高等学校理科教科指導における特異材料を用いた付加価値付与
仲野純章 木村久道なる教科指導の内容もその先を見据えたものにしていかねば

.

は じ

めにならない．なお，新しい時代にふさわしい高等学校教育を提言・検討するために設けられた「文部科学省 高大接続シス

高等学校教育の現場は「探求的な学習」が拡充されて大き

テム改革会議」では，各教科で求められる能力が具体的に検く変わりつつある．探求的な学習とは，学生が主体的に課題討されている．理科(物理)に関しては，図に示すように，を設定し，教科横断的な視点から，問題解決的な活動が発展「特に重視すべき思考力・判断力・表現力等のイメージ例｣(6)的に繰り返されていく一連の学習方法である．このような流として，れの中，科学技術系人材の育成を目的としたスーパーサイエ自然事象の中に問題を見出し，観察・実験のための予想やンスハイスクール( SSH )に全国の約 200 校が指定されてお仮説を立てる力り，既に各校独自のカリキュラムで様々な探求的活動が進め予想や仮説を確かめる観察・実験を計画・実施する力られている．そのうちの一校である奈良高等学校においてなどが挙げられている．しかし，本質的で広がりを持った知も，科学のトップランナーを育成すべく様々な探求的活動が識がない中では，これらの思考力・判断力・表現力を小さく展開されている(1)．特に，理科系の中に設けられた SSH コ限定しかねない．

ースにおいては，第 2 学年からの 2 年間をかけて課題研究

こうした状況の中，「敢えて学校で教科を学ぶ意味」は何を展開できるカリキュラムになっており，得られた研究成果かと考えたとき，教科指導の中にもやはり，学校だから体の一部は学外に向けて公開されている(2)(4) ．学生にとっ験・習得・思考できたという付加価値があるべきであると考て，こうした一連の活動は個人では成し難く，学校という集えている．

団・組織に身を置いて活動するからこそ享受できる，いわば学校教育における付加価値の一つといえる．最近，各教科指導において，いわゆるアクティブラーニングを意識した授業がなされるようになってきたが，依然として，知識伝達型の教科書の内容に沿った教科指導が多い．このような探求的な学習拡大の流れ，さらには，昨今声高に叫ばれている高大接続の議論(5)を考えると，教科指導の中身も同時に変えていかなくてはいけないのではと強く感じる．高等学校段階での探求活動や高等教育以降の学びや研究の土台となるものは，紛れもなく教科指導の内容であるからである．そのため，高等学校段階での探求活動や高等教育以降の学びや研究をよりス
ムーズにハイパフォーマンスなものにするとなれば，土台と図1

理科(物理)において特に重視すべき思考力・判断力・表現力等のイメージ例(文部科学省高大接続システム改革会議資料)(6)．

奈良県立奈良高等学校教諭(〒6308113 奈良市法蓮町836)
元 東北大学金属材料研究所准教授
Imparting Additional Value to Subject Instruction on Science at High Schools Using Unique Substances; Sumiaki Nakanoand HisamichiKimura(Nara High School, Nara. Tohoku University, Sendai (former))
Keywords: physics education, metallic glass, educational tool, spring characteristic, strain
2017年 3 月14日受理[doi:10.2320/materia.56.389]

ま て り あ 第56巻 第 6 号(2017)
Materia Japan




.

特異材料活用がもたらす可能性の検討



方法

教科指導の中における付加価値付与の一つのアプローチと上述した金属ガラスの機械的特性を活かし，以下のようなして，我々は，鉄やアルミニウムといった身近な材料とは異折り曲げ成形式の各種ばねを作製した．数百種類以上の金属なる性質を持つ特異材料を用いて，科学に対する興味関心とガラスがある中，今回は比較的作製しやすい Zr55Cu30Al10

