日産財団『理科教育助成』

2022 年度 日産財団理科教育助成 成果報告書
テーマ：科学技術の開発や科学理論の発見過程から創造的な思考力の育成を目指す理科学習
学校名：東京学芸大学附属竹早中学校

代表者：馬場哲生

担当者：中込 泰規

全教員数：35 名

全学級数・児童生徒数：12 学級・424 名

実践研究を行う教員数：３名

実践研究を受ける学級数・児童生徒数：12 学級・424 名

１．実践の目的（テーマ設定の背景を含む）
学習指導要領の改訂に伴い、主体的・対話的で深い学びを目指す多くの実践が行われている。本校の理科授業においても、生徒から提案される”問い”を起点とし、他者との協働を介して問題を解決していく学習を重視してきた。しかし、主体的・対話的で深い学びの具体として、学習指導要領に示されている「思いや考えを基に創造することに向かう過程を重視した学習の充実」に注目する時、従来の理科授業について、ひとつの問題点が見えてくる。それは、「自分」と「級友や教師」の思いや考えに焦点を当て、科学的な問題解決を行なっていく探究活動は積極的に実践に取り入れられている一方、「科学者」の思いや考え（＝「科学者」の視点）に焦点を当て、科学理論や科学技術の発見に至った背景、すなわちイノベーティブな視点から、創造的に思考していく探究活動は極めて少ないことである。例えば、「化学電池」において、「自分」と「級友や教師」の考えから、化学電池の仕組みについて考えを構築していくことはあっても、科学者が、ボルタ電池の問題点をどのように見出し、なぜダニエル電池へ移行したのか、さらには、現在の電池は、どのような背景から開発されたのかといった、科学技術や科学理論の遷移に注目して理科授業が展開されることは少ない。科学技術の開発や科学理論の発見過程に、科学者が創造力を駆使してきたことは明白であり、その過程を理科授業で取り扱うことは、子どもの創造的な思考力を育むことに寄与するものと考える。
以上をふまえ、生徒が「科学者」の視点に立って問題を解決していく学習活動を導入することは、以下の２点に効果があると考える。第一に、イノベーティブに問題を解決していく過程において、実験計画や条件の設定・変更、検証実験、振り返りといった連続する探究過程を粘り強く繰り返し、創造的な思考を働かせながら主体的に「科学する」活動の展開が実現することである。第二に、自分と科学者の思いや考えの比較を通して、従来よりも多様な視点を含みながら、知識や考えを創造的に構築していく機会となることである。
本研究は、生徒が「科学者」の視点に立って問題解決していく科学的な探究を通して、この２点についての効果を検証し、子どもの創造的な思考力の育成に寄与する授業実践の具体について、提案することを目指すものである。

２．実践にあたっての準備（機器・材料の購入、協力機関等との打合せを含む）（１）研究組織の確立と研究の方向性の確認
本研究は、本校の理科教員３名を中心に実践を行うこととした。実践の具体についての検討ならびに実践の効果を評価する方法について、週１回の教科会を開催し、協議することとした。実践の具体として、科学者の営みを学習文脈で再現していく観点から、「生徒の自由な発想を重視した、連続する科学的な探究」が展開されることを目指した。そのため、１時間単位の実践ではなく、単元全体を通した長期的な実践から研究を進めていくことを確認した。
（２）授業実践の振り返りに関する準備
実践の改善について、ビデオリフレクションならびにプロトコル分析を行うこととした。それに伴い、ビデオカメラと IC レコーダーを購入した。
（３）授業実践に関する準備
生徒の自由な発想を重視した、連続する科学的な探究を重視する観点から、多くの実験を即座に実施できる環境を整える必要があった。そのため、使用することが予想される薬品や消耗品の購入を行なった。
（塩酸、活性炭素、でんぷん、金属板、PET 円筒ケース、模造紙、ペンなど）また、「科学者」の視点を生徒に示す資料として参考となる図書、STEAM の実践として参考となる図書の購入を行なった。

