6 特集 7 2 サイエンスネット 55 号 特集 2 物理の定性的な実験を取り入れたアクティブラーニング型授業 福井県立若狭高等学校 教諭 野坂卓史 1. はじめに 平成 19 年に改正された学校教育法において，「基 す。 （『初等中等教育における教育課程の基準等の在り 礎的な知識及び技能」 ，「これらを活用して課題を解 方について（諮問）』文部科学省，平成 26 年 11 月 決するために必要な思考力・判断力・表現力等の能 20 日） 一方的な受け身の授業ではなく，実験を行うことで 根号 12Q 学習者も能動的に学ぶことができるように配慮して いる。まず，学習者にある物理実験の条件を問題と m して提示し（3.2 節参照） ，結果を予想させる。各自 2 2 の予想について，学習者同士で意見交換や議論を 行った後，実際に教員が演示実験を行って結果を教 繰り返した。この後，物理現象を数式で一般化し， 根号 （分数）12Q 根号（分数） 10Q 根号（分数）12Q根号 12Q 数式が実験結果をよく説明すること （この場合は， mm 2 ─ 1 m 2 ─ 1 m ─ ─ T ＝ 2π ─ k─ kを確 2 k k より，T 2 が m に比例すること） 認した。このような，問題 実験を伴う 1 1 2 ・ 2 予想・討論・ 1 ─ 1 2 3─ ─ ─ 2 2 2 2 一連の問題を，各分野について考案し，実施した。 7 31 橋本コメント： 今度は，ばねの一端に同じおもりをもう 1つ 12Qのものと10Qのものを作成しました。 12Qのものと10Qのものを作成しました。 ついて同様のことを行う。法則性を確認できるまで 図版扱いで， 文章中に挿入してください。 取り付けて，おもりを 2 つにした。さっきと同 図版扱いで，文章中に挿入してください。 室内で共有する。その結果を踏まえて，次の問題に 橋本コメント： 【問題 1】 実験を繰り返し，ある程度の学習者が法則性に気付 じように，おもりを少し下に引っ張って離し， 編集時・・ ・・根号はアウトライン化されているので， 編集時・・ ・・根号はアウトライン化されているので， おもりを振動させた。このときのおもりが 10 拡大縮小の際は注意してください。 拡大縮小の際は注意してください。 回振動する時間（10 屋根の長さは適宜調整してください。 周期）はおもり 1 個のとき 屋根の長さは適宜調整してください。 扱う実験は， 「長くなるかどうか」 などを問う定性 いた時点で，数式を用いて説明する。 力」 ，「主体的に学習に取り組む態度」の 3 つの要素 （ 「学力の三要素」 ） で構成される「確かな学力」が重要 物理教育におけるアクティブラーニングについて であると示された。現行の学習指導要領でも，この は，エドワード・F・レディッシュが著書 『科学をど 「学力の三要素」 が強調されている。こと物理教育に う教えるか』において，アメリカにおける新しい物 と比べてどうなるでしょうか？ 備考・・・・・・物理では，根号を 「部品」 として保存して， 的なものや， 「およそ○倍になる」 などの簡単な定量 備考・・・・・・物理では，根号を 「部品」 として保存して， テンプレート的に使っています。 テンプレート的に使っています。 性を問うものとしている （以後，これらをまとめて ですので， どう設定しているのかは把握できてい 予 想 ですので， どう設定しているのかは把握できていません。 おいては，学習者に対して教員が一方的な説明を行 理教育の実践のうち「講義を基本とする方法」として， う従来型の授業とは異なる，いわゆる「アクティブ 下記のようなアクティブラーニング型授業を紹介し ア、およそ 2 倍になる。 ・ ・・・ような印象ではあります） を予想できるようにするためである。この一連のプ Snet55-01- ばねと 2 つのおもり .ai ・ ・・・ような印象ではあります） ラーニング」型の授業が注目を集めている。本稿で ている。これらにはすべて，ある物理の問題につい ロセスによって，科学的な見方や考え方を身に付け， は，筆者が実施したアクティブラーニング型の物理 ての，学習者同士のグループや学習者全体での討論・ 正しい概念や法則性を学習者間で見つけることがで の授業について報告する。 活動が盛り込まれている。ILD については演示実験 きると考えられる。こういった科学の体験が主体的 も含んでいる。 な学びにつながることも期待できる。実験後に数式 2. 物理におけるアクティブラーニング 物理に限らない，一般的なアクティブラーニング 「定性的な実験」と呼ぶ） 。