抵抗・電圧・電流の直感的理解から定量的理解へと導く水流モデル教材の開発

• Project/Area Number: 24909055
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 教科教育学Ⅱ(理科系)
• Research Institution: Hakodate National College of Technology
• Principal Investigator: 川合 政人 独立行政法人国立高等専門学校機構函館工業高等専門学校, 技術教育支援センター, 技術専門職員
• Project Period (FY): 2012
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000); Fiscal Year 2012: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000)
• Keywords: 電気回路 / 水流モデル / 教材

Research Abstract

目的:中学校の理科教育での電気回路の説明において、電流を水流に対応づけた水流モデルが用いられているが、既存のモデルは抵抗・電圧・電流の振る舞いを明快に表現していない。そこで本研究では、まず抵抗・電圧・電流を直感的に理解し、続いて電気回路の定量的な理解へと導くことを目的として、独自の水流モデル教材を開発した。
実施内容:まず、各種水流モデルの製作事例を調査・検討した結果、水路上面が密閉されていない「開きょ形状」の水流モデルを製作することにした。開きょ形状固有のメリットは、<水路途中の水位>がく電気回路における電位>に対応し、エネルギーである電圧を直感的に理解できることである。また他の水流モデルと同様に、<水路途中の流量>がく電気回路における電流>に、<水路途中の障害物>がく電気回路における抵抗>に対応付けられる。水路中の水位は、流れを妨げる障害物の多・少に応じて変化すると考えられるので、オームの法則を本水流モデルで表現可能であると予測した。この予測を検証するため、開きょ形状の水流モデルの試作を行った。1回目の試作として、水道水を利用した非循環タイプの水流モデルを製作した。次に、電気回路により近い表現を行うために小型のポンプを利用した循環タイプの水流モデルを製作した。これらの試作にあたっては、3次元CADを用いて装置を設計し、CADデータをもとにレーザー加工機でアクリル樹脂板の切断と溝加工を行った。
成果:電気回路の振る舞いを水流モデルで表現することを目的として、開きょ形状の水流モデル(非循環・循環タイプの2種)を製作し、以下の知見を得た。(1)開きょ形状の水流モデルは、電気回路における電圧降下を水位差として直感的に表現できる。(2)循環タイプの水流モデルでは、抵抗と水位差の関係が定量的に評価可能である。