山梨大学教職大学院

令和４年度

教育実践研究報告書

イメージしづらい学習単元におけるイメージ創成のための指導法の検討－理科分野でのエネルギーに関連した学習単元－

教育学研究科 教育実践創成専攻 教育実践開発コース 教師力育成分野 東佳吾
1. 研究の背景に就きたいか，というアンケートが実施され1-1. 日本の子供たちの理科学習への意識た。いずれも日本の中学生の回答は国際平均

現在，子供たちの理科教育への興味関心が低下していることが報告されている。
図 1 は，を下回っている。この結果から，小中学生の理科教科に対しての学習意欲が低下しており，

国際数学・理科教育動向調査（TIMSS）の 2003

さらに年齢が上がるにつれて理科学習が疎遠

年から 2019 年の日本の小中学生の理科教科にになっていることが伺える。若者の理科離れ対しての意識調査をまとめている。日本の小学生で，理科教育について楽しいと感じていは，将来の優秀な技術者が減少する要因になり，日本の経済を支えてきた「ものづくり」る生徒，また理科教育を得意であるととらえの基盤を揺るがすことになる。ている生徒は，国際平均を上回っている。し中山（2003）の先行研究では高等学校理科かし，中学生になると両項目とも国際平均を下回っている。さらに，同調査で中学生を対において，特に物理科目では「難しくて分からない教科」の意識が強いことが述べられて象に，理科を勉強すると日常生活の役に立ついる。それらの苦手意識の原因として，大宮・か，また将来理科が使うことが含まれる職業

奥村（1994）の先行研究では「実際の物理現

図 1：TIMSS の調査結果－ 57 －

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象や公式が目に見えないこと」，「暗記しなけの育成を目指すことを，問題解決の手立てとればいけない計算や公式がたくさんあるこした。と」，「単元内に出てくる内容や用語が難しいこと」などが挙げられると分析している。ま

2. 演習問題から得られた課題と研究目的

た，自身が工学部の学生であった時の学習に

2-1. 運動量保存則からおいて，特に電磁気といった分野では，物理

図 2 は実際の観察実習中にて，生徒が取り事象が目に見えず公式上でしか状態を判断できないため苦手意識を抱いたことを覚えてい組んでいた演習問題であり，単元は運動量保存則である。この問題では，燃料を積んだロる。

ケットが，燃料を燃焼，逆噴射し，ロケット1-2. 学習指導要領からの視点と燃料の作用反作用を利用して，ロケットが平成 30 年度学習指導要領では，理科教科の見方・考え方を「自然の事物・現象を，質的・加速する状態を取り上げている。運動量は質量と速度の積であり，燃料噴射前後において量的な関係や時間的・空間的な関係などの科ロケットと燃料それぞれの運動量は保存され学的な視点で捉え，比較したり，関係付けたるため，加速前のロケットの運動量と，加速りするなどの科学的に探究する方法を用いて考える」としている。この前半部分の「自然後のロケットと逆噴射した燃料の総運動量が等しいことを利用して，噴射後のロケットのの事物・現象を，質的・量的な関係や時間的・速度を求めることができる。この問題を解答

空間的な関係などの科学的な視点で捉え」が，時間中に，生徒から「ロケットはどういう風先程の苦手意識の要因として挙げられていた，「実際の物理現象や公式が目に見えないこと」に動いているのか分からない」という質問を受けた。この事例から，ロケットと燃料が作を解決する手立てになるのではと考えた。よ

用反作用の関係であることが見抜けないこと，って、物理科目における物理現象や物理概念

またその後ロケットがどのように加速するのを，視覚といった感覚的なイメージを掴ませることによって、苦手意識の改善や学力向上かが分からないといった，物理現象が実際の運動にどのような影響を及ぼしているのかをを図れるのではないかと考えた。

イメージすることができないことが伺える。

1-3. ホワイトの 7 つの記憶要素

2-2. 電気と磁気の分野からホワイト（1990）の研究では，子供たちは科学概念をストリング，命題，イメージ，エ電気と磁気の分野における演習問題でも，生徒がイメージすることができない例が見ら

