化学実験がもたらす内容理解と化学実験を活かした授業構成
M19EP032
１．問題設定西尾 郁哉

1 年生の研究では、プレテストは担当する

高校化学の分野では、実験について多く記授業外で実施され、2 コマ構成で実験ありとされており、例えば東京書籍では、化学基礎実験なしの 2 パターンで実施した。実験ありには 18 個、化学には 33 個が記載されている。の場合では授業と実験を 1 コマで行い、2 コ

一方で化学基礎の授業時間は 70 時間、化学マ目にペーパーテストを実施した。実験なしの授業時数は 140 時間である。さらに試験等の場合では 1 コマ目に授業を行った後、実験により授業時数は短くなる。このように化学の代わりに演習を行い、2 コマ目にペーパーの授業は時数に対して、あまりに多くの実験テストを実施した。

項目が設定されており、実際に行う実験は教師が効果を考えて選定しなければならない。
そこで、実験によって学習効果が得られるのか、また数多くの実験からどの実験を扱うのが良いのかを調べるために、具体的に「実験が授業内容の理解につながるか」を評価すること及び「どういった種類の実験が効果的か」を明らかにすることを本研究の目的とし

図 1：3 年生授業実践スケジュールて掲げた。
２．研究方法本研究は 1 年生と 3 年生を対象に行った。
3 年生での研究は 3 コマ構成で実験ありとな
しの 2 パターンで実施した。3 年生の実験ありの場合では、1 コマ目は研究対象のクラスの学力を測るために冒頭の 5 分間でプレテストを実施し、45 分間で授業を行った。2 コマ

図 2：1 年生授業実践スケジュール

目は 50 分間実験を行い、3 コマ目で 15 分間ペーパーテストを行った。3 年生の実験なし

３．評価方法の場合では 1 コマ目に 5 分間のプレテストと本研究の評価は 3 つの観点から行う。1 つ

45 分間の授業を行い、2 コマ目に 15 分間の目は実験ありの場合と実験なしの場合でのペペーパーテストを行った。研究の影響で授業ーパーテストのスコアを比較し、どのようにの理解度に差が出ないよう、3 コマ目に 50差が生じるかを分析することである。

分間実験を行った。

2 つ目は設問ごとの正答率を比較し、その差の原因を明らかにするとともに、実験がもたため、ほとんど同じくらいの学力を持つ生たらす効果を明らかにすることである。

徒であることが分かった。

3 つ目はプレテストとペーパーテストの相関分析である。これにより、ペーパーテストのスコアの差が実験の有無によるものか、また各単元で実験を行うことは適当であったかを明らかにする。
４．授業実践
①3 年生 プレテスト
実施日：3 年 A 組 2019 年 7 月 4 日
3 年 B 組 2019 年 7 月 4 日
3 年 A 組と B 組の化学の理解度を測るため、

図 4：1 年生プレテスト 結果

簡単なテストを行った。問題は全て化学基礎で履修した内容とし、5 分間以内に解けるよう計算問題に関しては扱いやすい値を用意した。

③3 年生 無機 金属イオンの分離
実施日：3 年 A 組 2019 年 7 月 18 日
実験あり

結果は A 組も B 組も 10 点満点中 6，7，8点が多くの割合を占めるという傾向が見られたため、ほとんど同じくらいの学力を持つ生徒であることが分かった。

3 年 B 組 2019 年 10 月 17 日
実験なし
実験ありの 3 年 A 組も実験なしの 3 年 B
組も授業では、金属イオン Ag＋，Cu2+，Fe3+の分離を行うのに必要な知識を習得するための授業を行った。これらの金属イオンを分離するには塩酸，硫化水素，硝酸，アンモニア水を試薬として用いることが一般的である。
試薬を加え沈殿物をろ過することによりAgCl，CuS，Fe(OH)3 をそれぞれ取り出すことができる。その際の注意事項として加える薬品の順序が挙げられる。何通りかの分離方法の内、授業では塩酸，硫化水素，硝酸，ア

図 3：3 年生プレテスト 結果

ンモニア水の順番で加える方法を紹介した。
3 年 A 組で行った実験は、授業で紹介した②1 年生 プレテスト

通りの方法で 3 名ないし 4 名構成の班毎に行実施日：1 年 A 組 2019 年 10 月 24 日った。最後にアンモニア水を加えて Fe(OH)3

1 年 B 組 2019 年 10 月 24 日の黄褐色の沈殿を生じさせた際に、深青色の1 年 A 組と B 組の化学の理解度を測るため、溶液の状態になっている班があった。これは、簡単なテストを行った。未履修の物質量計算

