SURE: Shizuoka University REpository http://ir.lib.shizuoka.ac.jp/ Title Author(s) Citation Issue Date URL Version 金属製機械式振子時計教材の開発 松永, 泰弘; 三上, 拓磨 技を媒介とした学びに熱中する子どもの育成プログラム ; 2012. p. 3-10 2012-03-31 http://hdl.handle.net/10297/7199 publisher Rights This document is downloaded at: 2016-02-25T11:41:18Z 金 属製機械 式振子時計教材の 開発 技術教育講座 松永泰弘 三上拓磨 1.は 〆レ じめ に 「中学校学習指導要領 技術・ 家庭科」 Dの 技術分野 では、必修 が 「A技 術 とものづ く り」 と 「B情 報 とコンピュー タ」 の 2領 域 か ら 「A材 料 と加 工 に 関す る技 術」、「Bエ ネ ル ギー 変換 に関す る技術 」、「C生 物育成 に関す る技術」、「D情 報 に関す る技術 」 の新 しい 4領 域 に変更 された。 そ の ため、限 られた時間 の 中で多 くの ことを学ぶ こ とが求 め られてい る。 さらに、「第 3期 科学技術基本計画」力にお い て 、 ものづ く りを担 う人材 を養成 ・確保す るために、幼 い 頃 か らものづ くりの面 白さに馴染み 、創造的な教育 を行 い 、こども自らが 知 的好奇心や探究心 を持 って 、科学技術 に親 しみ 、目的意識 を持 ちなが らものづ くり、観察、 実験 、体験学習 を行 うことに よ り、 ものづ く りの能力 、科学的 に調 べ る能力 、科学的な も のの見方や考 え方 、科学技術 の基本原理 を体得 で きるよ うにす る ことが強調 されて い る。 木製機械式振子時計 教材 は 、技術教育 に とどま らず 、理科 の振子 の運動や運動 の規則性 、 力学的 エ ネ ル ギーの分野 まで 、教科 を越 えて合科的 に学ぶ こ とがで きるエ ネル ギー 変換教 材 として 開発 され て きた。 しか し、材料 がす べ て木材 で構成 され て い るため軸受部や ア ン クル と ピンの摩擦 が大 きな影響 を及 ば し、稼働 しな い な どの 問題 点 があった。 また 、強度 の点 で大 き さに制約 を生 じ、家庭 に持 ち帰 つて も大 きす ぎて置 き場所 がない な どの意見 も あ った。 本研究では、摺動部 に金 属 を用 い た機械 式振子時計 教材 の 開発 を行 う。材料 を金属 に置 き換 えることに よ り、摩擦 の軽減 と小型 化 を実現 させ る。 また 、生 徒 が振子 の等時性 の実 験 を行 い 、科学的デ ー タを共 有 し、 自分 の周期設定 で時計 を設計・ 製作す る 「材料 と加 工」 「エ ネ ル ギー 変換」教材 として授 業計画 とともに提示す る。 さらに 、時計 は少 ない動力 で 稼働す るため動力 の有効利用 が 可能 とな り、 オ ー トマ タを組 み込 んだ 時計教材 を開発 し、 教材 としての発展性 、 とくに子 どもたちの追求・ 試行錯誤 の可能性 を大 き く広 げた。 学 生 に とつ ては 、 これ まで開発 して きた教材 を改良 し、 これ を用 い た 自ら授業 を行 い 、 問題 点 を検討す る こ とで 、教材 開発能力、教育力、解析力 の育成 につ なが る。 