日本科学教育学会研究会研究報告

Vol. 32

No. 10（2018）

御嶽火山ハザードマップとの比較が可能な火砕流モデル実験教材の開発と中学校での授業実践
'HYHORSPHQWRIWKHPRGHOH[SHULPHQWRIS\URFODVWLFIORZVFRPSDUDEOHZLWKWKH
KD]DUGPDSRI2QWDNHYROFDQRDQGDVWXG\LQWKHMXQLRUKLJKVFKRROVFLHQFHFODVV田中健二朗 ・川上紳一 ・武藤正典 .HQMLUR7$1$.$6KLQLFKL.$:$.$0,DQG0DVDQRUL0872+

岐阜聖徳学園大学  岐阜市立長良中学校 名古屋市立大高中学校

*LIX6KRWRNX*DNXHQ8QLYHUVLW\ 1DJDUD-XQLRU+LJK6FKRRO2GDND-XQLRU+LJK6FKRRO>要約@ 次期学習指導要領では，理科の学習において自然災害に関する内容の充実が図られている．日
本は火山国であり，多数の活火山が存在している．火山活動のしくみを理解すると同時に，火山ハザー
ドマップなどを活用して，予想される被害を読み取る学習が想定されている．本研究では，３' プリン
タで御嶽火山の地形モデルを作り，火砕流のモデル実験教材を開発した．火砕流の発生は，地形モデルを水中に入れ，粉末（カーボランダム）を混ぜた水を塩水中に流し込んで噴煙柱を生成し，その重力崩壊で火砕流が発生するようにした．開発した実験教材を用いて，大学生と中学生を対象に授業実践を行い，実験結果を御嶽火山ハザードマップと比較した．授業実践の結果をもとに，火砕流モデル実験の学習効果と防災意識について，アンケート調査を行った．
>キーワード@火砕流火山学習，探究学習，中学校，理科防災教育
１．はじめにのアウトリーチ活動，自然史系博物館での学習活 日本は世界有数の火山国であり，桜島，霧島連動，小中学校の理科授業など，さまざまな実践事

山，阿蘇山，御嶽山，浅間山，白根山などで火山例がある．とりわけ，チョコレート，ココア粉末活動や火山噴火が起こっている． 年の御嶽山などの身近な食材を利用した溶岩流の発生やカの噴火や， 年の白根山の噴火では死傷者が出

ルデラ形成などの火山モデル実験は，キッチン火ている．こうした自然災害の頻発を受けて，次期山学と呼ばれ，火山を身近に感じることができる

学習指導要領では，小中学校の理科教育で，自然実験として人気がある（林，）．一方，火山に災害に関する学習の充実が図られている（文部科

関する知識・理解を踏まえ，災害や防災に対する学省，）．火山に関する学習では，地形，景観，意識を高める試みについては，火山が身近なとこ

温泉，地熱の利用など，火山の恩恵にも触れるころに存在する地域で，先進的な取り組みが始めらとになっているが，今後は火山災害についてもハれている（永田・木村，）．

ザードマップを活用するなどして，予想される被 本研究では，爆発的火山噴火にともなって発生害を読み取る能力の育成も重要となる．火山活動する火砕流のモデル実験教材を開発した．火砕流に関するしくみを理解し，火山災害について考察

は，火口から噴出した火山灰や火山ガスに大気がさせる手段として，火山噴火のモデル実験が有効取り込まれて生じた噴煙柱が重力崩壊して，火山であると考えられる．の斜面を流れ下る現象であり，大きな被害をもた 火山活動や火山噴火現象に関する興味・関心をらすことがある．火砕流の流れをシミュレーショ高め，そのしくみを理解する手立てとして，火山ンするために，火山の地形モデルを水中に設置し，活動のモデル実験を取り入れた学習活動が広く固体粉末の混ざった相対的に比重の大きな流体展開されてきた．こうした活動は，日本火山学会を火口から噴出させる実験が考案されている．本― 47 ―