深い学びを促す可能性に着目してきた．こうした特異材料のNi5 金属ガラス(10) を選択した．液体急冷法により作製され一つとしては，特徴的な構造と物性を持つ「金属ガラス」がた Zr55Cu30Al10Ni5 金属ガラス薄帯から，幅 3 mm の短冊形挙げられ，我々は物質の状態変化に関する学習の中でそれを状を 6 本切り出し(長さ24, 34, 44, 54, 64, 74 mm)，両端取り上げる試みも行ってきた(7)．金属ガラスはランダムな原から 2 mm の 2 箇所に切欠きを形成した．そして，切欠き子配列を持つアモルファス金属の一種であるが， 50 K 以上とその直近の折り曲げ位置との距離，及び隣り合う折り曲げの広い過冷却液体域を持ち，2 桁以上の遅い冷却速度でも作位置の距離がいずれも 10 mm になるよう手作業による圧縮製できる点が通常のアモルファス金属との大きな違いであ加工を施し，図(a)から(f)のように折り曲げ回数の異なるる．この金属ガラスは，引張強度が 1～4 GPa と高強度であばねを成形した．各切欠きには糸製のフックを括りつけ，図り，一方で，優れた靱性も備えている．また，歪みに対して( a )から( f )のように，一方の糸製フックでばねをつり下破断まで弾性的に変形し，大きな弾性限(比例限)および弾性げ，他方の糸製フックに質量が10, 20, 30, 40 g のおもりを順エネルギーがあり，耐疲労特性にも優れる(8)(9)．今回，力学に付加して荷重伸び特性を測定した．ここで，それぞれの分野で扱う「ばね」を題材にしたとき，こうした金属ガラス

ばねには糸製フックとの接合点(荷重支点)が 2 箇所存在すを用いた場合に例えばどのような活動の広がりと学びの掘りるが，荷重支点間距離の初期値からの変化量を伸び量と定義下げができ得るものかを考えてみたい．

した．

.


｢金属ガラス」の特徴を活かし，ばねを見つめ直す
金属ガラス活用のメリット




結果

奇数回折りの場合の荷重伸び特性を図に，偶数回折りの場合の荷重伸び特性を図に示す．1 回折りの(a)形状の強度・靱性・耐疲労特性等の面で一般の金属より優れた機場合，伸びの値は荷重に比例せず，図 4( a )のように曲線状

械的特性を持つ金属ガラスは，圧縮加工を施してのばね成形のグラフとなった．しかし， 2 回折りの(b )形状に至ると，と，このばねを用いた力学的評価に適しているといえる．ま

グラフ形状は図 5(b )に示すように直線状となり，教科書等た，金属ガラスを活用するもう一つのメリットとして，金属でよく目にする「ばねの伸びと弾性力の関係」と類似のグラガラスという特異材料を使用しているという特別感が学生のフとなった．ところが， 3 回折りの( c )形状になると，図 4

科学的興味をくすぐり，大学等研究機関の「空気」を感じる( c )のように再び直線性は損なわれた．しかし， 4 回折りのことができるということも挙げられる．こうしたメリットを( d )形状になると，図 5 ( d )に示すように再び直線状となっ活かし，以下の実験を行った．

た．同様に，5 回折りの(e)形状になると，図 4(e)のように

図2




各種供試ばね( a )1 回折り，( b )2 回折り，( c )3 回折り，( d )4 回折り，( e )5 回折り，( f )6 回折り．

材 料 教 育

図3

各種供試ばねに対する荷重伸び特性の測定風景．

直線性は損なわれ， 6 回折りの( f)形状になると，図 5( f)に示すように再び直線状に近づいた．このように，折り曲げ回数により線形ばねと非線形ばねの両方の性質が交互に現れる結果となった．また，図 4 に示す 3 種類の奇数回折りのばねについて比較すると，曲げ回数の増加とともに見かけの弾性係数が小さくなるという傾向が見られ，同様の傾向は，図5 に示す 3 種類の偶数回折りのばねについても見られた．このことは，後述の式( 1 )に代表されるような「ばねの長さが長いほど弾性係数は小さくなる」というばねに見られる一般的な傾向と合致する．


学びの掘り下げばねの弾性は，ミクロな視点で見るとばねを作っている金
図4

奇数回折りの場合の荷重伸び特性．

属自身の弾性，つまりは金属内の原子構造に起因する．つる巻きばね全体の話として語られることの多いフックの法則は，第一には，このようにミクロにみたときの話である．そして，その原子レベルの積み重ねの結果として，比例限界内にある金属においては，荷重と伸び(たわみ)の関係には正比例の関係が現れ，フックの法則が満足される．また，上述の自作ばねは，いわゆる引張りではなく曲げによる変形を利用したばねである．引張りでは変形しにくい材料でも，今回のように変形のさせ方によっては変位が大きく現れる．さらに，変位が拡大されるような二次的構造を与えることで，「見かけの弾性」をより増大させることができる．馴染みのあるつる巻きばねも，実はこうした変形のさせ方の工夫や二次的構造で変位を拡大している一例である．つまり，つる巻きばねを伸ばすとき，ばねの各部分はねじれを起こし，各部分のねじれが合成されて全体の大きな伸びとなる．なお，つる巻きばねの伸びに影響する因子は実に様々であり，有効巻

