実感を伴った理解を図る理科の指導に関する研究−問題解決を確かなものにするモデル図の活用を通して−
田布施町立城南小学校
１

教諭

鎌田

潤一

研究の意図
(1) 研究の背景
PISA 調査や教育課程実施状況調査等、国内外の学力調査の結果から、児童の思考力・判断力・表現力等に課題があることが明らかになった。学習指導要領（平成20年）では、理科の目標に「実感を伴った理解」という文言が付け加えられ、それらの能力の指導について、より一層の充実を図ることとなった。
学習指導要領解説理科編には、この「実感を伴った理解」の３つの側面として、「具体的な体験を通して形づくられる理解」、「主体的な問題解決を通して得られる理解」、「実際の自然や生活との関係への認識を含む理解」が示されている。本研究では、「主体的な問題解決を通して得られる理解」を促進するためには、モデル図を活用させることが有効であるとの仮説から、モデル図を用いた効果的な授業づくりについての研究に取り組むこととした。
(2) 研究の仮説
本研究におけるモデル図とは、「児童が、目に見えない事物・現象をモデル化し、図に表したもの」である。一般的な気体の粒子モデルや電気の水流モデルは、事物・現象を説明するために用いられることが多い。それに対して、本研究で扱うモデル図は、実験の仮説を立てたり、結果を考察したりする際に、児童が自分の発想を基に図で表現することで、事物・現象に対する認識をより深めさせることをねらいとしたものである。
モデル図を活用させることによる学習効果を明らかにするために、「 児童がモデル図を活用して思考したり、表現したりする活動を取り入れれば、見通しをもって実験することや、その結果を基に適切に考察することが可能となり、児童の問題解決が確かなものとなる」という仮説を設定し研究に着手した。

２

研究の内容
(1) 単元の選定モデル図の活用が、児童の問題解決に与える効果を確かめるために、表１に示す３つの単元で授業実践を行うこととした。これらの単元は、視覚でとらえることが難しい、風や空気などを学習の対象としているため、モデル図を活用させることで、児童の問題解決を確かにする効果が大きいと考えた。
表1
学年
３

４

４

授業実践を行う単元と予想されるモデル図の活用による効果

単元名
風やゴムのはたらき（風の
はたらき）
空気や水を
とじこめる
と

予想されるモデル図の活用による効果
風の強さの違いや、台車に取り付けた帆に当たる風の様子をはっきりと意識させることができる。そのことにより、風には物を動かす力があるということ、風の強弱によって、物を動かす力の大きさが変わるということを、より明確に理解させることができる。
閉じ込めた空気及び水に力を加えたときの状態をイメージさせることができる。そのことにより、空気は圧し縮めることができる、水は圧し縮めることができないという性
質を、より明確に理解させることができる。

ものの温度とかさ（空気の温度とかさ）

閉じ込めた空気を温めたり冷やしたりしたときの状態をイメージさせることができる。そのことにより、空気は温度によって体積が変化することを、より明確に理解させることができる。

-1-(2) モデル図を活用した授業実践ア

第３学年「風やゴムのはたらき」（風のはたらき）での授業実践
原籍校において、第３学年16人の児童を対象に授業実践（計５時間）を行った。単元の指導計画と児童が作成したモデル図の例を表２に示す。
表２「風やゴムのはたらき」の指導計画と児童が作成したモデル図の例

時

学習活動・内容

モデル図を用いる意図○うちわであおいだ風を使って台車を走らせ、風の様子につ・風の様子をモデル図に表す経験をさいて考える。

せる。

・工作用紙で好きな形の帆を作り台車に取り付ける。

・風の強さの違いを意識させる。

＊強くあおいだとき、弱くあおいだときの風の様子をモデル

・風が台車に取り付けた帆を押してい図に表す。

ることを意識させる。

児童が作成したモデル図の例【上が「弱い風」、下が「強い風」】

１①強い風、弱い風ともに帆に届いている（９人） ②弱い風が帆に届いていない又は強い風、弱い風ともに帆に届いていない（７人）
・児童が作成したモデル図は、上の①、②に大別された。モデル図を用いて互いに説明し合うことで、児童は風が帆を押していることをより明確に意識できるようになった。
○送風機の「強」と「弱」の風の様子について調べる。
＊手のひらに当たる感触やティッシュペーパーで作った吹き２

・風には物を動かす力があることを意識させる。

流しを使って風の様子を調べ、モデル図（モデル図の例は、 ・風の強弱による物を動かす力の大き図１参照）に表す。

さの違いを意識させる。

○送風機の「強」と「弱」の風で台車を走らせる実験を行う。 ・帆が風を受けながら台車が走ってい＊風の強弱と台車が走った距離とを関連付けて、帆に当たるることを明確に意識させる。

