小４理科「温度と体積変化」指導アイデア
執筆／福岡県北九州市立門司中央小学校教諭・安河内健二
福岡県北九州市立木屋瀬小学校教諭・江口活
監修／文部科学省教科調査官・有本淳
福岡県北九州市立高見小学校校長・南里幸一
福岡県北九州市中島小学校教頭・尾上大悟
目次
単元目標
体積や状態の変化に着目して、それと温度の変化とを関係付けて、金属、水および空気の性質を調べる活動を通して、それらについての理解を図り、観察、実験などに関する技能を身に付けるとともに、主に既習の内容や生活経験を基に、根拠のある予想や仮説を発想する力や主体的に問題解決しようとする態度を育成することがねらいである。
「粒子」の領域である単元は、主として質的・実体的な視点でとらえることが求められています。金属、水および空気のそれぞれの性質を捉えることはもとより、それらの差異点や共通点を捉えることで深く理解できるようにしましょう。
評価規準
知識・技能
①金属、水および空気は、温めたり冷やしたりすると、それらの体積が変わるが、その程度には違いがあることを理解している。
②金属、水および空気の温度と体積の変化について、器具や機器を正しく扱いながら調べ、 それらの過程や得られた結果をわかりやすく記録している。
思考・判断・表現
①金属、水および空気の温度と体積の変化について、既習の内容や生活経験を基に、根拠のある予想や仮説を発想し、表現するなどして問題を解決している。
②金属、水および空気の温度と体積の変化について、観察、実験などを行い、得られた結果を基に考察し、表現するなどして問題解決している。
主体的に学習に取り組む態度
①金属、水および空気の温度と体積の変化についての事物・現象に進んで関わり、他者と関わりながら問題解決しようとしている。
②金属、水および空気の温度と体積の変化について学んだことを学習や生活に生かそうとしている。
評価計画
総時数 ７時間
第１次 空気の温度と体積の関係について調べる。
１ 空のペットボトルを湯や氷水の中に入れたときのペットボトルの様子について、気付いたことを話し合う。（授業の詳細①）
思考・判断・表現①
金属、水および空気の温度と体積の変化について、既習の内容や生活経験を基に、根拠のある予想や仮説を発想し、表現するなどして問題を解決している。〈発言分析・記述分析〉
２～３ 空気の温度の変化と体積の変化の関係を調べる。（授業の詳細②）
知識・技能①
金属、水および空気は、温めたり冷やしたりすると、それらの体積が変わるが、その程度には違いがあることを理解している。〈発言分析・記述分析〉
思考・判断・表現②
金属、水および空気の温度と体積の変化について、観察、実験などを行い、得られた結果を基に考察し、表現するなどして問題解決している。〈発言分析・記述分析〉
主体的に学習に取り組む態度①
金属、水および空気の温度と体積の変化についての事物・現象に進んで関わり、他者と関わりながら問題解決しようとしている。〈行動観察・発言分析・記述分析〉
４ 空気の体積の変化を確かめ、深める。
主体的に学習に取り組む態度②
金属、水および空気の温度と体積の変化について学んだことを学習や生活に生かそうとしている。〈行動観察・発言分析・記述分析〉
第２次 水の温度と体積の関係について調べる。
５ 水の温度の変化と体積の変化の関係を調べる。（授業の詳細③）
知識・技能①
金属、水および空気は、温めたり冷やしたりすると、それらの体積が変わるが、その程度には違いがあることを理解している。〈発言分析・記述分析〉
思考・判断・表現①
金属、水および空気の温度と体積の変化について、既習の内容や生活経験を基に、根拠のある予想や仮説を発想し、表現するなどして問題を解決している。〈発言分析・記述分析〉
第３次 金属の温度と体積の関係について調べる。
６ 金属の温度の変化と体積の変化の関係を調べる。