ピソード，知的技能，運動技能，認知方略の 7れた。図 3 は等電位線作図の問題である。点つの記憶要素で構成していると唱えた。その電荷による電位は，点電荷からの距離が等し中でイメージを「感覚についての心的表象」とし，「学習者自身によって，映像，言語，記い地点ではすべて等しい。そして、正の電荷と負の電荷のどちらからも等しい距離の地点号等を伴って構成された記憶の一要素」と規定している。さらにイメージの創成は，個人によって用いられる感覚が違うことも唱えている。しかし，個人に多少の差はあれど，ほぼすべての人間がある程度の視覚的と，わずかに他の感覚に基づくイメージを持っていることも報告されている。よって，イメージ創成の大部分を占める視覚的感覚に注目し，実際の物理現象や物理概念の視覚的なモデルを
図 2：運動量保存則の演習問題「イメージ」とし，イメージを思い描く能力－ 58 －

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表 1：全 4 時間の授業内容

図 3：電気と磁気の分野の演習問題
では，電位が互いに打ち消し合い 0 になる。
よって，正の電荷と負の電荷を結んだ線分の中点である点 P の電位は 0 であり，点 P を通る等電位線，すなわち電位 0 となる電位線は，この線分の垂直二等分線（赤線）となる。この問題では，点電荷を中心として点 P を通る二つの円を作図する誤答（青線）がみられた。
原因として，一つの電荷がある地点に及ぼす電位の関係は理解しているが，複数の電荷がある地点に影響を及ぼすとき，その地点の電位がどのような影響を受けるかがイメージできないと考えられる。この例からは，ある物理概念が，空間の中で観測対象にどのような影響を与えるのか，生徒がイメージできないことが分かった。
2-3. 研究目的
以上の二つの演習問題の例から 2 つのイメージ能力が欠けていることが分かった。一つ時間取り扱う内容1

運動エネルギー

2

位置エネルギー3

力学的エネルギーの保存4実験示す。また前の 3 時間は座学による授業を行い，最後の 1 時間で単元のまとめとして実験を行った。
3-2. 座学授業について
前 3 時間分の座学授業での授業計画を表 2に示す。最初の 5 分ほどを導入として前時の振り返りを行い，その後展開①にてその時間で取り扱う内容を授業で講義した。講義時間終了後，事前に用意した演習プリントを班ごとに進め，その間に質問等を受け付け，各問題の模範解答への補足説明を行った。最後にまとめとして，その時間の簡単な振り返りとOPP シートの記入を行った。これらの授業は，事前に担当の先生と相談し，できる限り普段の授業構成と大きく変わらないように配慮して計画した。授業ごとに必ず演習プリントによる演習時間を設けているのはそのためである。イメージ創成のための授業工夫は，座学講義中である展開①に取り入れた。
表 2：座学授業での授業展開が，実際の物理現象や運動をイメージする能力であり、もう一つは，物理概念がどのよう導入前時の時間の振り返りな影響を及ぼすのかをイメージする能力である。またこれらのイメージ能力は，時間的空展開①

本時で取り扱う内容を授業で取り上げる間的な観点で捉えることが求められる。本研

展開②

演習プリントを班ごとに解き進め，授業中の疑問点をクラスメイトと究では，こちらの 2 点の能力向上を目指す。

相談しながら明らかにする
3. 研究内容

まとめ

本時の簡単な振り返り，OPP シートの記入

3-1. 実践授業概要
イメージ創成を目指して，実際に県内の公立高校にて授業実践を行った。対象は文理選択前の第 1 学年 40 名である。教科は物理基礎

3-2-1. 1 時間目「運動エネルギー」のエネルギーに関連した分野である。表 1 に扱った。本時の目標は，運動エネルギーの概念を理解することが目的となる。運動エネル

