電磁気の現象を用いた知識を深める生徒を育てる科目「電気基礎」学習指導－直流モータとリニア電池の動く仕組みを可視化する活動を通して－
産業・情報教育部産業教育班

長期派遣研修員（福岡県立八女工業高等学校教諭）

北村 政幸

１ 研究主題についての説明(1) 研究主題の意味
ア 主題について「電磁気の現象」には、電気と磁気の相互作用である電磁力や電磁誘導などがある。電磁気の現象は、主に電気エネルギーを運動エネルギーに変換するためなどに使われる。また、私たちの生活を豊かにするための技術として、様々な生活場面で使われている。
「電磁気の現象を用いた知識」とは、直流モータなどに関係する磁界の働きを表す仮想的な磁力線やアンペアの右ねじの法則、フレミングの左手の法則、力の大きさを求める公式などである。
「電磁気の現象を用いた知識を深める生徒」とは、電磁気の現象により動作する直流モータなどに関係する法則や公式を理解し、それを図や言葉を用いて表すことで知識として定着させ、他者が理解できるように説明する生徒である。
以上のことから、目指す生徒の姿を次のように設定する。
〇 直流モータが電磁気の現象で動作していることを理解できる。
【分かる段階】〇 直流モータとリニア電池を作り、その動く仕組みを図や言葉で表すことができる。
【深める段階】〇 直流モータとリニア電池の動く仕組みを、他者が理解できるように説明する。
【生かす段階】
イ 副題について直流モータとリニア電池は、電源と磁石、コイルで構成される。本研究で生徒が作成する直流モータとリニア電池を示す（図１、図２）。直流モータは、コイルに電流を流すと、電磁力が発生しコイルが回転する。リニア電池は、コイルに電流を流すと、電磁力が発生しコイルの中を乾電池が移動する。
直流モータとリニア電池は、構造が簡単で部品数も少なく容易に作成するこ
図１ 直流モータとができる。そのため、動く仕組みを考えやすく、電磁気の現象を利用したものの知識を深めるための教材として活用できる。また、直流モータとリニア電池を実際に作成し動作させることで、電磁気の現象を利用したものに対する興味・関心を高めさせる。
「直流モータとリニア電池の動く仕組み」とは、直流モータとリニア電池の図２ リニア電池構造や動作原理のことである。
「直流モータとリニア電池の動く仕組みを可視化する活動」とは、直流モータとリニア電池を作成し、それらを実際に動作させる体験的な学習を通して、その動きを電流、磁界、電磁力の向きなど図で示すとともに、言葉で表すことで、実物と関連付けながら理解できるようにすることである。
(2) 主題設定の理由
ア 新高等学校学習指導要領から高等学校学習指導要領（平成三十年告示）では、「電気基礎」から「電気回路」へ名称が変更される。これは、目指すべき資質・能力の育成を三つの柱に再整理するとともに、目標及び内容の明確化を図るという高等学校学習指導要領の方針を踏まえての措置である。つまり、学習段階ではなく学習内容を科目名として冠することにしたためである。

- 1 -「電気回路」の目標を達成するために必要な資質・能力の一つは、「電気回路について電気的諸量の相互関係を踏まえて理解するとともに、関連する技術を身に付けるようにする」である。また「電気回路」の内容を取り扱う際の配慮事項として、「理論に偏ることなく、実験・実習と関連した体験的な学習を通して理解し、工業生産に関連付けて考察できるように工夫して指導すること」と述べられている。身近なものに電磁気の現象が利用されていることを知り、実際に動作させる体験を取り入れることで関係する法則や公式を理解し、知識の定着を図ることができる。このことは「電気回路」の目標を達成するために必要な資質・能力を高めることと合致すると考える。
特に「電気回路」の中で電磁気については、物理的な現象を理解させることや工業生産に関連付けて考察させることなどの指導内容が多い。また、電磁気は「電気機器」や「電力技術」などの科目と係わりが深い。そのため電磁気は、学習内容を系統的に学び、将来技術者となる電気系の学科において、重要な指導項目である。
イ 実態調査の結果から７月にＡ県立Ｂ工業高等学校において、電気科第１学年40名の生徒を対象に「工業『電気基礎』に関するアンケート」を実施した。その結果、85％の生徒が「『電気基礎』の授業に積極的に取り組んでいる」と回答している。また、82％の生徒が「将来の事を考えて、『電気基礎』の授業を受けている」と回答している。しかし、75％の生徒が「電磁気の学習内容が苦手である」と回答している。苦手な理由は、「イメージすることができない」「想像できない」などの回答が多かった。さらに、アンケートに設けた電磁気の現象に関係する法則についての問題では、「アンペアの右ねじの法則」で60％、「フレミングの左手の法則」で50％の正答率にとどまった。