図5

偶数回折りの場合の荷重伸び特性．

ま て り あ 第56巻 第 6 号(2017)
Materia Japan

き数を Na，コイル中心径を D，材料の横弾性係数を G，直径を d，とすると，加える力 F とつる巻きばねの伸び x との間に式( 1 )が成立することが知られている(11)．
x＝{8・Na・D3/(G・d 4)｝・F

今回の検討実験に用いた Zr55Cu30Al10Ni5 金属ガラス薄帯をご提供頂きました株式会社真壁技研(仙台市宮城野区)の(1)

真壁昌宏様始め，皆様に厚く御礼を申し上げます．

このように，金属自身の弾性やばねの弾性とはどういった文ものか，という視点から捉え直すことで，今後，単なるばね献に対する考え方も変わるであろう．

.

ばね＝フックの法則を満足するつる巻きばね，という短絡的知識で良いのか高等学校までの教科書の中で出てくるばねは，「フックの法則を満たすつる巻きばね」一辺倒であろう．しかし，一歩実社会に出ると，不等ピッチコイルばね，定荷重ぜんまいばね等，荷重と伸び(たわみ)の関係が正比例にならない非線形ばねが多くある．本稿で紹介した金属ガラスを用いたばねでは，線形ばねと非線形ばねの両方の性質が現れた．こうした事例から，学生は学びと実態の間を埋める本質的な学びの必要性を感じられる．そうして，「そもそもばねとは何なのか」，「フックの法則とはどういうものなのか」を考えるきっかけが生まれるだろう．

.

お わりに高等学校教育における探求活動をより深いものにし，また，高等教育以降の活躍をスムーズになるようにと考えたとき，我々高等学校教員が教科指導でその橋渡しに尽力せねばならないことは明らかである．教員それぞれのバックグラウ
ンドや個性を活かした様々なアプローチがあると思うが，特( 1 ) 奈良県立奈良高等学校平成 24 年度指定スーパーサイエンスハ
イスクール研究開発実施報告書，4(2016), 182.
( 2 ) 榊原颯輝，佐藤克哉，芝脇翔山，薮内智史，吉田尚弘，増田貴行，仲野純章奈良県立奈良高等学校平成 28 年度スーパーサイエンスハイスクール生徒研究発表会，(2017), 610.
( 3 ) 西澤一輝，西村太一，松枝蒼弥，増田貴行，仲野純章奈良県立奈良高等学校平成 28年度スーパーサイエンスハイスクー
ル生徒研究発表会，(2017), 1114.
( 4 ) 上平拓夢，小出翔太，小池もも，脇田愛未，増田貴行，仲野純章奈良県立奈良高等学校平成 28 年度スーパーサイエンス
ハイスクール生徒研究発表会，(2017), 1518.
( 5 ) 河合塾Kawaijuku Guideline, 7・8(2016), 2
15.
( 6 ) 文部科学省高大接続システム改革会議ホームページ( http: //www.mext.go.jp / b _ menu / shingi / chousa / shougai / 033 /shiryo/_ _icsFiles/afieldfile/2015/06/22/1359126_06_1.pdf).
( 7 ) 仲 野 純 章 ， 木 村 久 道  奈 良 県 高 等 学 校 理 化 学 会 会 報 ， 56
(2017), 掲載予定．
( 8 ) 寺島岳史神奈川大学工学研究所所報，36(2013), 2231.
( 9 ) 増本健監修，ウォーク編著金属何でも小辞典，講談社，(2009), 199
210.
(10) G. Q. Xie, W. Zhang, D. V. Louzguine, H. M. Kimura and A.
Inoue: Mater. Trans., 48(2007), 15891594.
(11) M. Kodama: Trans. of JSSR, 3(1955), 7477.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
仲野純章
1999年 京都大学総合人間学部自然環境学科卒業
パナソニックを経て，2016年から現職(2005年 博士(工学)京都大学)
専門分野電気化学，センシング材料，非晶質合金，理科教育◎高大連携の推進に関心があり，学外との積極的な連携希望．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

異材料を用いたアプローチにも一つの可能性を感じている．
本稿では，特異材料の例として金属ガラスを挙げ，力学分野においてそれを活用する一例を示した．今後も，他機関と連携しながら，高等学校にある設備で実現できる特異材料を活用した理科教育の可能性を追求していきたい．
仲野純章



木村久道

材 料 教 育