学習者が気軽に物理現象 選択肢 分数は文字12Qで行送り6Q，分線はダッシュ 分数は文字12Qで行送り6Q， 分線はダッシュにしてる を用いて現象を一般化したとき，自然科学が数学的 ○ 講義を基本とする方法 法則に従う喜びを味わってくれればなおよい。 そういった効果を考察するための材料として，理 についての詳細な説明は割愛するが，本稿において， ・ピア・インストラクションとコンセプトテスト どのようなものを 「アクティブラーニング」と呼ぶか ・相互作用型演示実験講義（ILD） 解度の自己評価と授業の感想を述べる「振り返り については，以下のものを参考とする。 ・ジャスト・イン・タイム教授法 シート」 を各授業後に実施した。 教員による一方向的な講義形式の教育とは異なり、 3. 授業の設計 学修者の能動的な学修への参加を取り入れた教 3.1定性的な実験を含めた授業の概要 授・学習法の総称。 （中略）発見学習、問題解決学習、 今回筆者が実施した授業では，前章で紹介したピ 体験学習、調査学習等が含まれるが、教室内での ア・インストラクションや ILD，および板倉聖宣が グループ・ディスカッション、ディベート、グルー 提唱する「仮説実験授業」の運営方法を参考にした。 プ・ワーク等も有効なアクティブラーニングの方 仮説実験授業は , 日本において行われてきた理科の 法である。 アクティブラーニング型学習形態であり，問題・予 （ 『新たな未来を築くための大学教育の質的転換に 向けて∼生涯学び続け、主体的に考える力を育成 する大学へ∼ （答申）』中央教育審議会第 82 回総会， 想・討論・実験などが盛り込まれている。板倉自身は， 『科学と仮説』 （季節社）で，仮説実験授業について次 のように述べている。 イ、およそ半分 （1/2 倍） になる。 ウ、ほとんど変わらない。 エ、その他 （ ） 7 【問題 2】 う 1 つ取り付けて，おもりを 3 つにした。さっ きと同じように，おもりを少し下に引っ張って 離し，おもりを振動させた。このときのおもり が 10 回振動する時間（10 周期）はおもり 1 個 のときと比べてどうなるでしょうか？ 予 想 3.2定性的な実験の例 実施した実験の例として， 「単振動の周期」 に関す 選択肢 ア、およそ 3 倍になる。 る問題を次に示す。この問題は，おもりの質量と周 イ、およそ 1/3 倍になる。 期との関係性の理解を目的としたものである。 Snet55-02- ばねと 3 つのおもり .ai ウ、ほとんど変わらない。 エ、その他 （ ） まず前置きとして，ばねにおもりを 1 個ぶら下げ て振動させ，10 回の振動に要する時間 （10 周期）を ストップウォッチで計測する実験を行った。次に， 【問題１】を出題し，結果を選択肢から予想させた。 予想を集計後，学習者全員で議論し，議論後に予想 を再度集計したところで，実験を行い，結果を確認 146 した。続いて 【問題２】 を出題し，同様のプロセスを 平成 24 年 8 月 28 日） 30 （仮説実験授業は，）科学上のもっとも基礎的一般 業理論である。 発見と解決に向けて主体的 ･ 協働的に学ぶ学習 （いわゆる 「アクティブ・ラーニング」）や，そのた これらを参考に，p.7 下の図に示すような流れの めの指導の方法等を充実させていく必要がありま 授業を実施した。講義形式のスタイルではあるが， 予想 議論 実験 授業終了 質や深まりを重視することが必要であり，課題の 発問 振り返り 記入 のかということを体験させることを目的とした授 法則性の まとめ ろんのこと， 「どのように学ぶか」という，学びの 数式で 現象の一般化 的な概念・法則を教えて，科学とはどのようなも 授業開始 という知識の質や量の改善はもち 「何を教えるか」 34 今度は，ばねの一端にさらに同じおもりをも （ある物理現象の定性的な実験） 今回実施した授業の流れ ⓒ 2016 数研出版 Snet55-03- 今回実施した授業の流れ .ai 8 9 サイエンスネット 55 号 特集 2 サイエンスネット 55 号 特集 2 4. 実施対象 福井県立若狭高等学校 普通科 第 2 学年 理系 「物理」選択者 16 名（男子 13 名・女子 3 名）。この集 団は，1 年次に 「物理基礎」を履修済みである。 面白かった。物理の勉強をするのが苦痛では S さん 「ばね定数が大きいものも見てみたかった。」 なくなりました。公式の数式が導かれる過程 また，質問 3 では大多数が， 「定性的な実験を歓迎 はとても興味が深まった。 」 する」と回答していることから，これらの成果は， ど 2 年では考え方を変えることができた。 」 質問１：力学はいかがでしたか？ 