教員養成系大学・技術専攻での材料教育と形状記憶合金を用いた中学校・技術科教材の開発
北.

教員養成系大学(技術専攻)での材料教育

.

村一

浩

技術専攻で行われている金属加工分野の講義・実習の紹介(3)

我が国の教員養成は，昭和 24 年( 1949 )の新制大学発足と同時に，教育学部などの教員の養成を主な目的とする学部以「金属加工法」で主に行われ，材料各論をふまえ，旋盤外でも，教職課程を追加的に履修し，所定の単位を取得すれ加工，フライス加工，研削加工，鋳造，塑性加工，溶接なば，教員免許状を取得できる制度(開放制)に変更された．こど，幅広い内容の授業を行っている．「金属加工実習」での制度のもとで，様々な大学・学部に教職課程が設置され，は，金属の板金加工(四角く浅い皿状の器，ブックエンド，さらに昭和 41 年( 1966 )には各都道府県に教員養成を目的とキーホルダー，自由課題)の実習を行っている．「金属加工法する国立の大学・学部(教員養成系大学)が設置された．この」では，授業の最初の部分で，金属材料，結晶学，鋼の熱ような国立大学は，初等中等教育分野等の教員養成におい処理試験方法などの金属加工法で扱わない専門的な内容をて，主要な役割を果たしている(1)．現在，国立の教員養成系扱い，その後，工作機械による金属加工について扱う．「金大学・学部は 44 大学 44 学部設置されており，その中で愛知属加工実習」では，はじめに金属加工の歴史と必要性を扱

教育大学は，東海地区唯一の教育大学として毎年700名以上い，その後，旋盤を用いた「ミニジャッキの製作」(図)をの学生を教員として社会に送り出している．本学では，各教行う．実習では，旋削加工を中心に，穴あけ，ねじ切り，研科に教科教育学(各教科の指導法)と教科内容学(2)が置かれて磨を行い，ミニジャッキを完成させる．

いる．筆者が所属する技術専攻では，教科教育学として「技術科教育」，教科内容学として「木材加工・金属加工・機械・.

大学祭などを通じた材料教育の取り組み

栽培・情報」の 6 つの学修領域が置かれており，筆者は機械の教科専門教員として，機械分野の「機械工学概論」，「材技術専攻・北村研究室では，平成 29 年( 2017 )から，材料料力学」，「原動機」，「機構学」，「機械要素力学」，「機械実験」の魅力を一般の方に知っていただくために，本学の大学祭にの授業を担当している．金属加工の内容では，「金属加工法

出展し，その成果は日本金属学会秋期講演大会中に行われる

」(1 年生後期・必修)，「金属加工実習」(1 年生前期・World Materials Day Award において発表している．

必修)，「金属加工法」( 2 年生後期・必修)，「金属加工実平成28年(2016)の出展では，「形状記憶合金って知ってま習」(2 年生後期・選択)，「金属加工法」(3 年生後期・すか」と題して，形状記憶合金を用いた教材の展示を行っ選択)，「金属加工演習」( 4 年生前期・選択)，「製図」(2た(図)．

年生後期・選択)の 7 科目が置かれている(3)．筆者はこの中

平成29年(2017)の出展では，「愛知教育大学技術科の大学で，「金属加工法」と「金属加工実習」の講義・実習を祭での取り組み「ものづくり教室を紹介します」」と題して，担当している．材料教育は特に「金属加工法」の講義の中その取り組みを紹介した(図)(4)．その内容を以下に示す．

で行っている．

愛知教育大学技術専攻では，地域の小中学生を対象に，「ものづくり教室」を行っており，「オリジナルキーホルダーを作ろう」(図)，「フルフル発電機を作ろう」(図)，「マイ愛知教育大学教育学部教授(〒4488542 刈谷市井ヶ谷町広沢 1)
Materials Education at Normal Universities and Technical Courses and Development of Teaching Materials for Junior High School
Technology Education Using Shape Memory Alloy; Kazuhiro Kitamura(Department of Technology Education, Aichi University ofEducation, Kariya)
Keywords: materials education, normal university, teaching materials, technology education, shape memory alloy
2019年11月 6 日受理[doi:10.2320/materia.59.92]