その前の手順で Cu2+を硫化水素と反応させは問題から除いた。て沈殿させるのが十分でなかったため、Cu2+

結果は A 組も B 組も 9 点満点中 5，6，7が残り、アンモニア水によって[Cu(NH3)4]2+点が多くの割合を占めるという傾向が見られが生成されたと考えられる。そこで、何が生じたから深青色になったのかを 1 コマ目の授実験を行った。エステル化はどの班もうまく業を参考に考えさせ、考察にまでたどり着いいったが、けん化が未反応だった班があった。

た。

これは、熱の供給が不十分だったためと考え

ペーパーテストを図５に示す。全て授業や実験で取り扱った内容である。

られる。また、弱酸の遊離で酢酸の臭いがかすかな程度にとどまったのは、溶液の量が多くなって酢酸のモル濃度が小さくなったためと考えられる。実験結果から臭いや水溶性について確認した。さらに考察として化学反応式と反応機構を学習した。
ペーパーテストを図６に示す。ほとんどが授業や実験で取り扱った内容である。
特に２．
（４）は弱酸の遊離をただ暗記しただけでは解くことができない。酸の強弱を理解し、比較することで解ける問題となっている。このような思考力を問う問題も設けた。

図 5：3 年生 無機 ペーパーテスト④3 年生 有機 エステル化，けん化，弱酸の遊離
実施日：3 年 B 組 2019 年 7 月 18 日
実験あり
3 年 A 組 2019 年 10 月 17 日
実験なし
実験ありの 3 年 B 組も実験なしの 3 年 A組も授業では、主にエステル化，けん化，弱酸の遊離について教えた。酢酸をエタノールでエステル化し、生成された酢酸エチルをけん化して酢酸ナトリウムを生成し、弱酸の遊離により酢酸を遊離させるという実験の予想を立てさせつつ、構造式を用いてどの官能基

図 6：3 年生 有機 ペーパーテストとどの官能基が何の試薬によって反応するのかなどを解説した。また、実験結果の予想を立てる際には生成物の臭いと水溶性に着目させた。
3 年 B 組で行った実験では、授業で予想した結果通りになるのかを確かめるという形で⑤1 年生 アボガドロの法則
実施日：1 年 A 組 2019 年 10 月 31 日
実験あり
1 年 B 組 2019 年 10 月 31 日
実験なし

実験ありの A 組と実験なしの B 組も授業でペーパーテストの結果を図 8 に示す。実験は、気体の体積と物質量の関係についてアボありのグラフを見ると 12 点満点中 10，11，ガドロの法則とモル体積を中心に説明した。

12 点の割合が非常に高いことが分かる。よっ加えて、気体の密度とモル質量についても学てペーパーテストのスコアから評価すると、習した。

実験が授業内容の理解に効果的であったこと

授業を 20 分間行った後に A 組はアボガドが明らかである。また、低得点者の割合が非ロの法則は本当に成り立つかを実験で確かめ常に少ないことから、化学をあまり得意とした。実験は時間が足りなくなり考察までたどない生徒の内容理解も促すことができたと考り着くことができなかった。また、気体の質えられる。

量の測り方が雑な班があり、このまま実験の考察を行っても意味のある考察はできないと判断し、実験の延長はしなかった。
一方 B 組は実験の代わりに演習を行った。
物質量を用いて体積も求めたり、密度から質量を求めたりする演習を行った。したがって、厳密には実験ありで演習なしの A 組と実験なしで演習ありの B 組の比較となる。
ペーパーテストを図 7 に示す。
図 8：3 年生 無機ペーパーテスト 結果
Ⅱ．3 年生 有機
ペーパーテストの結果を図 9 に示す。実験をした B 組は中間点の他に最低点と最高点にピークがあり、実験をしなかった A 組は 8 点満点中 4，6，7 点の割合が高くなった。よってペーパーテストのスコアから評価すると、実験をすることで伸びる生徒もいれば、逆に実験結果に対する考察ができない等の理由により困惑し、スコアが下がってしまう生徒もいると言える。

図 7：1 年生 ペーパーテスト
５．研究結果と考察①ペーパーテストのスコア分析
Ⅰ．3 年生 無機

図 9：3 年生 有機ペーパーテスト 結果

Ⅲ．1 年生 アボガドロの法則
ペーパーテストの結果を図 10 に示す。実験結果に対する考察ができずに困惑した生徒がいたのではないかと考えられる。

験をした A 組も実験をしなかった B 組も 8実験をすることで学習内容の理解を促進さ点満点中 1，2 点がほとんどであった。よっせることは可能だが、それと同時に実験に滞てペーパーテストのスコアから評価すると実りがあり、結果に対する考察ができないとか験の効果が認められないと言える。

