溶融金属の性質【小学探Q教室】

今年度の探Q教室は、午前の部で「プログラミング」を学習した後、午後から「実験の部」という構成で進めています。

実験の部では、その日のテーマとなる物質の性質を資料で調査したものを書き写してまとめたり、予定した実験に対してどうしてそうなるのかといったことを予想したり考察したりした上で、実際の実験に移ります。

本日のテーマは表面張力についてです。

水は『水玉』といわれるようにハスの葉などの特定の表面上で丸くなりますが、アルコールはそうなりません。これは表面張力の違いによるものです。

このような違いについて学習した後に、「非日常的」な『金属』の表面張力について考察します。「溶融金属の性質」といえるテーマですが、金属の表面張力がいかに大きいものかを実験で検証します。

比較的低い温度で溶ける金属として「ハンダ」(スズと鉛の合金)があります。しかも安価に手に入りますから、参加者それぞれにふんだんに使ってもらって自由に溶かし、溶けた様子を観察したり、冷却板に流したときの様子や固まった様子を観察してもらいました。

探Q教室生一人ひとりが、金属が持つ強い表面張力によって溶融金属が球状になることを確かめながら、その不思議な物性に強い興味を示し、意欲的に実験に取り組んでいました。

探Q教室2017溶融金属a
熱でみるみる溶ける合金

探Q教室2017溶融金属b
冷却板上で固まります。表面張力によってしっかりと丸みを帯びています。





徳進館 進学ゼミナール【宇部市|塾】

〒755-0039 山口県宇部市東梶返4-9-43斎藤ビル101

連絡先(塾長) 0120-967-804 a_ts@tokushinkan.jp

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化学基礎から化学へつなぐ【高校・化学基礎講座】

宇部高や慶進中高一貫コースの学年末試験も終わり、本講座では、教科書1冊の内容を終えたタイミングとなりました。

理系選択者にとって、次に待ち構えているのが「化学」という教科書です。旧課程の「化学Ⅱ」よりも内容(単位数)が多く、教科書も分厚いので、大変な教科であることは間違いありません。

私自身の経験上、化学では「実体験」に基づく感覚的な要素がとても重要だと感じています。活字のみからでももちろん理解はできますが、実体験があると理解に至るスピードが変わってくるはずです。

このような信念から、毎年この時期からは実験重視で体験的学習を深める授業を行っており、今年は今日から連続3回も実験を行う予定を立てました。

化学基礎の最後は「酸化還元」がテーマで、次の教科書ではその酸化還元の延長として、「電気分解」という計算分野があります。

そこで、化学基礎から化学へ橋渡しをするために、電気分解について理解を深めることにしました。

ホワイトボードに書く電気分解の回路図やイラストでもイメージを伝えることはできますが、では、1回解説して、何かその類題を解かせて自力で解けるかというと、宇部高生でもほとんどが「解けません」(といいますか、ほぼ、ペンが動きません)。

どうしてなのかというと、やはりイメージが浮かばないからだと思います。

このあたりが、長年化学を教えてきて、平面(紙やホワイトボード)で教えることの限界なのだと痛感しています。

そこで、3次元的なアプローチが必要なわけです。

実際に装置を組み立てること、つまり、電源装置と電流計、電圧計を適切に配置し、電気分解に使用する銅板を切ったり、硫酸銅の水溶液を仕込んだりといった過程を通じて、難しいことに対して楽しみながら五感でイメージしていきます。

この、「楽しみながら学習する」というところが学習の本質だと信じています。勉強により忍耐力は確実につきますが、それだけでは上限は見えています。決して苦しいことばかりに耐えるのが勉強ではなく、学問本来の「面白さ」に気づけば、上限を突破することができます。

「なるほど…」とか、「不思議だな…」といったことを、紙面でも感じることはできますが、さらに高次元に、五感で感じることが必要なのです。

このような体験を生徒たちに少しでも踏ませるべく、1回目の実験を終えました。

電流値の時間的変化を矩形法で積分し、陽極での酸化反応、銅イオンの還元による金属の析出といった現象を目で確認しつつ、精密天秤を使って測定します。

それをもとに計算をするのですが、計算をしないと実験も先に進まないので、必然的に「あれ、どうだったかな」と考えるわけです。もしくは、チームの友達に聞いたりするのです。

ただ紙を使って個別に学習をさせると、別に解けなくても大きな害はないのですが、実験の場面では解けないと害があるため、「前に進めよう」という力の出し方が変わるのです。