知識・技能①
金属、水および空気は、温めたり冷やしたりすると、それらの体積が変わるが、その程度には違いがあることを理解している。〈発言分析・記述分析〉
知識・技能②
金属、水および空気の温度と体積の変化について、器具や機器を正しく扱いながら調べ、 それらの過程や得られた結果をわかりやすく記録している。〈行動観察・記録分析〉
思考・判断・表現②
金属、水および空気の温度と体積の変化について、観察、実験などを行い、得られた結果を基に考察し、表現するなどして問題解決している。〈発言分析・記述分析〉
７ 「たしかめよう」「学んだことを生かそう」を行う。
主体的に学習に取り組む態度②
金属、水および空気の温度と体積の変化について学んだことを学習や生活に生かそうとしている。〈行動観察・発言分析・記述分析〉
授業の詳細①
第１次 空気の温度と体積の関係について調べる。
１ 空のペットボトルを湯や氷水の中に入れたときのペットボトルの様子について、気付いたことを話し合う。
空気の温度と体積の変化について、既習の内容や生活経験を基に、根拠のある予想や仮説を発想し、表現するなどして問題解決している。
①問題を見いだす
前の時間に、空のペットボトルを湯や氷水の中に入れてみるとどうなりましたか。
お湯の中に入れるとペットボトルがふくらんで、氷水に入れるとペットボトルがへこんだよ。
ペットボトルの中の空気の体積が変化しているのかな。
空気の温度が変わると、空気の体積はどうなるのだろうか。
②予想する
湯に入れたペットボトルはふくらんだよ。温めるとペットボトルに閉じ込めた空気の体積が大きくなったんだと思う。
氷水に入れたペットボトルはへこんだよ。冷やすと閉じ込めた空気の体積は小さくなると思う。
授業の詳細②
２～３ 空気の温度の変化と体積の変化の関係を調べる。
空気は温めたり冷やしたりすると体積が変わることを理解することができ、空気の温度と体積の変化について、観察、実験などを行い、得られた結果を基に考察し、表現できる。
③解決方法を考える
ペットボトルを温めたり冷やしたりしたときは、閉じ込めた体積が変わったかどうかがわかりにくかったよ。
空気を押し縮めたときみたいに、１か所だけ動くものを使えば体積の変化がわかるかもしれないね。
「とじこめた空気や水」の学習では体積の変化を調べる実験の際、ふくろのように形が変わるものではなく、注射器のように１箇所だけが動くものを使用しました。今回の学習でもそのことを想起することによって、実験方法が立案できるようにします。より既習の内容を関連付けるために、注射器に空気を閉じこめて湯に入れるなどの方法も考えられます。
④観察・実験をする
①試験官の口にせっけんのまくをつける。
②試験管をあたためたり冷やしたりして、せっけん水のまくがどうなるか調べる。（安全指導）
⑤結果の処理
試験管をあたためたり冷やしたりしたときの様子を言葉や図で表にまとめる。
⑥結果をもとに考察する
試験管をあたためたとき、まくはふくらんだ。空気の体積はあたためられると大きくなるね。
試験管を冷やしたとき、まくはへこんだよ。空気の体積は冷やすと小さくなることがわかった。
⑦結論を出す
空気の温度が変わると体積が変わる。空気はあたためると体積が大きくなり、冷やされると体積が小さくなる。
⑧振り返る
予想通り、空気の体積の変化は、温度の変化と関係していたよ。
「とじこめた空気と水」の学習のときのように、水も温度が変わると体積が変化するか調べてみたいな。
授業の詳細③
第２次 水の温度と体積の関係について調べる。
５ 水の温度の変化と体積の変化の関係を調べる。
水は温めたり冷やしたりすると体積が変わることを理解することができ、水の温度と体積の変化について、既習の内容や生活経験を基に、根拠のある予想や仮説を発想し、表現できる。
①問題を見いだす
空気と同じように水も温度の変化と体積の変化が関係しているのかな。
