小学3年生から始まる理科は、自然の仕組みや自然のなかに隠れている法則性などを、科学を用いて解き明かす学問です。さまざまな生きものの性質、身の回りの現象から宇宙に関する分野まで、知れば知るほどワクワクできて勉強しがいのある教科だと言えます。しかし、理科を学び始めて間もない小学3・4年生の段階で、苦手意識を持ってしまう子どもは少なくありません。小学生を対象とした実験教室「サイエンス・ラボ」代表の倉橋修さんによると、理科が苦手な子の多くは実物を見る経験が少なく、教科書だけで理解しようとしてつまずくのだそうです。そこで、倉橋先生に理科の苦手意識を克服できて、工作力もアップする夏休みの自由研究テーマを教えていただきました。小学3・4年生の夏休みの自由研究にぴったりな「スカイスクリューの研究」と「ポンポン船をつくろう」を動画付きでご紹介します。理科が好きな子はもっと楽しく、苦手な子には理科が好きになるチャンスになると思います。3・4年生は理科が始まったばかり、早い段階で好きになるきっかけをつくってあげたいですね。「スカイスクリューの研究」と「ポンポン船をつくろう」の自由研究、ぜひトライしてみてください!
サイエンス・ラボ 代表
名古屋市で小学生を対象とした実験教室サイエンス・ラボを主宰。
慶応義塾大学卒。一般企業で勤務した後、約25年間、河合塾で理科を教え、独立。中日新聞「こどもウィークリー」の理科ワンダーランドを2013年まで執筆。
YouTubeで、理科の実験と授業を融合させた動画を配信中。視聴回数1,100万回、チャンネル登録者52,000名。多くの中学受験生の理科勉強のバイブル動画になっている。現在は、オンラインでも理科教室を開催。理科の全単元を実験動画にし、中学受験の理科勉強を短時間で楽しくできるようにしている。
サイエンス・ラボ：http://science-labo.com/
実験教室「サイエンス・ラボ」代表の倉橋修です。実験や観察を通して、子どもたちが理科を楽しく学べるような授業をおこなっています。理科という教科は、用語や公式をただ覚えるだけでは何の面白みもありません。自分の目で観察して、自分の手で実験してみる。実物を使って楽しみながら、原理や法則を理解していくのが理科の醍醐味なんですね。身近なものの“謎を解き明かす”という理科の面白さを知らないまま、苦手意識を抱いてしまうのは非常にもったいないことです。そこで、小学3・4年生がつまずきやすい単元のなかから、理科が好きになるような夏休みの自由研究テーマを紹介しましょう。私の教室でも子どもたちに人気の実験なので、きっと楽しくできますよ!
目次
１．【小学3・4年生向け】理科の苦手克服&工作力が上がる夏休みの自由研究①スカイスクリューの研究
２．【小学3・4年生向け】理科の苦手克服&工作力が上がる夏休みの自由研究②ポンポン船をつくろう
３．理科のプロ直伝! 苦手克服&工作力が上がる夏休みの自由研究 まとめ
【小学3・4年生向け】理科の苦手克服&工作力が上がる夏休みの自由研究①スカイスクリューの研究
小学3・4年生向けの夏休みの自由研究テーマ、ひとつ目は「スカイスクリューの研究」です。学校の授業では小学3年生「風やゴムのはたらき」に該当します。この単元は教科書や言葉だけで理解するのは難しく、授業で先生の話を聞いても「何を言っているのかわからない……」とつまずいてしまう子が多いんです。私の理科実験教室では、実際にスカイスクリューをつくって飛ばす授業もおこなっていて、男女問わず子どもたちは興味津々で楽しんでいます。授業でつくったものを持ち帰って、公園で飛ばして遊んだという話もよく聞きますね。外で遊ぶことが少ない子にも良い経験になりますし、楽しいと必然的に学びのモチベーションも上がるので、夏休みの自由研究にオススメなテーマです。また、中学入試でスカイスクリューは難問とされていますが、実際につくって飛ばす体験をすることで理解度がグッと高まるはずですよ。
スカイスクリューの研究は、工作力の向上にもつながります。小学3・4年生は“ものづくり”が好きな年頃ですが、決して上手とは言えない子が大半です。スカイスクリューづくりは、はさみや両面テープを使う、輪ゴムを結ぶなど工作の基本作業が適度にあり、ものづくりのスキルアップも期待できます。