また来週も、様々な生徒たちの工夫や知恵が見れるのを楽しみにしています。

化学基礎2017c
組み立てた電気分解の装置

化学基礎2017a
陰極側では、見事な銅樹ができました

化学基礎2017b
電極を丁寧に洗浄して、乾燥後、質量を測定します





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液体窒素の実験【小学探Q教室】

探Q教室恒例の「低温探究」の日となりました。

マイナス196℃という低温の液体窒素が体験できるとあって、探Q教室生が待ちに待った日となりました。

実験前の講義の時間では、窒素の性質を学習しましたが、その中で、「どうやって液体窒素を作るの?」という素朴な質問が出ましたので、空気を冷やして液体空気にする方法(専門的には、断熱膨張によって温度が下がる現象を利用すること)を解説しました。

そして、そのような低温を保つための特別な容器(デュワー瓶)のしくみも詳しく教えました。

さて、実験の部では、子どもたちが「凍らせてみたいもの」を自由に持ち寄り、思いのままに液体窒素に浸していきました。

バナナやマシュマロ、カステラ、マフラー、生卵、ペットボトルなど、食べ物が多かったです。マシュマロやカステラを液体窒素につけて、取り出して食べると、「カシュカシュ」した感触がなんともいえず、盛り上がりました。

バナナでは釘がちゃんと打てましたし、塾で用意したバラの花は、凍結後握ってみると見事にばらばらになりました。

また、膨らませた風船はみるみる小さくなり、液体窒素から取り出すと、たちまち元の大きさに戻る様子を何度も確かめていました。

立ち込める神秘的な白煙を囲みながら、参加した子どもたちが低温の不思議について体験することができました。この日のことは、生涯にわたって記憶に残ることでしょう。

液体窒素2017c
液体窒素をデュワー瓶に注ぎます

液体窒素2017a
ペットボトルのお茶もみるみる凍ります

液体窒素2017b
バナナでの「くぎ打ち」





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プログラミング教室|宇部市 【小学生・探Q教室】

3年前に、安倍政権の「アベノミクス」の1つとして、IT関連のトップ企業の経営者などの意見も組み入れながら、「プログラミング教育」に関する要件が盛り込まれることになりました。

小学生へのプログラミング教育の導入としては、文部科学省の「プログラミン」や米国マサチューセッツ工科大学(MIT)のスクラッチ(Scratch)などが、いわゆる「ビジュアルプログラミング言語」として知られており、私も試用しながら、大多数の小学生に合わせた導入教育としては「視覚的に興味を引かせやすい」という点で優れていると感じています。

義務教育段階での教育としては、これらを習得させれば興味関心をひかせるという目的は達成できると思われます。宇部市の各小学校でも導入に向けていろいろと動いているようで、今後、教育の幅が広がる点で興味深いものです。ただ、教育側の資質が問われ始めてもおり、プログラミングの楽しさや本質を伝え切れないことへの対応が問題点のひとつとされています。

さて、必修化が近づいてくる中で、塾にはいくつかの業者さんから、キットの案内やフランチャイズの提案、体験学習会の案内などを頂くようにもなりましたが、どれも「キットのロボットを動かす」というテーマが多く、キットは便利ですが、どうしも入門的な水準で終わってしまうことを危惧しています。

ロボットは私自身興味があり、導入時もしくは逆に高度な応用時に役立つ可能性がありますから、限定的に使用する可能性はありますが、それとはひと味違う路線として、私の方では長らく子どもたちに主体的にものづくりをさせる「探Q教室(たんきゅうきょうしつ)」を行っております。

私の塾には幸い、知的好奇心や探究心の旺盛な生徒さんが集まっており、この探Q教室で高度な「理科の実験」や「電気工作」を指導してきた基盤もありますから、キットを使ったものとは一味違ったことが実現できる気がします。

もとより彼らでは、先のような導入教育は数日で終え、もっと創造的、個性的なことをしたがるはずで、親御さんも内容の浅いものよりもっと思考力をつけさせる、付加価値の高いプログラミング教室を求めておられるはずです。

ちなみに、私自身のことをお話ししますと、プログラミングに没頭したのは中学2年生からでした。今から30年以上も前のことで、やっと「パソコン」と呼ばれる家電製品広まり始めた時代でのことです(主流はマイクロコンピュータの略の「マイコン」でした)。

そのころから私は、「機械語」や「アセンブラ」、「ベーシック」などのプログラミング言語を自力で学習していきました。

例えば次の文字列ですが、どんな機能があると思われますでしょうか。

【3E 00 06 0A 0E 01 81 0C 10 FC 21 00 30 77】


当時の「マイコン」と呼ばれるものを扱ったことのある方にはきっと懐かしく思われると思います。

これは、当時主流であったZ80という8ビットCPU(中央演算処理装置)の機械語なのです。

私が今即興でつくってみたものなのですが、この文字列は「1から10までの和」を求める機能をもっています。

「これが?」と思われるかもしれませんが、正確に計算します。しかも、恐ろしいほどの速さで!(当時のマイコンでさえも0.000035秒で実行します。現在のパソコンであれば、0.00000001秒以下です。)