えって学習内容の理解を妨げることもある。
考察にかける時間はもっと増やし、生徒たちが完全に納得するまで説明する必要があった。
表１：3 年生 無機 設問ごとの分析

図 10：1 年生 ペーパーテスト 結果②設問ごとの分析
設問は表 1，2，3 のように分類して分析した。
各数字はクラスごとの正答率[%]を表しており、赤で塗られた箇所は実験なしのクラスよりも正答率が 10 ポイント以上増加したこ

Ⅱ．3 年生 有機とを表している。青で塗りつぶされた箇所は実験で正答率が 10 ポイント以上上がった

実験なしのクラスよりも正答率が 10 ポイン

箇所は実験が良い方向に働いたものと考えらト以上減少したことを表している。

れる。この実験は嗅覚を必要する実験であり、Ⅰ．3 年生 無機

また水溶性を確かめる際には視覚も必要とす

実験で正答率が 10 ポイント以上上がった

るため、他の実験よりも五感を使って体験的箇所は実験が良い方向に働いたものと考えらな内容となっている。特に酢酸や酢酸エチルれる。実際に操作を行い、どの試薬とどの試の臭いに関しては強い印象を与えることがで薬が反応したか、また生成物の色は何色だっきた。

たのか等を、実物を見ることによって体験的実験で正答率が 10 ポイント以上上がったに学習できていたと考えられる。やはり、自箇所はどちらも反応名を問う問題となっていら操作し現象を確かめることは記憶に残りやる。反応名は実験で覚えられるようなものですく、学習内容の理解の手助けとなっているはない。つまり知っているか知らないかの暗ことが明らかとなった。

記事項であって、実験したことによって点数実験で正答率が 10 ポイント以上下がったが下がったという訳ではない。暗記事項に関箇所は実験が悪い方向に働いたものと考えらしては授業の際に、いかに強い印象を与えるれる。硫化水素を加える際に反応が不十分な紹介ができるかが肝心であると考えられる。

班が出て、その後の実験に支障が生じた。実

この実験を行うと嗅覚と視覚を働かせ、体験的な活動ができるため化学反応式や反応機③相関分析構についての理解が深まるが、暗記事項に関

図 11，12，13，14 の散布図は、横軸をプしては実験で覚えられるという訳ではないこ

レテストの得点、縦軸をペーパーテストの得とが明らかとなった。

点としたときの各クラスの分布を表している。
Ⅰ．3 年生 無機

表 2：3 年生 有機 設問ごとの分析

実験ありとなしの相関係数はそれぞれ0.37 と 0.27 となった。どちらも弱い正の相関が見られたことからプレテストの成績が良い生徒のペーパーテストのスコアが伸びている傾向にあることが分かり、本実験の効果を高めるにはそれなりの予備知識があった方が良いことが明らかになった。また、実験ありの散布図の方が高得点に偏っていたため、実験をすることで知識の定着を促すことができたと考えられる。

Ⅲ．1 年生
実験で正答率が 10 ポイント以上上がった箇所はなく、10 ポイント以上下がった箇所のみとなった。こうした結果となったのは実験が考察まで及ばなかったことが原因であると考えられる。実験結果の考察ができないような場合は悪い影響が出ることがあると考えられる。また、物質量に関する 1 年生の理解が不十分であることが分かった。実験を行う以前に、物質量の授業の際に使う教材を再検討

図 11：3 年 A 組 無機 散布図
プレテスト⇔ペーパーテスト

する必要性を感じた。
表３：1 年生 設問ごとの分析

図 12：3 年 B 組 無機 散布図
プレテスト⇔ペーパーテスト

Ⅱ．3 年生 有機

Ⅲ．1 年生

実験ありでは相関係数が 0.57 であり正の実験ありの相関係数は 0.01 で実験なしの相関が見られた。実験なしでは相関係数が相関係数は 0.20 であり、どちらのクラスもプ0.30 であり弱い正の相関が見られた。強弱がレテストとペーパーテストの間には相関がなあるにせよ正の相関が見られたことからプレいことが明らかになった。そもそもペーパーテストの成績が良い生徒のペーパーテストのテストの 0，1 点の割合が高いことから、実スコアが伸びていることが明らかになった。

験や演習で物質量計算の考え方が修得できてここでも本実験の効果を高めるためにはそれいないことが分かる。したがって授業での教なりの予備知識があった方が良いことが明ら

材開発，指導方法を再検討するべきだと考えかになった。散布図を比較すると、実験ありられる。のデータの方が縦に拡がらずまとまっていることから実験を行うことで既に持っている知６．まとめ識に応じた知識の定着ができていたのではな①実験の利点いかと考えられる。

