広島工業大学紀要教育編
第 20 巻（2021）1-6

論文

直観的ものづくり体験教材の開発とその実践
桑野亮一＊・池田 雅弘＊・日野実＊（令和2年11月8日受付）

Development and practical use of an intuitive hands-on teaching aidfor craft projects
Ryoichi KUWANO, Masahiro IKEDA and Makoto HINO

（Received Nov. 8, 2020）

Abstract
An intuitive craft project teaching aid was devised for use in hands-on programs forelementary school students at a university. This was done to impart an intuitive understandingof the fun, interest, and amazement of craft projects and physical phenomena, and to spark
motivation and curiosity for subsequent self-directed learning. The teaching aid comprised apolarization plate and various materials with birefringence, and was crafted by each student into
an original name tag which exhibits flickering color. Another unique feature of the aid is thatit can be enjoyed by using things like smartphones and liquid crystal displays which employ
polarization, and the fact that it appears at first glance to be transparent. This teaching aid wasused in Project Based Learning（PBL）activities organized by university students, and foundto initiate a virtuous cycle of self-directed activity leading to evident improvement in general
resourcefulness as a person.
Key Words: experience-based teaching materials, independent learning, polarization,cellophane tape, birefringence
白さを伝えること」を目的としている。イベントへの応募

1．はじめに総数は約 800 名の申込みがあるように、ものづくりやその大学の教育研究活動の中に大学生だけではなく小学生か体験への関心の高さがうかがえる。またイベントの実施でら高校生、さらに社会人などへの幅広い対象者への取り組は、講座の運営を学内のゼミに所属する学生や課外活動のみの機会がある。例えば、ものづくり体験型行事、学生の学生などが主役として担当している。そのようなことから、課外活動、公開授業、模擬講義等々である。そのような活小学生にものづくり体験プログラムを楽しく、面白い体験動の中に学生自らが中心となって行動し、専門力と人間力として実感させるような活動は、大学生にとって主体性やの向上をはかる目標の活動もますます多くなっている。特問題解決能力などの修養を積むよい機会にもなっている。に学生が主体となる活動では、対象者が小学生に設定され大学の立場から小学生や高校生などへ科学、物理現象、る企画や行事が多く実施される傾向にある。例えば、本学工学、ものづくりなどの楽しさ、面白さ、不思議さなどを8 月末に開催される「WAKUWAKU ものづくり大作戦」

伝えたい活動では、その難しさに直面する場合が少なくながあり、2019 年度までに 15 回実施されている。本イベン

い。特に大学で開催する意義を踏まえるとそのような伝えトでは、体験を通して「小学生にものづくりの楽しさや面たい学びや体験などは、科学的あるいは工学的なものを軸＊

広島工業大学工学部機械システム工学科―1―

桑野亮一・池田雅弘・日野実に考えている場合が多いと思われる。ところが、小学生から高校生などでは、学習の途中であるため、楽しさや面白さを理解するための根本となる基礎知識や学習などが未習得の場合が多い。よって、大学発の企画や行事で小学生や高校生などに科学的な魅力を伝える場合、そのような点に課題が挙げられる。
科学や物理の要素を題材にした教材の開発やそれらを用いた取り組みは、非常に多くの報告があるのはご承知のとおりである。科学的な楽しさや面白さを深く伝えようとす

図1

ると、理論的な背景やその内容の説明が多くなり、低学年本教材での偏光の振る舞いであるほど好奇心や積極性を低減させてしまうことになりかねない。このような背景から、本取り組みでは、理論やの間に複屈折性材料を配置すると、光の透過が観察される。

理屈の説明は極力最小限にとどめ、まずは体験を通して楽複屈折を有する材料を光が透過すると、X 軸方向と Y 軸しさ、面白さ、不思議さなどの直感的な理解を実感させる

方向の屈折率の異なり、材料の厚み、波長などから求まることに注目した。そして、現象の理解の反応として「思わレターデ―ションが定義される。この発生に伴って、レターず声が出る」を目指して直観的な楽しさを体験できる教材

デ―ションに特有な色彩が発現される 1）。したがって、本の開発を試みた。

教材では、光の通り路である複屈折性材料の部分についての組合せや偏光板の透過軸などをさまざま変えて、偏光のそこで本稿では、小学生を対象にものづくりや物理的現振る舞いを直観的に理解する。