風の様子をモデル図に表す。
児童が作成したモデル図の例【上が「弱」の風、下が「強」の風】

３①風が、帆の全体に当たっている（９人）②風が、帆の１部に当たっている（４人）③風が帆を突き抜けている（３人）

・児童が作成したモデル図は、上の①、②、③に大別された。モデル図を用いて互いに説明し合うことで、児童は帆に風が当たっている様子をより明確に意識できるようになった。
○送風機の「強」の風を使って、台車をより遠くまで走らせるために帆を改良する。
４・第３時で作成したモデル図を振り返らせ、帆を改良する見通しをもたせ・風の力を効果的に利用するために、大きさや形を考えながら帆を改良する。

る。
・改良した帆が受ける風の様子を表し＊改良した帆が受ける風の様子をモデル図（モデル図の例

たモデル図と、前時に作成したモデは、図３参照）に表し、帆の改良によって、台車が遠くまル図とを比較させることで、理由をで走る理由について考え、説明する。

考える手だてとする。

-2-

○改良した帆で台車を走らせ、帆の効果を確かめる。
５・実験結果と改良した帆が受ける風の・最初の帆と改良した帆の走った距離を比較することで、改モデル図から、改良した帆の効果に良した帆の効果について考察する。

ついて考察させる。

＊はモデル図に表現させる場面

イ

第４学年「空気や水をとじこめると」での授業実践
原籍校において、第４学年14人の児童を対象に授業実践（計８時間）を行った。単元の指導計画と児童が作成したモデル図の例を表３に示す。
表３「空気や水をとじこめると」の指導計画と児童が作成したモデル図の例

時

学習活動・内容

モデル図を用いる意図○注射器に閉じ込めた、空気及び水に力を加え、それぞれの・空気及び水の状態をモデル図に表す

性質について調べる。

経験をさせる。

＊ピストンを押したときの気付きを基に、空気及び水の状態

・閉じ込めた空気及び水に力を加えたをモデル図に表す。

ときの状態を、理解しやすくさせる。

児童が作成したモデル図の例（空気）【左から、ピストンを「押す前」、「押したとき」、「手を放したとき」】

１・
２

ばね（５人）

泡やスポンジに例えたもの（３人）擬人化したもの（１人） 粒で表したもの(２人)
その他：塗りつぶし等(３人)児童が作成したモデル図の例（水） 【左から、ピストンを「押す前」、「押したとき」、「手を放したとき」】

曲線で表したもの（４人）

れんがに例えたもの（３人）

鉄の棒などに例えたもの（３人）○空気鉄砲の玉を飛ばし、玉が飛ぶ仕組みを考える。
＊注射器に閉じこめた空気のモデル図を振り返り、筒の中の空気の状態をモデル図に表す。

擬人化したもの(３人)
その他(１人)・圧し縮められた空気が元の体積に戻るときの作用によって、玉が飛ぶことを理解させる。

児童が作成したモデル図の例【上から、押し棒を「押す前」、「押したとき」と「玉が飛んだとき」】３粒で表したもの（７人）

ばねで表したもの（３人）○空気鉄砲の筒に水を入れても、玉が飛ばないことを実験で確かめる。

綿やボールに例えたもの(３人)
その他：塗りつぶし(１人)・水は圧し縮められないので、玉を飛ばすことができないことを、空気の＊水の状態をモデル図に表し、水では玉が飛ばないという実験結果を考察する。

モデル図と比較することで理解させ
る。

４

-3-

児童が作成したモデル図の例【上から、押し棒を「押す前」、「押したとき」と「玉が落ちたとき」】

粒で表したもの（９人）※うち２人は粒を敷き詰められていない棒で表したもの（２人）

硬いボールに例えたもの（3 人）
その他：線（１人）

・ここでは、水の状態を粒で表すように教師が指示した。ただし、粒で表すことに抵抗を感じた児童については、本人の表現方法を認めた。
○空気鉄砲の玉が飛ぶ距離を短くする方法について、その理由を考える。
５

・選んだ方法について、玉の飛ぶ距離が短くなる理由を、空気が圧し縮め＊提案された２つの方法（空気を減らす方法、前玉を軽く差し込む方法）から１つ選び、その方法がうまくいくと思うられる量に着目させながら考えさせる。

理由をモデル図(モデル図の例は、図７、図８参照）に表しながら考える。
○空気鉄砲を使って、玉が飛ぶ距離をコントロールしながら
６

玉飛ばしゲームをする。

・玉が飛ぶ距離と空気が圧し縮められる量の関係を確認させる。

・ゲームを通して、玉が飛ぶ距離と空気が圧し縮められる量の関係を確かめる。

７・
８○空気や水の性質を利用したおもちゃを実際に作ったり、そ ・今まで活用してきたモデル図を基に、の仕組みを考えたりする。

空気及び水の性質に着目させながら・浮沈子を作成する。
＊はモデル図に表現する場面

ウ

浮沈子の原理を考えさせる。

第４学年「ものの温度とかさ」（空気の温度とかさ）での授業実践
原籍校において、第４学年14人の児童を対象に授業実践（計５時間）を行った。単元の指導計画と児童が作成したモデル図の例を表４に示す。
表４「ものの温度とかさ」の指導計画と児童が作成したモデル図の例
学習活動・内容