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研究では，御嶽火山の数値地図を用いて３' プリる．同様の実験は，林（），笠間（），下ンタで火山の地形モデルを作ることにより，山体司（）笠間ほか（），佐藤ほか（）なの尾根や谷などの地形をリアルに再現し，噴出しどで行われている．本研究では，これらの研究をた火山灰がどこに降り積るかをわかるように工参考にして噴煙柱のモデル実験を試みた．すなわ

夫した．降り積った火山灰の分布をもとに，被害

ち，大気の模擬物質としては，水に食塩を溶かしが及ぶ範囲を読み取らせ，実際に公表されているた水溶液を使用し，火山の火口から噴出する噴煙御嶽火山ハザードマップと比較できるようした．

は，食塩水に固体微粒子を混ぜた．
本研究で開発した火砕流実験器の全体像を図

２．火砕流のモデル実験１に示す．これは火山の地形モデル食塩水を入れ 火砕流の水槽実験のデザイン

た水槽の底に設置し，ビニールチューブで固体微

爆発的火山噴火では，噴煙柱と火砕流が発生す粒子を含む流体を流し込んで噴煙柱を発生させる．火山噴火によって発生した噴煙は，噴出の慣るものである．

性力で上昇する部分は少なく，周りの空気を取り

 水槽

込み，取り込まれた空気の熱膨張によって得た浮火山の噴煙や火砕流の実験では，火口から噴煙力により上昇していく．その高さは数千メートルが上昇する高さは，火口から流出させる噴煙の慣に達することがある．噴火活動が弱まって，空気性力が影響し，噴煙柱はかなりの高さに達するこの取り込みが不十分となると，噴煙の密度のほうとがある．水槽が浅いと噴煙が水面に達するため，が周囲の空気よりも大きくなり，崩壊して山体斜噴煙の流れに容器の大きさが影響する場合があ面を流下する火砕流となる．

る．そこで，本研究では，容量 / :×'×+ の大型水槽（コトブキ，レグラスフラット )
）を使用した．実験で発生させた火砕流の高度は概ね FP であり，この水槽の上面近くまで水を溜めた場合には，火砕流の上面が水面に達することはなかった．
⑶火山の地形のモデル
 火山の地形のモデルは３' プリンタ（0XWRK0)
）を用いた．データは国土地理院の地形図のサイトから御嶽山の山頂周辺を選択し，' プリンタ用のデータ形式でダウンロードした．モデルの大きさは，PP×PP である．
⑷噴煙材料
 水槽実験で，噴煙をシミュレーションするため

図 ．火砕流実験器．に，固体微粒子を混ぜた液体が使われてきた．下
 噴煙柱や火砕流の発生のシミュレーションは，司（2006）は，岩石粉末と硝酸銀水溶液を用いて水槽を用い，噴煙と周囲の大気の密度差を液体のいる．笠間（2001）は，チョーク粉末を水に混ぜ密度差を利用する実験が行われている．Carey etて実験を行っている．チョーク粉末の濃度を変えal. (1988)では，塩水を大気に見立て，微細粒子をることで，噴煙柱が発生する場合と，火砕流にな混合した水で噴煙柱をシミュレーションしている場合があり，噴煙柱と火砕流を観察するためには，条件を変えて  回実験を行う必要があった．

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林（）は，研磨材として使われているカーボランダムを用いて実験を行っている．カーボラン
ダムは粒径が異なるものが市販されており，異なる粒径のものを混ぜることによって，噴煙柱と火砕流の両方を同時に再現することができる．すな
わち，噴煙の挙動はカーボランダムの粒径が影響し，細粒のものは水中に長くとどまるが，粒径の大きなものは比較的すみやかに落下する．本研究では，材料の入手しやすさや実験後の後片付けの簡便さを考慮し，林（）を参考にして，カーボランダムを用いることにし，噴煙の形態が実際の火山の噴煙と類似するような粒径を選んだ．
 林（）を参考に，大気を模擬した食塩水の濃度は ％とし，噴煙柱を模擬物質として，濃度の異なる食塩水と粒径を変えたカーボランダ

