熊本大学学術リポジトリ Kumamoto University Repository System Title マイクロコンピュータによる理科教材の開発 : 豆電球と乾電池を用いた回路学習 Author(s) 前田, 健悟; 安藤, 博; 森川, 治雄; 桃井, 凡夫 Citation 熊本大学教育工学センター紀要, 5: 25-30 Issue date 1988-02-29 Type Departmental Bulletin Paper URL http://hdl.handle.net/2298/20423 Right 熊大教育工学センター紀要，第５号，２５−３０，１９８８マイクロコンピュータによる理科教材の開発豆電球と乾電池を用いた回路学習前田健悟＊・安藤博*＊・森川治雄**＊・桃井凡夫＊ Develo tofTeachingMaterialsinSciencebyMicrocomputer ElectricCircuitsComposedofBulｂｓａｎｄＣｅｌｌｓ K HiroshiANDou**‘HaruoMoRIKAwA**＊andTsuneoMoMoI＊ (ReceivedSeptember26，1987） Them rialforteachingtheelectriccircuitconcepthasbeendevelopedusinga microcomputer・Inthisteachingmaterial，thechildrencandrawvariouscircuits，whichconsist ofbulbs，drycellsandwires，onascreenaccordingtOtheiridea・Ifthedrawncircuitwasnot correct，thecomputertellsthechildrenthemistakesinthecircuitandordersthemtorectifyit correctly､Afterthecompletionofthecircuit，theintensityofthecurrentsisd s ｄｔｈｅｎｔｈｅａｎｉｍａｔｅｄｖｉｅｗｏｆｔｈｅｃｕｒrentsisprovided・Theseresultssuggestthatthe d dmaterialisvaluableforchil。useattheelementaryschoolandjuniorhighschool l torialanddemonstrationofelectriccircuits．緒言今回，上記の意図に基づいて，筆者等は電気の学習で最も基本的である電気回路'7'’8)の学習教材の理科教におけるマイクロコンピュータ開発を試みた。この教材は，色々な電気回路を構成（以下，と略す｡）の利用法としては，実験し，回路中の電流の強さや電圧の大きさを調べるとデータの然現象のシミュレーション及びドいう方法で一般に指導されている。しかしながら，現実には学習の前提である「色々な電気回路を構成リル学習られる'−５)。実際に，その様な利用の仕理科教材がかなり報告されてきてし，回路の動作を確認する」ということが，一斉授おり６− 者等も若干ながらシミュレーション業や器具の制約などのために十分になされていないによる教材てきた'３−１６）。ただマイコンにようである。このことは，児童・生徒の電気概念による教材教育の大きな柱である主体性や創関する種々の調査から明らかにされた「電気概念の造性の育面が欠ける嫌いがある。従って，獲得の困難さ」１'-22）ということにも反映している今後開発児童・生も必要とイコンを用いた理科教材として，性や創造性を生かせるようなもの。個別学習的に，児童・生徒自身が主体的に自由に電と考えられる。このようなことから，授業の合間に気回路を構る教材があ＊理科＊＊熊本 **＊熊本いかと考え学校，回路の動作を確認することができ，授業で有効に利用できるのではなる。開発した科て，回路をＵ前田健'悟ｑ安藤博・森川治雄・桃井凡夫るようになっている。構成された回路の正しさは，申●中中●●中●●●中●０．中中●中Ｏ●わ●◆●や中中中中◆申◆申●申っ中◆●●中中●申中中◆中●●中●中◆◆●中中＊＊＊＊＊･･･豆（まめ）電球と乾（かん）電池による回路（かいろ）… 作成者が回路構成を終了したと判断した時点で判定＊＊かされる。初期の開発目的から当然のことではある ●わ申中中中●中本や●中中中中＊中中●申ゅ中中申●宰中心中字心中中本＊中中＊牛車中中中中申申＊中申申卓申や●＊中心＊中心が，回路をディスプレイの範囲内で作ること及び導鎌綴瀞識蕊溌鱒職講線を曲線や斜線で引くことができないという点を除いて，回路の作成に制限はない。