授業時間と取り扱った内容についての概略を

1 時間目では運動エネルギーについて取り－ 59 －

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図４：1 時間目での授業工夫

図 5：2 時間目での授業工夫

ギーは，「ある物体が他の物体に仕事をする能力を持っているとき，その物体は『エネルギ能力を持っていた水は，流れ落ちる前の状態からエネルギーを持っていたことを視覚化すーを持っている』という」とされている。なることがねらいであった。

お，前時にて仕事について学習しているため，3-2-3. 3 時間目「力学的エネルギーの保存」

仕事の概念は理解していることを前提に進行した。

3 時間目は力学的エネルギーの保存について取り扱った。力学的エネルギーとは，運動ここでは，運動エネルギーと仕事は表裏一エネルギーと位置エネルギーの和を指す。力体の関係である概念を理解することが大切に学的エネルギーは重力以外の外力を受けないなる。そのため，車の衝突規準に関する記事から，図 4 に示した車の衝突写真を抜粋し，限り一定に保たれることが，力学的エネルギーの保存である。

速度による衝撃の大きさについて取り上げた。

この時間が，この単元に関する最終の座学

これにより，運動する物体（ここでは車を指授業であったため，単元を通してのまとめ的す）が，他の物体に仕事をする（他の車や壁に衝突した際に押し出したり変形させたりすな位置づけとなる。そのため，ここまでの授業中での生徒の反応や演習時間中にあがったること）様子を視覚的に表現した。また速度

質問を反映し，授業に工夫を加えることとし上昇によって衝撃が累乗倍されることから，た。生徒は，力学的エネルギーと仕事の関係運動エネルギーと速度の関係を視覚的に表現した。

についての理解度が低いことが伺えた。そのため，ここでは図 6 のようにして，斜面の高3-2-2. 2 時間目「位置エネルギー」

いところからボールを転がし、元の高さまで2 時間目では位置エネルギーについて取り斜面を駆けあがる運動を考えることとした。

扱った。本時の目標は，位置エネルギーの概念を理解することが目的となる。位置エネル

各場面での力学的エネルギーの総量をゲージ，運動エネルギーと位置エネルギーのそれぞれギーは，運動エネルギーに変換され仕事を行うことができる能力を持っていることで，エネルギーを持っている状態であるとされている。位置エネルギーが運動エネルギーに移り変わり，仕事を行うことを表現するために，
ここでは，中国電力の HP に掲載されている水力発電の仕組み（図 5）を取り上げた。高い位置にある水が，流れ落ちる過程で速度を持ち，タービンに流れ込むことによって仕事を
図 6：3 時間目での授業工夫する様子を説明した。タービンに仕事をする－ 60 －

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教育実践研究報告書が，力学的エネルギー内で占める割合をメーターとして説明を行った。図では青ゲージを運動エネルギー，赤ゲージを位置エネルギーとした。この図では，ボールの運動の各局面で，力学的エネルギー内の二つのエネルギーが時間的にどのような遷移をしているかを視覚モデル化すること心がけた。さらに，二つのエネルギーの割合が変化したことと仕事を
図 7：実験装置図したことは同義であるため，「仕事をした」ことも同時に視覚モデル化することもねらいとした。
3-3. 実験についてネルギーを導出する。また，振り子の往復回数を重ねることによって，低下した振り子の3-3-1. 実験時間概略速度を測定する。これにより，力学的エネル実験の時間の授業展開の概略図を表 3 に示ギーが外力によって減少させられる様子を導す。導入には今単元の振り返りを行い，実験内容と装置の説明を行った。その後各班に分出する。この実験には，実際に運動する中で運動エネルギーと位置エネルギーが互いに変かれ，実験装置を組み立て，測定を開始した。

換される様子を視覚的に認識すること，また測定が終了した班から計算を行い，黒板に板実際には様々な外力によって力学的エネルギ書する。その後全体で結果の共有と考察を行い，最後に実験の振り返りと OPP シートの記