モデル図を用いる意図○空気が温められるとどのような変化が起こるのかを考え・閉じ込めた空気を温めたときの変化時る。

の様子を、より詳しく予想させる。

・栓をしたフラスコを湯で温め、栓を飛ばす。
＊空気の変化について、モデル図に表しながら考える。
児童が作成したモデル図の例【左から、「温める前」、「温めたとき」、「栓が飛んだとき」】
１

温める前

温めたとき

せんが飛んだとき粒が上に行く様子を表し、温められた空気は上昇すると考えた児童（11 人）

温める前○空気が「上昇する」という仮説、「膨張する」という仮説
２について検討する。

温めたとき

せんが飛んだとき粒が膨らむ様子を表し、温められた空気は膨張すると考えた児童（３人）

・２つの仮説を表したモデル図を比較させることで、話合いの論点を明確

・モデル図（図４、図５）を基に、それぞれの仮説についてにする。

話し合い、自分が支持する仮説を決定する。
○グループで仮説を確かめるための実験方法を考え、実験に３

よって仮説が正しいかどうかを確かめる。

・実験で何を確かめれば仮説が検証できるのかを明確にさせる。

・・モデル図を基に仮説を確かめるための実験方法を考える。 ・他のグループの実験を見る視点を明

４

・４つのグループの実験結果から、空気は温められると膨張することを理解する。

-4-

確にさせる。

○空気を冷やすと、どのような変化が起こるのかを考える。 ・閉じ込めた空気を冷やしたときの変＊フラスコの口に石けん液を付け、温めたり冷やしたりした化の様子を、より詳しく予想させる。

ときの空気の状態を考え、モデル図に表す。
児童が作成したモデル図の例【左が空気を冷やしたとき、右が空気を温めたとき】
予想：空気を冷やすと体積が減る（10 人）

５

体積は変わらない（４人）
・実験後は、ほとんどの児童が粒の大きさ
や間隔の詰まり具合で空気を冷やすと体積が減ることを表現していた。
＊はモデル図に表現する場面(3) モデル図を活用させる効果
授業ごとの児童の学習状況に関する記録を基に、モデル図を活用させることによる学習効果
について分析した。その結果、「見通しをもたせる効果」、「適切な考察を導く効果」、「新たな見方や考え方を共有させる効果」の３つの効果が認められた。それぞれの効果について、以下に詳しく述べる。
ア

見通しをもたせる効果が認められた事例
モデル図を活用させることで、児童は課題を明確にして実験方法を考えたり、実験に取り組んだりすることができ、モデル図が問題解決の見通しをもたせるために有効であることが分かった。以下にその事例を２点示す。
第３学年「風やゴムのはたらき」では、より遠くまで台車が走るように、帆を改良する活動でモデル図を活用させた。送風機の風を表現したモデル図（図１）において、改良前の帆で台車が走った距離を確かめさせると、「 風は約10ｍ先まで届いているのに台車はその半分の距離しか進んでいない」ことに気付かせることができた。まだ先まで届いている風の力を利用すれば、台車をより遠くまで走らせることができると児童は予想し、もっと風を受けるように帆を改良する必要があることを意識した。

図１ 送風機の風を表したモデル図の例

帆を改良する場面では、まず、改良前の帆に当たる風のモデル図（図２）を振り返らせた。
このモデル図を振り返らせることにより、風をもっと受けるには、帆の大きさや形をどのようにすればよいかという具体的なイメージをもたせることができた。そして、帆を作り替えた後、改良した帆が風を受ける様子を予想してモデル図（図３）に表現させ、図２のモデル図と比較させることで、帆の改良によって、台車がより遠くまで走る理由を児童に説明させた。児童の学習状況に関する記録（表５）の

図２ e 児のモデル図(改良前の帆)「台車が遠くまで走る理由」の項目を見ると、ほとん
どの児童が、風の力を効果的に利用するという見通しをもって帆を改良したことがうかがえる。また、表５の「実験結果と考察」の項目を見ても、目的を明確にしながら実験を行っていたことが分かる。
-5-