スカイスクリューを実際につくって飛ばしてみるという体験のなかで、「どうすればもっとよく飛ぶのか?」「横に飛ばしたらどうなる?」など、さまざまな疑問が自然に浮かんでくるはずです。飛ばなかったら「どこが間違っているのか?」と原因を探ることもあると思います。自分で手を動かして実験することで、教科書や参考書を読むだけでは身に付きにくい、課題解決の力も育まれることでしょう。
【スカイスクリューの研究】用意するもの
●用意するもの
・スカイスクリューのキット（2セット以上）
・工作用紙（厚紙） or スチレンボード（厚さ1〜2ミリ）
・はさみやカッター
・両面テープ or 木工用ボンド
スカイスクリューは、プロペラの部品や羽などが一通り入っている市販のキットでつくります。今回は「スカイスクリューの研究」としていろいろな実験をするので、説明書通りに作成する用とアレンジ用で、少なくとも2セット以上のキットを準備しましょう。スカイスクリューのキットはハンズなどの雑貨店や、インターネットなどで購入できますよ。工作用紙（スチレンボード）は、スカイスクリューの羽のアレンジ用に準備します。工作用紙で作った羽は、両面テープを使えばスカイスクリュー本体の木材部分にしっかり貼り付けられます。
【スカイスクリューの研究】スカイスクリューの実験と飛ぶ原理
スカイスクリューの飛ぶ原理についても考えてましょう。動画の15:29～はアレンジ実験の結果も紹介しているので、「まずは自分で実験して、結果を確かめたい!」という場合は後からチェックしてください。
実際にスカイスクリューを飛ばすときは、できるだけ風のない日を選びましょう。スカイスクリューで起こした風以外の影響があると正確な研究結果が得られません。飛ばして遊ぶだけなら風が吹いていても良いのですが、実験をする際は風がない状態がベストです。
では、なぜスカイスクリューが空を飛ぶのか? プロペラの原理とともに解説しましょう。スカイスクリューのプロペラは、ゴムを巻いた反動で回転します。ゴムはねじられて形を変えることで、エネルギーを貯める性質があるからです。輪ゴムを引っ張って、手を離すと勢い良く元に戻りますよね。その元に戻るときの力が、プロペラの回転エネルギーになります。
ゴムの力で反時計周りに回転したプロペラの下面に空気が当たり、下方に向かって風が起こります。実際に回して、風が下に吹いているのか確認してみましょう。プロペラを逆回転（時計回りに回転）させた場合は、上の空気を押すので飛ぶことはできません。プロペラが回転して空気を押し、空気がプロペラを押す。いわゆる「作用・反作用」の関係ですね。作用・反作用は中学校の内容ですが、仕組みだけでも頭に入っていると、授業で習ったときも理解しやすいでしょう。
●羽のないスカイスクリューを飛ばしてみよう
スカイスクリューが飛ぶとき、プロペラの下にある三角の羽はゆっくり回転しています。プロペラが回って風が起こることがわかったら、なぜ三角の羽が必要なのかを考えていきましょう。実際に三角の羽を付けずにスカイスクリューを飛ばしてみると、本体の棒が激しく回転してほとんど上には飛ばず、地面に落ちます。この結果から、しっかり飛ぶためには羽が必要だとわかりますね。
では、なぜ三角の羽がないと飛ばないのでしょうか。その理由は、プロペラが回転すると本体が“逆回転”してしまうからなんです。この仕組みについては、くるくる回るタイプの椅子でも確かめることができます。椅子に座った状態で足を上げて、上半身を左右に揺らすと足は逆方向に動きますよね。これと同様のことがプロペラにも起きていて、三角の羽がないと本体（軸の棒）が激しく逆回転し、プロペラの回転を打ち消してしまうのです。つまり、三角の羽による空気抵抗を利用して、できるだけ本体が逆回転しないようにすることでプロペラが効率良く回り、スカイスクリューがしっかり飛ぶんですね。
プロペラが回転するとき、軸となる部分には必ず反対に回転する力が働くので、ドローンのプロペラは偶数ですし、プロペラ機やヘリコプターも羽が偶数、または「テールローター」と呼ばれる小さなプロペラが付いていて、逆回転を防ぐようになっています。時計回り・反時計回りのプロペラを同数取り付けることで、本体が回転することなく空を飛べるんですね。ちなみに皆さんご存知のアニメ「ドラえもん」に出てくる「タケコプター」は、プロペラの理屈からすると付けた人が逆回転しちゃいます（笑）。なので、実際にタケコプターで飛ぶドラえもんのおもちゃは、プロペラが二重の仕様でつくられているんですよ。興味があったらインターネットなどで探してみてくださいね。
【スカイスクリューの研究】スカイスクリューを変身させると飛び方も変わる? アレンジ実験例
