金属を熱すると、なぜ体積が増える？

4年生の「物の温度と体積」。空気・水ときて、最後にやってくるのが金属です。ところが金属の膨張は、目で見てもほとんど分かりません。「固くて丈夫な金属が、温めたくらいで大きくなるわけがない」——子どもの多くは、そう思っています。だからこそ、その予想をどうひっくり返すか。ここがこの時間のいちばん面白いところです。

この記事は、全国の理科研究会・教育センター・大学附属校の指導案や、研究論文、実践記録、動画などを40件あまり集めて、「面白い導入」と「金属の見えない変化を見せる手立て」を並べたものです。どれが正解、という話ではありません。「こう考えたら、この授業はもっと面白くなるかも」というヒントとして、気になったものをつまみ食いしてもらえたらと思います。

01この単元の勘どころ

ふつうは 空気 → 水 → 金属 の順で進めます。変化が大きくて見やすいものから入る、という並びです。空気は栓が飛んだり石けん膜がふくらんだり、水はガラス管の中の水面が上がったり。ところが金属は、球膨張実験器で「輪を通らなくなる」ことは分かっても、膨張そのものはほとんど目に見えません。

福岡教育大学大学院の甲斐昌平さんは、教科書5社（学校図書・教育出版・啓林館・大日本図書・東京書籍）の実験を一覧にして、金属はどの教科書も「金属球実験器」で共通していること、そして「空気＞水＞金属の順で変化が大きい」ことを3つを並べて比べる実験は教科書に載っていないことを指摘しています。ここを自作教材で埋める、という発想が生まれます。

02面白い導入くらべ

導入のねらいは2つ。「自分ごとの問い」を持たせることと、「予想が割れる／裏切られる」状態をつくることです。先行事例を4つのタイプに分けて並べました。◎は個人的に「これは面白い」と感じたものです。

タイプ1｜身近な「なぜ？」から入る

タイプ2｜予想を裏切る「驚き」から入る

タイプ3｜単元を貫く「大きな問い」で入る

タイプ4｜ICT・思考ツールで入る

• キャンディチャート（もし〜ならこうなる）で、予想→実験→結果→わかったことを毎回同じ型で整理。空気・水・金属の3実験を同じ型で回せる。（ロイロノート 高浜市立港小 林祐有香さんの授業案）
• 事前学習の動画＋端末配信で導入を家庭学習にし、授業は実験と対話に集中させる。（ロイロノート 四国中央市立中之庄小 近久元太郎さんの授業案）

03金属の「見えない膨張」を見せる手立て

この時間の悩みは、ほぼこれに尽きます。先行事例の工夫を集めました。

• 球膨張実験器（定番）。熱する前は通る玉が、熱すると通らなくなる。冷やすとまた通る（可逆性まで見せるのがコツ）。大阪府案では「通るA輪／通らないB輪」を用意して、結果を場合分けで予想させています。
• 銅棒＋レンガの自作膨張器。銅棒（φ2・30cm）2本をレンガに固定し、先端を2mmだけ離して向かい合わせる。下から温めると伸びて先端が当たる。これがそのまま「線路のつなぎ目のミニチュア」になり、導入と実験が直結します。材料はホームセンターで数百円。（甲斐さんの開発教材）
• 同体積そろえ比較装置。ガラス管に色水・寒天で水と空気を、銅棒とあわせて同じ長さで並べ、温めると「空気＞水＞金属」の伸びの差が棒グラフのように見える。（甲斐さんの開発教材）
• 拡大・可視化の小道具。空気は石けん膜や細管の中の液で拡大。水は示温インクや約60℃で白くにごる示温柔軟剤で変化を見せる。（佐伯英人・木村ひろみ 2018）
• サーモグラフィ動画で熱の広がりを見せる導入補助も。

04問題解決・深い学びの仕掛け

• 結果の予想を必ず書かせる。実験前に「どうなると思うか＋その理由」をノートに→ペアやグループで実験方法の妥当性を検討する。（大阪府案）
• 逆に考えさせる活用問題。「通らないB輪に、どうやって玉を通す？」→玉を冷やす派と輪を温める派に分かれて検証。学んだ性質を使う場面になる。（大阪府案）
• あえて理由を問い直す。結果に対して「なぜ？」を追究し、事象と原理を結ぶ。（埼玉県の深い学びの事例）
• 見通しをもたせる。やる前に結果の見通しを言葉にすると、考察が深まる。（みんなの教育技術「理科の壺」）

05生活とつなぐネタ

• 線路・鉄橋のつなぎ目のすき間／夏にすき間が詰まると危ない
• 電線が夏にたるみ、冬に張る
• 金属ふたの開け方（温める）
• 鉄道のレール、エッフェル塔が夏に伸びる
• 発展：バイメタル（伸びの違う2つの金属を貼る）→ 温度計・こたつ・アイロンのサーモスタット

06「こう考えたら面白いかも」1時間プラン例

ここまでのヒントを、金属の1時間（本時）に組んでみました。これが正解ではありません。「線路のつなぎ目」で入り、「湯→炎」で驚かせ、「B輪に通すには？」で使う。導入・実験・活用が一本でつながる流れです。

この記事の教材研究メモ（先行事例40件超の一覧）をもとに、School Stock が要約・再構成しました。図はすべて自作です。教科書の本文・図版、児童の情報は含んでいません。