［高専教育，第 26 号，pp.345-350，2003.3］ 学校教育における ブリッジコンテストの実施方法と評価方法に関する研究 吉田雅穂※ 1 高橋佳代※ 2 （福井工業高等専門学校） Study on Rules for Model Building and Judging Criteria of Bridge Model Contest in School Education Masaho YOSHIDA Kayo TAKAHASHI (Fukui National College of Technology) The object of bridge model contest is to construct a bridge that is aesthetically pleasing and maximizes the ratio of the load carrying capacity to bridge weight. This contest has been held at some schools because it is a lot of fun and any other special skills are not needed to compete. However, there are various rules for model building and method for judging bridges in each contest. Therefore, it is very difficult to find the appropriate rules and methods in accordance with the level of students' skill. A questionnaire survey to educational institutions, loading test using bridge models and statistics analysis using data obtained from past contests were conducted to suggest the rule and method of contest which was corresponded with the educational goal of the school. As a result, some factors which influenced the strength and aesthetics of bridge model became clear. Furthermore, some noteworthy matters to judge model bridges were pointed out. KEYWORDS: school education, civil engineering education, bridge model contest １．はじめに テーマの一つであり，学生が楽しみながら能動的 に取り組める要素があることから，実践的教育方 昨今の教育改革の流れのなか，理工系学校では 法として高く評価されている。 ｢ものづくりを通じた創造性教育｣の重要性が指摘 国外では北米で古くから盛んに行われており， されており，特に近年ではコンテスト形式のもの 例えばイリノイ工科大学が中心となり開催してい づくり教育が盛んに行われている。例えば，機械系 る国際大会は今年で第25回の歴史を誇る。一方，国 ではロボットコンテスト，情報系ではプログラミ 内では例えば熊本大学において，平成4年度より橋 ングコンテストなどであり，土木系ではブリッジ の強度と美しさを競い合うコンテストが行われて コンテストが実施されている。 おり，その後も多くの教育機関においてカリキュ このブリッジコンテストは，ある定められた材 ラムに組み込まれている 1),2),3),4)。 料と作製条件の下で，参加者の創意工夫で橋梁模 この様に，ブリッジコンテストは国内外の中等・ 型の設計と作製を行い，その強度を参加者同士で 高等教育機関における理工系の授業や実験実習， 競い合うものである。