関東地区

教育システム情報学会 2020年度学生研究発表会

複数シチュエーションでの MIF 誤概念解消を目的とした学習手法の開発と評価
Development and Evaluation of Learning Method Intending to Resolve
MIF-Misconception in Various Situations
石井 稜悟*1, 仲林 清*2
Ryogo ISHII*1, Kiyoshi NAKABAYASHI*2*1 千葉工業大学大学院*1Graduate School of Chiba Institute of Technology*2 千葉工業大学*2Chiba Institute of Technology
Email: s1532017fs@s.chibakoudai.jp
あらまし：「物体が運動をするとき，進行方向には力が働いている」と考える Motion Implies a Force （MIF）
誤概念は，高校物理学を学習済みの大学生にも多く確認される．このような学習者に対して，運動の第 2法則（ma=F）が正しいという前提のもと，質量と加速度を正しく理解できれば，働いている力について論理的に思考させることができると考えた．
そこで MIF 誤概念解消を目的とした学習手法の開発を行い，大学 3 年生 7 名に対して実験を行った．
キーワード：物理学，誤概念，運動の法則，学習手法

1.

速度について理解をしていれば，運動の第 2 法則（ma=F）が正しいという前提のもと，働いている力について論理的に考えることができる．そこで，質量と加速度についての確認をはじめに行い，次に運動の法則に結びつけることで，力についての理解へとつなげる（自身の持つ誤った考えとの矛盾を気が付かせる）学習を設計した．

はじめに

高校物理学を勉強する際，学習者が経験則に基づく誤概念を所持している可能性に留意する必要がある．経験則に基づく誤概念の具体例として，Clementが提唱した「運動をする物体には運動の向きに常に力が働いている」と考える Motion Implies a Force（MIF）誤概念（1）が存在する．この誤概念の保持は，高校物理学の初学者だけでなく学習済みの大学生にも多くみられ，学習でつまずく原因となっている（2）．
MIF 誤概念の解消については，学習者の力の把握に関する誤りを物体の挙動へと反映することによって不自然な運動のシミュレーションを生成する EBSを用い，現実での物体の運動と比較することでそれらの間の矛盾に気づかせ，学習者の誤りの修正を目的とする研究（3）などが行われてきた．それに対し，本研究では力というあいまいな概念を理解させるために，質量や加速度といった学習者が理解しやすいものから運動の第 2 法則（ma=F）への結びつけを行う学習手法を提案する．

2.

図 1 運動の第 2 法則（運動方程式）と力

3.

実験構成

3.1 教材の作成
実験では，等速直線運動シチュエーションを例として「力」を正しく認識させるための教材を作成した．教材では，質量や加速度，運動の法則についての確認を行った後，等速直線運動シチュエーションを例に用いて教育を行い MIF 誤概念の解消を試みる．
教材は映像化（13 分 23 秒）し，学習者に提示した．

学習手法

本研究では，高校物理学を学習済みにも関わらずMIF 誤概念を保持する大学生を対象とする．学習者は高校物理学を学習しているため，質量や加速度，運動の法則（慣性の法則，運動方程式）について一度学習している．そこで本研究では，運動の第 2 法則（ma=F）が正しいものであるということを前提に，質量と加速度から論理的に力について考えさせることで，自身の持つ誤った力の認識との矛盾を感じさせ，概念変化を起こさせることができるのではないかと考えた．例えば，力について理解をしたい場合，力学を学習済みの学習者は図 1 のように，質量と加3.2 実験で扱う問題
MIF 誤概念の保持状況について調査するため，MIF 誤概念の調査に関連のある先行実験（4）（5）（6）を参考に，物体の水平転がし，鉛直投げ上げ，斜め投射の 3 シチュエーションの問題を教材視聴前と教材後の共通問題として出題した．実際の問題例を図 255

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教育システム情報学会 2020年度学生研究発表会に示す．学習者は各シチュエーションでの物体の状態において，働いていると思う力を矢印で示し，力を書きこんだ理由について記述する（事後問題のみ，加えて運動方程式も記述するように指示をした）．
問題の正誤評価について，MIF 誤概念のみに着目した本研究では，水平転がし問題では重力と床からの垂直抗力は対象とせず物体の進行方向に働く力にのみ，鉛直投げ上げ問題と斜め投射問題に関しては学習者が物体に働いていると判断した力すべてを評価対象とした．
また，教材視聴後にのみ，質量や加速度といった知識を学習者が正しく認識していたかを確認するための問題（確認問題）を提示した．

4.

