰極側の気体が 4 目盛りまで溜まるまでの③マッチの火を空気穴の上に持っていく。

時間）の設定ができるようになった。

ただし、手順③のマッチの火を空気穴の上気体の確認実験については、陰極側は手順に持っていってすぐに炎が上がらないこともの工夫で失敗はなくなった。しかし、陽極側ある。その際には、マッチの火を空気穴の上での結果がうまくいった場合が 1 割という結に持っていったまま、少し待てばうまくいく。

果なので、今後より改善していきたい。

また、たまに予想以上の炎が上がることもあるので気をつける必要がある。
（下図２）

第４章

研究発表会を終えて研究発表会では、パワーポイントが最終修正前のものという、ハプニングがあったりした。発表会では、実際に実験を披露した。実験時間の設定ができたので、実験を披露することができた。しかし、陽極側の結果がうまくいかず、どうだったのだろうか。
発表後には、意見を頂くことができ、今後に活かしていけれるようにと思う。具体的には、学校現場での現状と課題の両方を理解してから、課題を克服するという方向で行なう必要がある。陽極側の気体の発生量を多くして、実験を行なう。などである。
研究してきたことに対して意見を頂けてありがたかった。そして、現場で実践したいという気持ちが高まってきた。

モチベーションの維持・向上には、ピラミッド型のような誰かがひっぱる組織ではなく、個々人があちこちで突出しするような組織で第５章

反省と今後の展望あるほうがよいのではないだろうか。それぞ１． プロジェクト全体の反省れに責任感が感じられ、活動に対して期待で・スケジュール管理が甘かった。

きるように、活動や経営を工夫できていれば・ホウレンソウが迅速・的確ではなかった。

よかった。

２． 実験に関して

社会貢献的な部分が少なく、達成感が味わ

・濃度や電圧を細かく分けて、実験を行なえいづらい。そこを、各々人が自ずから引っ張なかったっていきたくなるそんなグループにできれば、・電気分解装置のうち、H 字管のホフマン型

きっとモチベーションが保てるのだろう。

は、１社を除き教科書に実験操作の方法まで記載されていたにも関わらず、実験ができな

５． 最後にかった。

このような研究機会を設けることができ、・実験時間を陰極側の気体が 4 目盛りまで溜プロジェクトメンバー・関わっていただいた

まるまでという設定で実験を行なっており、先生方・「e-Project@kyokyo」担当の方々に発生する酸素の量を増やしての実験を行なえは、大変感謝しております。今後も「よりよていなかった。

い e-Project@kyokyo」となっていくよう、関わっていきたいと思います。

３． 研究の今後の展望
・物足りない部分を突き詰めていく。特に、＜参考・引用文献＞

陽極側の結果はどうにかしたい。

1)

・中学校での実践を行なってみる。
・他の単元の実験などについても、研究を進要領」
2)

めていく。

中学校科学 2. 平成 23 年・学校図書中学
校教科書.

授業に積極的・効果的に実験を取り入れ、
4)

自然の探究 中学校理科 2. 平成 23 年・教育出版中学校教科書

もっとうまくいく・魅力的な実験になるように研究を進めていく。

文部科学省 (2011) 「中学校学習指導要領解説 理科編」. 大日本図書

3)
理科好きっ子を増やしたい。そのためにも、文部科学省 (2011) 「中学校学習指導

5)

未来へ広がるサイエンス２. 平成 23年・啓林館中学校教科書

４． 同様の企画をするのなら

6)

学校教科書

「理科好きっ子」を育成する能力を身につけるためには、深い教材研究も必要となって

7)

新しい科学２年. 平成 23 年・東京書籍中
学校教科書

くる。
そのような研究として取り組んできた。
1 つの実験に絞って突き詰める。こういった

理科の世界２. 平成 23 年・大日本図書中

8)

国立教育政策研究所「平成 24 年全国学方策となりがちである実験では、モチベーシ

力・学習状況調査調査結果のポイント」

ョンをいかにして保ち取り組めるかが重要と

http://www.nier.go.jp/12chousakekkahouko

なる。

ku/02point/24_chousakekka_point.pdf