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2022 Fiscal Year Research-status Report

科学現象の理解を深めるSTEAM教材の開発と実践研究

Research Project

Project/Area Number 21K02903
Research InstitutionFukuoka University of Education

Principal Investigator

伊藤 克治  福岡教育大学, 教育学部, 教授 (10284449)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大内 毅  福岡教育大学, 教育学部, 教授 (40346838)
石橋 直  福岡教育大学, 教育学部, 准教授 (80802842)
後藤 顕一  東洋大学, 食環境科学部, 教授 (50549368)
野内 頼一  国立教育政策研究所, 教育課程研究センター研究開発部, 教育課程調査官 (00741696)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
KeywordsSTEAM / 3Dプリンター / 科学概念 / 粒子領域 / 地球領域 / 見方・考え方 / 三次元教材
Outline of Annual Research Achievements

本年度は、まず当初計画に従って、フルカラー分子模型を用いて有機分子の三次元構造(鏡像異性体)を理解させる授業実践を行った。具体的には、モノクロ3Dプリンターで製作した単色(白色)の分子模型とフルカラー3Dプリンターで製作したフルカラー分子模型を用いて、分子式をヒントにして構造を考える授業を行った。白色の分子模型について各自で考えている間は、構造を捉えるのに苦労している様子が見られた。しかし、フルカラーの分子模型を配布すると理解が進み、グループで議論をさせると、最終的には構造式・絶対配置ともに正答している学生が大多数となった。事前・事後アンケートにおいて、“構造式から具体的な分子の形をイメージできるようになった”という設問に対して、実践後に肯定的に回答した学生が統計的に有意に増加した。また、自由記述の内容に関するテキストマイニングにより、“イメージ”という語句との共起関係を調べた。その結果,実践前は否定的な語句との共起が多かったが、授業後は肯定的な語句との共起が増えていた。以上のことから、鏡像異性体の学習において、モノクロとフルカラーの分子模型を組み合わせて段階的に用いることが、分子の三次元構造をイメージして理解するために有効であることが示唆された。
一方、木材加工等を含めたこれまでのアナログものづくりと、ITを駆使したデジタルものづくりを融合させた新たなものづくりの教材化を目指すとともに、実際に小学校で授業を実践して有効性を検証した。その結果、木工ろくろと3Dプリンターの両者で手回しコマをそれぞれ製作して比較検討する学習内容が目的に適していることが明らかとなった。
さらに、デジタル教材開発については、前年度に製作した俯瞰型プロジェクションマッピングAR教材について、実物の土砂を用いた地形モデルを対象とした教材のハードウェア構成を完成させることができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

上記研究実績の概要欄に記載した通り、当初計画に沿って教材開発を行うことができた。
本年度は、前年度までに開発した一連の操作方法によってフルカラー分子模型を製作し、これを用いた授業実践を行い、分子の立体構造に関する概念形成についての知見を得ることができた。また、アナログものづくりとデジタルものづくりの融合化を図る新たな教材として手回しコマに着目し、児童を対象とした実践まで行うことができた。一方、デジタル教材開発については、前年度のプロトタイプを実際の授業に実装化可能なハードウェア構成まで完成させることができた。
以上のことから、本研究は「おおむね順調に進行している」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

まず、中等教育における授業実践を指向した分子模型製作を行うことにする。具体的には、高等学校「化学」の教科書で取り上げられているような有機分子について、フルカラー分子模型の製作を行う。なお、現行の学習指導要領から、有機分子の立体構造については炭素原子の電子配置を取り扱うことも想定されていることから、炭素原子の取り得る3種類の混成軌道を可視化した分子模型を扱うことにする。また、現在用いている3Dデータ作成ソフト(クリスタルメーカー)は高価であるため、無償提供されている3D作成ソフトを活用した3Dデータの作成を行い、教育現場へ実装化しやすいデータファイルの作成手法を確立する。
並行して、デジタルとアナログものづくりの関係性を意識して、引き続き、新たなものづくり教育を検討する。実習題材を実生活に活用できるものにして、その使用目的やそれを果たすための機能を考える場面を設ける等して、デジタルものづくりとアナログものづくりがどうして融合しているのか考えさせる。製作物が実生活に活用できるものになることから、空間概念の育成に留まらず、技術・家庭科、社会科、数学(算数)科、美術(図工)科等を含め、教科横断的な観点からSTEAM教材としての有効性を検証する。
一方、俯瞰型プロジェクションマッピングAR教材の開発については、前年度に実物の土砂に投影させるシステム構築までできたので、今後は精度の高い地形へのプロジェクションマッピングができる土台の製作について検討する。3Dプリンターでは、比較的大きな板状型の模型をすることは、その性能上、素材が反るなどの課題があるため、製作方法と素材の組み合わせを精査し、比較的大きな地形モデルを精度よく製作する方法の確立を目指す。
なお、本研究は概ね順調に進行していることから、研究計画の変更は予定しておらず、遂行上の課題もない。

Causes of Carryover

令和4年度は計画に基づいて必要な消耗品の購入や研究打合せや成果発表のための旅費を使用した。ただ、研究に使用する試験機(万能試験機、CNCルータ等)の整備については、試験機のモデルチェンジとコロナ禍による機材調達の遅延の影響を受け、見積時に比べて高価となったために差額が生じた。そのため、次年度に繰り越して改めて試験機の整備費として使用する計画である。他に繰り越した研究費については、様々な実践や成果発表のための出張旅費として計上している。