く て ｅ ″ C じ f ｇ Ｄ ノ ノ ノノ 図 1 e)入 爪 g)静 止 面 金属製機械式時計 の基 本構造 -3- ｈ Ｄ Ｃ ガンギ車 おも り (動 力装置 ) ｆ Ｂ Ａ アンクル 振子 (調 速機 ) 出爪 衝撃面 2 機 械 式 振 子 時計 2-1 金属製機械式振子時計 の構造 時計は動力装置、伝達装置 (輪 列)、 脱進機、調速機、指示装置、ゼンマイ巻および針回 装置、付随装置 の 7つ の要素 か ら成 ってい る。 この教材は、時 を刻むのに必要な、動力装 置、脱進機 と調速機 の 3要 素 を取 り出 したものである。時計はおもりの位置エネルギー を 用い、振子で時を刻み、脱進小刻みにエネルギーを利用す ることで振子が揺れ続 ける。 図 1に 金属製機械式振子時計 の構造、また、表 1、 2に 材料 および工作機械・道具を示す。 主な使用材料 として、アンクル とガ ンギ車で構成 され る脱進機 にはアル ミ材 を使用 し、軸 受部 には真鍮パ イプを使用 している。使用 工具ではガ ンギ車 の真 をネ ジカロエす る際にネジ 切 リダイス を使用す る。 表 1 材料 寸法 [mm] 個数 フレーム T4× 40× 80× 300 1 ガンギ車 アンクル アンクル真、ガンギ車真 ピン 振竿 糸巻き 糸巻き 軸受 振二 T2X100X100 1 T2× 60 X l10 1 用途 名称 2 12 １ 一１ ¨１ 一２ 、 ¨ ヽ ´ ヽ ´ ＾ 一 一 一 一 一 一 一 一¨ ¨ ¨ 一 一 錘 φ00XOq φβ O挙 20 T2X10× 270 φ?9^2Q 6X15× 20 6X15× 30 φ2Q挙 ● φ20× 5 表 2 工作機械 ・ 道具 バ ン ドソー、ボール盤、ネ ジ切 リダイ ス、 ドライバー、ペ ンチ、瞬間接着剤 紙やす り、糸 のこ、弓のこ、の り 22 製作 工程 中学生に製作実習 を行 う場合、特 に注意す べ き点は作業工程 「ア ンクル とガンギ車 の切 り出 し」 である。その 中でもアンクルの衝撃面や静止 面は図面通 りに正 しくけがき、丁寧 に切 り出 し作業 を行わなければな らない。 アンクル とピン との接点や ピンがア ンクル を押 しだす際 に接す る衝撃面 、アンクルが往復運動 をす る際に滑る静止面 の摩擦が大きい と稼 働 に影響 を及ぼす。 製作 工程 を以下に示す。 また、組み立て と調整以外 は順不同で行 う。 ① アンクル とガ ンギ車は、厚 さ 2ntlllの アル ミ板 を使用 し、図面 (図 2)通 りにけがき針 でけがいた後、 ボール盤 による穴あけ、糸 のこ盤 と弓のこで切 り出 し、金 工やす りで やす りがけを行 う。 ② 振子は幅 10mllの アル ミフラッ トバー を周期 にあわせて長 さを設定 し、弓のこで切 り 出す。 ③ フレームは コの字 アル ミチャンネル を使用 し、 弓のこで 30011■ l切 り出す。 ④ ア ンクル とガンギ車の真 に 311mの みがき棒 を使用 し、弓のこで切 り出す。 ⑤ ピンに 3mllの みがき棒を使用 し、弓のこで 2n nの 長 さに 12個 切 り出す。 エを行 うことで摩擦 の低減をはかる。 ⑥ 軸受に真鍮パイプを使用 し、旋盤 による面取 りカロ ⑦ 部品の組み立て。 -4- ③ ⑨ 全 体 の調整。 完成 (図 1) 図 2 機械式振子時計 の組み立て図 (JW― CAD図 面) 2-3 改 良点 木製機械式振子時計 の 問題点 として、材料 間 の摩擦 と木 材 の強度 に よる大 き さの制約 が あげ られて い たが 、金 属 を用 い る ことによ りこれ らの 問題 を改善 した。 改良点 を以下に示 す (図 3)。 