図３ e 児のモデル図（改良した帆）

３年生の児童は、この単元が初めての理科実験であったが、モデル図を活用させることで、見通しをもって帆を改良し、実験によって自分の考えを確かめることができた。
表５

児童の学習状況に関する記録（第３学年「風やゴムのはたらき」第４、５時）

改良前の帆の形状 改良した帆の形状

実験結果と考察○：記録が伸びた △：伸びなかった

台車が遠くまで走る理由a児

特大の三角形本を開いた形帆を広げたので、遠くまで走△る

帆の開き方が狭すぎたb
児

中くらいの三角形
大きめの三角形

本を開いた形（横長）
両端を折ったコの字型
工作用紙をそのまま使ったもの本を開いた形（横長）

風が、いっぱい入って進みやすい
風が四角（囲んだ所）の中に入るから、風がそこで回る帆が大きいと、風がたくさん集まりやすくなるから帆をつなげたので、風を逃がさない帆に広さがあるから、初めて
５ｍまで行った
風が（囲んだ所）の中に入って、回りながら当たるから帆が倒れてしまって、風がそん
なに当たらなかった
風が当たりやすくなったから

c
児
d
児
e
児
f
児
g
児
h
児
i
児
j
児
k
児
l
児
m
児

大きめの三角形で柱付き細長の三角形
大きめの三角形

六角形を二つ縦につなげた形
大きめの三角形
横長の長方形で周りをぎざぎざに切った形
中くらいの三角形
人型

大きめの三角形
中くらいの三角形n児

大きめの三角形o児

大きめの三角形p児

小さめの三角形○○△○

三角形（柱付き、 （後ろにウィングを付けて)ウィングなどの よく走るかも○飾り付き）
周りのふちを折 風が逃げないように(周りを)り曲げた四角形 折った。帆が倒れないように、△（柱付き）
支えを作った本を開いた形
帆が大きいから、遠くまで走 変化なし（やや縦長）る
四角形（柱付き、 風を封じ込めて、出られない
両端を折り曲げ ような形にした○ている）本を開いた形
帆の背を高くしたので、風が○（かなり縦長） まとまって押す
本を開いた形
新しい帆の方が大きいし、幅（横長、柱付き） も広いから○帆が風を受けたから帆の向きを失敗した（帆が傾いてしまった）
最初の帆が大きかったので、この前の記録と同じでした
風があまり漏れないから、よく進んだ本を開いた形（横長）
工作用紙をそのまま使い、周りを折っている本を開いた形（やや縦長）
本を開いた形（横長）

風を漏らさないように、帆を○大きくした風がいっぱい当たるように帆を切らずに大きくした○帆が大きいから、風がよく当○たって遠くまで走る
帆の幅を大きくすれば、よく○進むと思うから帆を高くしたから、風が帆をよく押した
前の車は帆が細かったし、頑丈じゃなかったけど、今の車の帆は大きいからたくさん走った
本みたいな形だったから、風を逃がさないで進んだ（大きくするために）帆を切らずに、周りを丸くして(風を受けやすくしたから)帆が大きかったから、車を遠くまで走らせた帆の幅が大きくて、風を受けたから本を開いた形（横長）

帆の長さを長くして、風がその帆に当たるから、車を遠く ○まで走らせると思います

帆が横に長くて風が当たり や
すいから、遠くまで走らせたと思います

第４学年「ものの温度とかさ」では、児童自らが、仮説を確かめるための実験方法を考える場面でモデル図を活用した。
単元の導入では、栓をしたフラスコを湯で温めて栓が飛ぶことを児童に体験させた。この活動の後、フラスコを温めると、中の空気にどのような変化が起こったのかを予想させ、モデル図に表現させた（表４の第１時参照）。
図４、図５は、児童が表現したモデル図の特徴を集約して、授業者が作成したモデル図である。児童に、この２つのモデル図を比較させた後、支持する仮説を選択させた。各児童が-6-支持した仮説とその理由を、児童の学習状況に関する記録（表６）の「教師が作成したモデル図を見て、支持した仮説とその理由」の項目に示す。その後、この２つのモデル図を使って、それぞれの仮説について検討させた。空気が「上昇する」仮説に対しては「空図４ 空気が「上昇する」仮説を表したモデル図

図５ 空気が「膨張する」仮説を表したモデル図

気が上に行くと、フラスコの底の部分が真空になってしまう」、「膨張する」仮説に対しては「栓をしているのに空気が増えるはずはない」と活発な議論が行われた。２つの仮説についてモデル図を用いて検討させたことで、空気が「膨張する」仮説を支持する児童が増え、それぞれの仮説を支持する人数がちょうど半数ずつに分かれた（表６「検討後、支持した仮説」の項目参照）。
この活動の後、同じ仮説を支持する者同士でグループを作り、仮説を確かめるための実験方法を考えさせた。それぞれのグループが考えた実験方法を表７に示す。空気が「膨張する」
ことと、「上昇する」ことの違いを、モデル図を用いて十分に把握させておいたことで、児童は仮説を証明するための適切な実験方法を考案できたと考えられる。
表６B児