象の楽しさや面白さを直感的に理解できるための偏光を応用する直観的ものづくり教材を考案した。またその教材を大学生の PBL（Project Based Learning、以後 PBL と記す）

3．本教材を用いたものづくり体験プログラムの実践
WAKUWAKU ものづくり大作戦の講座において、偏光型活動に応用し、総合的な人間力の向上への効果についてを応用した教材を用いるものづくり体験プログラムを実践の結果も報告する。

した。講座提供にあたり、テーマ名を偏光板であそぼう !!、2．直観的ものづくり教材の概要

所要時間を 90 分、対象を小学 1 年生から 4 年生までの低ものづくり体験教材の内容を検討するにあたり、大学の学年、人数を 20 名とした。講座には保護者の参加や同席

機械システム工学科、物理現象、ものづくりとの関連性なも自由であり、講座中の作業を親子で共同することも可とどが想像できることを意識した。機械システム工学科のカして行った。主催側は、学生 8 から 9 名と教員 1 名であり、リキュラムでは機械の 4 力学を基盤とする機械工学が核と司会や進行を学生が行った。また学生は、班分けした小学なっている。小学生からそのような力学につながることを生の机に必ず 1 名以上は担当する配置とした。

ねらいとして、材料や応力などの要素を含むこと、手品の本講座のものづくり体験プログラムでは、小学生がものような不思議さ驚きの要素を備えていること、小学生からづくりや物理現象である偏光の楽しさ、面白さ、不思議さ大学生になるまでに段階的な学習を要する内容などを検討などをまず体験することを重視した。次に、そのときに不した結果、偏光現象を取り上げる教材内容とした。

思議さ、難しさ、疑問などを抱いてくれることを期待して

図 1 に本教材でのものづくりや物理現象の楽しさ、面白いる。そして、直感的な理解の強い印象が、ものづくり体さ、不思議さなどの魅力の中心となる偏光の振る舞いにつ験後に学びや行動の主体的な活動につながる駆動力になるいて示す。ここでは光が物質に入射することとその中を伝ことをねらいとした。一方、大学生は、司会、進行、製作播することによって引き起る光の振動面の回転、波の合成、の段取りや工程の検討、説明と実演などを担当し、講座を光の強度の変化などに注目する。図 1 に示すように一般的運営する役割の立場を担当した。そのようなことから、大な光源は不特定な偏光状態である。偏光板 1 に入射した光

学生には社会人基礎力にあるような問題解決力を向上させは、偏光板 1 の透過軸に平行な振動成分のみが伝播し、直る修養の場面ととらえている 2）。以下では、偏光板と複屈線偏光が得られる。図 1 中に複屈折性材料を配置しない場折を有する各種材料で構成され、色彩の明滅が現れる製作

合、偏光板 1 を透過した光は偏光板 2 に到達すると、透過者オリジナルな名札の製作について述べる。

軸が直交していることから、偏光板 2 を透過することがで受講者には、はじめに図 2 のようなオリジナル名札の製きない。よって偏光板 2 を介して観察すると暗黒に見える。

