第4学年「電流のはたらき」のコツ 【理科の壺】

連載
理科の壺/進め!理科道~理科エキスパートが教える、小学校理科の指導法とヒント~

國學院大學人間開発学部教授

寺本貴啓

4年生では、2個の電池をつないで直列回路、並列回路の学習を学びます。電流の流れ方や電池のつなぎ方を学習する際、様々な回路ができてしまって、どのように収拾をつけるか困ったことのある先生も多い単元です。また電池や導線、モーターの実物を使うと、回路図で見るのとは異なり、つなぎ方の違いがわからず、違うつなぎ方や逆向きのつなぎ方をしてしまうことも多いです。このように、先生にとっても、子どもたちにとっても難しい電気の単元ですが、考え方の流れさえ先生自身が理解していれば、比較的簡単に授業が進められると思います。今回は1つの授業の流れや押さえるポイントを整理した回となります。実際に電池と導線、モーターを用意して、試しながら読んではいかがでしょう。優秀な先生たちの、ツボをおさえた指導法や指導アイデア。今回はどのような “ツボ” が見られるでしょうか?

執筆/長野県公立小・中学校教諭・原田修平
連載監修/國學院大學人間開発学部教授・寺本貴啓

1.第4学年「電流のはたらき」を学ぶ前の児童たちの実態は?

3年「電気の通り道」の学習では、(電池ボックスに入れた)乾電池1つ、ソケットや豆電球、スイッチ、導線などを1つの輪のようにつなぎ、回路にすると電気が通って、豆電球に明かりがつく学習をしています。また、電気を通すものと通さないものがあり、電気を通すものは金属でできていることを学びます。

ここでは、乾電池のプラス極、マイナス極につなぐことは学びますし、「金ぞくは電気を通す」という表現はしますが、電気の流れを「電流」ということは扱っていません。ましてや電流に向きがあると思っていない児童や、プラス極からもマイナス極からも電気が出て伝わって、豆電球でぶつかって光ると思っている児童が意外に多いのが実態です。

さらにつまずきやすい内容としては、「鉄」という言葉を「金属」と同じ意味で使ってしまうことです。「アルミニウムは鉄ですか」と問われて、「はい、そうです。」と答える児童はだいたい勘違いしています。

単元の導入で「金属は種類が多く、鉄はそのうちの1つであること。ほかにも銅やアルミニウムなど、様々な金属があること」を確認・指導しましょう。

2.「電流のはたらき」を理解する4つのステップ

ステップ1 回路のどこでも電流が流れる向きは同じことを知る

単元のはじめは、扇風機やモーターカーのようなものを作って、モーターの回る向きが乾電池のプラス・マイナスを変えると変わることから、電流には向きがあるのか予想し、検流計を使って確かめます。検流計は、電流計の一種なので、右図のように3年生の時に習った回路の「1つの輪」の途中に入れます。この時、乾電池のプラス極とモーターの間に入れても、マイナス極とモーターの間に入れても、電流の向きは同じなので、モーターの回る向きや検流計の針の触れる向きは変わりません。

(図)乾電池のプラス極とモーターの間に入れても、マイナス極とモーターの間に入れても、電流の向きは同じ

ステップ2 つなぎ方を図にする際は “シンプル” に

この単元の学習の主中心は、乾電池の直列つなぎと並列つなぎを見つけるために、モーターに乾電池を2本つなぐことを考えて図に表し、さらにそのつなぎ方でモーターが回るか、回る場合は乾電池1本の時と比べて、どう変わるか調べることです。

つなぎ方を図にする際、電池ボックスまで描こうとする児童がいますが、電池ボックスを描くと、どちらにも出っ張りを描いてしまい、プラス・マイナスがわかりづらくなります。電気用図記号を使うと、電源の記号の長い方がプラスなので混乱します。電池の絵は長四角に片方出っ張りをつけるだけで十分です。

ステップ3 3年の復習(輪になっている)と、乾電池の(※)直列つなぎ・並列つなぎの違いを区別する

※ここでの「直列つなぎ」「並列つなぎ」について、わたしはあえて「乾電池の」をつけて授業をしています。中学校では「直列回路」「並列回路」という言葉を使い、乾電池に限らず様々なものを直列や並列につなぎます。単元の終わりに、直列・並列の意味を簡単に説明し、中学校の学習では乾電池以外もある話をしています。

乾電池2本を使うつなぎ方について、何種類も考えさせるようにすると、児童は様々な発想をします。中には回路になっていないものも出てきます。(図①)教科書には回路になっていない例は記載されないので、授業では、児童が考えて描いてきても、やってみる前に排除してしまう場合もあるかもしれません。しかし、それも認めながら、確かめさせることが大切ではないかと思います。3年生の時に、プラス極とマイナス極の両方から電気が出て豆電球に行くと思っていた児童は、①のようにしても電気が流れないことを改めて確認できます。

