下中科学研究助成金取得者研究発表

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https://www.shimonaka.or.jp/3s-grant-contest/教材用受動歩行模型を用いた設計学習の教育方法
滋賀県立瀬田工業高等学校
山田 哲也
１．はじめに作、評価、発表といったデザイン・プロセ

技術・工業教育は、技術立国である我がスが大切である。現在のものづくりに関す国の基盤を支えることにつながり、それはる教育は、自然科学の理論を学ぶことを目将来の国力にも影響を及ぼすことであると的としたり、ものづくりの楽しさや達成感も言える。現在この技術教育を普通教育のを持たせるものが多いが、デザイン・プロ１教科として扱っているのは、中学校の技セスそのものを学ばせようとする教材は少術・家庭科の中の技術分野のみであるが、ない。特に構想から設計にいたる過程はも子どもの健全な発達や、生活に必要最低限のづくりの基本であり、初等教育から中等な技術的素養を身につけるという視点、そ教育にわたり身につけるべき技術リテラシして将来の国力という視点から、新しいもーであると考えられる。のづくり教育を初等教育の中から探り、初現状の工業科では、高度経済成長期に多等・中等教育へと一貫した流れの中に位置くの中堅技術者・技能者を養成する必要かづけることは、重要であると考えられる。

ら、要素作業を中心とする教育プログラム、工業教育は、中学校技術教育と全く異なすなわち技能に関する訓練的教育が中心とる教育内容・教育方法を採るといっても過なってきた。

言ではない。中等教育後期における工業教

しかしながら、今日の産業社会が求める育は高度経済成長期には、その社会を支えニーズは多様化し、要素作業による知識やる大量の中堅技術者・技能者を養成すると技能だけではなく、問題解決的な能力や創いう大きな社会的役割を担った。大量の中造力、あるいは思考力、判断力が求められ堅技術者・技能者を養成するには、このうるようになった １） 。そうした中で、設計

ち要素作業を実験・学習の基本的位置付け教育をものをつくる中で行い、構想から設とした。こうして高等学校３年間という短計の能力を高める教材の必要性が技術教育期間の間に多くの技能や知識を習得させた。

・工業教育分野では求められている。デザ

その教授法は要素作業に特化した知識・技イン（構想・設計）する能力をつける教材術伝達的方法が効率的であった。現在も基を用い、実際に教育実践した中で、その教本的にはそれを踏襲しているが、産業構造育効果を示すことが本研究の目的である。の変革に追いついていない危惧もある。産業社会からは創造力などの不足が指摘され

３．教材用受動歩行模型

るようになり、工業教育の課題は山積して３.1調整可能な歩行模型

既報 ２） で開発した２足歩行模型は、授いる。

業実践での使用を目的としたものである。
小学校の児童でも製作が容易な反面、脚単

２．研究の目的
ものづくりを学ぶには、構想、設計、製体の重心位置・腕先端の質量・脚の円弧半- 81 -

径を簡単に変更できる構造とはなっていない。そこで、脚単体の重心位置・腕先端の質量・脚の円弧半径の構造パラメータを容易に変更可能なものにした。また軸受けが紙の穴であったため歩行が不安定であったが、プラスチック製の軸受けに変更し、安定して歩行できるような模型を開発した。
図４

脚部の詳細図形状、図４に脚部の詳細図を示す。脚は腕のまわりを前後方向に自由に回転できる構造となっており、脚に付加質量(粘土)を取り付けることで脚単体の重心位置を容易に変更できる。腕にはアルミニウム製のパイプ（Φ３mm）を使用し、脚の材質としては厚紙を用いた。また、脚の回転を滑らかにするために、プラスチック製の軸受（外形図１

模型完成イメージ

Φ５mm、内径Φ３mm）を用いた。さらに、図４のスペーサー（材質はプラスチックパイプ）の長さを調整することで、脚の間隔を変更可能とした。腕先端には任意の重さの粘土を取り付けることで、腕先端の質量の大きさを調整可能にした。これらによっ先端質量て、模型全体の慣性モーメント、脚単体の重心位置および両脚の間隔が自由に変更で