飛ぶ原理がわかったら、次はスカイスクリューにいろいろなアレンジを加えて実験してみましょう。今回は私が実際におこなった例を紹介しますが、ほかにも思いついたアレンジがあればどんどん試してみてください。以下の実験結果は、動画の15:29～確認できます。
●実験①重さを変える
通常のスカイスクリューと、羽にクリップを付けて重さを変えたときの飛び方を比べてみましょう。スカイスクリューごとの重さを計って、飛び方の違いを観察してみてください。羽にテープ跡を残したくないときは、クリップに両面テープを貼ってから羽につけると、後でキレイにはがせます。
●実験②三角の羽の向きを変える
空気抵抗で機体の回転を減らすための三角の羽ですが、向きを変えると飛び方は変わるでしょうか? 工作用紙でつくった羽で、それぞれ実験してみましょう。
●実験③羽の形を変える
スカイスクリューの基本形は三角の羽を使いました。では、羽を四角形にしてみると飛び方は変わるのでしょうか? この実験のポイントは、正しく比較できるように三角の羽と同じ面積（重さ）でつくること。工作用紙を使う場合、方眼なので面積を基準に切った方がつくりやすいと思います。羽を貼り付ける位置をずらしたり、四角形を縦にしたりといろいろ変化させながら実験し、飛び方の変化を観察してみてください。
【スカイスクリューの研究】自由研究のまとめ方&調べ学習
アレンジしたスカイスクリューを飛ばすとき、家族やお友達にお願いして、動画撮影してもらうのも良いですね。飛び方の違いを見返せるので、スケッチしたり疑問を調べたりするときに役立つと思います。スカイスクリューごとの飛び方の違いなどをまとめれば、立派な夏休みの自由研究になることでしょう。
また、スカイスクリューの研究をさらに発展させるなら、身近なプロペラについての調べ学習もオススメ。扇風機やハンディファン、換気扇などのプロペラの形や傾き、枚数などを観察してみましょう。プロペラの傾きと、どちらに回るとどちらに風が吹くのかがポイントです。デスクトップのパソコンで使われている冷却ファンの仕組みを調べるのも良いですね。生活のなかにあるプロペラについて、いろいろと調べてまとめるのも面白いですよ。
【小学3・4年生向け】理科の苦手克服&工作力が上がる夏休みの自由研究②ポンポン船をつくろう
小学3・4年生向けの夏休みの自由研究テーマとして、「ポンポン船」も紹介します。ポンポン船とは水蒸気で動く船で、昔の子どもが親しんだおもちゃの一種です。1960年代には、学研の子ども向け雑誌「科学と学習」に付録として登場したこともありました。そんなポンポン船ですが、今ではほとんどの小学生が知りません。せっかく水蒸気の原理を楽しく学べるのに、滅んでしまうのはもったいない! ぜひ今の小学生たちにもつくってほしいと思います。
水蒸気について、理科では小学校4年生の単元「水のすがた」で学習します。実はこの単元、知識として理解はできても面白みがないと感じている子が多いんです。さらに、水から水蒸気に変化するときの力がいかにすごいものなのか、どのように利用されているのかを知っている子もほとんどいないんですね。
水が水蒸気に変化すると、なんと体積は約1700倍になります。この力はすさまじく、山を吹き飛ばすこともあるんです。日本では1888年の磐梯山、2014年の御嶽山でそれぞれ地下水にマグマが貫入して水蒸気爆発が起きています。また、18世紀から19世紀にかけての産業革命は、水蒸気の力を利用して生産力が飛躍的に上がった出来事でもあります。蒸気機関の発達で織物の大量生産が可能となり、蒸気船や蒸気機関車が生まれ、社会や人々の暮らしを一変させました。ペリーの黒船も、基本の原理はポンポン船と同じで、水蒸気の力が大いに関わっているんですよ。ぜひ、一から手づくりした船を動かして「水蒸気ってすごい!」と実感してみてください。
【ポンポン船をつくろう】用意するもの
●用意するもの
・アルミパイプ（直径3ミリ）
・カッター or 金属ヤスリ（アルミパイプのカット用）
・カセットコンロ or ガスコンロ（ガスコンロの場合、餅を焼くような網が必要）
・軍手
・ペン
・発泡スチロール板（縦7センチ、横15センチ、高さ1センチ）
・千枚通し
・5分ろうそく
・画鋲と厚紙
・スポイト
