授業実践記録（理科）
ビー玉モデルを活用した電気単元の授業実践
１．背景
全国学力・学習状況調査小中学校報告書によると，エネルギーまたは物理領域，とくに電気単元の正答率が低い。
電気単元の理解が難しいことの原因の1つに，「見えない」ということがある。そこで，可視化した教材を提示することによって，概念形成の助けになるのではないかと考え，電流回路を可視化した「ビー玉モデル」を作製し，それを導入した授業を行った。
２．目的
（１）電流回路を可視化した，より分かりやすいモデルを提案すること。
（２）新しいモデルを活用することにより，電気単元の理解度を向上させること。
３．方法
（１）電気単元のアンケート調査を行う。
（２）電流回路を可視化した「ビー玉モデル」を作製する。
（３）「ビー玉モデル」を導入した授業を実践し，モデルの有効性を検証する。
４．「ビー玉モデル」の作製
図１.ビー玉モデルの構想図
写真１.ビー玉モデル
抵抗・電流・電圧・電池の概念学習教材として「ビー玉モデル」を作製した。水流モデルや粒子モデルはこれまでに多く報告されているが，その多くは電流学習用教材であったり，大がかりであったりする。
今回は，簡便かつ抵抗・電流・電圧・電池のすべての概念をイメージできることを考慮して作製した。材料は，100円ショップやホームセンターで手に入るような身近な素材である。
ビー玉を持ち上げるための装置として，バンダイ社製のスペースワープという玩具の一部を利用した。この玩具は単２電池で動くが，スピードが制御できないため，理科室にあるような電源装置または手回し発電機をつなげた。
斜面の部分には，抵抗をイメージさせるために，配線レールの溝に，三角柱のひごを短く切ったものを貼り付けた。導線を意味する平らな部分には，段差はない。
ビー玉が一つ放たれると，連鎖的に押し出されるようになって，最後の一つが戻ってくる仕組みである。このことは，自由電子をイメージさせるのに活用できる。
５．授業実践・検証
中学２年生の電気単元の導入として，２コマ（100分）の授業を行った。
通常の授業では，抵抗や電圧はあとで実施するが，今回は初めに実施した。事前事後調査を行い，抵抗・電流・電圧・電池の概念について学習前後での比較，知識理解の定着度について検証した。
調査結果から，乾電池の＋極と－極から電気が流れ，豆電球で衝突して光っているという，いわゆる「衝突説」が２番目に多い，ということが分かった。しかし，生徒が誤解しやすい図であったため，問題を修正して再度授業前と後に質問した。その結果，正答者数が２名増えただけで，衝突説は依然としてクラスの約半数を占めており，誤概念の変容は難しかった。電気のように目に見えない現象では，このような誤概念をもちやすく，具体物を示せないために，指導が難しいと感じる教師が多いのではないだろうか。
表１.電圧概念の変化（値は人数）
つぎに，電気概念の変化について述べる。 表１の上段は，電圧について知っていることを質問した結果を示し，下段はイメージについての結果である。この表から，授業前には，よく分からなかったり，無回答が多かったりしたが，授業後には無回答はなくなり，電圧は高さであるというイメージをもっている生徒がクラスの約半数に増えたことが分かった。
図にはないが，電流や電気抵抗，乾電池の概念についてもイメージができる生徒が格段に増えた。しかし，その内容について見ると，乾電池では電池の形そのものの図であったり，実験で使用した用具そのものを描いていたりしたので，理解しているとはいえない。
６．成果と課題
アンケート調査の結果から，児童生徒の多くが電気単元を難しいと感じ，教師も生徒に理解させるのが難しいと感じていることが分かった。
その対策として，ビー玉モデルを開発し，提案した。その結果，電圧の概念形成に有効であることが分かった。
しかし，電流の衝突概念はあまり変わらなかったので，そのことに留意して繰り返し指導していく必要がある。さらに，モデルの簡素化をし，個別化する必要もある。
＜参考文献＞
１） 国立教育政策研究所「平成24年度全国学力・学習状況調査小学校報告書」(2012)
２） 伊東 明彦，高橋 紘子，石井 俊行:「水流モデルと電位測定回路を用いた中学校電気単元の指導法」日本理科教育学会全国大会要項 (56)， 142， 2006-08-04
３） 猪瀬 武:「電気単元における概念形成の調査研究～水流モデルを活用したイメージづくり」平成17年度後期内地留学研究報告書，2005，宇都宮大学教育学部
４） 沖花 彰，谷口 信一:「中学校電気分野における電位概念の導入と学習教材の開発」物理教育 57(２)， 97-102， 2009-06-10 ，pp.95-102. 日本物理教育学会
５） 本間 翔志，定本 嘉郎:「小学校の電流学習における粒子水流模型を用いた授業実践」物理教育 58(３)， 143-146， 2010-09-06，日本物理教育学会
６） 重松 宏武，棟居 翼，松永 武，内田 由美子，前川 真利奈:「金属導体中の電子の運動とオームの法則 : 中学校理科「電流，電圧と抵抗」における洗濯板モデル(washboard model) の提案」 研究論叢. 第３部， 芸術・体育・教育・心理 61， 195-206， 2011-00-00 ，山口大学 教育学部
７） 佐藤 革馬:「BB弾を用いた電気回路モデルによる授業実践(<特集>北海道支部)」物理 教育 60(１)， 64-67， 2012-03-08，日本物理教育学会
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９） 日置 光久・星野 昌治 編著: シリーズ日本型理科教育「『子ども』はどう考えているか－とらえやすい自然認識と科学概念－」p.132，138，150東洋館出版社，2007