| 研究課題/領域番号 |
20K03267
|
|---|
| 研究機関 | 北海道教育大学 |
|---|
研究代表者 |
田口 哲 北海道教育大学, 教育学部, 教授 (60281862)
|
|---|
| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2024-03-31
|
| キーワード | 深い学び / 探究 / 高校化学 / 電気化学 / 化学電池 / ダニエル電池 / 鉛蓄電池 / 化学実験教材 |
|---|
| 研究実績の概要 |
「深い学び」の実現に寄与する化学実験教材を申請者の専門領域である電気化学分野を例に開発し，その教材を中等教育の教育現場や大学の教員養成課程での実践に実際に活用することで，探究が促進されるか否かの観点から教材の効果を検証することを本研究の目的である。
高等学校の化学では化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置として亜鉛電極と銅電極からなるダニエル電池が取り上げられており，この電池は，新学習指導要領では中学校理科の「化学変化とイオン」の単元でも取り扱われるようになった。教科書ではこの電池は生徒実験として設定されているが，次の課題がある。①クラス全体で実験を行うには準備に時間がかかる，②硫酸銅水溶液や硫酸亜鉛水溶液といった劇物の廃液が出る，③様々な電極の組み合わせの電池を作成し，その性能を探究的に調べることは，時間の都合から非常に困難である，④教科書に書いてあることを実験で確かめる，ということになりがちである。
そこで本年度は，これらの課題を解決するため，「電解質水溶液入り寒天接触型電池」を開発した。具体的には，マグネシウム・亜鉛・鉄・鉛・銅・銀の６種類の金属を電極とし，各々の金属電極と同金属の塩の水溶液とを寒天で固めた半電池を作成し，これら半電池の寒天部分を接触させることで電池として機能することを確認した。これら半電池の種々の組み合わせからなる電池の起電力を測定し，それらは，硫酸ナトリウム水溶液の各々の半電池の自然電位（文献値）の差にほぼ一致していることを確認した。さらに，半電池の組み合わせによっては，電子メロディーや赤色LEDが作動することも確認した。
次に，二次電池の理解のために高校化学でも扱われている「鉛蓄電池」に関して，硫酸を用いずに安全に作成・実験できる「身近な材料を用いてマイクロスケール化した鉛蓄電池」を考案し，その充放電特性について明らかにすることができた。
|
| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
「電解質水溶液入り寒天接触型電池」については，当初予定していた金属の組み合わせで電池を構築し，さらに起電力の測定やLEDの作動等も確認できた。また，「身近な材料を用いてマイクロスケール化した鉛蓄電池」では，硫酸の代わりに硫酸ナトリウム水溶液を寒天で固めた電解質水溶液を用いることで，電池として機能し，それはBTB溶液を用いて検証したところ，電池が作動することで正極（鉛電極）に接している溶液が酸性化し，事実上，硫酸が自発的に生成することによることを確認できた。さらに，寒天を使用せずに硫酸ナトリウム水溶液を用いた鉛蓄電池では，作動させると急激に電圧低下が起こり，本研究で開発した鉛蓄電池の教材としての有用性を確認できた。
しかし，当初予定していた「この鉛蓄電池の充放電特性と電極表面の状態との関係を明らかにする」ことは，コロナ禍への対応で時間が取られて研究途上であること及びコロナ禍への対応で学会発表や論文執筆を行う時間をとることができなかったため「やや遅れている」とした。
|
| 今後の研究の推進方策 |
まず，「身近な材料を用いてマイクロスケール化した鉛蓄電池」において，この鉛蓄電池の充放電特性と電極表面の状態との関係を明らかにする。その上で，「電解質水溶液入り寒天接触型電池」については，スモールスケール化するなどして，①日々忙しい教員にできるだけ負担がかからずに作成可能とする，②毒劇物の使用量を可能な限り削減する，③「深い学び」の実現を目指した扱いやすい教材とする，といった研究をすすめる。さらに，改良した教材を教育実践に活用して「深い学び」の観点から効果を検証する。
「身近な材料を用いてマイクロスケール化した鉛蓄電池」では，この鉛蓄電池を，一人ひとつずつ作成し，化学電池に関する探究活動に活用し，本教材が「深い学習」「深い理解」「深い関与」の促進に寄与しているのかどうかを明らかにする。
ただし，緊急事態宣言が発出されるなどして，上記の検証が難しい場合は，年度計画の変更を行って，コロナ禍でも実施可能な部分の研究を進めていく予定である。
|