作例を提示し、本講座で製作する作品を提示した。その外

ところが、図 1 のとおり透過軸を直交させた偏光板 1 と 2

観は一見透明であるが、偏光現象を確認しやすくするため―2―直観的ものづくり体験教材の開発とその実践

け、特にセロハンテープを縦方向、横方向、斜め方向などに自由に何重にも貼り付けながら、色彩の具合を確認してもらうようにした。セロハンテープの重ね方やその枚数については、三野らの研究でセロハンテープを 28 枚まで重ねて貼った場合の透過光強度スペクトルが測定されており、その結果を参考にした 3）。以上で物理現象を直感的に理解するための準備ができたので、以後、偏光現象を確認する方法を提示した。
偏光現象や色彩の発現などについての直感的な理解をより印象付けるために、3 段階で観察するように説明した。
図 4（a）に示すようにはじめに偏光板を用いずに製作物を目視する。次に製作物の上に偏光板を配置し、それを介
図 2 偏光板を用いたオリジナル名札の製作例（①：偏光板、②：プラスチック板、③：セロハンテープ、④：カッティングシート、⑤：名札ケース）
表1して観察する。さらに偏光板を 2 枚用いて、それらの間に製作物を配置して確認する方法である。この場合、目視では偏光を確認できないが、偏光板を用いることで色彩の発現が認められ、偏光現象を直感的に知ることができる。2使用材料および工具番目の確認の仕方は、図 4（b）に示すようにスマートフォンや液晶ディスプレイなどの液晶表示器を用いる方法である。偏光現象の確認に加えて、偏光の身近な応用を示すことも意図している。液晶を使った表示器では、2 枚の透明電極間に液晶をはさむ構造であり、偏光板は一般的に電極の外側に配置されている。そのようなことから、偏光を確認するときに液晶表示器を用いれば、偏光板は 1 枚ですまされる。また偏光や色彩の確認を片手できるようになるので操作性もよくなる。1 番目の確認方法の場合、2 枚の偏光板と製作物との配置関係、さらにはそれらの取り扱いについて、十分な説明を加えておかないと、期待した体験にならない参加者が少なくない結果となる場合がある。3 番目の確認の仕方は、図 4（b）の配置状態を維持しながら、図 4（c）に示すように偏光板を回転させながら観察する方法である。ここでは、偏光板を回転させると、偏光や色彩が変化することから光が振動して伝播する横波であること、偏光、波長、強度、媒質（光の通り路）、複屈折などについて直観的に理解するよう説明した。
図 5 に確認手順 2 および 3 で製作物を観察した結果を示す。図 5（a）の製作物の観察画像は、先に示した図 2 の図3製作物を液晶表示器の画面を白くした画面上に乗せただけセロハンテープによる偏光の確認の状態を示している。偏光板から切り抜いた文字部や偏光面が回転した部分などに色彩が認められる。図 5（b）では、に②プラスチック板、③セロハンテープ、④カッティング

液晶表示器の上に製作物を置きその上から偏光板を介してシートなどの複屈折性をよく示す透明な日用品が②のプラ見える状態を示している。ここでの確認では、液晶表示器スチック板に貼り付けられている。なお「わくわく」の黒の上に製作物を置き、偏光板を回転させながらそれを介しい文字部は、偏光板から切り抜いた後に貼り付けたものでて見るようにする。これまで見えなかった文字や色彩が観ある。表 1 に使用材料や道具などの一覧を示す。図 3 に示察される。また液晶表示の光源が白色光であるが、さまざすように製作を開始するにあたり②プラスチック板上にセまな色彩が現れており、偏光面の回転、波長、使用材料のロハンテープやカッティングシートを自由に貼る時間を設

厚みなどに関連するレターデーションによる特有な色彩が―3―

桑野亮一・池田雅弘・日野実

図5

4.
図4

偏光の確認方法

確認手順 2 および 3 での偏光と色彩の観察

アンケート結果と理科実験PBL活動の実践
WAKUWAKU ものづくり大作戦の講座において、2017年度と 2018 年度の 2 回、偏光を応用した本ものづくり体得られている。また図 5（c）にセロハンテープを多く使験教材を活用したものづくり体験プログラムを実践した。

用した場合の製作例を示す。セロハンテープは複屈折を有

その講座終了時に児童および保護者に対しアンケートをする材料であり、その重ねた枚数、方向、他の材料との重行った。講座の対象が小学 1 年生から 4 年生ということで、なりなどによって、変化に富んだ発色が得られている。

回答を「はい」、「いいえ」などの 2 件法に、「ふつう」「わからない」といった中間項も入れて、1 つを選択する 3 件法とした。図 6 にアンケートの質問や回答の結果を示す。
―4―

直観的ものづくり体験教材の開発とその実践

図6
表2

アンケート結果

大学生のアンケート結果の質問の回答から、直感的な楽しさの実感により、ものづくりと偏光という物理現象の楽しさについて直観的な体験が得られたと思われる。楽しかったので、異なるテーマやものづくりの体験をまた実感したいという学びの意欲が生じたと考えられる。3 つの質問に対する自由な意見や感想で得られた文章中に出現頻度の高いキーワードとして、「楽しい」、「きれい」、「偏光板」、「不思議」、「おもしろい」などがあった。偏光現象の理屈を通しての説明が少なかったが、直感的な理解の実感によって本体験プログラムへの強い好印象が得られたものと考えられる。
一方、本講座を主として担当した大学生 7 名にアンケー
トを 3 件法で行った。Q1「WAKUWAKU 大作戦に協力して得られたものはありましたか」に対して、7 名中 6 名

小学生の参加者は、2017 年度と 2018 年度でそれぞれ 17が「あった」と回答した。表 2 に示すような理由が挙げら名と 16 名であった。Q1「講座は楽しかったか」に対するれた。対象が小学生ということもあり、コミュニケーショ