水もあたためたり、冷やしたりすることがよくあるね。
水の温度が変わると、水の体積はどうなるのだろうか。
②予想する
空気は温度が変わると体積が変わったから、水も変わると思う。（予想A）
水をとじこめて力を加えても、空気とちがって体積は変わらなかったから、温度を変えても体積は変わらないと思う。（予想B）
第１次の学習で得た知識を基にした予想Aも、「空気と水の性質」で得た知識を基にした予想Bも、子どもにとってはどちらも根拠のある予想となります。大切なのは、考察の場面で実験結果から自分の考えを更新したり、他者の考えを受け入れたりすることで自分の予想が深まったことが実感できるようにすることです。そのために、予想できたかどうかなどを振り返るようにしましょう。
③解決方法を考える
空気の時と同じように試験管を使うと調べられそうだね。
せっけんのまくがあったところまで水を入れたらいいと思うよ。
④観察・実験をする
水の温度の変化と体積の変化を関係づけて調べる。
①水を入れた試験管をスタンドに固定する。
②試験管の口まで水をいっぱいに入れる。
③試験管に入れた水を温めたり冷やしたりして、水面がどうなるか調べる。（安全指導）
水道水をそのまま温めると気泡が発生する場合があります。水が盛り上がった際、気泡が発生すると様子が見取りにくくなり、子どもも気泡と体積変化を結びつけて考えるようになります。試験管に入れる水は、事前に一度沸騰させて冷ましておくことで、温めたときに気泡が出てくるのを避けることができます。
試験管に水を入れる際、最後はスポイトで口の高さまで入れましょう。
⑤結果の処理
試験管に入れた水をあたためたり冷やしたりしたときの様子を言葉や図で表にまとめる。
水の体積変化は空気よりも小さく、子どもによっては小さな変化を「変化なし」と見取る場合もあります。タブレット端末等で水の変化の様子を記録しておくことで、結果の共有をする際、実験結果の見直しをすることにつながり、見取りの修正ができる場合があります。
板書の例のように結果が不明瞭な場合などに、追加の実験を行う。
では、次のような実験方法でやってみましょう。
細い管を通して見える水の体積の変化を観察する。
水の体積の変化は空気に比べて小さくわかりにくいです。さらに、実験する日の気温にも結果が左右されます。そこで、径の小さな管で観察することで、体積の変化がよりわかりやすくなります。例えば、ゴム栓に透明な細い管を通し、試験管に装着した装置を使用することが考えられます（下図）。ゴム栓付きろうとでも代用可能です。ただし、この方法を最初からするのではなく、まずは試験管で実験をすることにより「水は空気よりも体積の変化が小さい」ことを確認したうえですることが大切です。
＜作り方＞
①ゴム栓にきりなどで穴をあける。
②透明な管（釣り具屋さん等にも売っている）をゴム栓に通す。
③水を入れた試験管にゴム栓ごと付ける。
④水面の位置に印をつける。
⑥結果をもとに考察する
試験管をあたためたとき、水面が上がったよ。水の体積はあたためられると大きくなるね。
試験管を冷やしたとき、水面は下がった。水の体積は冷やすと小さくなると言えるね。
でも、水の体積の変化は空気の体積の変化に比べるととても小さかったよ。
⑦結論を出す
水の温度が変わると体積が変わる。水はあたためると体積が大きくなり、冷やされると体積が小さくなる。水の体積の変化は、空気に比べて小さい。
⑧振り返る
予想通り、空気と同じように水の体積の変化は、温度の変化と関係していたよ。
でも、水は空気よりも体積の変化が小さかったね。
空気や水以外にも温度に伴って体積が変わるものはあるのかな。
安全指導
実験にあたっては、次のことを確実に指導するようにしましょう。
●やけどの危険を避けるため、湯の温度は50～60℃くらいで実験をしましょう。
イラスト／難波孝