また回路をより良錆繍:鵜譲鱗く理解できるように，回路中の電流の強さを表示し，その流れる方向も動的に提示できるようにしてある。使用したマイコンは，ＮＥＣ製のＰＣ−９８０１簿鰯繊撰鮒鰹撫髄である。何かキーを押して下さい。プログラムの概要図２オープニング画面開発した回路学習プログラムの概要を図１に示し部品説明画面は，オープニングメッセージを読だ後，何かキーを押すと表示される。この表示内は，回路構成部品の種類（導線，豆電球，乾電池）及びその使用方法の説明である。実際の表示は，オープニングメッセージ３のようになっている。回路作図画面とこの画面切り替えは，「ＥＳＣ」と「ＨＥＬＰ」の２つのキを用いてするようにしてある。但し，PC-9801 回路作図ようにテキスト画面が２枚無いような機種では，切り替え品説明画面については印刷したものを使用するよにし，この画面は省略されなければならない。屋警浮雨の作図部品説明画面回路を作るための部品の使い方回路完成か？回路回路の解析 ≦ 正常か？器?磐欝鯨則澗$溌紳卿！獣…壷灘簿鱗柵慨卿雛蛾と鍵貞(し妙うてん) エラー｡エラー・メッセ−３Ｎ識ｼ瀞』し : j i i … … ‘ … … 蝿 ; i i i " 壁茜獅溢隻｡噂豆竃球の明暗及びその強度を表示』 Q璽墜一一一粒子により、電気の粒子Ｉ華涜れ及び済れ及び方向を表示Ｙ路の修正 ESCキー老押して下さい！なお、雁LPキーを押すと、この画面にもどります。図３部品説明画面図１回路学習プログラムの概要てある。本プログラムは実行されると，まずオープニングのメッセージを表示する。この内容は，図２回路作図画面どの&呪を使いますか?（1.報２２.豆宮球３.乾奉も４５作図終了）に示してあるように，どのようにして回路学習を進めるかを子供達に知らせるものである。また回路作図画面と部品説明画面の２通りの画面が用意してあることも知らせている。なおオープニングメッセージは，プログラムのスタート時にしか表示されな図４回路作図画面での部品選択場面い。 −２６− Ｉ回路学習用教材込み処理機能の作図は，図４に示してある回路作図画面で回路の作図に当だっては,.まず部品の選択をうになっている。部品の選択後，その部品の所を決定し，登録する。この登録の時，部品か消去かを尋ねてくるので，「消去」を選択部品の消去ができる。また回路構成上，部品本プログラムでは，教材としての有用性を高めるために，割り込み処理により次の７つの機能を用意した。ったり，乾電池の極以外に導線を結線したり（１）プログラムの強制終了（２）回路の作図において，部品選択場面への強制とができないので，これらの場面が生じた時ラーメッセージを表示し，再入力を促すよう（３）回路解析により得られるデータのプリント復帰ウトある。作図におけるエラーメッセージとして（４）作成回路の保存導線が近くにあります｡」，「豆電球が近くにあ｡」，「乾電池がちかくにあります｡」，「指定のまちがっています｡」の４種を用意してあ（５）既存の作成回路の読み込み（６）画面のハードコピー（７）回路構成データのプリントアウト路が完成したかの判定は，回路作成者が図４路の部品選択時において，４の作図終了を選用ことによってなされる。この後，自動的に回析が始まる。えの解析では，まず電源があるかや回路が何処能ートしていないかなどが調べられる。これらてと，その原因に応じて，回路に関するエラーージ「乾電池がありません｡」，「豆電球があをん｡」，「断線しています｡」，「ショートしていの機能に関しては，一斉授業での使用及び使マイコンに対して殆ど初心者であることを考，学習の中断機能が必要である。２番目の機部品の選択を間違った時などに有効である。路の電流の大きさなどを計算する学習におい３番目の機能で得られるデータは，有益なもると考える。４∼６番目の機能は，自己学習る上で必要な機能である。７番目の機能は，ろがあります｡｣が表示される｡このﾁｪｯ一な使用では不要なものであるが，プログラムっかかれば，回路作図場面に再度戻る。なおの時などに必要となる。メッセージは，一つでも正常な閉回路があれ回路解析のアルゴリズムされない。構成した回路が正常ならば，回路回路を探索後，各閉回路の電流がキルヒホッ (1)部品データ則に従い算出される。回路の解析を自動的に行うには，部品の配置をマ回路の電流の計算結果に基づいて，豆電球の表示される。この表示は，豆電球中を電流がイコンが知る必要がある。このために，４０列×23行いれば，今まで白色で表示されていた豆電球のマス目を使用して，回路の作図がマス目単位で行の表示に変え，もし電流が流れていなけれえるようにしてあり，マス目には描かれる部品の種色を黒色に変えることによってされる。