図２

正面図きる模型となった。
３.2

構造パラメータ

歩行原理は既報２） で説明しているので、ここでは概要を述べる。模型を斜面に置いて片側の腕を押し下げて離すと、図５のように左右の脚が交互に上がるロッキング運動が起きる。これにより接地する脚（支持脚）が左右入れ替わる。浮いている脚（遊脚）は、図６のように支点（腕）まわりに図３回転(進行方向に)し、ロッキング運動に合脚の形状わせて接地する。そのとき、支持脚の接地
図１に模型完成イメージを示す。また、点より模型全体の重心位置が前方にあるた

図２に正面図、図３に側面から眺めた脚のめ、全体が前にころがろうとする。しかし、- 82 -

慣性モーメントは剛体を構成する各微少部分の質量とその質量と回転中心からの距離の２乗との積を全体にわたって積分したものである。慣性モーメン
トだけを変更する構造パラメータとし
図５

ロッキング運動ては腕の長さが適しているが、ロッキング運動において腕を長くした場合、腕先端が斜面に接触する問題があり、採用しなかった。
歩行特性には①～④で示したとおり、上記以外に、脚底辺の円弧半径、両脚の間隔などの構造パラメータ、さらに

図６

片脚の動き

斜面の傾斜角度、脚と斜面との摩擦係数など、構造パラメータ以外の要因もロッキング運動により支持脚が入れ替わる影響を及ぼす。本報では、脚の付加質ので転倒しない。これらの運動が繰り返さ量位置と腕先端の質量を変更したときれることで歩行しながら斜面を下る。に、歩行可能あるいは歩行の再現性の

本報告の提案では、児童・生徒に速く歩よい構造を決めるために、以下のパラく模型、あるいはゆっくり歩く模型への調メータの適正値を実験により検討し、整方法を考えさせる。その過程を通じて重他のパラメータは実験により教育に適心位置と慣性モーメントの意味を考えさせ切なものを利用することを目指す。

る。今回扱っている条件は①腕の重さ、②３）斜面の傾斜角度

θ脚部の重さと位置、③傾斜板の角度、④脚脚の振り子運動、前後のころがり運部形状と間隔の４つの条件である。しかし動など、すべての運動に影響を及ぼす。

ながら、教育用に用いるためには、模型の４）脚底辺の円弧半径構造を変更する箇所が、生徒が容易に変更前後のころがり運動に影響を及ぼす。

可能で、さらに重心位置や慣性モーメントに直接関係する必要がある。そこで、以下脚の形状を変えることで調整可能である。
５）両脚の間隔の２つの構造パラメータを取り上げた。
１）脚の付加質量位置Ｒ

Lw

左右のロッキング運動に影響を及ぼす。スペーサーの長さを変えることでLa調整可能である３） 。

脚の振り子運動に影響を及ぼす。
脚単体の重心位置と慣性モーメントが変化するが、特に遊脚となったときの３.３

２足歩行模型を正面から見た２次元の運脚の振れ幅（振れ角度）が大きく変化動を示す。図７に示すように、２足歩行模する。
２）腕先端の質量運動解析

mt型を胴体と仮定し、２次元で左右の振動運左右のロッキング運動に影響を及ぼす。全体質量、正面から見たときの模型全体の慣性モーメントが変化する。

動を繰り返すものとして解析する。ただし、回転運動の支点となる脚が時間により左右に入れ替わることを考慮しなければならな- 83 -

図７

２足歩行模型モデル

いため、初期角度から両脚が接地するまで

４．研究の方法の時間ｔを 1/4 周期として取り扱う。脚のこれまでの研究成果により、３章で示し入れ替わりによるエネルギーロスがないとた受動歩行模型の設計仕様を与える教育方

仮定すると、周期は Ta＝ 4t で与えられる。

法を取り、授業実践を行った。授業実践は角速度と慣性モーメントの関係を以下に示

著者が高等学校を退任したため、高校生にす。

近い大学生を対象として、質問紙により調査を行った。分析は自由記述の考察を対象に特徴的な記述を抽出し、質的に分析した。
５．授業実践
上越教育大学の学部１年生13名を対象に体験学習におけるものづくり体験で２足歩行模型を用いた授業実践を行った。90分☓
４コマの授業では、製作、試走・調整、各パラメータを変えて歩行実験を行った。第
１回目の授業では、２足歩行模型の製作と、歩行原理の学習、調整を主な内容とし、第腕先端の質量ｍ w の増加にともない、周２回目の授業では製作した２足歩行模型を期Taは長くなり、ある値に収束することが用いて、慣性モーメントと重心の位置が２わかる。これは、質量の増加により慣性モ足歩行模型に及ぼす影響について、観察やーメントIaが増加し、周期が長くなるため実験をしながら学習した。授業の始めと終である。本研究では（３）の式を用いる。