このことから、生徒は進路実現を意識して積極的に「電気基礎」の授業を受けているものの、電磁気の現象のような具体的にイメージすることが難しい学習内容に対しては、苦手意識を持っていることが分かった。また、実際に問題を解かせても高い正答率は得られなかった。
したがって、電磁気に対する苦手意識を克服し、知識を定着させるためには、イメージしにくい電磁気の現象と実際を結び付けられるように、図や言葉で可視化させることが有効な手立てになると考える。
２ 研究の目標
科目「電気基礎」の学習において、電磁気の現象を用いた知識を深める生徒を育てるために、直流モータとリニア電池の動く仕組みを可視化する活動の有効性を究明する。
３ 研究の仮説
科目「電気基礎」の学習において、直流モータとリニア電池の動く仕組みを可視化することで、電磁気の現象を用いた知識を深める生徒を育てることができるであろう。
４ 研究の具体的構想
電磁気の現象を用いた知識を深めるために、「分かる段階」「深める段階」「生かす段階」の三つの段階を設定する。また、「確認シート」と「説明書シート」を活用する。「確認シート」は、電磁気の現象に関係する法則の理解を容易にするために電流、磁界、電磁力の向きなどを可視化するシートである。「説明書シート」は、直流モータとリニア電池の動く仕組みを表す図と説明、作る手順、動作条件に近づけるために調整した点などを記入し、動く仕組みを可視化するシートである。
(1) 分かる段階
電磁気の現象に関係する法則と手作り直流モータの動作を関連付けて、図や言葉で表し、手作り直流モータが電磁気の現象で動作していることを理解させる段階である。図３に、手作り直流モータを示す。
はじめに、電磁気の現象を利用したものの例を提示することで、電磁気の現象を利用したものが、私たちの生活を豊かにするための技術であることを認識させるなどの動機付けを行う。そして技術者として、電磁気の現象を用いた知識が必要不可欠であることを確認させる。
次に、確認シート（円形コイルに流れる電流が作る磁界）でアンペアの右ねじの法則に関する問題- 2 -法則名を記入させるを解かせる（図４）。ここでは、円形コイルにおける電流と磁界の関係について、矢印などを用いて、図と言葉で表して整理させる。
最後に、手作り直流モータの動作を観察
電流と磁力線の向きを記入させる
磁極を記入させる
して、確認シート（直流モータの動く仕組み）で、フレミングの左手の法則に関する磁極を記入させる
問題を解かせる（図５）。ここでは、確認シート（円形コイルに流れる電流が作る磁界）と関連付け、電流と磁界の作る電磁力
図４ 確認シート(円形コイルに流れる電流がつくる磁界)が回転力に繋がっていることを理解させ、電磁力の向きを矢印で表して整理させる。
(2) 深める段階
法則名を記入させる
直流モータとリニア電池を作成し、それらが分かる段階で学習した法則に則って動作することを予測しながら実験し、その実電流の向きと力の向験結果や考察を可視化して、動く仕組みをきを記入させる
図や言葉で表す段階である。
力の向きを記入させる
はじめに、直流モータとリニア電池の動作を観察させる。電磁気の現象を確認シー力の向きを記入させる
トで振り返ることで、動く仕組みを考えさせる。
次に、直流モータとリニア電池を作成させる。コイルの形状や巻数、磁石の個数を変えることで、直流モータの回転速度とリニア電池の移動速度が変化することを実験
図５ 確認シート（直流モータの動く仕組み）させる。ここで、直流モータとリニア電池が、分かる段階で理解した法則などに基づいて動作することを関連付けて、理解させる。
既習知識と動く仕組みの根拠を法則などを使って記入させる
さらに、直流モータの回構造とその役割を関連付けるために作る手順を記述させる
転速度とリニア電池の移動速度について、設定条件を３の図と関連付けて、動く仕組みの説明が他者に理解されるよ与える。その条件に合う動うに記述させる作ができるように、コイルの巻数や磁石の個数を考え動作させるまでの注意点を記述させるて実験させる。その際、直流モータについてはコイル思考を働かせるために設定し動く仕組みを図で表すこの巻数や磁石の個数と回転た条件に近づけるための調整とで可視化させるした点を記述させる