また類に応じてその属性を示す文字データを与えるようの強度については，数値で表すようにしてあにしてある。図５に，マス目上に与えられる部品のの数値は，豆電球中を流れる最小の電流の大属性文字データの例を示してあり，最初の文字が部をｌと置き，それに対する比をとったものであ品の種類を表す。Ｌは導線，Ｍは豆電球，Ｄは乾電池を示している。なおこれらの部品の画面への表示の流れる方向は，粒子モデルを使い，粒子のは，図３に既に示してある。導線については，それ表すようにしてある。なおマイコンの性能のが作図される時，水平か垂直かの違いにより,Ｌの，白黒の画面で表示される。この表示は，リ後にＨまたはＶが付加される。図５の導線は，３つンキーが押されるまで続けられる。表示を終了の導線が水平及び垂直に描かれた場合である。豆電時，構成した回路を修正するかどうか尋ねて球や乾電池は，予めそれらの向きを示す属性文字が決められている。また導線が交差するマス目には，ので，修正するとすれば，回路作図画面に戻るがでら構成回路解析の上で分岐点を知るために，Ｂという属性文字が作図中に与えられる。 −２７− 胃前田健悟・安藤博・森川治雄・桃井凡夫︾皿垂直豆③栄水平豆電球ＭＭＮ１段Ｈ 0 6 マＭＭＭ三雲霊麦下向き乾電池Ｍ１， J ＋Ｍ， Ⅸ什、， pひ，ＭＭＭ，、，、，，Ｎ M ＵＭ、、、，，，、、卜、、００＋，左向き乾電池零雲右向き乾電池、、、、、、，，圃占＋，，、テ圃干、，田 ? ＋，，，，、，、，図５部品の属性を示す文字データ (2)閉回路の認知作図された回路中の電流は，キルヒホッフの法則図６閉回路の認知法を用いて計算するようにした。この方法による計算では，回路中の閉回路を認知しなければならない。図６に，閉回路認知のための基本的な手続きがフ (3)電流の計算ローチャートで示してある。フローチャート中の記図６においては，豆電球や乾電池の認知及び各閉号については，図の右端にコメント文で説明してあ回路の電流の向きの認知が省いてあるが，作成したる。図からわかるように，一つの閉回路を求めるのプログラムでは閉回路のトレース時にそれらも同時に，ほぼ三つに分けられる手順が踏まれる。まず最に認知するようにしてある。このようにして，全回初の部分において，閉回路の出発点をきめ，トレー路中に各閉回路が構成されるので，キルヒホッフの法則に基づき各閉回路における電流の強さが得られスする方向を決定する。この方向決定に当たって性文字データにトレースされたことを示す文字を付る。実際の計算は，Gauss-Jordanの消去法によった。また今回は電流の強さの相対値のみを表示するようにしたので，豆電球の抵抗は１オーム，乾電池けるようにしてある。次の部分では，閉回路におけの電圧は１ボルトに設定してある。は，トレースしていない導線を捜す。なお，トレースされていない辺をトレースする時には，部品の属る１番目の辺の終点を捜し，１番目の辺に直角に交回路の作図結果差する２番目の辺を選択する。３番目以降の辺を閉回路の出発点に戻るまでトレースするのが，最後の部分である。３番目以降の辺を選択する方法として図７に，回路を作図中の例が示してある。この例は，選択する辺の方向を２つ前の辺の方向と逆にすは，部品として導線を選択し，導線の始点を決めたるということを基本にしている。後，終点を決定しようとしているところである。図 −２８− 電気回路学習用教材回路作図画面終点を指定して下さい．凸キーて確定．中，円で囲んであるところが，導線の始点の位置を一一 − 一一一一ー一 − − − 一一一一一一 − 一一一一一＝＝一一一一一一一一一一一一一 ● 示している。このように，導線を描く時は，その始点と終点が必要である。豆電球や乾電池について ' 二ｺ可は，図３に示してある方法で一点だけを指定すればよい。図７の回路を完成させた図が，図８に示してある。また図中には，閉回路の認知によって得られた情報も併せて記入してある。円内の数字は，回路解 ■■■■■■ 析において付けられた辺番号である。１０，１，，１２は一ヨー各閉回路を流れる電流であり，矢印は各電流の向きを表している。これらの情報は３番目の割り込み処図７回路を作図中の例理機能によって得られ，その一部が図９に示してある。図中の右下のところに，キルヒホッフによる連回路作図画面との部品を使いますか?〈1.珂線２.豆電球３.乾愈也４.作図終了）立方程式及びその演算結果が与えられている。国図１０には，豆電球の明暗が表示された結果を示し一てある。図から，電流が流れていない豆電球は黒く（ハードコピーでは，黒が白になる｡）