わりにアンケートと記述式の感想を求め、腕先端のおもりｍ w を大きくしたり、腕の学生の力学的知識等の変化を記録した。

長さＬを大きくしたりすると、周期Ｔも大きくなり、比例することがわかる４）５） 。

４コマのカリキュラムをもとに授業を行った。以下に当日の学生の様子を示す。
はじめに、授業の概要と本日の活動の流れが記載されている資料を配布し、説明し- 84 -た。４コマのカリキュラムの流れは、大き６．結果

く分けて「２足歩行模型の製作」と「実授業の様子を観察したところ、学生の取験」である。実験で良いデータを得るためり組み状況は極めて能動的で、自ら進んでには、良い２足歩行模型が必要である。良様々なパラメータの変更を試し、実験を行

い２足歩行模型とは、指定した手順通りにっていた。パラメータは自由に変更できる製作し、丁寧に正確に作成したものである。

ように、錘としてクリップを用意したり、２足歩行模型の製作で終わるのではなく、坂の角度の変更、模型形状の変更ができる

後で実験があることを伝えることによって、ように、はさみや代えの厚紙などを多く用製作に対する意識を高く持つことができる

意して、自由に使えるようにしてあったこと考える。本日の活動の流れについては、とも学生の自由な実験を促進した要因である。

まず２足歩行模型の概要について学び、実作業にあたっては、特にグループ学習を際に製作することや、製作した２足歩行模意識したわけではなかったが、複数の学生型を用いて、歩行原理について学び、次回で、様々な意見を出し合い、自然と協調的実験に使うことができるように、まっすぐな学習空間が生まれた様子である。

歩行できるように調整することについて説

結果的には、すべての学生が、与えた設明した。見通しをもって授業に取り組むこ計仕様を満たす模型を完成させた。この点とができた。

においては、難度が高い製作であると言う次に、今回の授業に興味・関心を持つこことにはならず、高校生や大学生が設計・とができるよう動画を見せた。「①重力だ製作を行うのに適当な教材であったと評価

けで歩ける受動歩行ロボット」では、学生できる。

から「モーターを使わずに動くことができ学生の学びの様子を評価するために、授るなんてすごいなぁ」と言った声が聞こえ

業後、学生には「実験の結果と考察」の自た。モーター等を使わずに動くロボットを由記述を求めた。重心位置の調整や各パラ初めて見た人が多く、最先端の技術についメータの変更を通してわかったことを考察て知ることができた。「②おもちゃの象ささせた。特徴的なものを図８.９.10.11にん」や「③とことこレース」では①に比べ示す。て簡単な部品から構成されており、受動歩

図８では、自分の行った実験を簡潔に整行とはどういうものなのかイメージできた。

理している。図９では、かなり深い分析を配布資料だけではなく、動画を用いたことしている上、工夫した内容まで述べている。

によって、受動歩行とはどのようなものな

図10では、図示することによって、自分ののかをわかりやすく知ることができたよう分析を説明しようとする態度が読み取れる。に思う。また、これから製作する２足歩行

図11では、簡潔に箇条書きでまとめた上、模型の動画を見せたことにより、具体的な数値データを示そうとした痕跡も読み取れる。

イメージを持つことができた４） 。

すべての学生に共通していることは、自与える設計仕様は、次の通りである。

ら行った実験によって、複数のパラメータ「安定に歩くように、坂の角度や腕先端のを発見し、それを設計に活かしていること錘の重さ、重心の位置、両脚の間の距離なである。このような物理的な動きのあるもどのパラメータを調整する。」のづくりを行うとき、設計パラメータがとても重要になる。設計パラメータを認識さ- 85 -

図10

学生の考察３- 86 -

図11

学生の考察４せるために、今回のように、設計仕様を与るものであるが、ややもすれば、出来合いえ、実験させることによって、必要なパラの設計・製作を行わせてしまうことがある。

