原理・法則に基づいて思考する力を育む高等学校物理力学分野の実践―仮説設定の習得・活用の２段階プロセスと対話活動を通して―
長期研究員

田 村

圭

《研究の要旨》
本研究は，高等学校物理の力学分野の学習において，生徒の原理・法則に基づいて思考する力を育むことを目指したものである。そこで，原理・法則を活用する仮説の設定に着目し，仮説設定の習得段階・活用段階の２段階プロセスを設けた。さらに，各段階に合わせた生徒の対話活動を工夫し，原理・法則に基づいた思考がより充実するようにした。このことにより，原理・法則を用いて仮説を設定し，検証実験をする生徒の姿が確認できた。

Ⅰ

研究の趣旨

これまでの高等学校での授業は，「観察・実験や探究Ⅱ

研究の概要

１

研究仮説的な活動が十分に取り入れられておらず，知識・理解を偏重した指導となっている」と指摘されている※1

高等学校物理の力学分野において，以下の 視点に基づいた手だてを講じれば，生徒の「原理・法則に基づい。物理の学習では，授業で学んだ原理・法則を身に付け，それて思考する力」を育てられるだろう。

らを実際に活用することが重要である。しかし，学習内【視点１】仮説設定の習得・活用の２段階プロセス

容を覚えることが主となり，それらを用いて試行錯誤す【視点２】生徒の思考をつなぎ広げる対話活動ることに重点を置けていない状況である。その結果，教２

研究の内容

師が教えることや教科書に書いてある公式を覚えること

本研究は図１に示した単元の学習の流れに沿って授が物理の学習であると生徒が認識するようになってしま

業 を 展 開 し ，「 疑 問 を 引 き 出 す 演 示 実 験 」 か ら 「 仮 説っている。生徒が行う実験においては，実験の技術を学（ⅰ）」までを第１段階，「条件を変えた実験課題」からぶという意味が大きく，自分たちで思考するという意味「考察・まとめ」までを第２段階とする。

は小さくなってしまっている。
次期高等学校学習指導要領では，物理基礎の目標において，従前の「目的意識をもって観察，実験などを行い」から「見通しをもって観察，実験を行うこと」と変更された。この「見通しをもって観察，実験を行うこと」について，同解説理科編理数編では「観察，実験などを行う際，（中略），予想したり仮説を立てたりしてそれを検証するための観察，実験を行わせることを意味す
図１る」と記され，仮説を立てることの重要性が強調されて単元の学習の流れいる。高等学校物理の力学分野では，物体の運動を考察(1)【視点１】仮説設定の習得・活用の２段階プロセス

したり問題を解いたりする際，原理・法則を活用して考〈手だて１〉仮説の設定方法を学ぶ習得段階

え，数式や数字を用いて説明することが求められる。そ

第１段階で実施する。疑問を引き出す演示実験後，の説明を，本研究では生徒の設定する仮説ととらえるこ

生徒は，原理・法則を学習し，それらを用いて演示実験ととする。

に関する仮説（ⅰ）を教師とともに設定する。これらに以上のことから，本研究では仮説を設定するまでのより，仮説の設定方法を習得させる。

プロセスを工夫することで，生徒の主体的な学びを実現〈手だて２〉学んだことを基に仮説を設定する活用段階したいと考えた。習得・活用の２段階プロセスの中に，第２段階で実施する。条件を変えた実験課題の解決

思考をつなぎ広げる生徒同士の対話活動を取り入れるこのため，生徒は，第１段階で学んだ原理・法則を用いてとで，原理・法則に基づいて思考する力を育成したいと検証実験に関する仮説（ⅱ）を設定する。妥当性を検証考えた。

実験で確認し，結果によっては仮説（ⅱ）を修正する。

※１

幼稚園、小学校、中学校、高等学校及び特別支援学校の学習指導要領等の改善及び必要な方策等について(答申)(中教審第 197 号)

これらにより，学んだ原理・法則を活用して仮説を設定させる。
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(2)【視点２】生徒の思考をつなぎ広げる対話活動

算の有用性について述べており，原理・法則を用いた仮〈手だて１〉生徒の疑問と原理・法則をつなげる教師との説の設定方法を習得できたことが分かった（図３）。

対話イ 【視点２】<手だて１>について第１段階で実施する。演示実験後，何が疑問か，何演示実験を観察した後，「何が疑問か」「何が分かればが分かれば仮説（ⅰ）を設定できそうかなどの疑問点仮説（ⅰ）が設定できそうか」と問うと，図４のようを，教師との対話を通して生徒から出させる。生徒は自に，なぜ物体の速さが変わるのか，落下運動は何によっ分の疑問を解決するための必要感をもち，原理・法則をて決まるのか，という疑問が生徒から出された。この疑習得できると考える。

