理科教育における電気の...
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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.
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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
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新学習指導要領(2)
¶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
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新学習指導要領(3)
¶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
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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 6/19
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
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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)
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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
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高校理科における電気・電子分野の内容(2)
¶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
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高校理科における電気・電子分野の内容(3)
¶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
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高校理科における電気・電子分野の内容(4)
¶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
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高校理科における電気・電子分野の内容(5)
¶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
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高校理科における電気・電子分野の内容(6)
¶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.
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高校理科における電気・電子分野の内容(7)
¶新旧教科書の比較例:共振回路
旧教科書 新教科書
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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
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高校数学での問題点(2)
¶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
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高校数学での問題点(3)
¶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
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高校数学での問題点(4)
¶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.
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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
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