３．実践の内容
1

日産財団『理科教育助成』（１）各学年の実践テーマ
３年生
本研究は、図１のように各学年において重視する科学者視点から、科学的思考テーマを設定し、これらの成果の蓄積によって本研力・創造力を働かせる学び究のテーマに迫っていくものと位置付けた。本報告
は、紙面の都合上、３年生で行なった実践を示す。
１年生
２年生（２）実践の具体
科学者視点から思考
科学的思考力・創造
本実践において、生徒が「科学者」の視点を捉えする学び力を働かせる学びるために、以下の２点からアプローチすることとし
図１
各学年で重視した実践テーマた。
表１ 実施したカリキュラム① 科学者がどのような問題に注目し、どのよう内容（太字は科学史の視点，下線は STEAM
時間 の視点として位置付けたものを示す）な考えや社会的背景から研究に着想したのか② 科学者が科学技術や科学理論を、どのような
１ ボルタ電池の構造や仕組みについて，実験を行い考察する。
過程で導き出していくのかボルタ電池が開発された背景を学び，その①については科学史の視点を、②については２ 後開発されたルクランシェ電池について実際に作成し，どのような背景で開発された
STEAM の視点を中心として、カリキュラムの中にのか考察する。
組み込んだ。実際のカリキュラムを表１に示す。
ボルタ電池とルクランシェ電池の特徴や開3・ 発背景をまとめ，両電池間に開発された電（第 1〜4 時間目について）
4
池の構造や仕組みを創造的に考え，「電池開ボルタ電池とルクランシェ電池を取り扱い、両者発案」を作成する。
を比較することで、ボルタ電池の問題点やルクラン5・ 電池開発案でまとめた電池を実際に作成して実験を行い，結果や参考意見をもとに随シェ電池の工夫されている点について検討させた。
6時改善を加えながら電池の完成を目指す。
この際、ボルタやルクランシェが、実際にどのよう7・ 第３〜６時の内容について，グループで模8造紙にまとめる。
な社会的背景や自分の考えを基にして、電池の開発グループでまとめた内容をポスターセッシを行なったのかが掲載されている図書資料を示し、９ ョン形式で発表し、学級として提案するダ
科学者の考えと自分の考えを比較する機会を設定しニエル電池の具体をまとめる。
実際のダニエル電池や，最近開発された酸た。また、電池の比較を通して、電池の開発に重要素マグネシウム電池を製作し，電池の原理となる視点を見出させ、ボルタ電池とルクランシェ10 を考察する。また，これらの電池が優れている点や開発された背景について、化学電池電池の間に開発されたダニエル電池は、どのようなの変遷を振り返って考察する。
ものと考えられるか、グループで創造的に検討させた。そのグループの考えを基に、実際にダニエル電表２ 生徒が見出した視点と電池の製作計画池を再現することとし、製作計画を検討させた。生徒開発に重要な視点
ダニエル電池の製作計画
用いる電解質水 ・陽極に、同じ金属イオンがが化学電池の開発に重要と考えた視点と、それをふま溶液を、陽極、陰 つく水溶液で実験する。
えて提案した製作計画の一部を表２に示す。
極に影響がない ・陽極に、よりイオン化傾向ものにすること の差が生じるイオンがつく水（第 5・6 時間目について）が重要。
溶液で実験する。
グループで考えたダニエル電池の製作計画を基に、陽極側に固体を 用いる電解質水溶液をペース実際に作成を行なった。表 2 を見ての通り、問題を用いることで、 ト状にすることで、気泡が発気体が陽極に付 生すること防ぐことができる解決することが難しそうなものもある。生徒は、失敗着しないように か確かめる。
を繰り返しながら、改善を重ね、時には実験の方向性している。
を大きく変更しながら、少しずつ自分たちが目指すも銅に水素がつい ・使用する銅板の枚数を増やて、電圧が安定 したり、面積を大きくしたりのを創り上げていった。図２〜４は、実際に作成したしない問題を克 する。
電池である。図 2 はダニエル電池の構造とほぼ同じ服することが大 ・銅板を風車のようにして回切。
すことで、水素をつけない。
ものであった。図 3 は、表 2 の下線部、図 4 は、表2 の点線部の考えを基に、実際に作成したものである。いずれも、ボルタ電池の問題点を解消するという目標は達成しており、創造的に思考して、オリジナル性を主張できる電池を作成することができた。一方で、
図３・４はボルタ電池の問題点は解消しているものの、ルクランシェ電池の構造を参考にしていない課題が見られた。
図２ 生徒が製作した電池１ 図３ 生徒が製作した電池２ 図４ 生徒が製作した電池３（第 7〜9 時について）
そこで、全グループがどのような思いや考えを基に電池を製作したのかを発表する、「電池製作学会」と題し2

日産財団『理科教育助成』たポスターセッションを実施した（図５）。ここでは、生徒一人ひとりを、ダニエル電池を開発した科学者として位置付けた。科学者同士の意見の交流を行い、議論を通して、より多様な考えを包含しながら、学級全体でダニエル電池の具体についてまとめることを目指した。
図５ 電池製作学会のようす（第 10 時について）
実際のダニエル電池を教師から明示し、製作を行なった。その際、自分たちが作成した電池や学級でまとめたダニエル電池の具体との比較を行なった。生徒は、化学電池を製作する中で、化学電池の理論を十分に理解しており、ダニエル電池の仕組みについて理解するだけでなく、ダニエルがどのような思いや考えから開発したのか、その背景についても考察を行なっていた。また、近年注目されている酸素マグネシウム電池を製作した。ここでも、酸素マグネシウム電池の仕組みや、優れている点を考察するだけでなく、ボルタ電池からの化学電池の変遷を振り返り、酸素マグネシウム電池が、どのような背景で開発されたのか、科学者の思いや考えから考察する姿が確認できた。
以上のように、科学史と STEAM の観点を複合的に取り扱った学習文脈から、生徒が創造的な思考を常に働かせながら問題解決をしていくことを目指す授業実践を行なった。
報告した実践以外にも、本研究テーマに迫る実践を、全学年通して複数行っている。