このような不思議といいますか、魅力にとらわれてしまい、それこそ本当に「没頭」した時期があります。

高校に上がる頃には、自作のゲーム(対戦型のものが多かったですが)を何本も作り上げていました。

また、電子機器とマイコンとの連携なども行い、温度計や回転計を作ったり、高度なものではボールペンで文字を書く「XYプロッタ」を作ったりしました。

XYプロッタについては、あらかじめマイコンに文字列をインプットしておき、プログラムを走らせます。すると、即座にものすごいスピードでモーターが駆動し、ボールペンを紙に大音をたてながら打ち付けて文字を書き始めるのです。これに成功した瞬間のことは、今でもきわめて鮮明に覚えています。

その後は受験勉強で忙しくなりましたが、プログラミングを学ぶ中で「数学の必要性」は言われなくても自分で理解していましたし、「論理性」も自然と養うことができたように思います。

高校数学で三角関数や微積分などの関数論の学習が始まると、休憩時間にすぐプログラム(当時は、電卓型のポケコンがあり、いつも片手に持っていました)を作って、「本当に計算通りになるのか?」など検証していたものでした。

そのひとつの成果として、論理性を強く求める日本の最先端の大学にも入ることができたのだと思います。

しかも、東大の中にあっても、同期研究生のだれもプログラミングができない中、私と東大工学部の助手の先生と組ませて頂き、双方のプログラミングの知識を生かして実験装置の制御の研究も進めていたことを思い出します。

さて、このような機会がなかなか与えられない今の子どもたちに、何かができないかと最近よく考えています。

先日、5年アドバンス理数の授業の中で、上記の1から10までの和を求めるプログラムをビジュアルに考えさせる授業を行ってみました。

聞いてみますと、ほぼ全員が「プログラミングに興味がある!」と言うのです。

そして、ビジュアルに考えさせることをさせますと、女子生徒までもが「おもしろい、もっとやってみたい!!」と言うのです。

私は、私立高校の高校生にプログラミング(主にBASIC言語)をかれこれ6年間指導しています。また、日ごろの成績処理などの塾内業務をスムーズに進めるためのウィンドウズ・プログラミングは日々行っており、慣れた分野のひとつです。

そのため、過去にも本格的で実用的なプログラミング教室の実現に向けて模索はしたものの、まだ塾では時期尚早と思考の中から切り捨てておりましたが、新年度開講で準備を進めております。

Z80機械語2017a
1から10までの和を求めるZ80アセンブリ言語とその機械語





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化学基礎講座での化学実験【高校生】


毎年4月に始める化学基礎講座では、元素の性質、イオン式やモル計算、中和反応を終えて今月から酸化還元反応の学習に入りました。

本日、酸化還元反応の半反応式を学習したところで生徒さん自ら手を動かして化学実験をして頂く時間を取りました。

実験の内容は、ヨウ化カリウムに希硫酸を入れ、過酸化水素水を滴下すると無色のヨウ化物イオンが酸化されて褐色のヨウ素が析出するというものです。ここで、希硫酸を入れないと水素イオンが不足するため反応がうまく進行せず、過酸化水素の分解(と酸素の発生)が見られるというものです。

ちなみに、過酸化水素、特に35%の原液は手についてしばらくすると皮膚が白化し、鋭い痛みを感じるようになるほどの酸化力があります。そこで、注意を促すために、大学の研究室で私自身がいろいろ「してしまった」危険な経験談をしますと、みんな興味津々の様子になります。

とにかく「危険だ」ということは頭で理解できたことと思います。

ともかく、このような教科書での学習だけでは得にくい「感覚的な記憶」をつけるには、実験を体験させることはひとつの方法だと思います。

今日は、2人ずつペアになってもらい、まずじゃんけんします。どちらも同じ反応を行うのですが、その際に、勝った方は反応液の中に希硫酸を入れることができます。そうすると前記の通り、化学反応での色の変化が劇的となります。負けた方は、入れないのですが、また違う反応が観察できます。

2人ペアでその違いを観察し合い、化学反応を楽しめたところで終えました。

今日のヨウ化物イオンの酸化還元反応については、よく理解できたことでしょう。

化学基礎2016b
化学反応によって析出したヨウ素





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