また、図②のような場合も認めています。このようにつなぐと、乾電池1本しかはたらかないので、1本だけの時と同じ速さで回ります。しかし、左の電池を抜いてもモーターは回りますが、右の電池を抜くとモーターが止まるので、左の電池は電流を流していないことがわかり、並列つなぎとは区別できます。

【注意】ショート回路になっていないか、注意しましょう!!
回路の図を考える段階でⒶやⒷのような回路は熱くなるので実験させません。教科書の危険なつなぎ方の例には、乾電池だけを導線でつないだ図や、Ⓐの下部分だけの図になっていて、モーターがつながっていない例が示されていることが多いです。以下の2つの回路は一部分がショート回路になっているので、児童が図を考えてきたところでチェックし、実験で確かめる前に指摘し、やめさせます。

※電流は流れやすい(抵抗の少ない)方に大きく流れるので、モーターがつながっていても、導線の方へ大きく流れて、導線が熱くなります。

ステップ4 様々な回路を引き出し、整理する

◆乾電池の直列つなぎと並列つなぎの違いに気づく

この単元で重要な回路は、③や④の乾電池の直列つなぎと、⑤の乾電池の並列つなぎです。

直列つなぎについては、③でも④でも直列つなぎであることを理解させることが大切です。「モーターから、乾電池の+-+-とつないでモーターに戻る」などと唱えると、どちらも同じような回路の仲間であることがわかります。児童が考えるとなかなか⑤のような並列つなぎの案が出てこないかもしれません。上記のⒶはだめだと、はじめから示して注意してから考えさせると、余計に並列つなぎを考える児童が少なくなってしまいます。並列つなぎについては、他の児童の考えた図を伝えるなどの手立てが必要な場合もあります。

◆乾電池1本しかはたらいていない場合と2本並列つなぎの違いに気づく

実験の際に⑤は、②と比較して、電池を1本ずつ抜いてみても、残った電池だけでモーターが回るので、どちらの電池も電流を流していることがわかります。電池は2本はたらいているのに、1本とほぼ同じ速さでモーターが回ることが不思議に感じられます。

◆並列つなぎの “似たもの” を “同じもの” として判断するには?

⑥を考える児童がいます。実際には⑤と同じですが、図の通りつなごうとすると、導線の途中の被覆をはぐか、導線を3本ずつ計6本使う回路になります。⑥を考えた児童に、⑤も同じことになることを確認させるには、「2本の乾電池のプラス同士を合わせ、マイナス同士を合わせ、それぞれモーターにつなぐ」などと唱えると、どちらも同じような並列つなぎの仲間であることがわかります。

【発展】
⑦のような描き方もあります。これも、⑤や⑥と同じように並列つなぎでつながっていることがわかります。

目に見えない電気がどのように導線を伝わっていくのかイメージするのは、大人でも難しいですね。乾電池を直列つなぎにしてモーターが速く回ると、電流が速くなったと考える児童が多いです。しかし、電流の速さはとても速く、直列でも並列でも変わりません。電流が大きくなる、または電流が強くなると表現させましょう。

最後に、ICTの活用例です。
自分で考えた回路図のとおりに電池やモーターをつないで実験したつもりだけれど、実験結果が図の結果と違ってしまう児童が結構います。回るはずが回らなかったり、回った場合でも、1本のときよりモーターの回転が速くならなかったり。
個人個人に実験をさせている場合、児童たちは次々と回路を作り直していくので、後からは確認がしづらいです。そこで、どんな回路にしたのか、タブレットPCで写真撮影させておくと、後から確認しやすいです。

さらに、実験回路の画像を共有化して、「こんな回路にしたらこんな結果だった…」と互いに自分がやったことのない実験結果を見せ合ったり、まとめをしたりするのにも使えるでしょう。

「このようなテーマで書いてほしい!」「こんなことに困っている。どうしたらいいの?」といった皆さんが書いてほしいテーマやお悩みを大募集。先生が楽しめる理科授業を一緒に作っていきましょう!!
※採用された方には、薄謝を進呈いたします。

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<執筆者プロフィール>
原田修平●はらだ・しゅうへい 東京都町田市出身 横浜国立大学教育学部在学中に丹沢大山学術総合調査に参加。森が枯れ、山でシカが増えすぎている状況を憂い、自然について知り、人と自然のバランスを考え、自然を大切にする人を増やしたいと考えている。卒業後、長野県公立小・中学校教諭。その傍ら15年ほど、長野県で広く使われている小学校理科教科書・指導書・学習帳の研究・編集に携わってきている。


<著者プロフィール>
寺本貴啓●てらもと・たかひろ 國學院大學人間開発学部 教授 博士(教育学)。小学校、中学校教諭を経て、広島大学大学院で学び現職。小学校理科の全国学力・学習状況調査問題作成・分析委員、学習指導要領実施状況調査問題作成委員、教科書の編集委員、NHK理科番組委員などを経験し、小学校理科の教師の指導法と子どもの学習理解、学習評価、ICT端末を活用した指導など、授業者に寄与できるような研究を中心に進めている。


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