速度の関係を、リニア電池についてはコイルの巻数や図６ 説明書シート
磁石の個数と移動速度の関係を説明書シートに記録することで、電磁力の向きや大きさについて考察させる（図６）。そして、動く仕組みを電磁気の現象を用いた知識を使って説明できるように、図や言葉で記述させる。

- 3 -(3) 生かす段階可視化した説明書シートを用いて、直流モータとリニア電池の動く仕組みを、他者が理解できるように説明する段階である。
はじめに、作成した直流モータとリニア電池について、動く仕組みの説明ができるように、説明書シートをまとめさせる。
次に、説明書シートと作成した直流モータとリニア電池を使い、動く仕組みを説明させる。ここでは、直流モータとリニア電池の動く仕組みについて、図や言葉と実物を結び付けて説明させる。
図７に、研究構想図を示す。
５ 研究の実際(1) 実証授業の学年及び単元
電気科 第１学年 科
目「電気基礎」電流と磁気（総時間数６時間）(2) 各段階の指導の実際と考察
ア 分かる段階
分かる段階では、電磁気の現象に関係する法則を理解させるために、手図７ 研究構想図
作り直流モータが電磁気の現象を利用して動作していることを図や言クロス葉で表す活動を行った。
はじめに、スライドでドローンや電気自動車の事例を示した。電磁気の現象を利用した電流の向きと磁ものが新しい製品として利用され、身近な生
ドット界の向きが記入できている活で使われていることを認識させた。
資料１ アンペアの右ねじの法則に関する問題
次に、手作り直流モータの動作を観察させた。動作を観察させた後、確認シートでアンペアの右ねじの法則に関する問題を解かせた（資料１）。
その結果、電流の向きは理解できていることが分かった。しかし、アンペアの右ねじの法則で、磁界と電流の向きを当てはめて図で表すことが不十分な生徒がいた。そのため、スライドを使い、アンペアの法則を当てはめて電磁力の方向を示
右ねじの法則を磁界と電流の向きに当てはめて説明すことができているできることを確認させた。
資料２ フレミングの左手の法則に関する問題
また、フレミングの左手の法則に関する問題を解かせた。手作り直流モータの動作と確認シートの記述を関連付けて、どちらの向きに回転するか仮説を立て、フレミングの左手の法則に則って回転していることを確認することで、電流、磁界、電磁力の向きなどを理解させた。その結果、生徒は実物と関連付けて電磁力の向きを矢印で記入することができていた（資料２）。
最後に、直流モータが電磁気の現象で動作していることを関連する言葉を使ってまとめさせた（資料３）。知識を定着させるためにペアでそれぞれ手作り直流モータの動く仕組みを説明させた。説明は箇条書きで記述し、相手が理解できるようにするためには、どのような説明がいいのかを考えさせ- 4 -た。確認シートの記述には、電流と磁界の向きやフレミングの左手の法則を使って、動く仕組みが図や言葉で表せていた。動く場面を関連付けることで、手作り直流モータが電磁気の現象で動作していることを理解できたと考える。
資料３ 動く仕組みの説明
事前・事後アンケートの比較では、アンペアの右アンペアの右ねじの法則
ねじの法則に関する問題の正答率が60％から95％に増加、フレミングの左手の法則に関する問題の正答率が50％から80％に増加した（資料４）。
これらのことから、手作り直流モータの動く仕組
フレミングの左手の法則みを図や言葉で表すことでアンペアの右ねじの法則とフレミングの左手の法則を理解させることができたと考える。しかし、フレミングの左手の法則に関する問題の中で電磁力の向きを表すことができていなかった生徒がいた。その中には、分かる段階で記
資料４ 事前・事後アンケートの比較
述できていなかった導体周辺に発生する磁界の向き
正解
不正解
までは理解できているが、磁界とコイルに発生した磁界の交わりによる電磁力の方向は記述できなかったものの、生徒の思考経過が伺えた（資料５）。
電磁力の方向を表すこ
電磁力の方向を正しく表す
イ 深める段階とができていない。
ことができている。
深める段階では、直流モータとリニア電池を作成
資料５ フレミングの左手の法則に関係する解答して、それらが分かる段階で学習した電磁気の現象に関係する法則に則って動作することを予測しながら実験し、動く仕組みを図や言葉で表す活動を行うことで直流モータとリニア電池の動く仕組みを理解させ、知識の定着を図った。