材 料 教 育

図1

金属加工実習で製作するミニジャッキ．
図4

オリジナルキーホルダーの外観．

図5

フルフル発電機の外観．

図6

マイマグネットの外観．

図 2 「形状記憶合金って知ってますか」発表風景．

図 3 「ものづくり教室を紹介します」発表風景．

マグネットを作ろう」(図)，「形状記憶合金で熱エンジンを作ろう」(図)の 4 テーマがある．北村研究室が担当の「形状記憶合金で熱エンジンを作ろう」では，大小 2 つのプーリーの間に，環状につなげた形状記憶合金ワイヤを配置し，小プーリーを湯につけることで，プーリーが回るものづくりを行っている(5)．
平成 30 年( 2018 )の発表では，「「ちゅうぞう」ってしって

図7

形状記憶合金を使った熱エンジン．

いますか」の内容で，3D プリンタで造形した原型を元に，紙粘土で型を作り， Sn Bi 系の低融点金属を流し込むことタペン(3D ペン)で作った作品に，あらかじめ直線形状に記で，鋳造品を作製する取り組みを紹介した(図)(6)．

憶された形状記憶合金と底板を接着し，おもちゃを完成させ令和元年(2019)は，「動け私のものづくり」と題して，る．完成したおもちゃは，ドライヤで加熱することにより起大学祭で行われたものづくりイベントの内容を紹介した(図き上がり，加熱をやめると倒れる．この「ものづくり」を通)．内容は，本学の大学祭で行った「3D プリンタペンと形して形状記憶合金の魅力を発信した．

状記憶合金を使ったものづくり」(図)であり，3D プリン

ま て り あ 第59巻 第 2 号(2020)
Materia Japan査したり，木材などの再生産可能な材料の利用を増やすことが社会や環境に与える影響について検討したりするなど，研究開発が進められている新しい材料と加工の技術の優れた点や問題点を整理し，よりより生活や持続可能な社会の構築という観点から，適切な選択，管理・運用の在り方について話し合わせ，利用者と開発者の両方の立場から技術の将来展望について意思決定させて発表させたり，提言をまとめさせたりする活動が考えられる．」とある(7)．学習指導要領からも，形状記憶合金を，新材料の教材として適用することが可能であることがわかる．また，形状記憶合金は，東京書籍の中学図 8 「「ちゅうぞう」ってしっていますか」発表風景．

校技術・家庭(技術分野)の教科書の中の「材料の加工法」の章，「材料の基本的な性質を調べよう」の節に紹介されている(8)．
「Cエネルギー変換の技術」では，「( 1 )生活や社会を支えるエネルギー変換の技術について調べる活動などを通して，次の事項を身に付けることができるように指導する．」の，「ア電気，運動，熱の特性等の原理・法則と，エネルギーの変換や伝達等に関わる基礎的な技術の仕組み及び保守点検の必要性について理解すること．」では，「エネルギーの変換，効率及び損失の意味，電気に関わる物性，電気回路及び電磁気の特性，機械に関わる運動，熱及び流体の特性等のエネルギー源から電気エネルギーや力学的エネルギーへの変換方法，電気エネルギーの供給と光，熱，動力，信号等への図 9 「動け私のものづくり」発表風景．

変換方法，力学的エネルギーの多様な運動の形態への変換と伝達方法等の基礎的なエネルギー変換の技術の仕組みと，それを支える共通部品や製品規格等の役割について理解することができるようにする．」とある(7)．このことからも，形状記憶合金がエネルギー変換分野の教材として適用可能であると確信した．

.

形状記憶合金学習キットの概要

今回共同開発した形状記憶合金学習キットは，愛知県大府
図10 「動け私のものづくり」で実践した製作品．

市の企業との共同で， 2018 年 10 月から，筆者と北村研究室の大学院修士 1 年生 1 名，学部 3 年生 3 名が 2 週間に 1 回程度ミーティングを行い企画段階から開発に関わった．また，学生の教育実習の経験から，子供達に受け入れられそうな学習キットの提案を行った．さらに，毎年 11 月に愛知教.

形状記憶合金を用いた中学校・技術科教材の開発

育大学行われる「科学・ものづくりフェスタ」でアンケートを実施し，子供のニーズを把握した．これらの結果を基に，平成29年度告示の文部科学省学習指導要領 中学校技術・家庭科(技術分野)では，「A育成の技術」，「 Cエネルギー変換の技術」，「D以前ものづくり教室で製作していた「形状記憶合金を用いた生物おもりが上下するおもちゃ」(図)を発展させて，学習キッ情報の技トを作る事が開発会議で決まった．共同開発の成果として材料と加工の技術」，「B術」の 4 つの教育内容が示されている．

2019 年 5 月，形状記憶合金学習キット「動け宇宙」が発売

材料と加工の技術」の中された(図)．形状記憶合金の学習キットとしては，「記憶の，「( 3 )これからの社会の発展と材料と加工の技術の在りマン｣(9)，「マジック風車｣(10)，「形状記憶合金実験セット｣(11)