空 気膨 張 説

D児

児童の学習状況に関する記録（第４学年「ものの温度とかさ」第１、２、４時）
検討後、支教師が作成したモデル図を見て、支持した仮説とその理由
空気が膨張することを理解する決め手となった実験結果
持した仮説
フラスコの下の部分の空気が、無くな
フラス コを逆 さに しても 風 船が膨 らんだ こ と膨張説るはずがない（自分のグループの実験）
中の空気が膨らんだから、玉が飛んだと思ったから

膨張説

注射器のピストンが押し出されたこと（自分のグループの実験）

膨張説

M児

温められたら空気が大きくなって、どんどん膨らんで栓を飛ばす

膨張説

注射器のピストンが押し出されたこと（自分のグループの実験）N児

空気が膨らんで、はじけて、栓が飛んだと思ったから

膨張説

フラス コを逆 さに しても 風 船が膨 らんだ こ と（自分のグループの実験）C児

テレビで、温められた空気は上に行くと見たことがあるから

膨張説

注射器のピストンが押し出されたこと（自分のグループの実験）G児

友だちが、空気が温められると上に行くと言ったから

膨張説

フラス コを逆 さに しても 風 船が膨 らんだ こ と（自分のグループの実験）

A児

空気が膨らむのだったら、外から空気が入る必要があるから上昇説

注射器のピストンが押し出されたこと（自分のグループの予想は当たっていたけど）F児

空気は温められると上に行くと思う

上昇説

フラス コを逆 さに しても 風 船が膨 らんだ こ と（自分のグループの実験で傘の袋は全体的に膨らんだ）

H
児
I
児
J
児
K
児
L
児

空 気上 昇 説

人の体もやけどをするとはれて膨らんだりするから、空気も熱で膨らんだ
のだと思う

E
児

温められたときは、空気が熱くなっているから上に行くと思う
蒸気は上に行くから、フラスコの中の空気も温められると上に行くと思う
温められた空気は、熱さから逃れようとして上に行って、その勢いで栓が飛ぶと思う
湯気のように、上に動いていくと思ったから空気が熱くなって、だんだん上に行って、最後に空気が栓を押し出す

上昇説
上昇説
上昇説
上昇説
上昇説

-7-

フラス コを逆 さに しても 風 船が膨 らんだ こ と（自分のグループの実験）

傘の袋の上の部分は膨らんだけど、下の部分がしぼまなかったから（自分のグループの実験）
注射器のピストンが押し出されたこと（自分のグループの予想は当たっていたけど）傘の袋の上の部分は膨らんだけど、下の部分も膨らんだから（自分のグループの実験）
傘の袋の上の部分は膨らんだけど、下の部分も空気があったから（自分のグループの実験）
注射器のピストンが押し出されたこと

表７

グループで考えた実験方法

空気が「上昇する」仮説を支持するグループ

考 えた 実 験 方法 と 結 果 の予 想

風船を取り付けたフラス コを 使い ます 。 空
気が 上に 行く なら 、 風
船が膨らみます。

傘を 入れ る袋 に 空気を入れて、上の部分を手で握ります。空気が上に行くな
ら、手を離したとき空気は上に移動して、袋の下の部分がしぼみます。

空気が「膨張する」仮説を支持するグループ

風船を取り付けたフラス コを 、逆 さに し て
温め ます 。空 気が 膨 らむの なら 、フ ラス コ を逆さ にし ても 風船 は 膨らみます。

空気を半分入れた注
射器 を使 い ます 。空 気が膨 らむ の なら 、注 射
器を 横に し ても ピス ト
ンは押し出されます。

実験は、他のグループにも結果が分かるように、みんなの前でやって見せることとした。
空気が上昇すると考えていた児童も、表６の「空気が膨張することを理解する決め手となった実験結果」の項目からも分かるように、実験結果に基づいて空気が膨張することを理解していた。モデル図を活用させることにより、実験方法及び実験結果が仮説とどのようにかかわっているのかが、しっかりと見通されていたといえる。
イ