ヽ ノ (a)木 製時計 図 3 (b)金 属製時計 ガンギ車・ アンクル軸受部・ アンクルの比較 -5- ① ガ ンギ車お よびア ンクルの真 と軸受 の改良 真 と軸受にみがき棒 と真鍮パイプを用いた。 ガ ンギ車の固定 には、みがき棒をネ ジ 切 りし、ダブルナ ッ トで固定す る。 また、ア ンクルの固定 には田宮模型 のクランクア ームを用い、脱進機構 の微調節 が可能な取 り付け とした。木材 と比較 し、摺動部の摩 擦 を低減でき、真 の径 と軸受子L径 の寸法差によるガタツキもなくなる。 また、木材 を 組み合わせて固定す るよりも製作 の簡略化 が可能 となる。 ② ア ンクルの改良。 本材 には繊維方向により強度に差があるため、板 を厚 くし、爪 の部分に補強部を設 ける必要があ り、大きさに制限があつた。金属を用い ることで小型化が可能 となった。 今回製作 した金属製時計は木製時計 を 1/2の スケールで設計 した。 3 稼 働 実験 製作 した金属機械式振子時計に対 して、振子玉の質量は 60gで 固定 し、動力部 の錘 5g∼ 100g、 振子 の長 さι =25,40,60cmと 変化 させて周期 を測定 し、周期 にお よぼす振子 の長 さの べ 影響を調 る。 3-1 周期の測定 振子 の周期 は 『 み=2π V覇 (1) で与 え られ る。 ここで 、Zは 振子 の長 さ、gは 重力加速度 である。 ただ し、 ここでは振子 の 軸 にかか る摩擦抵抗 、 ア ン クル か ら与 え られ る力 は考慮 され て い ない。 測定結果 お よび計 算結果 を表 3、 図 4に 示す。設定 した全 て の振子長 に対 して 、錘 が 50g 以 上 で稼働 した。周期 は理論 値 よ りも小 さな値 とな ったが 、 10%程 度 の誤 差 で設計 で きる こ とがわか る。 また、動力部 の お も りが重 くな るほ ど周期 が短 くな る こ とがわかった。 設計 した周期 によ り正確 に合 わせ るためには、振子長 を調節 で きる機構 が必 要 とな る。 こ対する振子周期 ｍ ｍ ｍ ” ｍ Ｆ︶ 薇璽 ｍ 鉤 鋤 20 40 図 4 振子 の長 さ と錘の 質量 に対す る周期の変化 3-2 消費 エネルギーの測定 一秒刻む のに必要なエネルギーを時計 の消費エネルギー班J/S]と して定義 し、実験 により 求める。金属製機械式振子時計 と木製機械式振子時計 の振子 の長 さを ZイOcmと し、金属製 -6- 機械式振子時計 の錘 を 20g、 木製機械 式振子時計 の錘 を 50gと した。動力 の錘 は時計が正確 に稼働す る最小 の錘 を用 い た。 消費 エ ネ ル ギーEは E=型 些 (2) ′ で与 え られ る。 ここで 、″ は錘 の質 量 、みは錘 の移動距離 、′は時 間 である。 測定結果 を表 4に 示す。 金属製機械式振子時計 の消費 エ ネル ギー は 、木製機械 式振子時 計 の消費 エネ ル ギーの約 3分 の 1倍 とい うことがわか る。 金 属 を用 い る こ とによ り、エ ネ ル ギー効率 を上 げ、教材 自体 の小型化 を可能 にす る こ とが可能 とな る。 エ ネルギ 表 4 木製時計 と金 属製時計 の 消費 工 の比 較 錘 の 質量 振子 の 長 さ 金属製 時計 木製時計 29.3g 50.Og 0.0316 0.0115 40cm 4.免 許 更 新 に お け る製 作 実 践 本教材 を中学校技術 にお ける 「材料 と加 工 に 関す る技術 」 お よび 「エ ネ ル ギー 変換 に 関 す る技術 」 内容 の教材 として の可能性 を探 るために、2011年 度秋季免許更新 にお い て小 ・ 中学校教員 を対象 に金 属製機械 式振子時計 (改 良型 )の 製作 を行 い 、 ア ンケー ト調 査 を行 った。 