アルミパイプはホームセンターやインターネットで購入できますが、大体は1メートルで売られています。今回のポンポン船で使用するのは30センチほどあれば良いので、残りはアレンジ用に使いましょう。カッターで切れ目を入れれば簡単に折れますし、金属ヤスリで傷を付けてポキっと折ってもOK。アルミパイプの断面が潰れたときは、千枚通しなどで穴を広げ、元のかたちに戻してくださいね。
直径3ミリのアルミパイプを使う理由は、4ミリ以上のものは硬くて子どもの力で加工するのが難しいからです。ポンポン船のパワーは3ミリと4ミリではさして変わらないので、加工しやすい直径3ミリの太さを選びましょう。
今回はポンポン船の船体に発泡スチロール板を使いましたが、ある程度厚みがあって水に浮くものであれば、ほかの素材でも大丈夫です。異なる素材でつくったポンポン船の速度などを比較するのも、面白い自由研究になるかもしれませんね。
【ポンポン船をつくろう】つくり方と実験の注意点
素材や道具を用意したら、さっそくポンポン船をつくってみましょう。つくり方のポイントや注意点なども紹介するので、動画とあわせて参考にしてください。
●アルミパイプを熱してやわらかくする
まずはポンポン船の要と言えるアルミパイプを加熱してやわらかくしましょう。カセットコンロの網にアルミパイプを置いて、弱火で数分間熱します。熱した箇所はかなり熱くなるので、必ず軍手を着用してください。熱する位置は変形させる中央と両端の部分で、それぞれの部位をだいたい3分間ずつ加熱すると良いですね。火を止めたあと、網に置いたまましばらく放置しておくと、アルミパイプがやわらかくなります。このとき、アルミパイプを急激に冷やすと硬い状態に戻ってしまうので、網以外の場所に置いたり、水につけたりはしないようにしてください。放置するだけでOKです。
●アルミパイプを変形させる
網の上でアルミパイプを冷ましたら、ペンを使って変形させていきます。アルミパイプの真ん中に印を付けたら、そこを軸にぐるりと回転させて、上図のように“円形”をつくりましょう。つくり方がわかりにくい場合は、動画の5：52～をチェックしてください。小学3・4年生であれば自分でできると思いますが、私の理科実験教室の生徒たちを見ていると上手にできない子もいますので、親御さんがサポートしてあげてくださいね。
●発泡スチロール板に穴を開ける
ポンポン船の船体となる発泡スチロールに、アルミパイプを通すための穴を開けます。穴は2か所必要なので、パイプを当てて印を付けると良いでしょう。パイプを差し込む方向に合わせて、斜めに穴を開けるのがポイントです。
●アルミパイプを通して再び変形させる
発泡スチロール板に穴を開けたら、アルミパイプを斜めに通しましょう。船体とパイプの端が合わさるところまで差し込みます。
パイプを通したら、次は変形です。ポイントは、アルミパイプを曲げるときに船体の穴が広がらないようにすること。船体の表面と裏面それぞれのパイプを指で押さえ、上図のような形になるよう曲げてください。少し難しいので、動画の8:38～をよく見ながらやってみましょう。
船体の裏面に出ているパイプも、船体にくっ付くように曲げます。もし曲げた箇所と船体の間がガタガタするようなら、ビニールテープなどでとめると安定しますよ。
●ろうそくを立てる
船体にろうそくを立てるため、厚紙に画鋲を貼り付けたものを用意します。ろうそくの熱で発泡スチロールの船体が溶けるのを防ぐために厚紙を使うんですね。貼り付ける位置は、パイプが円形になっている部分の下。とくに、先端のパイプが二重になっている場所に火が当たるようにするのがベストです。
●ろうそくに火をつけてポンポン船を動かしてみよう
手づくりポンポン船を完成させたら、スポイトなどでアルミパイプに水を入れ、水に浮かべてろうそくに火をつけます。ライターがやりやすいのですが、最近はチャイルドロックが掛かっているタイプがほとんどで、小学生の握力ではつけられないかもしれません。その際は、親御さんが火をつけてあげましょう。動画では小さなトレーを使用しましたが、お風呂や家庭用のビニールプールなど、できるだけ広い場所で実験するのがオススメです。
実験中は、ろうそくに熱せられた状態のアルミパイプを絶対に触らないでください。私の理科実験教室でも毎年ポンポン船をつくりますが、熱くなったパイプをつい触ってしまう子がけっこういるんですね。火傷しないか毎回ハラハラしながら見守っています。また、船を持ち上げるとパイプの中に空気が入ってしまい、動かなくなってしまうので注意しましょう。持ち上げて動かなくなった場合は、スポイトなどでパイプの中に再び水を入れれば稼働しますよ。
ポンポン船が動く理由とは?