ーは保存されないことを認識することをねらいとしている。

入を行った。ここまでの育成したイメージを，3-3-3. 実験結果の様子実験によって得られた結果と比較することで，実験は難航した班が多かった。実験装置をモデルのイメージの整合性や実際の現象と理想モデルのイメージとの相違点などのつながうまくセットできない班や，実験器具の可動部分等を理解していなかったため，開始が遅りを感じ取らせることを目的とした。

れた班が多かった。また往復を重ねる実験では，測定装置に振り子をぶつけてしまう班が

表 3：実験時間の授業展開
導入

今単元の大まかな振り返り，実験内容、実験装置の説明する

展開①

班ごと，実験器具を組み立て，測定を開始する

展開②

班ごと得られた結果を板書し，他のあったため，生徒たちの実験装置の熟知度を考慮して実験内容を決める必要がある。
実験結果の板書を図 8 に示す。縦軸は左からそれぞれ，振り子の質量，位置エネルギー導出値，最初に最下点を通過したときの振り子の速度，最初に最下点を通過した時の運動班と見比べながら実験の成否，その要因について考察を行う
まとめ

本時の簡単な振り返り，OPP シートの記入

3-3-2. 実験内容
実験装置の略図を図 7 に示す。鉄球をつるした振り子の運動の最下点での速度と，最高点の高さを測定し，運動エネルギーと位置エ

図 8：実験結果の板書－ 61 －

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教育実践研究報告書わされた。考察の意見を述べる際，実験の理想条件に近づくための条件を考えた生徒や，現実条件が加わった際の考慮しなければいけない点を考えた生徒が現れた。これは，実際の物理現象をイメージする能力が身に付いたがゆえに，考察することができたのではと考える。
4. 結果・考察
4-1. 感想シートの全体分析
図 9：考察内容の板書

今回の授業実践で行った内容について，生徒全員に対して自由記述形式の感想シートをエネルギーの導出値，50 回往復時の振り子の記入してもらった。

速度，50 回往復時の運動エネルギーの導出値

図 10 は感想シートの内容をテキストマイニである。表の欄外には，開始時の高さを板書している。黄線が引かれた 1 班，6 班，9 班のングによって図表化したものである。図で大きく表現されている文字は，感想シート内で実験結果の位置エネルギーと運動エネルギー頻繁に用いられた単語であり，逆に小さい文の項目を比較すると，位置エネルギーが運動字は出現頻度が低くなっている。なお，「今日」

エネルギーに変換される様子を確かめることができる。また，最初に最下点を通過したとや「思う」といった，ごく一般的で重要でない単語に関しては，意図的に小さく表示されきの運動エネルギーと 50 回往復時の運動エネる処理が施されている。図 10 では力学的エネ

ルギーを比較すると往復回数を重ねることでルギーや位置エネルギーといった単元特有の力学的エネルギーが損失する様子も確認することができた。しかし，線が引かれていない 3単語が高い出現頻度であることが分かる。ここから授業で取り扱った内容が強く印象に残班，5 班， 8 班，10 班は，運動エネルギーとっていることが分かる。しかし，今回の研究位置エネルギーの大小関係が逆転している。のキーワードとなる「イメージ」という単語

さらに，赤い丸がついている 2 班，4 班は明ら
かな単位ミスや計算ミスによる結果が導出さを赤丸で囲んだが，出現頻度は低く，40 人のうち 6 人が感想シート中に記述する程度に収れているなどの問題も発生した。

まった。全体としては，全授業を通して，イ次に考察内容を板書したものを図 9 に示す。

メージすることを習慣づけることや意識づけ

ここでは実験の成否から始まり，力学的エネルギー現象の原因を考察するなどの意見が交ることができなかったのではないかと考察する。
4-2. イメージについての感想の分析ここで，イメージについての記述があった感想シートを抜粋する。図 11 に抜粋した感想にはイメージについての記述に加えて，青い丸で囲っている「分かりやすい」，「よかった」，「面白かった」等の学習を前向きにとらえる単語がセットに記述されていることが多い。
これらの感想から，物理現象，物理概念のイメージをすることにより，物理科目の学習の

