理科教育における電気の...

理科教育における電気の取扱いと電子回路教育

6 Sept., 2012

武藤浩二

長崎大学教育学部技術教育教室

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理科教育における電気の取扱いと電子回路教育 2/19

Outline

• 新学習指導要領• 小中学校における電気分野の内容

◦ 小学校理科◦ 中学校理科◦ 中学校技術・家庭科（技術分野）

• 高校理科における電気・電子分野の内容◦ 物理基礎◦ 物理

• 高校数学での問題点：2015年問題• まとめ：電子回路教育へのインパクト

平成 24年電気学会電子・情報・システム部門大会 Cosy MUTO @ Nagasaki Univ.


新学習指導要領（1）

¶現行（旧）学習指導要領の問題点• 授業時数（単位数）の削減

◦（例）高校物理：8単位⇒ 6単位• 数学・算数及び理科の内容削減・移行

◦ 数学（算数）∗ 円周率：「約 3」∗ 2次方程式の解の公式：中学校⇒ 高校∗ 複素平面の削減

◦ 理科∗ 電力量，直流と交流，イオン：中学校⇒ 高校∗ キルヒホッフの法則，リアクタンス，インピーダンスの削減




¶新学習指導要領の実施状況• 小学校

◦ 平成 21年度より移行措置，平成 23年度から完全実施◦ 算数：869時間⇒ 1,011時間◦ 理科：350時間⇒ 405時間

• 中学校◦ 平成 21年度より移行措置，平成 24年度から完全実施◦ 数学：315時間⇒ 385時間◦ 理科：290時間⇒ 385時間

• 高等学校◦ 平成 25年度入学者から適用（平成 27年度完成）◦ 数学及び理科：平成 24年度入学者から前倒し実施




¶高校理科の科目編成及び単位数，必履修科目現行学習指導要領新学習指導要領理科基礎 (2) 科学と人間生活 (2)

理科総合 A (2) 理科総合 B (2) 理科課題研究 (1)物理 I (3) 物理 II (3) 物理基礎 (2) 物理 (4)化学 I (3) 化学 II (3) 化学基礎 (2) 化学 (4)生物 I (3) 生物 II (3) 生物基礎 (2) 生物 (4)地学 I (3) 地学 II (3) 地学基礎 (2) 地学 (4)

予稿の表 1(a) の数値に誤りがありました m( )m

• 現行：{理科基礎，理科総合 A/B，物・化・生・地 I}から 2• 新　：{科学と人間生活，物・化・生・地基礎 }から 2，or新　：{物・化・生・地基礎 }から 3



小中学校における電気分野の内容（1）

¶小学校理科• 第 3学年

◦ 電気を通すつなぎ方，電気を通す物• 第 4学年

◦ 乾電池の数とつなぎ方，光電池の働き，電流の向き（LED）• 第 5学年

◦ 鉄心の磁化，極の変化，電磁石の強さ• 第 6学年

◦ 発電・蓄電（手回し発電機，コンデンサ）◦ 電気の変換（光，音，熱などへの変換），電気による発熱◦ 電気の利用（身の回りにある電気を利用した道具）小学校教員の理科教育スキル向上が課題



小中学校における電気分野の内容（2）

¶中学校理科• 第 2学年

◦ 回路と電流・電圧∗ キルヒホッフの法則の概念説明

◦ 電流・電圧と抵抗∗ オームの法則∗ 合成抵抗：直列接続，並列接続

◦ 電気とそのエネルギー（電力量，熱量を含む）◦ 静電気と電流（電子を含む）◦ 電流がつくる磁界◦ 磁界中の電流が受ける力◦ 電磁誘導と発電（交流を含む）



高校理科における電気・電子分野の内容（1）

¶物理基礎• 物質と電気抵抗

◦ 抵抗率◦ 金属中の電流：自由電子の流れ◦ 導体・半導体・絶縁体（物理 IIの選択から移行）

• 電気の利用◦ 交流の発生，送電及び利用◦ 交流を直流に変換して用いている電気器具があること◦ 電磁波が現代の社会生活に利用されていること

中学校理科・技術の世界から「物理」の世界へと渡る橋




¶物理• 電荷と電界

◦ クーロンの法則◦ 電気量の保存◦ 電界の性質◦ 電気力線◦ 静電誘導

• 電界と電位◦ 電荷の移動と仕事の関係◦ 電界と電位の関係◦ 実用上の電位の基準点




¶物理（cont’d）• コンデンサー

◦ 充電と放電，電気容量◦ 空気中におかれた平行板コンデンサー◦ 合成容量，電気容量と誘電体との関係

• 電気回路◦ キルヒホッフの法則（中学校理科で概念の片鱗は既習）◦ 抵抗率の温度変化◦ 電池の起電力と内部抵抗◦ ホイートストンブリッジ◦ 電球の電流特性◦ 半導体：pn接合の特性