はじめに、事前に準備した直流モータとリニア電池の動作を、実物投影機で提示した。これを基準に直流モータとリニア電池を作成させた。その後、コ
イルの巻数や磁石の個数を変えることで、動作が変化することを実験させた。生徒は、これまで学んできた知識を生かして、予測しながら実験を行うこと資料６ 設定条件に近づけるための記録ができた。
次に、与えられた回転速度や移動速度に関する条件に近づける実験において、コイルの巻数や磁石の個数を考えて作成した直流モータとリニア電池を動作させることで知識の定着を図った。それぞれの動作とコイルの巻数、磁石の個数の関係は説明書シートに記録させた。実験において、回転速度や移動速
資料７ 動く仕組みを表した図
度に近づけることを予測しながら行わせることで、電磁力の向きや大きさの関係性を理解させた（資料６）。理解させることで、アンペアの右ねじの法則やフレミングの左手の法則を用いて、動く仕組みを図や言葉で表すことができていた（資料７、資料８）。
事後アンケートでは、「班で協力して直流モータとリニア電池を作り、設定した回転速度や移動速度に近づけるように工夫して動作させることができた」と答えた生徒が、88％であった。回転速度や- 5 -移動速度の誤差が大きかった班には、コイルの形状などを観察させ、磁界が有効に働いていないことなどを補足した。
これらのことから、直流モータとリニア電池の動
資料８ 動く仕組みの説明文作を観察し、それらを説明書シートに図や言葉で関連付けながら動く仕組みを記述することで、電磁気の現象を用いた知識を深めさせることができたと考える。
ウ 生かす段階
生かす段階では、説明書シートを用いて、直流モータとリニア電池の動く仕組みを、他者が理解できるように説明する活動を行った。
はじめに、深める段階で説明書シートに記述した直流モータとリニア電池の構造や動く仕組みを班で整理させ、説明できるようにまとめさせた。
次に、直流モータとリニア電池の実物と説明書シートを使って説明させた。作る手順や注意点、動く仕組み、設定した条件に近づけるための実験内容をまとめ、電磁気の現象に関連する言葉を使って要点を説明させた。作成した直流モータとリニア電池と説明書シートの記述内容を関連付け、動く仕組みを法則名などの電磁気の現象に関連する言葉を使い、根拠を示して説明できていた。動く仕組みを説明するためには、実物や図を用いて説明することが大切であることに改めて気付くことができたと考える。
事後アンケートより、「他班の説明は、直流モータとリニア電池の動く仕組みを図や言葉で説明できていた」と答えた生徒が95％であった。事前アンケートと比較すると、電磁気の学習内容が苦手である生徒が75％から25％に減少した。苦手と答えた生徒は、直流モータとリニア電池に作用する電磁力の向きなどを図に当てはめるところでつまずいていることが分かった。振り返りの記述では、「授業の中で理解を深めることができた」「法則などがイメージしやすかった」「法則をより詳しく学習しリニア電池のような構造の時で資料９ 振り返りの記述も活用が出来るようになったと思う」などが見られた（資料９）。また、「まだ完全に理解することはできなかったので、それは自分で勉強したり先生や友達に聞いたりして、より理解できるようになろうと思う」「他の電気のことも知らないことが多いので学ぼうと思う」「電磁気はこれからの未来を作るものなんだろうと思う」「電磁気に関する新しい発見をしてみたい」などの記述から電磁気に対して、学ぶ意欲を高めることができたと考える。
これらのことから、実験と関連付けて各シートに可視化させる活動を行ったことは、直流モータとリニア電池の動く仕組みを説明するために有効で、電磁気の現象を用いた知識を深めさせることができたと考える。
６ 研究の成果と今後の課題(1) 研究の成果〇 作成した直流モータとリニア電池と電流、磁界、電磁力の向きを関連付けながら、動く仕組みを図や言葉で表し、他者が理解できるように説明させることで、電磁気の現象を用いた知識を深めさせることができた。
○ 電磁気の現象を用いたものを知り、直流モータとリニア電池の動く仕組みを可視化する活動を行うことで、電磁気に対する苦手意識を減らし、学ぶ意欲を高めさせることができた。
(2) 今後の課題〇 図と言葉で動く仕組みを関連付けやすいように各シートの構成を改善し、教材として活用しやすいようにする。
〇 身近な事例を結び付けて、電気系学科における学習内容の系統性を持てるようにする。
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