メータを浮かび上がらせ、製作に反映させ学習者に自由に実験させる中で、設計に必ることが容易に行えることがわかった。

要な要素を認識させることが重要である。

今回の授業において、各パラメータの説

今回、設計についての能力を定量的に分明やヒントは与えていなかったにもかかわ析できなかったが、今後、設計に関わる能らず、設計仕様に近づけるための工夫を学力の定量的な分析を行っていく必要がある習者が行う様子が見られたが、この作業は、ことを課題とする。

少し複雑なモデルになると、学習者は挫折してしまう場合がある。制御されたアクチ

謝辞

ュエータを使用するロボットなどでは、複教材開発および授業実践の場を提供して雑になりすぎ、的確にパラメータを抽出でいただきました上越教育大学・黎子椰（レきないことも予想される。

イシヤ）教授に、この場を借りてお礼申しこのように設計力をつけることを目的と上げます。

する場合、認識しやすいモデルにおいて、設計仕様を与え、設計・製作を行わせることが効果的であるとわかった。
７．まとめ
デザイン（構想・設計）する能力をつける教材を用い、実際に教育実践した中で、その教育効果を示すことを目的として、考察を行ったが、その中で、簡素なモデルによって設計仕様を与えることで学習者は、必要なパラメータを見つけ出し、設計に利用する場面が見られた。
通常、設計はある仕様に基づいて行われ- 87 -

【参考文献】（１）山田哲也、正司和彦「モデリングとシュミレーションを導入した工業実
験・実習の授業改善」（日本教育工学会論文誌28巻）pp.37-40

2005年（２）山田哲也、鞍谷文保「小・中学校におけるものづくり教材としての２足歩行模型に関する研究」（日本産業技術教育学会誌第48巻３号）pp.207-213

山田哲也先生（やまだ てつや）

2006年（３）山田哲也、鞍谷文保、前田浩司「教材用２足歩行模型の構造パラメータを設定する教育方法」（日本産業技＜略歴＞

術教育学会誌第55巻１号）pp.35-42

1962年３月生まれ

2013年

兵庫教育大学大学院学校教育研究科修了（４）山田仁美「初等教員養成課程におけ南京都高等学校理科教諭る動力学学習教材の開発と授業実

滋賀県立高等学校理科・工業科教諭

践」（上越教育大学修士課程教科・湊川短期大学人間生活学科准教授

領域教育専攻修士論文） p.15

現在に至る

69-70

pp.

2012年

（５）Tetsua YAMADA, Li ZIYE,“Development of Kinetics Learning
Materials for Teacher Education”,
Proceedings of the 11th International
Conference on Technology＜研究歴＞［最近の研究]・Educational Methods Using the Passive
Walking Paper Robots for Teacher

Education（ICTE）in the Asia PacificEducation, Tetsuya YAMADA, KimihitoRegion,（2015） pp.15-17

TAKENO, Yasuhiro MATSUNAGAInternational Journal of Innovetions
in Engineering and Techonology（IJIET）
Special Issue -ACEIAT ＆ JTSTE
101-106

2015年７月

・紙製歩行模型を用いた小学校設計学習に関する研究,

山田哲也,松永泰弘

教科開発学論集,

Studies in subject

development (３)131-138

2015年

・Development of Design Education Method
Using Passive Walking Paper Robots
in Elementary School, Tetsuya YAMADA,Kousuke MAEDA, Yasuhiro MATSUNA- 88 -GA,International Journal of Innovations
in Engineering and Technology(IJIET)
72-85

2014年

・Study on the Educational Cooperation
Using Model Airplane Manufacture－ The Program which Cancels the First
Grader Problem in an Elementary School －, Mitsuyo OSHIMA,Tetsuya
YAMADA 1st Asian Conference onElectrical Installation ＆ Applied
Technology,3rd Japan-Thailand
Friendship International Workshop
on Science,109-112 2014年［これまでの研究]
教育環境の最適化に関する研究
初等・中等ものづくり教育の教育方法
体験的な学習の教育評価に関する研究
メディア教育の歴史と今日的課題に関する研究、など＜勤務校＞（助成金取得時）
滋賀県立瀬田工業高等学校〒520-2132

滋賀県大津市神領3-18-1
電話

077-545-2510（現在）
湊川短期大学〒669-1342

兵庫県三田市四ツ辻1430
電話079-568-1858- 89 -