ポンポン船が動く理由についても解説しましょう。まずパイプの中に入れた水が加熱されて水蒸気に変化し、体積がとても大きくなります。すると、パイプの中の水が後ろに押し出された勢いで、船が前に進むわけです。火の位置から離れた水蒸気の一部は冷えて水に戻り、体積が小さくなるので水を吸い込みます。再び最初の状態になって水が押し出されるので、火が消えるまで船は動き続けるんですね。ポンポン船を実際につくって動かすことで、水蒸気のはたらきが船体にどのような影響を与えるのか、目で見て理解できると思います。
【ポンポン船をつくろう】自由研究のまとめ方とアレンジ実験&調べ学習
ポンポン船を手づくりしたら、水蒸気のはたらきや水のすがたの変化などを調べ、まとめてみましょう。夏休みの自由研究をさらに発展させるなら、ポンポン船の速度を上げる工夫をしてみるのも面白いですね。もう少し長いアルミパイプを使って“円形”の数を増やしてみる、船体を水の抵抗が少ない形状にするなど、さまざまな方法が考えられます。速さには火力も関係するので、芯が太いろうそくで実験してみるのも良いですね。ぜひいろいろなパターンのポンポン船をつくって速度の違いを観察し、なぜ速くなったかなどを調べてまとめてみてください。充実した夏休みの自由研究になるはずですよ。
ポンポン船で水蒸気についての理解が深まったら、身の回りにある水蒸気の力について調べてみるのもオススメです。たとえばポップコーンは、粒の中の水分が水蒸気になることでできるお菓子です。水蒸気の力でコーンが破裂するわけですね。私の理科実験教室では、ポンポン船の実験の後、ポップコーンづくりもしています。ビーカーに油を引いてコーンを入れて加熱すると、ポンポンと弾けてポップコーンができるんですね。できれば耐熱ガラス容器で中の様子を観察しながらつくると良いでしょう。できたてのポップコーンはとても美味しいので、ぜひお家でもやってみてください。
市販のお菓子でも、ポップコーンと同じ原理でできているものがたくさんあるので、探してみるのも面白いと思います。水蒸気を利用した蒸し料理についても、煮たり焼いたりする調理とは何が違うのか、調べて考えるのも興味深いトピックです。また、最初に触れたヨーロッパの産業革命や、日本の産業と蒸気機関についてなど、歴史の面から調べてみても知識の幅が広がるはずです。ぜひ、いろいろな視点から調べ学習をしてみてくださいね。
理科のプロ直伝! 苦手克服&工作力が上がる夏休みの自由研究 まとめ
小学3・4年生向けの夏休みの自由研究テーマとして、3年生理科の「風やゴムのはたらき」の知識をつけられる「スカイスクリューの研究」と、4年生理科の「水のすがた」の知識をつけられる「ポンポン船をつくろう」をご紹介しました。理科が好きな子も苦手な子も、新しいことにチャレンジすることで楽しみながら学びの意欲を高め、知的好奇心を育めると思います。今はインターネットに情報が充実していて、気になる実験の動画などがすぐに見られる時代です。しかし、自分でやってみる面白さは何物にも代えがたいもの。実物に触れることでもっと理解が深まりますし、じっくり工作をすることで我慢強さも培われるでしょう。自由研究に取り組むことで、付き合い始めた理科に興味・関心を持ち、好きを深めてもらうきっかけにできると思います。今回は基本的な部分とともにアレンジ例も挙げましたが、新たな疑問が生まれたらどんどん自分なりに実験して、より良い夏休みの自由研究にしてくださいね。
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