図２．モデル実験の例．噴煙柱と火砕流がみられる． 

ムを混ぜて実験を行った 表  ．表１．食塩水の濃度，カーボランダムの粒径と噴

図２は，モデル④で発生させた噴煙柱の様子であ煙柱の形態の関係．

る．この場合，噴出した噴煙柱がやがて崩壊し，粒径/濃度

0.0％

0.5％

1.0％

1.5％

＃80◎

◎◎

◎

＃500○○◎◎＃1000△△△

○

＃2000

×××

×

山体を流下する火砕流が観察された．
 表２に示した①から⑤までのモデルについて，実験を行った結果，①から③までは噴煙柱のみで火砕流は発生しなかった．⑤では粗粒のカーボランダムの割合が高く，噴煙柱が十分発達しなかっ

注：◎：粒子はすべて降下；○：半分以上が降下，△：半分以上た．④の場合は，噴煙柱と火砕流の両方が観察されたため，授業実践では，④の混合比で実験を行が降下しない；×：降下しない

この実験から，粒径が粗い＃80 や＃500 では噴煙うことにした．の比重が大きく，降下するが，＃1000 や＃2000 では降下しにくいことが明らかになった．そこで，実際の火山の噴煙をモデル化するには，異なるサイズのカーボランダムを混合したものが適していると考え，その混合比を調べた．実験条件を表 2 に示す．

表２．カーボランダムの混合比を変えたモデル．
粒径/モデル

①②③④⑤

＃80

0.1g

0.2g

0.5g

1.0g

2.0g

＃500

0.1g

0.2g

0.5g

0.5g

0.5g

＃1000

0.1g

0.1g

0.1g

0.1g

0.1g

図３．御嶽火山ハザードマップを３' プリンタで作

＃2000

0.1g

0.1g

0.1g

0.1g

0.1g

成した火山の地形モデルに表示したもの．

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No. 10（2018）⑸御嶽火山ハザードマップ

・火砕流が谷に流れた．

 御嶽火山ハザードマップは，御嶽火山防災協会がE ハザードマップと比較してわかったこと

公表しているものを使用した．実験結果とハザード・火砕流が流れる方角にずれがあった

マップを比較するには，地図の判読能力が必要とさ・谷や火口付近が予想被害範囲になっていて，れ，大学生を対象にした実践によって，短時間で対実験結果と同じであった

応関係を読み取るのが困難であることがわかった．

・実験のほうが，被害範囲が広かった

そのため，3D プリンタで作成した火山の地形モデ・ハザードマップの予想被害範囲が広かった．
ルに，ハザードマップで示された火砕流による被害が想定される範囲をマジックペンで色塗りした（図３）．中学校での実践では，それを写真撮影したものを資料として配布した．

３．授業実践 授業実践は，岐阜聖徳学園大学教育学部理科専
修の１， 年生を対象に試行したあと，岐阜市立長良中学校  年生を対象に理科授業として行った．
 大学生を対象とした実践 年  月  日の大学  年生を対象にした授業実践では， 名を  班に分けて行った．授業時

図４．地形モデルに降り積ったカーボランダムの間は  分である．授業のはじめに火山災害につ分布（左）と，学習者のスケッチ（右）の例．

いて紹介し，ハザードマップを説明した．次に，

モデル実験を行い，ワークシートを記入した．そ （）中学生を対象とした実践の後，モデル実験の結果とハザードマップの比較 年  月  日に岐阜市立長良中学校を行った． 月  日の大学  年生を対象としたで， 年生  名を対象に授業実践を行った．