表示されることがわかる。また豆電球の近くにある数値が，辺の ① 一電流の強さ，即ち各豆電球の明暗の程度を示すことＪ一一になる。電流の流れる向きについては，動画で表示されるので，ここで示すことはできなかった。回路作図画而亜球の明るさがわかりましたか?凸ｷｰ電拠て下さい。図８回路の完成例＝＝一各辺の始点・終点及び豆遍球数と相対電流債一一一一一一一一一一一二一一一戸一一一 − 一一一一一一一一一一一 − − − − − 一一一一一一 − − − 辺番号始点終点豆毎球散相対 ■ 漣喧ＮｏＸＲＹＳＸ ⑧ ＹｅＢＵｌｂＲｅ − Ｉーー一一一一一一一一一一 − 一一一一一一一一一 − 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一０２９２２６２２１０．０００１６２２６１７００．０００２６１７２９１７０ − ０．３７５３２９１７２９２２００．０００４６１７６８１０．３７５５６８１２８００，３７５６１２８１２１１００．２５０７１２１１２３１１１０．２５０８２３１１２３８００．２５０９２３８２９８００．３７５１０２９８２９１７１０．３７５１１１２８１２５００．１２５１２１２５２３５２０．１２５１３２３５２３８００．１２５３図１０豆電球の明暗の表示例キルヒホッフの法則による湾立方程式各辺を通る閉回路竃涜の種頬一一一一一一一一一一結言一一一一一一一一１０１１１２ＶＯＬＴ辺番号閉回路番号、１２ − − − − − − 一ーー一一ーー一一一一一０１００１０００，３ − １１以上述べてきたように，電気回路の学習教材とし０ − １３０１１００ては，今回開発したプログラムは十分な機能を備え２１ − １０３１００ていると考える。ただ，多学年に渡って使用できる４０１０５０１０ように，多くの機能を持たせたので，学年によって６０１ − １７０１ − １ s 、Ｉ − １９０１０１００１０１】００１１２００１１３００１各閉回路の■菱堕は不要な機能や不十分な機能がある。従って今後の一一一一一一一一一一一一一一一一一一一句守一１０１１１２ＣＵＲＲＥＮＴ課題としては，学習の進度に応じて，機能を分割ま一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一１００００１０．３７５たは充実して行かなければならない。またマイコン００１．１２５による理科教材という点からみれば，児童・生徒の図９回路解析により得られるデータ例 −２９− 前田健悟・安藤博・森川治雄・桃井凡夫利：熊本大学教育工学センター紀要，１，３５(1984)．１４）山下太利，前田健悟，桃井凡夫：熊本大学教育工学セ主体性や創造性を若干ながらも生かせるものができたと考える。ンター紀要，２，１１(1985)． 15）三島撤志，前田健悟：熊本大学教育学部紀要，３４，７３文献（ 1 9 8 5 ) ． 16）前田健悟，桃井凡夫，山下太利：熊本大学教育工学セｌ）Ｊ,GRAERThePhysicsTeacher,22,430(1984)．２）平田邦男：理科の教育，３４（12),9(1985)．３）芦葉浪久：理科の教育，３４（１２),13(1985)．４）後藤忠彦：理科の教育，３６(1),17(1987)．５）』.』.GALLAGHER:ScienceEducation,７１，３５６(1987)．６）小幡祐士：物理教育ｊ27,231(1979)．７）松本勉：物理教育，29,220(1982)．８）平田邦男：科学と実験，３３（１２),31(1982)．９）西岡正泰，渡辺祐治：日本理科教育学会第35回全国大会要項，８８(1985)． 10）長谷川忍：理科の教育，３４（12),17(1985)． 11）加藤隆弘：理科の教育，３４（12),26(1985)．１２）浦崎章：第37回九州地区理科教育研究会要項，ンター紀要，３，８３(1986)．１７）栗田一良：理科の教育，２９(2),１４(1980)． 18）松森靖夫：日本理科教育学会研究紀要，２３(2)，２７ ( 1 9 8 2 ) ．１９）西岡正泰：日本理科教育学会研究紀要，２０(2)，２９ ( 1 9 8 3 ) ．、２０）佐伯敬一，小寺悦子，山下享子,谷口和良,嘉島信哉，溝部和成：日本理科教育学会研究紀要，２４(1)，４１(1983)ず 21）西川純，小林学：日本理科教育学会研究紀要．２５ ( 1 ) , １９ ( 1 9 8 4 ) ． 22）三島巌志，前田健悟：日本理科教育学会研究紀要， 2５(1),65(1984)．９６（1986)． 13）三島撤志，前田健'悟，桃井凡夫，尾道三一，山下太 −３０−