研出版 「物理」 （物理 /304）を使用するとともに，3 章 選択肢 シート」の記入を実施した。また，「力学」分野終了 6. 結果 6.1 「振り返りシート」から見る結果 年生のときより意味の分からないことが減っ て楽しかった。しっかり復習してもっと理解 1 2 3 4 5 6 7 人数（人） 9 10 1169 12 30 5 4 3 2 1 9 10 11 Snet55-04- 本日の理解度グラフ .ai 授業に対するコメント まで不思議に思っていたことを解き明かすみ 質問 2 たいで面白い。 」 E さん 「1 年生の時は，点数取るために，公式を覚え ていただけだったけど，2 年生になってから は，公式の意味がしっかり理解できるように なった。物理が面白く思えて，好きになった。 」 12 1 2 3 4 5 6 7 人数（人） 8 9 10 11 2：あまり歓迎しない，1：実験は取り入れなくていい） た。 」 11 11 M さん「ほぼぴったり 22 倍 33 倍になっていてびっ ─ ─ ─ ─ 22 根号 （分数） 10Q くりしました。 」 S さん 「実験を終えた後に，運動方程式を立てると本 m m 当に実験通りの数字が出てきてよくわかりま ─ ─ k k のを作成しました。 のを作成しました。 した。 」 入してください。 入してください。 根号 （分数） 10Q 分数） 12Q H で計算した答えが実験した結果で出てき 2 さん 3「 トライン化されているので， トライン化されているので， て感動的だった。」 1 m がしっかりとわかりました。」 m O さん 「T ─ ＝ 2π ─ 際は注意してください。 際は注意してください。 2 ─ k k 2 は適宜調整してください。 は適宜調整してください。 3 選択肢 た。 」 ばりたいです。 」 7. 考察・まとめ 「振り返りシート」 の 「本日の理解度」 では，学習者 全員が 5 か 4 を選択している。今回紹介した単振動 の授業だけでなく，他の回においても，ほぼ全員が 質問 3 るのが良かった。」 学と物理は今まで切り離して考えていたけれ 69 （5：大いに歓迎する，4：ある程度歓迎する，3：どちらともいえない， 根号 根号 （分数） （分数） 10Q 10Q 根号 根号 （分数） （分数） 12Q T12Q さん 「数式を実験から導けるのは，すごいと思っ S さん 「1 年生の時と物理の印象が変わりました。数 ど，違うんだなぁと思いました。もっとがん う思いますか。 深まるし，自分でイメージしながら考えられ m m 22 I ─ 1─ 1 m─ m m m さん 「予想と実験結果が合ったときおもしろかっ ─ ─ ─ kk k─ k k─ k 22 12 質問３：物理の授業で定性的な実験を扱うことをど 30 N さん 「実験があるのは，やっぱりたのしい。理解が ト的に使っています。 的に使っています。 う設定しているのかは把握できていません。 う設定しているのかは把握できていません。 する必要がある。 」 S さん 「原理から公式を出して使えるようなった。今 Snet55-06- 質問 2.ai 8 T さん 「原理は理解しているつもりでしたが，できて いなかった。1 つ 1 つの式の成り立ちを理解 5 30 4 3 2 1 0 5 6 7 人数（人） を深めていきたい。 」 M さん「原理から公式を理解できるようになった。 」 選択肢 本日の理解度（5 段階評価）[N=16] 理解度 8 2：理解できなかった，1：受け入れられない） 評価） の内容の例を以下に示す。質問内容は「本日の 由記述）の 2 つである。 円滑に接続できていると考えられる。 理から理解しようと努力するようになった。1 授業後に行った 「振り返りシート」 （理解度の自己 69 まく物理現象の本質をとらえ，定量的な考え方へと きるようになったと思います。 」 （5：よく理解できた，4：理解できた，3：どちらともいえない， 理解度」 （5 段階評価）と「授業に対するコメント」 （自 て述べている生徒が多く，定性的な実験によってう ということが分かって今までよりも物理がで Snet55-05- 質問 1.ai 質問２：力学の内容 ・考え方は理解できましたか？ を報告する。 4 では，物理への取り組み方や考え方の変化につい N さん 「グラフや力の矢印が書けるようになった。原 3.2 節で例としてあげた「単振動」の授業での結果 4 Y さん 「1 年の時はずっと公式を覚えてやっていたの 実験を取り入れたおかげであると考えられる。質問 で全然わからなかったけど，数学的に問える 5 4 3 2 1 0 3 な場面で使うことができるようになった。 