しかし，最高到達点では上向きと下向きの両方の力が存在しその力が釣り合っているため 0 となるという誤った解答をしていた．これから，等速直線運動の説明で得た知識を鉛直投げ上げ問題と斜め投射問
題に適応するときに，第一の壁として水平方向のMIF 誤概念がみられなくなっても，垂直方向に転移しないという問題，第二の壁として最高到達点で速度が 0 の時に加速度も 0 となり，力が働いていないと考える誤概念があると考えられる．

実験結果

情報系大学学部 3 年生 7 名を対象に実験を行った．
事前問題では，表 1 に示すように学習者 C 以外の学習者がすべてのシチュエーションにおいて物体の進行方向に働く力を書き込んだ．学習者 C は，問題1（水平転がし），問題 2（鉛直投げ上げ），問題 3（斜め投射）すべてで下向きの重力のみを正しく書き込んでいた．しかし，事後問題で誤答していたため，事前問題に関して事後にヒアリングを行ったところ，運動の法則などを意識せずに，以前同じような問題で不正解になった経験から進行方向の力を書き込まない解答をしていたことがわかった．そのため，MIF誤概念の所持を不明と判断した．
事後問題では，表 2 に示すように 7 名中 4 名の学習者が 3 シチュエーションすべてで MIF 誤概念がみられなくなった．この学習者 4 名は確認問題も全問正答していた．しかし残りの 3 名の学習者については，鉛直投げ上げ問題と斜め投射問題で誤答していた．学習者 F は確認問題を全問正答していたが，学習者 B と学習者 C は一部の問題で誤答をしていた．

5.

図 2 MIF 誤概念確認問題

問題 1～3問題 1
問題 2，3

表 1 事前問題結果
MIF 誤概念不明 MIF 誤概念あり
学習者
学習者 C
A,B,D,E,F,G
表 2 事後問題結果
正答
誤答
学習者
―
A,B,C,D,E,F,G
学習者 A,D,E,G
学習者 B,C,F

考察

表 2 に示したように，水平転がし問題（問題 1）については，教材で等速直線運動のシチュエーションを用いて説明を行ったため，全学習者が事後問題で進行方向の力を書き込まなかった．さらに，全学習者の半数を超える 4 名の学習者は，転移問題である鉛直投げ上げ問題（問題 2）と斜め投射問題（問題 3）でも進行方向の力を書き込まなくなった．これより，等速直線運動の例を用いて運動の法則から力について理解させる本学習の効果がみられたといえる．また，MIF 誤概念を問題 2 と問題 3 で持ち続けた学習者について，学習者 B は，上昇中，下降中，最高到達点いずれの状態においても上向きの力（人が物体に与えたという間違った力）と下向きの力（重力）の力が存在すると解答していた．これは加速度の理解があいまいで，水平方向の理解が垂直方向に転移していないためと思われる．学習者 C，F は，上昇中と下降中は下向きの重力のみが働くと正しく解答していて，MIF 誤概念がみられなくなっている．

参考文献
(1)
(2)

(3)

(4)

(5)
(6)

56

Clement, J.:“Students' preconceptions in introductorymechanics”, Am. J. Phys. 50, pp.66–71 (1982)
ブルーアー，J.T. 著（松田文子・森敏昭監訳）：“授業が変わる 認知心理学と教育実践が手を結ぶとき”，
北大路書房，pp.116 (1997)
今井功，東本崇仁，堀口知也，平嶋宗：“中学理科における Error-based Simulation を用いた授業実践 「ニ:ュートンに挑戦」プロジェクト”，教育システム情報学会誌，Vol.25, No.2, pp.194-203 (2008)
神高垣マユミ：“大学生はいかに力のプリコンセプションを変容させるか”，発達心理学研究，第 15 巻, 2号，pp.217-229（2004）
飯田洋治：“こう教えればもっとわかる“運動の法則””，パリティ, Vol.19,No.7, pp.56-60（2004）
徐丙鉄,安部保海,道上達広：“物理学における誤概念と答案分析”，近畿大学工学部紀要. 人文・社会科学篇, 45 , pp.1-22 (2015)