土木系の実験実習カリキュ または学校行事などで開催されているが，その実 ラムの中で，構造物の完成形を作製する数少ない 施方法は各校独自のルールで行われており様々で ※ 1 環境都市工学科 [email protected]，※ 2 専攻科環境システム工学専攻 2 写真１ 橋の作製に使用する道具と材料 ある。したがって，今後このコンテストを実施した い学校においては，設定した教育目標に応じてど の様なルールで行い，得られた結果をどの様に評 価すべきかについて不明の点が多いと考えられる。 そこで本研究では，まず，教育機関に対するアン ケートを実施し，国内におけるブリッジコンテス 写真２ 強度試験の概要 トの実施状況に関する調査を行った。つぎに，強度 試験の影響因子に関する模型実験，および本校に おけるコンテストの結果を利用した評価項目の分 下におもりを入れる容器を吊り下げる。おもりは 析を行い，各種提案されているコンテストの実施 重さの定められた鋼製のボルト，ナット，ワッ 方法と結果の評価方法の有用性または問題点につ シャーの3種類を適宜選択して容器に投入し，容器 いて検討を行った。 の下に設置したダイヤルゲージ式変位計でおもり を加えた際の変位を計測する。そして，完全に落橋 するまでおもりを投入していく。 ２．本校におけるコンテストの概要 評価項目は外観，経済性，強度の 3 要素であり， 本校のコンテストは，環境都市工学科3学年後期 外観は参加者全員による投票の得票点数の多いも の都市工学実験実習（3 単位）の授業を利用して の，経済性は橋の自重の軽いもの，強度は強度試験 行っている。約 40 名のクラスを 6 班に分け，各班 における最大耐荷重量の大きいものを上位とする。 の約7名全員が1橋づつ作製し班内で競い合う形式 なお，本校では橋の最大耐荷重量を橋の自重で除 である。第 1 週に講義，設計，作製を行い，第 2 週 した値を C P 値( コストパフォーマンス値)と定義 にコンテストを実施する。 し，外観と CP 値の順位に応じた評価点を合算した 橋の材料は 4 × 80 × 600mm のバルサ材（カワイ 点数によりコンテストの総合評価を行っている。 ウッド）であり，貸与したカッター，カッターマッ ３．アンケートによる事例調査 ト，500mm 定規を用いて 4mm 角の部材を 20 本作製 し，橋を組み立てる（写真１参照） 。作製条件は橋 長 600mm，支間長 500mm とし，接合部のみに接着剤 国内でのブリッジコンテストの実施状況，およ （セメダインC）を塗って部材を接合する。なお，部 び実施方法や評価方法を調べるためアンケートを 材を2本以上重ねて接着することは不可とし，橋軸 実施した。調査対象は県内外の中学校，高校，高専， 方向に幅 50mm，高さ 20mm，長さ 600mm の空間を確 大学，専門学校の計 71 校であり，43 件の回答を得 保することを要求している。 て回収率は約 61％であった。このうち高専の土木 強度試験は，写真２に示すように支点上に置い 系学科に着目すると，本校を含む回答のあった 21 た橋模型の支間中央部に載荷棒を取り付け，その 校のうち，表１に示す 10 校でコンテストが実施さ 3 表１ 各高専のコンテスト実施状況 苫小牧高専 形式 授業 開始年度 平成１３年 目的 環境都市工学応用実験 対象 高専4年生 バルサ材…3×3mm，3×15㎜ 材料 ベニヤ板…2×50×560㎜，1枚 木工用ボンド，釘 支間長…500㎜ 幅員…50㎜ 作製条件 群馬高専 授業 平成１３年 設計製図 高専4年生 2 ケント紙…260g/m ，B3，5枚以内 長岡高専 授業 平成８年 環境都市工学実験 高専４年生 段ボール･･･50×100㎜，１枚 木工用ボンド 橋長…350㎜以上 幅員…30∼90㎜ 高さ…無制限 木工用ボンド 支間長…500㎜ 高さ…支点の上下150㎜以内 強度試験 支間中央に載荷 ①破壊荷重÷模型重量 評価方法 ②（破壊予測値−破壊荷重）÷破壊荷重 ③構造的美観 支間中央に載荷 ①最大荷重 ②最大荷重÷自重 支間中央の橋の上面にジャッキで載荷 ①最大荷重 松江高専 形式 授業 開始年度 平成１２年 目的 設計（ 橋梁工学） の授業課題 対象 高専4年生 