  • Research Products

    (18 results)

All 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 3 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] ウッドブロックの製作とその教材化の検討2023

    • Author(s)
      大内毅、元田玲
    • Journal Title

      福岡教育大学紀要 第72号 第6分冊

      Volume: 72 Pages: 1-5

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 教育用階段型木琴を用いた授業実践研究2023

    • Author(s)
      大内毅、田中晴菜
    • Journal Title

      福岡教育大学紀要 第72号 第6分冊

      Volume: 72 Pages: 7-12

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ワイヤーフレーム型分子模型を用いた有機化学の対面/遠隔学習(2)2023

    • Author(s)
      伊藤克治
    • Journal Title

      福岡教育大学紀要 第72号 第6分冊

      Volume: 72 Pages: 13-18

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Curriculum Development Basedon "Periodof Integrated Studies "to Cultivate" STEAM Educational Skills" and Construction of a Hybrid Validation System2023

    • Author(s)
      Kenichi Goto,Mika Tsuyukubo, Yorikazu Nouchi,Atsushi Fujihira,Katsuji Ito,Hiroshi Iida, Tomoko Yoshida,Masafumi Kaneko
    • Journal Title

      Conference proceedings. New Perspectives in Science Education. 12th Edition

      Volume: 72 Pages: 199-202

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 新学習指導要領に準拠した小学校・中学校の教科書における電気に関する記述内容の調査2022

    • Author(s)
      石橋 直, 貝澤 世菜, 石川 洋平, 森山 潤
    • Journal Title

      電気学会論文誌A(基礎・材料・共通部門誌)

      Volume: 142 Pages: 291-299

    • DOI

      10.1541/ieejfms.142.291

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 小学生を対象とした回路設計ワークショップのための教材開発と実践2023

    • Author(s)
      石橋直, 森山潤
    • Organizer
      電気学会教育フロンティア研究会
  • [Presentation] 課題の設定における相互評価活動の実践2022

    • Author(s)
      伊藤克治
    • Organizer
      日本理科教育学会 第72回全国大会(旭川大会)
  • [Presentation] 有機分子の立体構造を理解するための授業実践 ~3Dプリンターで製作した分子模型の活用~2022

    • Author(s)
      菰田剣,宮地作造,伊藤克治
    • Organizer
      日本理科教育学会 第72回全国大会(旭川大会)
  • [Presentation] 「水」を共通するテーマとした化学基礎の年間指導計画 化学の有用性を実感する授業の研究2022

    • Author(s)
      神 孝幸、藤本 義博、飯島正人、伊藤克治、後藤 顕一、野内 頼一
    • Organizer
      日本理科教育学会 第72回全国大会(旭川大会)
  • [Presentation] 単元びらきを核とした単元の指導計画~質量から物質量へ視点の転換を促す探究活動~2022

    • Author(s)
      佐藤友介、佐藤大、岡本暁、神孝幸、伊藤克治、後藤顕一、野内頼一
    • Organizer
      日本理科教育学会 第72回全国大会(旭川大会)
  • [Presentation] 単元の指導計画を通して資質・能力を育てる学習指導の在り方~物質量の導入をテーマに~2022

    • Author(s)
      浦川順一、佐藤友介、佐藤大、伊藤克治、後藤顕一、野内頼一
    • Organizer
      日本理科教育学会 第72回全国大会(旭川大会)
  • [Presentation] 資質・能力を育成する単元の指導計画の在り方について ~高等学校化学基礎をテーマに~2022

    • Author(s)
      野内頼一、浦川順一、佐藤友介、佐藤大、松高和秀、佐藤博義、柴田晴斗、神孝幸、飯島正人、岡本暁、冨永誠太郎、松原静郎、林誠一、伊藤克治、後藤顕一
    • Organizer
      日本理科教育学会 第72回全国大会(旭川大会)
  • [Presentation] 生徒が体系的に学習できる「無機物質」の単元指導計画2022

    • Author(s)
      松髙和秀、柴田晴斗、佐藤博義、伊藤克治、後藤顕一、野内頼一
    • Organizer
      日本理科教育学会 第72回全国大会(旭川大会)
  • [Presentation] 廃木材を原料としたパーティクルボードの製造 (1)2022

    • Author(s)
      大内毅、藤元嘉安
    • Organizer
      日本産業技術教育学会第35回九州支部大会
  • [Presentation] Development of Teaching Material for Electric and Electronic Circuit Design Using Conductive Tape and Practice in Hands-on Workshop for Elementary School Pupils2022

    • Author(s)
      Tadashi Ishibashi, Jun Moriyama
    • Organizer
      11th DATTArc-ICTE-TENZ-ITEEA 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電気回路設計学習のための思考モデル構築と検討2022

    • Author(s)
      石橋直, 石川洋平, 森山潤
    • Organizer
      日本産業技術教育学会第35回九州支部大会
  • [Presentation] 反転授業による技術科教員養成の電気理論科目における教育実践2022

    • Author(s)
      石橋直
    • Organizer
      令和4年電気学会基礎・材料・共通部門大会
  • [Presentation] 設計学に基づく電気回路設計における思考モデルの構築2022

    • Author(s)
      石橋直, 森山潤
    • Organizer
      日本産業技術教育学会第65回全国大会

URL: 

Published: 2023-12-25  

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