広島工業大学紀要教育編
第 8 巻（2009）pp.23-27

論文

基礎力学教育に関する体験型学習教材作成と運用の試み
石井義裕＊・大東延幸＊・村中昭典＊・今川朱美＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Managemant and Making Experience Typed Educational Toolsfor Basic Structure Engineering
Yoshihiro ISHII, Nobuyuki OHIGASHI, Akinori MURANAKA and Akemi IMAGAWA-SATO（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
A lot of students of our department don’t fully study physics and mathematics in
the high school. Therefore, some problems occure, one of which is for them to beunable to understand mechanics in education of civil engineering. They are not able
to image the concrete mechanics. We try to make and operate the experience-typed
educational tools for the basic structure engineering as one of the methods of solving
the problem. Four kinds of tools are made and are used in “Practice of UrbanEngineering”, which is given the fourth semestar. These are as follows: (1)the stressand the strain, (2)the section shape and the deflection, (3)the three dimensional image
for the bridge, and (4)the structure of the supporting point. A lot of students feel thenecessity of the experience-typed learning tools according to the results of thequestionnaire conducted after they studied it.

Keywords: Structure education, Experimental type study, Teaching material

構造力学の基礎的事項を習得することを目標としている。

1．はじめに

また 1 年次には物理学・数学の科目も多数開講されてお広島工業大学工学部都市建設工学科においては平成 19

り，高等学校等の接続教育にも力を入れている。しかしな

年度より AO 入試をはじめとする各種の入学試験を実施

がら，多様な履習歴を有する学生（特に高校で物理を学習し，多様な学習歴の学生を入学生として迎え入れている。

していない学生）にとり，構造力学の概念的な理解は不足

本学科では，将来の建設技術者を養成するために，高等学しているようである。そこで，本学プロジェクト教育セン

校における数学Ⅱ・数学Ⅲ・物理の履修を前提とした力学

ター「専門教育における体験型学習のための教材開発セン

科目を中心とするカリキュラムを構成している。このためター」（平成 18 年度・ 19 年度）として「力学系科目の体学生の入学後の学習には少なからず困難があり，入学前教験型学習教材の開発」をテーマとして，力学系科目の理解育や学習支援センターの設置により対応を行っている。都度を向上させる「体験型学習」を実施するための教材の作

市建設工学科においては 1 年次後期に「構造力学Ⅰ基礎・成を行い，その一部については成果を発表 1）している。

応用」，2 年次前期に「構造力学Ⅱ基礎・応用」を開講し* 広島工業大学工学部都市建設工学科―23―

石井義裕・大東延幸・村中昭典・今川朱美

表− 1 授業構成

──────────────────────────
第 1 週：［a］事前学習・問題演習［b］教材実習
第 2 週：［a］データ整理［b］レポート作成
第 3 週：［a］プレゼンテーション［b］事後学習──────────────────────────

写真− 3 汎用力学教材ボード

図− 1 引っ張り教材

写真− 1 事前学習

写真− 4 引っ張り教材り現実的に捉える」ことに繋がる。
写真− 2 事後学習

（3）本教材を用いたグループ学習の形式をとることで，個々人の能力向上がはかれると共に，グループ内でのコミュニケーションや協業作業の大切さを実感するこ

2．期待される効果
本教材を用いて期待される効果を以下に示す。とができる。
（4）さらに「得意な学生が不得意な学生に教える」という（1）体験型学習の充実により，高等学校における物理の未履修などの多様な履修歴の学生が持つ「苦手意識の克服」と，2 年次から本格的に展開される専門教育へのスムーズな導入をおこなう。

「学生共助による学習効果」が期待できる。

3．教材の作成と運用
3.1

教材の運用

（2）座学型講義の並行実施は，数学・物理の得意な学生に本教材を用いる講義は「都市工学実習（2 年次前期開

とっても，現象の体験が「数式・力学の持つ意味をよ講・選択科目）」であり，毎週 4 コマ（1 コマ 45 分）で構
―24―

基礎力学教育に関する体験型学習教材作成と運用の試み

写真− 7 曲げ実習

写真− 5 引っ張り実習図− 2 二次元図面

問題設定・解決方法・データの検証を行っている。以下の
写真− 1，写真− 2 にそれぞれ事前学習・事後学習の様子
写真− 6 曲げ教材を示す。
3.2

教材の概要

成されている。2007 年度と 2008 年度では多少異なった方

教材としては，構造力学の基礎項目に焦点を当て，（A）法で行った。2007 年度には 3 週を 1 セットにして，2008「応力と歪み」，（B）「断面と強さの関係」，（C）「3 次元的年度には 2 週を 1 セットにして実施した。本論文では視点からの橋梁部材の理解」，（D）「支点の構造」の 4 つ2007 年度に実施した方法を示す。の課題を解決するために，それぞれ異なる教材を開発した。

4 コマを前半 2 コマ（［a］）と後半 2 コマ（［b］）に分け，3.3

課題（A）に関する教材

表− 1 に示すように第 1 週では，［a］で対象とする事項に課題（A）（B）では汎用力学教材ボードを用いた実習を行ついて問題点を洗い出し，［b］で教材実習を行う時間としう。写真− 3 に示す装置と教材は参考文献 2 に示されていている。教材実習は約 5 名を 1 班としたグループ学習としる教材を参考に作成した。汎用力学教材ボードは縦 80cm，ており，各班には教員もしくは TA 1 名が実習指導・安全横 60cm の板に 5cm 間隔で孔があけてあり，ピンをたて確認に当たっている。第 2 週には教員の指導の下でデータることで各種の教材を懸架・支持できるようになってい整理・レポート作成を行う時間としている。レポート作成