実践でも授業の流れは同様である．

 名を  班に分けて授業を行った．授業時間

図４に，実験を行ったあと，火山の地形モデルは  分である．授業は，御嶽山について調べに降り積ったカーボランダムの分布，および学習学習の結果を発表，雲仙普賢岳と御嶽山の火山者が記録したワークシートの一部を示す．火山の噴火の動画視聴， 度目のモデル実験，実験結

地形モデルは，白色のフィラメントを使用したこ

果の記入，ハザードマップとの比較，２度目のとと，カーボランダムが黒っぽいことから，降りモデル実験，実験結果の記入，ハザードマップ

積ったカーボランダムの量を色の濃さで読み取との比較，事後アンケートの記入という流れでることができる．カーボランダムは御嶽火山の火行った．時間の都合上，ワークシートは一人１口付近に多いこと，山腹の谷地形に沿って多く降枚ではなく班に１枚大きなものを用意した．実り積っていることがわかる．

験結果から分かったことに関しては，大学生の記述とほぼ同じ内容であった．

実験結果について，学習者の記述には次のようなものがあった．



D 実験からわかったこと

４．アンケート調査の結果

・谷に多く降り積った いずれの授業においても終末で，火砕流のモデ・火口付近に多く降り積った

ル実験の授業について，アンケート用紙を配布し，― 50 ―

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学習者の意識調査を行った．

槽実験で，火砕流の流れ方や，噴煙柱のでき方

 ハザードマップに対する興味と有効性についを理解させているが，ハザードマップを活用しては，ほとんどの学習者が肯定的な回答を示した．て，防災意識の高まりを促す授業実践としてはその理由は，実験結果との比較を行い，一致してさらなる工夫が必要であった．本研究では，３'いるか検討したことが影響していることが挙げプリンタを活用して御嶽山の地形モデルを作成られる．

することで，水槽実験において，実際の地形を ハザードマップの有効性については，大学生は再現することができた．その結果，実験の様子実験結果との比較を十分に行ったため，有効性とを観察し，火砕流の流れ方と地形の関係を理解

限界の両方を意識しているが，中学生は有効性のすることができた．また，実験結果を観察する

みで，限界があることに関する記述はほとんどなことで，火山噴出物が火口付近や谷に多いことかった．その理由は，中学校の実践では，実験結から地形との関係を理解することができた．モ果とハザードマップを比較する時間が十分にとデル実験で得た結果を，ハザードマップと比較れなかったため，ハザードマップは被害の及ぶ範することで，ハザードマップの予想被害範囲が囲を示した目安であることまで深く考察できな

モデル実験の実験結果と似ていることに気付くかった可能性が考えられる．

ことができ，ハザードマップの作成の科学的根拠を理解することにつながったのではないかと考える．
一方で，モデル実験の方がハザードマップの予想被害範囲よりも大きくなった班もあり，学習者のなかには，ハザードマップの予想被害範囲より広い範囲で実際には被害が出るかもしれないことに気づいたものがいた．このことをささらに考察させることができれば，ハザードマップの限界にも気づき，想定外の自然災害が発

図５．実験を行う生徒の様子．

生する可能性があるという認識に至るような学

習過程を展開できるかもしれない．
学習成果に関するアンケート項目では，火砕流 大学生と中学生の違い

に対する理解が深まったこと，モデル実験自体が楽しかったという結果が示された．その理由としては，実験をやって，目で見て調べることができたという記述が多かった．


本研究では，岐阜聖徳学園大学１年生と２年生，岐阜市立長良中学校１年生を対象に授業実践を行った．大学生と中学生で事後アンケートの記述に違いが見られた．大学生では，ハザードマップの有効性に気づくことができたか，役に立つと思５．議論