ア ンケー ト結果 か ら、製作 の難易度 、発展性 があるか 、科学的追求 がで きるか 、実 際 に授業 で使 える教材 であるかな どについ て考察 ・検討す る。 概要】 【 日時 11月 5日 (土 )午 前 9時 ∼ 12時 場所 静岡大学 対象 小・ 中学校教員 11名 内容 金 属製機械 式振子時計 (改 良型 )の 製作、 ア ンケー ト収集 製作 した金 属製機械式振子時計 (改 良型 )は 、 中学校 の設備や材料費 を考慮 して 、 フ レ ーム にはツーバ イ フォー を使用 し、 ア ンクル には低発砲 スチ ロール を使用 した (図 5)。 図 5 改良型金属製機械式振子時計 -7- 図 6 実践 の様子 【ア ンケー ト】 ア ンケー トは、質問項 目に対 し 「否定的」「やや否定的」「やや肯定的」「肯定的」 の 4択 と、そ の理 由の記述 とした。質問項 目を表 5に 、結果 を表 6に 示す。 否定的な回答 が多 か った の は 「① エ ネ ル ギ ー 変換 教材 と して 中学 生 が製 作す る場 合 の 難 易度 」 とい う項 目であ つた。項 目① につい て の記 述 をみ ると、「真鍮 の扱 いがむずか しそ う」「技術 が好 き・得意 な生徒 はいい が 、 それ以外 の生徒 が作 る部 品 が難 しいか多 い と感 じ るか も しれ ない」「設備 の ある環 境 な ら可能だ と思 う」 な ど、普段扱 い なれて い ない金属材 料 に対 しての不安や 、一 部 の生 徒 ・ 環境 な ら可能 とい う記述 が あ つ た。 肯定的な回答 が 多 かったのは 「② 発展性 があるか」「③ 科学的追 求 ができるか」 の項 目であつた。項 目 「② 「か 発展性 があるか」の記述 を見てみ る と「木材や 金 属 な ど扱 える素材 の幅 が広がってい く」 らく りを加 えるな ど、改良 の余地 があ る」 な ど、金 属や木材 な ど多 くの材料 と触れ る こと で 、そ の材料 の性質や加 工 法 につい て 体験 で きる ことや カ ラク リを加 えるな ど時 計教材 の 可能性 を示す記述 が あげ られ た。 また 、項 目 「③ 科学的追求 がで きるか」 の記述 を見てみ ると 「理 科 で習 った『 振子 の等時性』 を活かせ る」「理科 の実験 だ けではエ ネル ギー 変換 の 理解 が身 につ けに くいの で とて もいい と思 う」 な ど、理科 の 内容 を体験 的に理解 で きる教 材 であることが 明 らかにな った。 金 属や木材 な ど多 くの材料 と触れ 、 そ の材料 の性質や 加 工法 につい て体験的 に学習す る ことで 「材料 と加 工 に 関す る技 術」 内容 を充実 させ る ことがで きた とい える。 また 、 カ ラ ク リを加 えることや振子 の等時性 を活 か した設計 をす るな ど、子 ど もた ち の創意 工夫や追 求す る場面が想像 で き、時計教材 の発展性 ・ 可能性 が 明 らかにな った。 表 5 ア ンケー ト項 目 項 目 ① ② ③ ④ エネルギー変換教材 として中学生が製作する場合の難易度 発展性のある教材だと思うか 科学的な追求ができる教材だと思 うか 実際に授業で使いたいと思 うか 表 質問項 目 → 肯 定的 否定的← 0 7 0 0 5 6 0 0 4 7 0 -8- 5 の乙 難易度 発展性 科学的追求 授業での使用 (単 位 :人 ) ア ンケー ト結果 ０乙 ① ② ③ ④ 6 発 展 的 時 計 教 材 の 追 求 と授 業 計 画 の 提 案 機械 式振子時計 にゼ ンマ イや ベ ル な どを取 りつ け、 よ り身近 な時計 に近 づ けて い き、生 徒 が創意 工夫 で きる教材 を 目指す。