ケント紙…A3 材料 木工用ボンド 橋長…200㎜ 大分高専 授業／公開講座 平成８年 実験実習／アイデアと軽くて強い橋 高専5年生→１年生／小中学生 バルサ材…5×5×900㎜，約8本 福井高専 授業／公開講座 平成１２年 都市工学実験実習／橋をつくってみよう 高専3年生／中学生 バルサ材…4×4×600㎜，20本 木工用ボンド 橋長…600㎜ 支間長…500㎜ 高さ…100㎜以内 幅員…800㎜以内 支間中央にジャッキで1点または2点載荷 セメダイン 橋長…600㎜ 支間長…500㎜ 幅員…50㎜ 橋軸方向に20×50×600㎜の空間 支間中央におもりで載荷 ①最大耐荷重量÷橋重量 ②外観 設計条件 強度試験 支間中央に載荷 ①強度 評価方法 岐阜高専 形式 公開講座 開始年度 平成１３年 目的 橋の種類と強さを体感させる 対象 中学生 厚めの紙…A3，1枚 材料 セロテープ 支間長…100㎜と200㎜ 幅員…10㎜と20㎜ 設計条件 単純桁とアーチ 強度試験 支間中央に鉄球（1g） で載荷 ①重りの量 評価方法 1.5 ①耐荷力÷(橋の重量） ②外観 高知高専 公開講座 平成１２年 ちからとかたち 小中学生 発泡スチロール…100×80×1000㎜ 発泡スチロール…200×20×1000㎜ 幅広両面テープ 橋長…1000㎜ 支間長…800㎜ Ｔ形はり 200㎜間隔の2点におもり（2kg2個）で載荷 ①重りの量 徳山高専 形式 土木の日の行事 開始年度 平成１３年 目的 レッサ-パンダが遊ぶ橋をつくる 対象 一般市民 間伐材…φ60×600㎜，50本 材料 接合方法自由 橋長…1500㎜ 幅員…600㎜ 設計条件 強度試験 評価方法 4 大阪府立高専 公開講座 平成１１年 橋の強さの仕組みを調べる 中学1年生 ケント紙…A2，１枚 木工用ボンド，リップのり，ホッチキス 支間長…500㎜ 支間中央におもり（ 200g） で載荷 ①耐荷重 れており，そのうち6 校が授業，残りは公開講座や 間隔の支点上に設置してトラス上部から載荷する 行事等で実施する形式であった。授業としては古 強度試験を行った。その結果，貼り付け型では各接 くは平成8年度から実施されており，高学年の実験 合部で剥離が生じ，乗り付け型では部材が折損す 実習を利用する場合が多かった。なお，実施してい る破壊パターンが確認できた。最も大きな耐荷重 ない 11 校のうち 7 校で今後実施してみたいという 量を示したのは(f)合掌乗り付け型であり，他の形 回答があり，その関心が非常に高いことがわかる。 状の 1.5 倍から 3 倍程度の強度であった。 表１より授業形式で実施している6校の実施要領 上記の結果を基に，橋模型を作製する場合に推 を整理すると，材料としては木材と紙の2種類があ 奨できる接合形状の一例を図２に示す。これは，橋 り，紙はケント紙と段ボール，木材はバルサ材とベ の種類としては垂直材を持つワレントラスに相当 ニヤ板であった。接着剤は，本校以外は全て木工用 するものである。ちなみに，過去2年間の本校のブ ボンドであった。なお，公開講座の場合は主に小中 リッジコンテストにおいて歴代 1 位の CP 値（522） 学生を対象としているため，紙やセロテープのよ を記録した橋は，写真３に示すようにこの接合形 うに作業性の良いものが利用されているようであ 状を利用したものであった。この接合は，接合面の る。また，橋長または支間長は 200mm から 600mm で 角度を正確に加工する必要があるため作製の手間 あり，材料が紙の場合には短い傾向にある。 は増えるが，強度を高めるための技術として大変 評価方法は耐荷重量が基本であるが，耐荷重量 重要なことである。したがって，接合部の不具合に ÷自重，耐荷重量÷自重の1.5 乗，耐荷重量と予想 よる問題を解消するためにも，この様な基礎知識 値の差÷耐荷重量など様々な評価式が提案されて を参加者に事前に教授する必要があると思われる。 おり，それらを組み合わせて評価する学校もあっ た。また，外観を評価している学校が 3 校あり，そ ４．２ 接着材による影響 の材料はいずれも木材であった。