¶物理（cont’d）• 電流による磁界

◦ 直線電流の回り，円形電流の中心，ソレノイド内部の磁界◦ 磁性体，地磁気

• 電流が磁界から受ける力◦ 電流が磁界から受ける力を表す式◦ ローレンツ力

• 電磁誘導◦ 誘導起電力，自己誘導，相互誘導，交流発電機の仕組み◦ 交流回路

∗ コンデンサーやコイルのリアクタンス∗ RLC 直列回路のインピーダンス




¶物理（cont’d）• 電磁波の性質とその利用

◦ 電磁波の基本的な性質，電波の利用◦ 電気振動や電磁波の発生◦ 物体からの熱放射

¶新指導要領の評価（私見）• 昭和時代末期と同程度の内容に戻る• 電磁気学，電気回路を学ぶ上での基礎事項を網羅• 第三級総合無線通信士「無線工学の基礎」出題範囲との関係

◦ 電気磁気の基礎：対応◦ 電気回路の基礎：一部をカバー




¶新教科書の例：インピーダンス及びベクトル表示

【注】旧教科書には，この項目はない平成 24年電気学会電子・情報・システム部門大会 Cosy MUTO @ Nagasaki Univ.



¶新旧教科書の比較例：共振回路

旧教科書新教科書



高校数学での問題点（1）

¶現行及び新学習指導要領の対比現行指導要領新指導要領（平成 24年度実施）

数学 I 方程式と不等式数学 I 数と式二次関数図形と計量図形と計量二次関数

データの分析数学 II 式と証明・高次方程式数学 II いろいろな式

図形と方程式図形と方程式いろいろな関数指数関数・対数関数微分・積分の考え三角関数

微分・積分の考え数学 III 極限数学 III 平面上の曲線と複素数平面

微分法極限積分法微分法

積分法




¶現行及び新学習指導要領の対比（cont’d）現行指導要領新指導要領（平成 24年度実施）

数学 A 平面図形数学 A 場合の数と確率集合と論理整数の性質場合の数と確率図形の性質

数学 B 数列数学 B 確率分布と統計的な推測ベクトル数列統計とコンピュータベクトル数値計算とコンピュータ

数学 C 行列とその応用式と曲線確率分布統計処理




¶現行及び新学習指導要領の対比（cont’d）現行指導要領新指導要領（平成 24年度実施）

数学基礎数学と人間の活動数学活用数学と人間の活動社会生活における数理社会生活における数理　　的な考察　　的な考察身近な統計




¶最大の問題点：行列の削除•「数学活用」に断片のみ

◦「数学化した事象を，図，表，行列及び離散グラフ等を用いて表現し，考察」

◦「行列の演算方法（中略）を一方的に教え込むのではなく．．．」

• 行列を学ばずに大学入学する公算大◦ 必履修科目ではない◦ 入試科目でもない⇒ 2015年問題

• 線形代数と電気回路の履修タイミング◦ 多元連立方程式⇔ 閉路・接点解析

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指導要領解説に記載された例平成 24年電気学会電子・情報・システム部門大会 Cosy MUTO @ Nagasaki Univ.


まとめ：電子回路教育へのインパクト

¶理科• Good news：交流回路の定量的取扱いの復活

◦ インピーダンス，共振回路• Bad news：エネルギー準位，バンド構造の削減

◦ ただし，現行指導要領でも「選択」扱い

¶数学• Good news：複素平面の復活• Bad news：行列の削減（2015年問題）

◦ 線形代数の位置づけと担当∗ 教養課程で数学教員 or 専門基礎課程で電気系教員

¶入試多様化への対応：物理，数 IIIを取っていない学生への対応


理科教育における電気の...

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