る。教材としては「引っ張り教材」を準備した。この「引は班単位での相談も推奨しており，さらに教員と TA のっ張り教材」は図− 1 に示すような両端にアルミ材を接合

巡回指導により，不明点を時間内に全て解決することを目したゴムならびに塩化ビニルを試験体とした。作成した引標としている。第 3 週には，［a］で作成したレポートをもっ張り教材を写真− 4 にしめす。この教材により「フックとに班ごとにプレゼンテーションを実施し，［b］で全員での法則」，「ヤング係数」，「応力と歪みの関係」を体験的に―25―

石井義裕・大東延幸・村中昭典・今川朱美

図− 4 支点

写真− 8 橋梁構造模型

写真− 12支点の構造模型

固定支点

写真− 14

写真− 9 組み立て模型

写真− 13

3.4

可動支点

課題
（B）に関する教材

曲げ教材は写真− 6 に示すような長方形断面のアクリル角棒，直径約 3mm の真鍮丸棒，銅丸棒を用いて行った。
試験体はそれぞれ写真− 7 に示すように，汎用力学教材ボ
写真− 10

複雑な箇所ードを用いて支持し，中央部をバネばかりにより引張り，中央部のたわみを測定する。これにより，「荷重とたわみ（1）の関係」が求められる。たわみ量δと荷重 P の間には式が成り立つが，角棒を用いる場合，式中の断面二次モーメ（2）により断面幅 B と断面高さ H により求められント I は式る。そのため，長方形断面の試験体を用いた場合には，断面形状によりたわみ量が異なることについて体験的に理解が深まり，構造物の形状と強さについて学習することが出来る。実習の様子を写真− 10，11 に示す。

d = Pl 3 /48EI ………………………………………（1）I = BH 3 /12 …………………………………………（2）
写真− 111kg の載荷に耐える橋

3.5

課題（C）に関する教材「3 次元的視点からの橋梁部材の理解」の課題では基礎学習することが出来る。実習の様子を写真− 5 に示す。

的な橋梁模型を作成する実習用教材を作成した。都市建設工学科においては，将来の職業につながる橋梁の製図や―26―

基礎力学教育に関する体験型学習教材作成と運用の試み

CAD を学習するが，これらの科目を受講する学生のもつは非常に簡単な構造であるため，学習者自身が作成するこ二次元の図面と実際の土木構造物である三次元の実物の認とも可能である。教材をただ見るだけでなく，学習者自身識における非常に大きな乖離を，解決しようとするものでが作成することで，理解は一層深まることが期待できる。

ある。

写真− 13 には固定支点を，写真− 14 には可動支点（写真

図− 2 に示すような二次元の図面に対して，どの様な部材が，組合わさって構造物が構成されているかを，三次元の部材として作成したものが写真− 8 である。この三次元の模型を実際に組み立てたものが写真− 9 である。特に写中は移動支点と表記）を示す。可動支点は梁のたわみに応じて左方向に移動することが出来るようにしてある。

4．おわりに真− 10 に示すような部材が複雑に重なる箇所については，本教材の作成と運用により得られた知見を，以下に示す。

三次元の教材を用いた方が学生の理解は深まるようであ（1）体験型学習を実施することで，座学で学ぶ力学が，どる。この模型を，30cm 程度に拡大した模型は，高大連携の様にして導かれたのかを学ぶことができた。

授業でも用いており，コピー用紙で作成しているにもかか（2）本教材の使用による体験型学習は基礎的な力学の理解わらず載荷重量 1kg に耐えており，参加した高校生の興度・解決能力向上の一助となると考えられる。
（3）教材の適切な使用時期，教材内容の充実，座学との連味も得ている（写真− 11）。
3.6

課題（D）に関する教材携・併用など，適切な運用に関しては今後改良の余地

1 年次では単純梁の「反力」や「支点」について学習をは大きく，教員間の連携も密に行なう必要がある。

行い，図− 4 のような可動支点（図− 4 左図）とヒンジ支参考文献点（図− 4 右図），さらに固定支点をもちいた説明が行われる。図中の P は荷重，H は水平反力，V は鉛直反力を

1）石井義裕・大東延幸・村中昭典・今川朱美：基礎力学

示すが，力の向きや大きさ以前に支点の構造がイメージで教育に関する体験型教材作成と運用の試み，平成 20 年

きていないようである。そのため，2 年次に学習する「曲度げモーメント」や「せん断力」「たわみ」に上手く接続が2008。

工学・工業教育研究講演会

講演論文集，8-109，

2）（社）鋼材倶楽部鋼構造教材作成小委員会：実験でわか出来ないようである。
そこで，課題（D）では「支点の構造」を視覚的に学習できるための教材を写真− 12 のように作成した。教材自体―27―

る構造力学の基礎，技法堂出版，p.144，2000。
（連絡先： y.ishii.pu@it-hiroshima.ac.jp）