図 10：感想シートのテキストマイニング

興味関心を引き出すことができると考察する－ 62 －

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図 12：イメージ創成能力の向上を実感できた生徒の感想
図 11：イメージに関連した前向きな感想成を意識させること，イメージ創成能力の向上させることが，クラスの一部の生徒にしかことができる。また「分かりやすく」なることによって，演習やテストにおける学力向上行えなかったことが挙げられる。また今回の研究は学力向上もひとつの目的であったが，が見込めると予想される。

評価方法に学力の変化についての内容を取りさらに図 12 に示した別の感想シートでは，入れるまでに至らなかった。

授業実践前にはイメージする能力が欠如していた旨の記述もあった。授業実践を通して，生徒の意識調査の点では，感想の内容を誘導しないよう自由記述としたが，イメージ創イメージ創成の能力の向上を実感できたとい成に関連した感想があまり得られなかったこ

う記述があるが，その実感は黄色線のように，とから，ある程度の質問要綱を設けた方が，座学授業後ではなく実験授業後であったと推察される。研究計画時点では，イメージ創成

イメージ創成に対する生徒の意識が明確に判別可能であった可能性もある。さらに，授業は座学授業によって，脳内に仮想のモデルを実践前に物理科目についての意識調査を行わ作ることが重要であると思っていたが，実験なかったため，授業実践前後での意識の変化活動といった体験的な経験の方が効果的である，または座学授業と実験授業の連携をもっを確認することができなかったことも課題として挙げられる。てイメージ創成能力が養われると推測される。

今後の展望として，今回の研究にて明らか

また今回の感想シートから，物理現象についになった課題点から研究計画の見直しを行うてのイメージ創成の言及はあったものの，物理概念のイメージ創成の言及は見られなかっことが必要である。また実験がイメージ創成に重要な要因になり得ることが分かったため，た。

授業計画に実験を多く取り入れることも挙げられる。もしくは，体験的な授業経験として，

5. まとめと今後の課題
今回の研究では，計 4 回の座学授業及び実座学時間中にも簡易的な実験を取り入れるな
ど，授業計画の形を工夫することも必要であ験授業を通じて，物理現象，物理概念のイメる。

ージ創成能力の育成を目指した。授業実践の成果として，イメージ創成能力の向上が，物理科目への興味関心を引き出すことができる

引用・参考文献・古川賢一（2020）「20 年前と現在の衝突規ことが確認できた。またイメージ創成能力の準。車のつぶれ方は，こんなに違う！」，育成にあたって，座学授業よりも実験といっCarMe HP，た体験的な活動の方が効果的である，また座学授業と実験活動との連携が重要であること

https://car-me.jp/articles/10874（2023.2.20 最終閲覧）がわかった。

・国際教育到達度評価学会（IEA）（2019）「国研究の課題として，授業実践でイメージ創際数学・理科教育動向調査（TIMSS2019）－ 63 －

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令和４年度のポイント」
・文部科学省（2018）「学習指導要領（平成30 年告示）」
，pp. 103-112
・中川生一・狩野勉・山本健治（1995）「物理概念イメージと創造性」，日本科学教育学会
年会論文集 19，pp. 329-330
・中山敬也（2000）「高等学校物理における生徒の学習意欲を高める指導方法の研究-生徒が物理を好きになる授業の在り方を探る-」
・大宮輝雄・奥村清（1994）「高等学校における物理嫌いの要因についての一考察」，科学教育研究 Vol.18, No. 4・佐々木智謙（2022）「理論と実践をつなぐ理科教育学研究の展開」，東洋館出版社，pp.
234-239・中国電力 HP「発電所ではどうやって電気を作っているの？」
https://www.energia.co.jp/kids/kids-ene/study/qa/elect.html（2023.2.20 最終閲覧）
・White, R. T.，堀哲夫・森本信也（訳）（1990）「子供たちは理科を以下に学習し，教師はいかに教えるか-認知論的アプローチによる授業論-」，東洋館出版社，pp. 40-64－ 64 －

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