本研 究 では一 例 として 、動力部分 の 回転運動 を利用 し たオ ー トマ タを組 み込 んだ もの を製作 し、創 意 工夫 とい う点 で発展性 があることを明 らか に した。 機械式振子時計 の材料 を木材 か ら金属 に置 き換 えることに よ り、摩擦 の軽減 と小型 化 を 実現 し、少 な い動力 で稼働す るため動力 の有効利用 が 可能 とな っ た。本教材 にオ ー トマ タ を組 み込 んだ 時計 を開発 し、教材 として の発展性 、 とくに子 どもた ちの追求・ 試行錯誤 の 5。 可能性 を大 き く広 げた (図 7)。 オ ー トマ タを組 み込 んだ時計 を提示す る ことで 、生 徒 自身 が設計 し、追求 で きる要素 が 大幅 に広 が った ことを明 らかにす る ことがで きた。 生 徒 の工 夫次第 で 「時 を刻むだけ」 で はな い 、時計教材 の新 しい側面 を見 い 出す ことがで きる。 オ ー トマ タを製作す る際 に用 いる材料 を金属や木材 だけを使用 す るので な く、粘 土な ど を使用す る こ とに よ り、生 徒 の興味 を さらに掻 き立て る こ とがで き、創 意 工 夫 に繋 が る と 考 える。 中学技術 の授業 にお ける、本教材 の使用方法や有意性 を具体的 にす るた めに 、授業計画 を立て る。本授業計画 は全 25時 間 で構成す る ことを提案す る (表 6)。 トーーＬ 「 L― ■ 瀬 轟 「 オニ―トマタを組み込んだ 7 全 25時 間 で構成 され る授業計画 1時 間 2日 寺間 動 作原 理 表 導入 振子周期 の追求 (振 子長・質 量・振幅 ) 1時 間 構想 。 設計 2時 間 7時 間 3時 間 製作 設計 発展 的構想 。 (カ ラク リを組 み込 む ) 8時 間 1時 間 製作 ま とめ 6.お わ りに 本研究 では、木製機械 式振子時計教材 における摩擦や強度に よる教材 の大きさの制約な どの問題点を、金属を用 い ることにより改善 した。 振子 の長 さ、動力 の錘 の質量を変化 させ、稼働条件お よび周期 の変動 を調 べた。 生徒 が 振子 の等時性により周期を調べ 、 自分 自身 で時計 を設計できると考 える。 -9- 「振 り子 の等時性」や 「位置エネルギー」な ど、理科 の学習内容 が含まれ、実験による 追求か ら科学的デー タを求め、設計 に活かせ る教材 であると考 える。 また、オー トマ タを 組み込む ことによつて、生徒 の追求・試行錯誤 とい う点で、教材 としての可能性 を大きく 広 げることができた。 本研究 の一部は平成 23年 度科学研究費補助金 (課 題番号 :21500869)の 援助による。 参考文献 1)文 部科学省 :中 学校学習指導要領 技術家庭 2)文 部科学省 :中 学校学習指導要領 理科 3)大 脇一宏、竹内太一、松永泰弘 :中 学校技術 における木製機械式振子時計教材 の授業 実践、第 28回 日本産業技術教育学会東海支部大会講演論文集、pp 47-50(2010) 4)竹 内太一、大脇一宏、松永泰弘 :木 製機械式振子時計教材 におけるエネルギー効率 を 考慮 した最適稼働条件 の検討、第 28回 日本産業技術教育学会東海支部大会講演論文集、 pp 51-54(2010) -10-
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