 火砕流のモデル実験について
これまでの研究では，水槽実験において，火砕流の流れ方や噴煙柱のでき方を理解する授業実践（笠間ほか，）や，有珠山の地形を再現し，モデル実験を行い，ハザードマップとの比較を行った授業実践（横山 ）がある．水うかという問いに対し，限界があるという記述が 人中  人で見られた．しかし，中学生では，同様の記述は  人中  人であった．大学生の授業実践では， 分間の授業であり，交流の時間もとることができた．また，交流する時間で，班によってモデル実験の結果に違いがあることに気づくことができたため，様々な大きさの噴火が起― 51 ―

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きる可能性があることを考えることができたのうになることを期待したい．

ではないかと考える．一方で，中学校での授業実践では， 分の授業で，あまり交流する時間をと謝辞．' プリンタを用いた火山模型の作成では，ることができなかったものと考えられる．

（株）森商会の長尾好裕氏，（株）ケニスの竹森浩

授業の様子を観察していて，大学生に比べ，中氏に助言をいただいた．阿蘇山，雲仙普賢岳・平学生の方が，ハザードマップが正しいものだとみ成新山，焼岳におけるカルデラ，溶岩ドームなどなしているようであった．モデル実験の結果は大のドローンを用いた撮影は，岐阜聖徳学園大学助学生も中学生も同じような結果であったにも関成金を使用して行った．ここに記して深謝する．
わらず，記述に違いが見られたのは，中学  年生

の知識や思考力では，批判的な思考力の育成が不文献

十分で，ハザードマップは正しいと考えている可&DUUH\616LJXUGVVRQ+DQG6SDUNV
56-([SHULPHQWDOVWXGLHVRISDUWLFOH

能性があるのではないか．ODGHQSOXPHV-RXUQDORI*HRSK\VLFDO（）モデルと自然をつなげるためのデジタルコンテンツの開発と活用

5HVHDUFK本研究では，火砕流のモデル実験を行う前に，

下司信夫水槽を用いた噴煙のアナログ実験地

実際の火山の景観や火山噴火の様子を写真やビ質ニュースQR，−

デオで紹介した．実験は御嶽山で行ったが，火山

林譲治モデル実験による火砕流の研究岐阜県

活動の紹介では， 年  月に，阿蘇山，雲仙普高文連自然科学部会のあゆみ，−

賢岳・平成新山，焼岳においてドローンで撮影し．

た写真や動画を活用している．地学分野における林信太郎世界一おいしい火山の本‐チョコやコ

モデル実験は，自然に対する見方・考え方を探究

コアで噴火実験，小峰書店，S

的に見出すために利用するものであり，見出した

笠間友博チョークを利用した火山噴火実験神

見方・考え方を活用して，自然の事象を探究する

奈川県高等学校科学研究会理科部会会報，

力をつけていくは実際の自然を撮影したデジタ

，

ルコンテンツの有効活用が重要である．

笠間友博•平田大二•新井田秀一•山下浩之•石浜

佐栄子水槽実験を活用した小学生向け火山学

６．おわりに習プログラム地学教育QR

本研究では，火砕流のモデル実験教材を開発し，

大学生と中学生を対象に授業実践を行った．実験

文部科学省中学校学習指導要領理科編SS

は楽しく，火山に対する興味・関心を高めるうえ

では有効であった．本研究で行った火砕流モデル

永田俊光・木村玲欧火山災害から「生きる力」

実験の結果は，火山ハザードマップと比較できるを高めるための火山防災教育プログラムの開ものであり，火山災害に関する関心を高めると同発，地域安全学会論文集1R，

時に，防災意識の向上につながる可能性がある．



中学生を対象にした実践では，学習時間が短く，佐藤鋭一・中岡礼奈・佐野恭平水槽を用いた火実験結果を考察する時間が十分にとれなかった．

砕流の発生実験．地学教育，，

次期学習指導要領では，自然災害や防災に関する

横山光火砕流のモデル実験，北海道理科教育セ内容の充実が図られることになっており，火砕流ンター研究紀要第  号，のモデル実験が中学校の理科授業で行われるよ― 52 ―