方を考える活動などを通して，次の事項を身に付けることがなどが発売されているが，形状記憶合金を用いた，おもりができるように指導する」の「イ上下するキットは発売されていない．

これらの教育内容のうち，「 A技術を評価し，適切な選択と管理・運用の在り方や，新たな発想に基づく改良と応用に

本キットは形状記憶合金でできたバネに通電を行うことついて考えること」では「新素材や新たな加工技術が用いらで，バネにつけられたおもりがユーモラスな動きをする．本

れた製品を，生活における必要性，価格，製造・使用・廃棄

 は形状教材の動作の仕組を(図)に示す．ここで，図中の◯の各場面における環境に対する負荷，耐久性等の視点から調 は通電加熱状態，◯
 は加熱状態
記憶合金バネが冷却状態，◯



材 料 教 育を示している．本キットには，形状記憶合金バネ，おもり，電池ボックス，電線が入っている．形状記憶合金バネにはおもりが取り付けられ通常では伸びた状態になっており，電線
 )．おもと接続した磁石にくっつくようになっている(図中◯

りが磁石にくっつくと電流が流れ，形状記憶合金バネを通電 )．通電加熱により形状記憶合金バネが逆変加熱する(図中◯

態温度以上となることによりバネに縮む力が発生し，おもり
 )．バネが縮むと電気が切が磁石から離れバネが縮む(図中◯

れてバネが冷え，おもりの重さで再びバネが伸びる(図中 )．バネが伸びるとまた磁石にくっつきバネが加熱される◯
 )．これが繰り返されることによりバネが伸び縮み(図中◯し，ぴょんぴょん飛ぶような面白い動きが生み出される仕組みとなっている(12)．
図 11形状記憶合金を用いた，おもりが上下するおもちゃ．

.

おわりに

本稿では，教員養成系大学・技術専攻で行われている材料教育の紹介，大学祭などでの材料の魅力を社会に発信する取り組み，及び中学校技術・家庭(技術分野)の教材として適用可能な「形状記憶合金学習キット」を紹介した．本稿により，教員養成系・技術専攻で行われている材料教育と，形状記憶合金を応用した教材についての理解が深まれば幸いである．

文

図12

形状記憶合金学習キット「動け宇宙」．

図13

形状記憶合金学習キットが動く仕組み(12)．

献( 1 ) 文部科学省国立教員養成大学・学部，大学院の概要，
http: // www.mext.go.jp / b _ menu/ shingi/ chousa / koutou / 077 /gijiroku/__icsFiles/afieldfile/2016/09/21/1377405_8_1.pdf.
( 2 ) 福田景道島根大学教育学部紀要，45(2012), 1925.
( 3 ) 北村一浩愛知教育大学技術教育研究，4(2017), 813.
( 4 ) 大島幹央，伊藤拓己まてりあ，57(2018), 263.
( 5 ) 日本機械学会，日本産業技術教育学会 編こんなものまでつくれるの―身近な材料を使ったものづくり―，技報堂出版，(2006), 60
61.
( 6 ) 唐田裕介まてりあ，58(2019), 158.
( 7 ) 文部科学省中学校学習指導要領解説技術・家庭編(2017), 141.
( 8 ) 加藤幸一，永野和男他文部科学省検定済教科書 新しい技
術・家庭 技術分野，東京書籍，(2011), 33.
( 9 ) 吉見製作所記憶マン， https: // www.yoshimiinc.co.jp / pdf /記憶マン.pdf.
( 10 ) 左巻健男，赤羽根充男，池田圭一，櫻井昭三科学実験キットグッズ大研究，東京書籍，(2005), 100101.
( 11 ) 高木誠利，野村光宏，智田聡丞，深山武，みはる理科学教
材キットで工作と実験を楽しむ本，(2011), 102105.
 動け宇宙形状記憶合金っ( 12 ) 吉見製作所形状記憶合金 LABO◯てなんだ製作説明書(2019), 2.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

北村一浩

ま て り あ 第59巻 第 2 号(2020)
Materia Japan

2000年 3 月 筑波大学大学院工学研究科博士課程修了
2007年 4 月 国立長野工業高等専門学校 機械工学科准教授
2009年 4 月 愛知教育大学 教育学部 技術教育講座
准教授
2015年 4 月現職
専門分野技術教育，形状記憶合金，相変態◎中学校技術科向けの教材開発と，TiNi 形状記憶合金の特性評価・応用研究を行っている．

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