これは，木材の方 接着剤として本校で利用しているセメダインＣ が紙よりもより実構造に近い模型が作製できるた （セメダイン(株)） ，他校でよく利用されている木 め，外観への配慮が十分行えるためと考えられる。 工用速乾ボンド（コニシ(株)） ，そして木工用アロ 以上より，低学年時において力学の基礎知識を ンアルファ（コニシ(株)）の 3 種類を準備し，前節 習得することを目的とする場合には，紙を用いた で接合部の剥離による破壊パターンを示した(e)合 工作で十分と考えられるが，実務を想定して橋の 掌貼り付け型のトラス模型を各接着剤を用いて作 外観と経済性を考慮しながら強度を競い合うコン 製し，前節と同様な強度試験を行った。その結果， テストを行う場合には，木材を用いた方がより教 セメダインよりもボンドとアロンアルファの方が 育効果が高いと思われる。 高い強度を示す傾向を示したが，明確な強度の差 は確認できなかった。 一方，接着作業に関しては，アロンアルファは乾 ４．強度試験の影響因子に関する検討 燥が速いため，部材を仮留めした後の位置変更の 強度試験では構造的な工夫により高い強度の橋 微調整が行えず，また，セメダインは粘性が高く作 模型を作ることを学生に要求しているが，過去の 業中に糸を引くなどして，部材接合面に丁寧に塗 コンテストを観察すると，構造部材の接合部の加 布できないという問題点が明らかとなった。した 工不良や接着剤の塗布不良により接合部が剥離し， がって，作業性の面に関しては接合面への塗布作 構造特性以外の要因で破壊する橋が数多く見受け 業に扱いやすいボンドが最適であり，販売価格の られた。そこで本章では，本来の強度試験の目的を 点に関してもボンドが最も低価格であった。以上 阻害する主要因と考えられる，部材の接合形状と より，木材を用いたブリッジコンテストに適した 接着剤の影響について模型実験により検討した。 接着剤は，木工用速乾ボンドであると言える。 ４．１ 接合形状による影響 ５．コンテストの評価方法に関する検討 橋模型にはトラス構造がよく用いられており， 過去の作品の接合形状を参考に，図１に示す 1 辺 ５．１ CP 値 60mmの6種類のトラス模型を作製し，下部材を45mm 橋模型の材料として利用されているバルサ材の 5 (a)交さ貼り付け型 (b)交さ乗り付け型 図２ 接合形状の推奨例 (c)支え貼り付け型 (d)支え乗り付け型 (e)合掌貼り付け型 (f)合掌乗り付け型 図１ トラスの接合形状 初期重量，すなわち密度が強度試験に与える影響 写真３ 歴代１位の CP 値を記録した橋模型 を明らかにするため，本校の平成 13 年度のコンテ ストの結果を用いて検討した。班単位のコンテス 番上昇と 7番下降であった。したがって，この重み トであるため班内でのばらつきを少なくするよう に関しては利用する材料の特性に応じて決定する 努めたが，学生に配布したバルサ材の初期重量は 必要があると思われる。 最小 15gf，最大 34gf，平均約 26gf と非常にばらつ いていた。図３は学生に配布したバルサ材の初期 ５．２ 結果の予想 重量と完成した橋の自重，また強度試験における 本校では強度試験の前に参加者自身が全ての橋 最大耐荷重量と CP 値の関係を示したものである。 の経済性と強度の予想を行っており，それをコン 同図より，完成した橋の自重は初期重量に依存 テストの結果と比較検討した。図４にその結果を しており，また，軽い橋では大きな耐荷重量は望め 示す。6 つの凡例で示されているように，これは班 ないことが分かる。しかし，CP 値で評価すること ごとの評価であるため全体としてのばらつきは大 により，軽い橋でも大きなCP値を得ることができ， きいが，橋の経済性すなわち軽さに関しては比較 より経済的で強度の高い橋を作ることを要求する 的予想されていることが分かる。 コンテストの評価式としては適当と考えられる。 一方，強度に関する予想は橋工学の授業を受け 一方，他校における CP 値の評価式では橋の自重 ていない低学年の学生と言うこともあり，非常に を 1.5 乗や 2 乗しているものがあるが，前述のよう 困難であることが見て取れる。