問を取り上げ，全体で共有することで，生徒は課題を自〈手だて２〉課題解決のための生徒同士の対話分事ととらえ目的意識をもって原理・法則を習得しよう

第２段階で実施する。生徒は第１段階で学んだ原理・としていた。

法則を用いて個人で仮説（ⅱ）を設定する。その後，班での対話活動を通して仮説（ⅱ）を修正したり，改善したりして検証実験に取り組む。この活動によって，原理・法則に基づいて思考する力が育成できると考える。
３

研究の実際

図４ 実践Ⅰ 生徒から出された疑問②

ア 【 視 点 １ 】〈 手対 象 学 年 第２学年57名（２学級）だて２〉について

授業実践Ⅰ 物理基礎「加速度・落体の運動」11時間
授業実践Ⅱ 物理基礎「運動方程式」

条件を変えた実11時間

研究の実際では，図１の単元の学習の流れに沿って第１・第２段階ごとに手だての有効性について述べる。

速度を負とする鉛実施した（図５）。

第１段階

自分たちで小球をア 【視点１】〈手だて１〉について実験を実施した。ある高さからボールを落下させ，落下時間を計算し，実測値と比較して，落下時間と落下距離度を決め，最高点の高さを仮説（ⅱ）としに関係があることを確認した。生徒は，落下させた物体の速度を測定することで関係性を知ることができると考え，加速度や等加速度運動における速度の式・変位の式て設定した。生徒Ｆは，第１段階で学習した速を習得した。その後，校舎３階からボールを落とし，落下時間から高さを求めることを仮説（ⅰ）として検証実験を行った。生徒Ａは，変位の式を用いて仮説（ⅰ）を設定してお図５ 鉛直投げ上げ実験装置

打ち上げる速最初の演示実験として，加速度を正とする自由落下度の式・変位の式を用いて思考し て い た （ 図６ ）。そ の 後 ，タり（図２），ブレットで運動ほぼ全てのの様子を撮影

生徒が仮説し，仮説（ⅱ）（ⅰ）を設

図６ 実践Ⅰ 生徒の仮説(ⅱ)の検証を行った

定できた。
また，生徒Ｂ験課題として，加直投げ上げ実験を(1) 授業実践Ⅰ①

第２段階

図２ 実践Ⅰ 生徒の仮説(ⅰ)

は，考察の中で変位の式（ x = v 0t ＋ at 2/2）を用いた計（ 図 ７ ）。 自 分 たちで初速度を決めたため，小球の運動及び仮説（ⅱ）は班ごとに異なるものとな

図３ 実践Ⅰ 仮説（ⅰ）を検証した生徒の考察った。
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図７ 鉛直投げ上げの様子

イ 【視点２】〈手だて１〉について

イ 【視点２】〈手だて２〉について
班内で仮説（ⅱ）が適切かどうか議論する時間を設

演示実験の観察後，実践Ⅰと同様に「何が疑問か」とけた。ここでは，変位の式の立て方やその式が適切かど問うと，図12のように，なぜ物体の運動が質量によってうか確認し合う生徒の姿が見られた。また，自分が設定異なるのか，物体の運動は何によって決まるのかなどのした仮説と班員の仮説に違いが見られ，その原因につい疑問が出された。実践Ⅰと比べてその内容が具体的になて考える対話も見られた。

り，原理・法則を意識した質問が出された。

(2) 授業実践Ⅱ①

第１段階

ア 【視点１】〈手だて１〉について

図 12 実践Ⅱ 生徒から出された疑問

演 示 実 験 と し②て，質量の違う２

ア 【視点１】〈手だ台の力学台車の運て２〉について動を観察した（図実験課題は，２８ ）。 こ こ で ， 台 車の質量と引く力の第２段階

物体の運動を扱っ図８ 台車の運動の違い大きさによってた。既知質量の分銅で未知質量の台運動の加速度が車を引っ張ること異なることを確で，台車の質量を認し，それらの図13 ２物体の運動実験の様子求める実験を行った。生徒は自分たちで測定方法を考関係を確かめる

え ， 班 ご と に 異 な る 方 法 で 実 験 し た （ 図 13）。 そ こ か

実 験 を 行 っ たら，台車の質量を仮説（ⅱ）として設定した。ここでの（ 図 ９ ）。 そ の仮説（ⅱ）の設定にあたり，第１段階で学んだ運動方程後，運動の加速
図９ 台車の加速度測定実験

度と引く力から求式が用いられていることが分かった。
イ 【視点２】〈手だて２〉についてめられる台車の質量

実践Ⅰ同様，班内で仮説（ⅱ）が適切かどうか議論を，運動方程式を用する時間を設けた。ここでは，実験方法をどうするか作いて求めた。これを図を用いて対話する姿が見られた（図14）。また，運動仮説（ⅰ）とし，ほ方程式の立て方をぼすべての生徒が仮確認し合う生徒の説（ⅰ）を設定する姿も見られた。生ことができた（図10）。 そ の 後 ， 実 際 に徒は，原理・法則
図10 実践Ⅱ 生徒の仮説(ⅰ)