適切な考察を導く効果が認められた事例
空気のモデル図と水のモデル図を比較させることで、それぞれの性質に目を向けながら実験結果を適切に考察させることができた事例を示す。
第４学年「空気と水をとじこめると」では、空気鉄砲の筒の中に水を入れ、玉を飛ばすことができるかどうかについて確かめる実験を行った。この実験のねらいは、水は圧し縮められないので、玉をうまく飛ばせないことを理解させることである。
児童の学習状況に関する記録（表８）に示すように、実験前の予想では、児童の大半が｢飛ばない｣と結果を正しく予想していた。しかし、その理由の約半数は「水は重いから」、「水には力がないから」等、既習事項が生かされていないものであった。
水では玉を飛ばすことができないことは、実験で確かめることができるが、この結果を確認しただけでは水の性質に目を向けさせることはできない。そこで、水を空気のときに用いた粒で表現するように指示した（表３第４時参照）。その後、図６のように、粒で表した空気と 図６ 空気(上)と水(下)のモデル図の比較
水の状態を表したモデル図を比較させながら実験結果を考察させた。表８の「考察の記述」、「各児童の理解内容に関する教師の気付き」の項目に示すように、８割を超える児童が、水の性質に着目しながら考察を導くことができたことが分かる。
水を入れた空気鉄砲の実験は、水の圧し縮められない性質に目を向けさせることが難しい-8-

が、モデル図に表現させることで、水では玉が飛ばないことと水の性質とを関連付けて考えさせることができた。
表８
予想
A
児

児童の学習状況に関する記録（第４学年「空気や水をとじこめると」第４時）

予想した理由水は重いから玉は落ちる
水は圧し潰せないので玉は飛ばない
注射器のピストンを押せなかったからB児
C児

水は重いからF児

空気は圧し返す力がある
けど、水にはないから

玉 は飛 ば な い

D
児

考察の記述
○
○
○
○
○

各児童の理解内容に関する教師の気付き
水では玉をうまく飛ばせないことと、水の圧し縮められない性質とを関連付けて理解している
水では玉をうまく飛ばせないことと、水の圧し縮められない性質とを関連付けて理解している
水には圧し縮められる性質がないことに気付いていて、実験後の水のモデル図も粒子が詰まっているように表現している
友だちの説明を聞いたり、実験で確かめたりすることで、空気や水を粒子で表すことができている
水は圧し縮められない様子をボールで表現できているK児

水に力がないと思ったから
水だと飛びにくいと思ったから
水に力がないと思ったから
注射器を使ったとき、空気は縮んだけど、水は縮まなかったからL児

空気が縮むとパンパンなるけ
ど、水には空気がないから△M
児

水は空気みたいに飛びまわらないから△N児

水は固まっていて、はじけないから○言葉で説明することは不十分だが、空気及び水の性質を理解している

水には威力があると思ったから○

水の予想ははずれたが、前玉が動く様子をよく見ていてモデル
図に表している

H
児
I
児
J
児

玉 は飛 ぶ

E
児

○
○
○
○

前時から、粒子で空気や水の状態を考えることができている
水の状態をモデル図に表し、考察を導いている
水の状態をモデル図に表し、考察を導いている
注射器のモデル図は擬人化だったが、空気、水ともに粒子で考えることができている
考え方は間違ってないが、粒子の数が極端に変わっている
水の粒子に間があり、粒子の数も極端に違う

水に力があると思ったか「水は縮められないから」としているが、玉が水を吸い込んで○ら重くなるとも書いている※「考察の記述」は、水の性質に着目できていれば○、不十分なものは△※「各児童の理解内容に関する教師の気付き」は、ワークシートの記述や児童への聞き取りなどを基にした
G児

ウ

新たな見方や考え方を共有させる効果が認められた事例
モデル図が、クラス内において、考えを伝え合うための手段として用いられ、新たな見方や考え方に気付かせることができた事例を示す。
第４学年｢空気や水をとじこめると｣での発展問題として、玉が飛ぶ距離をコントロールしなければならないゲームを設定した。発射台から玉を飛ばすと、３つ目の机まで玉が飛ぶことを、児童は今までの学習で知っている。このゲームでは、玉が飛ぶ距離を短くして２つ目の机に玉を載せることに挑戦させる。一見簡単そうに見えるが、発射台は上向きに角度をつけているので、２つ目の机に玉を載せるのはなかなか難しい。
児童からは、「押し棒をゆっくり押せばいい」という考えが出されたが、押し棒をゆっくり押しても玉は２つ目の机を超えてしまうことを演示した。その後、改めて他によい方法はな
いかと尋ねると、「筒の中の空気の量を減らす」方法と「前玉を軽く差し込む」方法の２つの方法が出された。この中からうまくいくと思う方法を１つ選択させ、玉が飛ぶ距離を短くすることができる理由を、モデル図を使って考えさせた。児童が考えた理由を、児童の学習状
況に関する記録（表９）「距離を短くすることができる理由」の項目に示す。
-9-

「筒の中の空気の量を減らす」方法について、この方法で玉が飛ぶ距離を短くすることができる理由を説明させたところ、「空気が少ないからパワーがない」や「押し棒をちょっと押しただけで、玉が飛び出す限界になる」という説明が出された。しかし、これらの説明は、空気の圧し縮めることができる性質に言及していない。これに対し、Ｂ児は、これらの説明を空気の性質を用いて、「圧し縮められた空気の量が少ないので、空気の玉を押す力も少ない 」と表現した。この児童
は、押し棒を少し動かしただけで、空気がすぐに圧し縮めら