」 質問 1 時に 「振り返りアンケート」を行った。 1 2 ─ 根号を 号を 「部品」 として保存して， として保存して， 2 「部品」 30 2：つまらなかった，1：とてもつまらなかった） 度の自己評価と授業の感想を記述する「振り返り 2 N さん 「公式を覚えるだけじゃなくなったので，適当 69 （5：とても楽しかった，4：楽しかった，3：どちらともいえない， り入れた授業を 1 年間行った。各授業後には，理解 1 を使っていいかわからなくなる時があったけ を次に示す。 「授業の設計」 で説明したような，定性的な実験を取 0 て考えていたので，テストのときにどの公式 同様に，「振り返りアンケート」の質問内容と結果 「力学」 「波動」 の 2 つの分野において，教科書 数 22 M さん「1 年生のときは公式を覚えてそれに当てはめ 6.2 「振り返りアンケート」 から見る結果 5. 実施方法 ほとんどであり， 「よく理解できた」の割合も多い。 M さん「予想があたってよかった。」 5 と 4 を選択していた。また，授業に対するコメン 5 4 3 2 1 トから，実験を取り入れた授業では，物理現象に対 して興味関心が湧いている様子が確認できた。原理 から公式の成り立ちを理解し，それを導くことがで 0 1 2 3 4 5 6 7 人数（人） 8 9 10 11 12 Snet55-07- 質問 3.ai 質問４：物理へのあなたの取り組み方・考え方に変化 はありましたか？自由に書いてください。 H さん 「物理が数学で理解できるようになってとても きるようになっている生徒もいた。自然科学が数学 的法則に従うことへの感動を述べている文章もあり， 物理と数学が教科を超えてつながった様子が見られ た。 「振り返りアンケート」 の質問１において，授業が 「楽しかった」 とする評価が圧倒的に多かった。質問 2 における力学の考え方についても 「理解できた」が 参考文献 ⑴ 中央教育審議会「初等中等教育における教育課程の基準等 の在り方について（諮問）」 （平成 26 年 11 月 20 日） http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chukyo/chukyo0/ toushin/1353440.htm ⑵ 中央教育審議会「新たな未来を築くための大学教育の質的 転換に向けて∼生涯学び続け、主体的に考える力を育成す る大学へ∼（答申）」 （平成 24 年 8 月 28 日） http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chukyo/chukyo0/ toushin/1325047.htm ⑶ 中央教育審議会「新しい時代にふさわしい高大接続の実現 に向けた 高等学校教育、大学教育、大学入学者選抜の一体 的改革について∼すべての若者が夢や目標を芽吹かせ、未 来に花開かせるために∼（答申）」 （平成 26 年 12 月 22 日） http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/chukyo/chukyo0/ toushin/__icsFiles/afieldfile/2015/01/14/1354191.pdf ⑷ 中央教育審議会「児童生徒の学習評価の在り方に関する ワーキンググループにおける審議のまとめ」 （平成 22 年 3 月） ⑸ 文部科学省「学校教育法等の一部を改正する法律について （通知）」 （平成 19 年 7 月） ⑹ 板倉聖宣「科学と方法 科学的認識論の成立条件」 （季節社， 1986） ⑺ 板倉聖宣「科学と仮説」 （季節社，1971） ⑻ 板倉聖宣「仮説実験授業の ABC」 （仮説社，1997） ⑼ E.Mazur. Peer Instruction: A user s manual. PearsonPrentice Hall, 1997 ⑽ 兼田真之，新田英雄「クリッカーを用いたピア・インストラ クションの授業実践」 （物理教育 57-2 pp.103-107，2009） ⑾ 山崎敏明，谷口和成 他「高校物理に導入したアクティブ・ ラーニングの効果と課題」 （物理教育 61-1 pp.12-17，2013） ⑿ 笠順平「研究にもとづく物理教育の改善と評価」大学の物理 教育 16 （日本物理学会，2010） ⒀ エドワード・F・レディッシュ著，日本物理教育学会監訳「科 学をどう教えるか」 （丸善，2012） ⓒ 2016 数研出版
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