質 量 を 電 子 天 秤 で 計 測 し ， 考 察 し た （ 図 11 ）。 こ こ では，運動方程式の有用性が述べられており，原理・法則を用いた仮説の設定方法を習得できたことが分かった。
また，手で台車を引くと誤差が大きいため，おもりで引を正しく活用しよ分かった。
４

研究の検証

(1) 実践前テストと実践後テストの結果からく（２物体の運動と考える）ことで誤差が小さくなるという提案があり，その考えをもとに第２段階へ進んだ。

図14 実践Ⅱ 対話に用いた図

うとしていたことが実践前テストとして，「速度の合成」の学習直後に，ＳＰＩ総 合検査 ※ ２ で出題 さ れる「流 水算」の 問題を出題した。流れのある川に沿って進む船の移動速度を速度の合成を用いて求める問題である。また，実践後テスト
として，平成29年度国家公務員採用試験（高卒技術一般職）で出題された「運動方程式」の問題を出題した。物

図11

実践Ⅱ

仮説（ⅰ）を検証した生徒の考察※２ 企業就職試験で利用 される中 学・高校程度の基 礎能力適性 検 査- 78 -

体にひもを付け鉛直上方向に引き上げたときの加速度を結果を求めるように変容したことを示すと考える。

求める問題である。原理・法則に基づいて思考している

また，自分の意見を伝えるときに最も中心に考えるかを判断するため，原理・法則の使用率と正答率を調べことを質問したところ，実践前に「原理・法則」を中心た（図15）。使用率，正答率ともに上昇が確認でき，正に自分の意見を考える生徒は22％，実践後は57％と増加

答率のt検定の結果，有意差が見られた（p＜.01）。
実践前テスト実 践 後 テ ストが見られた（図18）。実践前の結果を期待度として カイ必要となる原理・法則
原理・法則の使用率

正答率
図15（SPI総合検査「流水算」）（国 家公 務 員 試験「 運 動 方 程 式 」）

速度の合成

運動方程式

28 ％

94 ％

16 ％

59 ％

２乗検定※５を行った結果，有意差が見られた（p＜.01）。さらに，「雰囲気」で意見を考える生徒は実践後には見られなかった。

実践前・実践後テスト結果の比較(2) 生徒の仮説設定状況から
実践Ⅰ，Ⅱにおいて仮説（ⅱ）の設定状況を調べた（図16）。自力で仮説を設定できた生徒は２～３割ほど確認された。その後，生徒同士の対話によって，さらに７割ほどの生徒が仮説（ⅱ）を設定することができ，ほぼ全ての生図18

徒が仮説（ⅱ）を設定できた。また，実験後に仮説の修正をした生徒はそれぞれ５割ほど確認され，この生徒たちは試行錯誤しつつ原理・法則を用いたと考える。
実践Ⅰ

実践Ⅱ

自力で仮説（ⅱ）を設定できた生徒

19 ％

28 ％

生徒同 士の対 話で仮説（ⅱ）を設 定できた
生徒

76 ％

69 ％

図16

問２の実践前後の変容

また，物理基礎でどの授業スタイルが学習しやすいかを質問すると，78％の生徒が「２段階での実験」を学習しやすいと感じていることが 分かった（図19）。その理由については，実際に確認できてよかった，イメージしやすかった，という記述が多く見られた。

実践Ⅰ・実践Ⅱでの仮説（ⅱ）設定状況(3) 生徒のアンケート結果から実践前と実践後にアンケートを実施し，最初に生徒に高校理科で最も印象に残っている内容を質問した（図17）。生徒の記述をテキストマインニング ※３ 解析し，ワードクラ ウド ※ ４ として表 し た。 実践 前は，動 詞の単語と し て ，「 覚 え る 」 や 「 調 べ る 」 と い っ た 語 句 が 見 られ，覚えたり調べたりする学習の印象が生徒に残っていた 。 実 践 後 は ， 物 理 基 礎 の 「 運 動 方 程 式 」「 台 車 」「 重図19い」等が目立つ結果となった。動詞の 中には，「使う」

問３の結果とその理由※５

調査によって得られたデータが，特定の傾向をもつか調べる検定「 考 え る 」「 求 め る 」 と い っ た 単 語 が 見 ら れ た 。 こ れⅢ

研究のまとめは，学習内容が運動方程式（原理・法則）を使って考え

１

研究の成果
実践前後のテストの比較において，原理・法則の使用率の増加が確認できた。また，仮説の設定状況，実践前後のアンケートの結果により，原理・法則に基づいて思考する姿勢が確認できた。以上の結果は，２つの視点に基づいた手だてによって得られたものと判断する。
２

研究の課題
原理・法則の使用率と正答率の間に差が確認され

図17

問１の実践前後の変容※３ 文章から意味のある 情報を見 付け出し，重要度 で表す方法※４ 重要度が高く頻出な 単語をそ れらに応じた大き さで表したも のた。数学科との連携を図りながら，計算を用いて思考する機会を充実させることで，課題に対してさらに正確な仮説を設定できる力の育成を図りたい。
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