図７ 「空気の量を減らす」方法について、Ｂ児が作成し説明に使ったモデル図れてしまう様子を、粒の広がり具合で表したモデル図（図７）を使って説明していた。
「前玉を軽く差し込む」方法について、この方法で玉が飛ぶ距離を短くすることができる
理由を説明させたところ、「空気に力がないまま玉が飛んでしまう」という説明が出された。
この説明を、空気の圧し縮めることができる性質を用いて行ったのが、「空気のすき間」という言葉を使ったＩ児とＪ児の説明である。この２人の児童は、前玉を軽く差し込むと、押し棒を押すとすぐに前玉が前へずれてしまい、玉が飛ぶ直前になっても空気にすき間があるので空気の圧し返す力が弱くなるという理由
をモデル図（図８）から導き出して説明していた。

図８ 「前玉を軽く差し込む」方法についてＩ児が作成し説明に使ったモデル図

Ｂ児、Ｉ児、Ｊ児の説明が、他の児童の中にも伝わっていたことが、授業中の発言や授業の振返りの記述（表９「参考になった友だちの説明」の項目参照）などからうかがえる。また、空気の状態について、モデル図を使って微視的に考える経験は、その次の「ものの温度とかさ」の学習にも生かされていた。
このように、モデル図を活用させると、考えを伝え合う学習が活性化し、目に見えない事
物・現象について、より深く考えさせる効果があることが分かった。
表９
方法

B
児
D
児
F
児
G
児

E
児

前玉を軽く差し込むC児

距離を短くすることができる理由
空気が少ないので、玉を押す力があまりない
圧 し縮 め ら れた 空 気 の量 が少ないので、玉を押す力も少ない
空 気が ぎ ゅ うぎ ゅ う 詰め な
ので、ちょっと押すと玉が飛び出す限界

参考になった友だちの説明
Ｂ児の空気が少ないと押す力が弱くなる理由
空気の圧し縮む量が少な
いと玉はそれほど飛ばない
Ｂ児、Ｆ児の空気の玉を押す力が弱くなるという
説明

ゲーム後の考察の記述○空気を圧し縮める量が少ないから、玉が近くに飛ぶ○空気を圧し縮める量が少ないから、力が出ない

空 気が 縮 ん でい っ て もあ ま
り力がない

Ｇ児の空気が少ないから押すパワーがないという
説明△（空気を圧し縮める量と玉が飛ぶ距離の関係が正しく書かれていない）

粒

空気が少ないので、すき間も少なくなりパワーがない

空気の「すき間」についての説明○空気を圧し縮める量が少ないから、パワーが出ない

ばね

は じめ か ら 前玉 は 飛 ぶ寸 前
なので、あまり飛ばないＥ児の説明○空気を圧し縮める量が少ないから、力があまりない綿押 した と き はも う 玉 が落 ちそうなので、玉が少しだけ飛ぶ

Ｉ児、Ｊ児の空気の「間」 ○ 空 気 を 圧 し 縮 め る 量 が 少や「すき間」という説明 ないから、力が出ない

ばね
筒 の中 の 空 気の 量 を 減 らすA児

児童の学習状況に関する記録（第４学年「空気や水をとじこめると」第５、６時）

モデル図の表現方法

粒

ボール

粒

- 10 -○空気を圧し縮める量が少ないから、力が出ない

粒

I
児

粒

J
児

粒

前 玉を 軽 く 差し 込 む

H児

押したとき、前玉はちょっとずつ出ていくま だ少 し だ け空 気 に 間が あるのに、玉が飛んでしまう
押 した と き 、前 よ り 空気 は
ぎゅうぎゅう詰めだけど、前玉 が少 し 前 に行 く の で空 気の間にすき間がある

空気に間があること○空気を圧し縮める量が少ないから、力が小さくなる
空気の量を半分にする方 ○ 空 気 を 圧 し 縮 め る 量 が 少法も、なるほどと思った。 ないから、力が小さくなる
Ａ児、Ｇ児の空気が少な ○ 空 気 を 圧 し 縮 め る 量 が 少いから押す力が弱い
ないから、力が小さい

空気の「すき間」や「間」 空気が少ないから、空気の力という説明と、空気が少 が小さくなる
ばね
ないからあまり飛ばないという説明少し押したら粒がつぶてれ、 （記述なし）△空気の力が弱いL粒児
前玉が押し出される
押したとき、ちょっと間があ 空気の量を減らせば、押 ○ 空 気 を 圧 し 縮 め る 量 が 少M粒いている
す力がなくて玉はあまり ないから、力が出ない児
飛ばない
ばねが縮むが、あまり飛ばな 空気の量を半分にする方 △（空気を圧し縮める量と玉N
ばねい法についての説明
が飛ぶ距離の関係が正しく児書かれていない）※「ゲーム後の考察の記述」は、空を圧し縮める量に着目できていれば○、不十分なものは△K
児