回答は、2017 年度は 16 名、2018 年度は 15 名と両年度とンを第一に注意したことがわかり、コメントから社会人基もに全参加者の 94 ％が楽しかったであった。まずは小学

礎力の 3 つの能力の中の「前に踏み出す力」や「チームで生がものづくりの体験講座を楽しく取り組んだことがわ働く力（チームワーク）」などについて、実践を通して得かった。Q2「内容はどうでしたか（難易度）」の質問では、た学びがあったことがわかる。

回答 2）の「ちょうどよかった」が 2017 年度は 56 ％（9 名）、さらに、本教材を以下の PBL 型の活動にも応用した。

2018 年度は 75 ％（12 名）であり、回答 3）の「難しかった」

広島工業大学では、本学の女子による自由参加型の活動支が 2017 年度は 19 ％（3 名）、2018 年度は 25 ％（4 名）であっ援プログラムが行われている。その拠点として、女子学生た。2 年目の実践の方が前年度の実績を踏まえて運営できキャリアデザインセンター（以後、JCD と称す）がある。ていることも考えられるが、両年度ともに課題の設定は適

そこでは通常の教育と平行して、女子学生主体によるさま切であったことが判断される。Q3「また参加したいですか」

ざまなプロジェクト活動が行われている。その中の一つにの質問では、回答 1）の「はい」が 2017 年度は 100 ％（17 名）、出張理科実験教室プロジェクト活動があり、主に小学生を2018 年度は 81 ％（13 名）であった。いずれも 80 ％以上対象とした体験型の理科実験教室（以後、理科実験プロの高い割合でまた参加したい意見が得られた。以上の 3 つジェクトと記す）を行い、科学、自然現象、ものづくりな―5―

桑野亮一・池田雅弘・日野
表3

実
表4

JCD 理科実験プロジェクトでの実践

理科実験プロジェクトの報告事項

どの楽しさを伝えるとともに理科への興味や強い好奇心を持ってもらう活動を行っている。理科実験プロジェクトとして、偏光を応用する教材を活用した 3 つのイベントの開催実績がある。それらを取り上げミーティングと理科実験プロジェクトの報告書から、体験を通して得たことをまとめる。理科実験プロジェクトでは、イベントの依頼内容（時間、場所、参加人数、参加年齢など）に応じて、企画や運営を学生自らが検討する。表 3 に示すように 2019 年度は偏光を用いる教材を理科実験プロジェクトで独自に変更や改良を加えて 3 つのイベントとして提供した。それには昼休みのミーティングや放課後の課外活動で取り組み、イベ運営、振り返り、評価、改善のプロセスを社会実践型の授ント実施後の報告書から有意義な意見を表 4 に挙げた。教業に展開することを検討する。特に上級生が下級生に教え材を起点に自ら「前に踏み出す力」の主体性、実行力、「考ることを通して、主体的な学びの活動につながることを期え抜く力（シンキング）」の課題発見力、そして「チーム待している。具体的には大学 1 年次および 2 年次生用に内で働く力（チームワーク）」の 6 要素について、理科実験

容を改良し、基礎教養科目と専門科目との接続性さらに卒プロジェクト活動を通じて、学びと主体的に活動する良循

業研究への総合的な課題解決につながるような導入的な内環の定着が認められた。

容に構成することを考えている。

5.

まとめ

参考文献

小学生を対象としたものづくりや物理的な面白さ、楽し

１）井上祥史、伊藤敏、菊地洋一、武井隆明、村上祐：さなどについて、直感的に理解することを実感できる偏光

セロハンテープの光学特性と干渉色シミュレーショの不思議を取り上げた教材を考案し、それを用いたものづ

ン、科学と教育，51，3（2003），pp.186-189.

くり体験型プログラムを実践した。理屈による理解よりも

２）経済産業省、社会人基礎力、先に直観的な理解を実感することから、楽しい、また体験

https://www.meti.go.jp/policy/kisoryoku/

したいの主体的な取り組みへつながる実践結果を得られた

３）三野弘文、三好真央：偏光板とセロハンテープを用いものと考えられる。さらに考案した教材を PBL 型の活動た干渉色の仕組みと応用、国際教養学研究，2，（2018），の教材に展開し、学生の社会人基礎力に含まれる要素能力

pp. 69-79.の向上効果も感じられた。今後は、この教材開発の企画、―6―