天体の日周運動の理解を深める授業
～札幌市青少年科学館の「天体運動学習セット」の活用～

札幌市立白石中学校　坂本　拓麻

1. はじめに

理科の授業の多くは自然の観察から始まるが，「地球と宇宙」では，実践困難な内容が多い。天体の日周運動においては，観察時間が日が沈んだ後で授業時間外，また観察時間も限られる。そのため，定点カメラで撮影した映像を授業の中で用いることとなるが，天体を撮影する機材を用意することは簡単ではない。その上，日周運動の本質を理解するためには，宇宙（主に太陽系）を上から俯瞰し，地球の自転とその地点から見た空の様子を結び付けなければいけない。その際に天球の概念を理解していくことになるが，それは子どもたちにとってなかなかイメージしにくい部分である。そのため，これらの内容を理解しやすくするためには，天体のモデル装置を用いた実験を行う必要がある。今回使用したモデル実験装置は札幌市青少年科学館から借用した「天体運動学習セット」である。札幌市青少年科学館には，貸し出し用実験セットという授業で使える実験道具を取り扱っており，その中に「天体運動学習セット」という「地球と宇宙」の学習に使えるモデル実験装置がある。今回はその実験装置を活用した授業を行った。

2. モデル実験装置について

札幌市青少年科学館の貸し出し用実験セット「天体運動学習セット」を使用した（図1）。モデル実験装置の詳細は，札幌市青少年科学館のホームページ（https://www.ssc.slp.or.jp/）の「天体運動学習セット（https://www.ssc.slp.or.jp/tm_top）」を参照。
このモデルは，月や金星の満ち欠けや四季による太陽の日周運動などのモデル実験ができ，地球儀に着けられたカメラによって，太陽系の俯瞰とそのモデルの地球から見た空の様子をモニタで観察することができる。ただし，このモデルでは星の日周運動を天球の概念として捉えることを想定していないため，図2のような工夫を行った。カメラ付き地球儀を装置の中央に設置し，それが中心にくるようにその上に大型の透明半球を被せた。この透明半球の表面に天球上に張り付く天体をシールによって再現した。また，生徒が地球儀を自転させるために，透明半球の下に手を入れる隙間をつくった。モニタも大型のスクリーン（図3）を設置して，空を観察しているイメージを持たせやすくした。

図1 天体運動学習セットの使用例。
地球儀にはカメラが付けられ，太陽モデルはLEDによって発光し，金星の満ち欠けなどのモデル実験が可能。

図2 大型の透明半球を用いた装置。
天球上のシールで再現した北極星が，北の空を映した地球儀カメラの映像の中で，
地球を自転させてもモニタ上の位置がずれないように透明半球の置く位置を調整した。

図3 モニタに表示された地球儀カメラの映像。
画面下の「N」はカメラに取り付けられた方角表示である。矢印がさす位置に北極星があり，
地球儀を自転させるとそれを中心に反時計回りに他の星が回転する。

3. 授業の流れ

(1) 本時の目標

天体の日周運動について，時間的・空間的な視点で捉え，モデル実験を通し，地球から観察される天体の動きを地球の自転と関連付けて考える。

(2) 本時の流れ

流れ	生徒の活動	教師の関わり
導入（5分）	小学校4年生の教科書を用いながら，星座が時間が経つにつれて動いていくことを想起する。
	天体の日周運動の動画を鑑賞し，4方位の動きをそれぞれタイムラプス動画で確認する。	4方位それぞれの動きの違いに気づかせ，疑問を生じるように誘導する。
	学習課題夜空の星が各方角で異なる動きをしているのはどうしてだろうか。
実験（40分）	予想する（個人）　予想の交流（全体）
実験（40分）	班ごとにモデル実験を行う 1台しかないため，1班約3～4分間で行う。	待ち時間に役割分担など素早く実験できるように準備させておく。
まとめ（5分）	課題解決の姿天体は地球が自転しているため動いて見える。そのため北極星を中心に反時計回りに動いて見えるので，各方角で異なる動きに見える。	モデル実験でイメージした各方位の動き方と自転とのつながりを，天球の図と関連付けて捉えるように促す。

(3) 本時の評価

天体の日周運動について，時間的・空間的な視点で捉え，モデル実験を通し，地球から観察される天体の動きを地球の自転と関連付けて考えることができた。

4. 授業のようす

この授業によって，生徒は宇宙から地球を俯瞰した天球概念のモデルを地球の自転という操作をしながら，その地球から見た空の様子を同時にモニタで観察することができるようになった。また，カメラを4方位のいずれかに固定して，モニタに映るそれぞれの空の様子を比較し，星の日周運動の4方位で見えるようすの違いが俯瞰したモデルとのつながりを結び付けることができた。図4のように，一人が操作し，周囲がやり方を指示したり，結果を記入したりしながら班ごとに実験を行った。中には地球の自転を逆に回す生徒がおり，同じ班員から指摘を受けて修正するという場面が見られたり，スクリーン上の星の動きを指で追いながら班員と動きの確認をしたりと班ごとの体験による学びが生じていた。生徒の記述を図5，6に示す。

図4 実験の様子

図5 ワークシートの記述

図6 ワークシートの記述。
この生徒は既習事項である太陽の日周運動と関係付けて理解を深めたと考えられる。

5. おわりに

天体の日周運動を理解するには，モデル実験による共同の学びが授業中の生徒の姿から効果的だと感じた。また，札幌市青少年科学館のモデル実験装置のように，地球に取り付けられたカメラの映像を同時に観察できることが，天球の考え方の理解を深めることができると感じた。
今後は，1班に1台のモデル実験装置を用意し，より生徒たちの探究の時間を増やしたり，1人1台のタブレット端末による撮影を行い，映像を残したりするなど，実験の様子を振り返ることができるようにしていきたい。