すなわち，経済性で に完成した橋の自重は材料の初期重量に依存する ある材料の量は見た目で判断しやすいが，強度に ため，初期重量が均一でない木材を用いる場合に 関しては構造，接合部，材料密度など，様々な因子 は，分母にある自重の重みを大きくすることは極 を見た目で判断することが困難なためと考えられ 端に軽い，または重い橋の場合にその強度を過大 る。コンテストの評価方法に強度の予想結果を取 または過小評価することとなり，コンテストの公 り入れている学校もあるが，そのためには橋の強 平性が失われる恐れがある。 度に関する参加者の高い知識が必要と言える。な 本校の平成 1 3 年度のコンテストの結果を用い お，同図には外観の得票点数と強度との関係も示 て，この評価式の影響を調べた結果，41 名の参加 しているが，これより外観が悪くて強い橋はない 者の中で最も順位が変動したのは，1.5乗の場合に ことが読みとれ，高い強度を得るためには外観を は 10 番上昇と 6 番下降，2 乗の場合には同様に 18 意識しながら丁寧に作製することを指導する必要 6 16,000 30 14,000 20 15 10 500 400 10,000 CP値 25 600 12,000 最大耐荷重量（gf） 橋の自重（gf） 35 8,000 6,000 200 4,000 5 100 2,000 0 0 0 10 20 30 300 40 0 0 10 材料の初期重量（gf） 20 30 40 0 10 20 橋の自重（gf） 30 40 橋の自重（gf） 図３ 橋の重量と強度の関係 軽い 30 最大耐荷重量（ｇｆ ） 25 橋の自重(gf) 弱い 16,000 20 15 10 5 0 強い 14,000 14,000 12,000 12,000 10,000 8,000 6,000 10 20 30 40 50 60 10,000 8,000 6,000 4,000 4,000 2,000 2,000 0 0 0 良い 悪い 16,000 最大耐荷重量（ｇｆ ） 重い 35 0 10 経済性の得票点数 20 30 40 50 0 60 10 20 30 40 50 60 外観の得票点数 強度の得票点数 図４ コンテストの予想と結果の関係 があると思われる。 行先生，熊本大学工学部の崎元達郎教授，金沢大学 工学部の北浦 勝教授ならびに宮島昌克教授より ６．おわりに 大変貴重なご意見を頂きました。ここに記して厚 くお礼申し上げます。また，アンケート調査に対し 以上，アンケート調査，模型実験，および本校の 貴重なご意見を賜りました各学校の先生方に心よ コンテスト結果の分析により，本校および他校に り感謝申し上げます。なお，本研究は平成 13 年度 おけるブリッジコンテストの実施方法と評価方法 高等専門学校教育改善充実費の補助を受けて実施 に関する検討を行った。その結果，各方法において されたものであり，関係各位に謝意を表します。 今後改善すべき点などを明らかにすることができ た。今後は，様々な教育目標に応じたコンテスト実 参考文献 施要領を提案し，将来的には北米で実施されてい るような全国規模のブリッジコンテストを日本で １）Chantawarangul, K.：カセサート大学にお も開催できるよう関係機関に働きかけていきたい ける子供ブリッジコンテスト，土木学会誌， と考えている。 Vol.81，No.12，pp.58-59，1996． なお，本校のブリッジコンテストの詳細は以下 ２）山口栄輝，稲森誠一郎，久保喜延，加藤九州 のウエブサイトで公開しているので興味のある方 男：ブリッジコンテストの試み，土木学会西部 は是非ご覧願いたい。 支部研究発表会概要集，pp.30-31，1996． http://toshichan.be.fukui-nct.ac.jp/yoshida/bridge/ ３）沼田和也：中学校の授業で実施した「ブリッ ジコンテスト」 ，土木学会誌，Vol.83，No.10， 謝辞 pp.49-50，1998． ４）塩野計司：段ボールの橋−高専でもブリッジ 本研究を遂行するにあたり，長岡工業高等専門 コンテスト−，土木学会誌，Vol.85，No.3， 学校の塩野計司教授，日本航空専門学校の谷村康 pp.47-49，2000． 7
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