ペーパーテストのスコア，設問ごとの分析から、実験すると現象や操作が記憶に残りやすいことが明らかになった。特に反応機構や生成物の色，臭い等は、板書を写し教師の話を聞くだけの一斉教授型の授業だけでは学習することができない。実験を行い、五感を使った学習を通して初めて知識と技能の定着がなされると考えられる。
相関分析の際に用いた散布図から、実験をしたときのデータの方がペーパーテストの点数の拡がりが小さい。つまり実験することにより知識の定着を促すことができることも明図 13：3 年 B 組 有機 散布図
プレテスト⇔ペーパーテスト

らかとなった。しかし行う実験の難易度によっては理解を妨げてしまうこともある。
実験には、「化学的・物理的性質を確かめる定性実験」と、「測定を行い、量的関係を示す定量実験」がある。3 年生の授業で扱った定性実験は、生徒が試薬をはかり取る操作を必要としないため比較的行いやすい実験となっていた。
②実験の問題点
1 年生の分析結果から得られたこととして、実験が円滑に行われないことにより結果や考察に困惑する生徒もいることは十分留意しなくてはならない。今回は予備実験を十分に行

図 14：3 年 A 組 有機 散布図
プレテスト⇔ペーパーテスト

い実験に臨んだが、予想される失敗を生徒の立場で考えることや、反応を促進させるための条件等で留意すべき点はあった。

８．今後の課題

実験によって全ての学習内容が定着できる本研究では 3 つの実験を行った。全ての実わけではない。3 年生の有機や 1 年生の設問験においてミスなくできた訳ではない。したごとの分析からも見られたように、反応名やがって、本研究で明らかになった、実験にお法則名等の暗記事項に関しては実験しても覚ける留意点をまとめる必要がある。また、実えることにつながらないことは明らかである。

験のみならず授業においても視覚的に分かりしたがって、実験だけに力を注ぐのではなく、やすい教材や身近なものを用いて実感がわき日ごろの授業でしか教えられないこともあるやすいような教材の開発も必要であると強くのだということを意識する必要がある。

感じた。

3 年生では定性実験を行ったが、1 年生で1 年生のペーパーテストの結果から物質量は定量実験を行った。実験をする際に「こので躓きを感じる生徒が多いことが明らかとなくらいなら大丈夫」と言い、気体の質量の測った。物質量は化学基礎，化学において量的り方がいい加減だった生徒がいた。定量実験関係を導き出すには不可欠な内容である。平では測定を行う必要があるため、定性実験よ成 30 年度に告示された高等学校学習指導要りも注意深く行う必要がある。このように実領解説理科編理数編では、化学基礎，化学の験のスキルや測定値の扱いを重視する定量実目標が「知識及び技能」「思考力，判断力，表験は初学者向きではないことが明らかになっ現力等」「学びに向かう力，人間性等」の 3た。だからといって定量実験を避けていてはつに分けて書かれている。どの目標にも「科実験のスキルの向上はしない。定量実験を行学的に探求する」というキーワードが書かれう際には、測定における留意点を事前に知らている。最終的な目標である課題探求に到達せることや、なぜ精度に注意して測定値を扱するためには、化学基礎，化学において最もわなくてはならないかなどを共通理解させる

基礎的な物理量である物質量を自在に扱い量ことによって解消できると考えられる。

的関係を導き出す力が必要となる。そこで、物質量について生徒が理解するためにどのよ

７．結論
本研究の目的としていた「実験が授業内容の理解につながるか」に関しては、実験が授うな教材が効果的か、またどのような実験を行うことが望ましいかを今後の研究で明らかにしたいと考えている。

業内容の理解を促していたことから実験が授業内容の理解につながったと判断できる。し9．参考文献

かし、実験が円滑に行われないことにより困・相原惇一 実教出版 新版化学基礎

惑する生徒もいる。予想外の結果が出たとし

・竹内敬人 東京書籍 化学ても生徒が納得できる考察ができるようにし・竹内敬人 東京書籍 化学基礎

なければならない。

・文部科学省 平成30年度 『高等学校学習指「どういった種類の実験が効果的か」に対しては、初学者には定性実験の方が効果的であることが示唆された。しかし、実験のスキル向上のためには定量実験も行う必要がある。
定量実験を行う際には測定の注意事項や測定値の取り扱いについて共通理解が必要である。

導要領解説 理科編 理数編』