押すとばねは縮まり、前玉がすれすれになっている(4) 児童が作成したモデル図の変化
モデル図を活用させながら学習を進めていくにつれて、児童は、より事物・現象を説明しやすいモデル図を作成するようになった。
図９は、児童が作成した空気のモデル図の変化の様子である。
「空気や水をとじこめると」の単元の導入では、注射器に閉じ込めた空気を、擬人化したもの、ばね、泡、粒等で表したモデル図が見られた。次の、空気鉄砲の筒の中の空気の状態を表す場面では、ばねや粒に絞られてきた。
「ものの温度とかさ」の単元では、ほとんどの児童が空気の状態を粒で考え、図に表すようになった。これは、モデル図を用いて説明し合う場
面を数多く経験することで、児童は、より事象を説明しやすい表現でモデル化を図るようになったと考えられる。
また、「ものの温度とかさ」

図９ 児童が作成した空気のモデル図の変化の様子

における児童のモデル図が、ほとんど粒を用いたものになったことは、実験器具の形状の影響も考えられる。図10のように、試験管のような縦長の容器では、空気をばねに例える児童がいると思われるが、下の部分が膨らんだ丸底フラスコを用いると、ばねではフラスコの斜線部分の状態が説明できない。同じ空気をモデル化するのにも、空気を入れる容器の形状によって児童が用いるモデル図に違いが見られることが予想される。空気を入れる容器をどのような形にすればよいか、教師は適切に- 11 -

図 10 ばねによる空気のモデル化の限界

判断する必要がある。
児童は、教師の適切な手だての下、モデル図を活用する学習を積み重ねることで、より事象の説明に適したモデル化を図るようになると考えられる。
３

まとめと今後の課題(1) 研究のまとめモデル図を活用した指導は、見通しをもたせる場面や、学習を振り返りながら考察させる場
面で効果を発揮し、児童の問題解決を確かなものにすることが分かった。また、児童の考えを表現しやすくさせる効果もあり、学び合いの場面が活性化され、言語活動がより充実することも期待できる。
児童の発想から生まれたモデル図は、教師がその妥当性を検討させたり、実験結果を考察させたりする中で修正が加えられていき、その過程を通して、児童の事物・現象に対する認識を深めることができるといえる。そして、何より、モデル図を使って思考するという経験は、中学校での、モデルを活用しながら理解を図る学習に生かされるものと考える。
(2) 今後の課題
小学校段階での学習ということを考慮し、児童が自由に表現したモデル図を活用させてきたが、中学校では一般的なモデルを扱うということにも配慮する必要がある。
前ページ(4)児童が作成したモデル図の変化で示した事例のように、教師が手だてを工夫し、モデル図を活用しながら考えを伝え合う経験を積み重ねていけば、児童の発想によるモデル図が一般的なモデルに近づいていく場合があることが分かった。しかし、水の状態をモデル化する実践にもあったように、擬人化やれんが等で例えたモデル図では、水の性質に目を向けて見通しをもたせたり、考察させたりすることが困難である。また、空気が膨張する様子を表したモデル図（図５）は、「粒子の保存性」を適切に表現していない。児童の発想の自由度をどの程度認めていけばよいのかを検討する必要がある。
本年度の研究では、児童が体感したことを基にしたモデル図を活用させてきた。今後は、「物の溶け方」等、事物・現象を観察したことや、「電気の働き」等、数値を伴った実験結果を基に、モデル化を図る学習指導についても研究していきたい。

【参考文献】
文部科学省、『小学校学習指導要領解説

理科編』、大日本図書、2008

国立教育政策研究所教育課程研究センター、『特定の課題に関する調査(理科)』、国立教育政策研究所、2007
蛯谷米司・木村仁泰、『理科重要用語 300 の基礎知識』、明治図書、1981
堀哲夫、『学びの意味を育てる理科の教育評価―児童と評価を一体化した具体的方策とその実践―』、東洋館出
版社、2003
堀哲夫、『問題解決能力を育てる理科授業のストラテジー―素朴概念をふまえて―』、明治図書出版、1998
角屋重樹・林四郎・石井雅幸、『理科の学ばせ方・教え方事典』、教育出版、2009
角屋重樹、『小学校新理科の考え方と授業展開―全学年・全単元の指導計画例』、文溪堂、2009
日置光久・星野昌治、『「子ども」はどう考えているか―とらえやすい自然認識と科学概念―』、東洋館出版社、
2007- 12 -