４．実践の成果と成果の測定方法（１）成果の測定方法
創造的な思考力を定量化して、客観的に評価することは難しい。そこで本研究では、実践を通して、「創造的に思考することの必要性」について、生徒の考え方がどのように変容したかで成果を測定することとした。また、「１．実践の目的」に述べた通り、本実践では「主体的に科学する」生徒の姿が期待できる。それに伴い、「科学の営み」や「科学とは何か」といった、近年注目されている科学の認識論的な知識である「科学の本質（Nature of Science ;以下、NOS と示す）」の理解も促されることが期待できると、助成者面接時に助言を頂いた。そこで、表３の中山・小倉（2020）が開発した NOS の質問紙を用い、以下の手続きで成果の測定を行うことにした。なお、この成果報告は、先の実践対象の中学３年生についてまとめたものである。
表３ 中山・小倉（2020）が開発した NOS の質問紙調査の内容
NOS の要素
質問内容❶観察と解釈❷科学の暫定的性質❸科学に関する社会的影響❹科学研究における想像力・創造力の役割❺科学研究における手法❻科学の限界

一つの現象に対する科学者の観察は、常に同じである。
【逆転項目】
科学理論は、変更されることはない。
【逆転項目】
科学研究は、社会の影響を受ける。
科学者は、想像力・創造力を用いる。
同じ目的に対し、科学者たちの実験方法は一つである。
【逆転項目】
科学は、世界の全ての問題に答えることができる。
【逆転項目】＊各要素について、「賛成である」、「やや賛成である」、「どちらとも言えない」、「やや反対である」、「反対である」の５段階リッカート式である。
「賛成である」を５点、「反対である」を１点とし、逆転項目については、「賛成である」を１点、「反対である」を５点として処理した。
＊実際の質問紙には質問内容を理解しやすくするために、解説文が示されている。

①：授業実践前後に表３の質問紙を用いて、NOS の理解がどのように変容したかを調査した。研究テーマである「創造力」に最も関連のある❹の要素、また、「１．実践の目的」で期待できる効果として示した２点に関して、生徒の自由な発想を重視した、連続する科学的な探究が行われることから❺の要素と、従来よりも多様な視点から考えを構築していくことから❶の要素について、実践前後の得点に有意な差が見られると仮定した。
②：各授業時間の最後に、表３に示している NOS の６つの要素について、授業時間内で意識したことがあった場合は、その具体的な内容を振り返りシートに記入させるようにした。その記述内容の分析から、生徒が各NOS の要素に対して、どのように考えているか分析した。
（本報告では、効果があると仮定した❶、❹、❺の要素、その中でも特に研究テーマと関連のある❹の要素についての分析結果を報告する。3・4、5・6、7・8
時間目は、２時間を１セットの授業としており、振り返りはそれぞれ後半の時間の１回のみで実施した。
）（２）授業前後の NOS の理解の変容「３．実践の内容」に示した授業実践の前後に実施した、表３の質問紙調査の結果をまとめたものを表４に示す。先に示した３つの要素（❶、❹、❺）について、いずれも有意な差が確認でき、実践を通して効果があったことが確認できた。
（３）各時間における生徒の振り返りシートの記述❹の要素について、生徒が授業の振り返りシートに記述したものを図６に示す。二名の記述で共通することは、実際に自分で化学電池を作成する中で、論理的に考えるだけでは新たなものを創り出すことができず、創造的に思考することによって新たな発見や考え方に繋がっていくというものである。このように創造的に思考することの重要さを実感する多くの振り返りが見られた。❹の要素について、各授業時間で振り返りシートに記述した人数をまとめたものが、図７である。授業全体を通して、多くの生徒が、創造力の重要性に気付く記

3日産財団『理科教育助成』
表４ 学習前後における NOS の要素における理解の変容 (n=124)❶観察と解釈Pre
PosttdmSD
3.81
1.15
4.07
1.11
2.29(p＜.05).21❷科学の暫定的性質
mSD
4.29
.96
4.37
.87
.86(p=.39).08❸科学に関する社会的影響
mSD
3.35
1.27
4.12
1.05
5.70(p<.01).51❹想像力・創造力の役割
m
SD
4.24
0.93
4.52
0.96
2.55(p<.05).23❺科学研究における手法
mSD
4.06
1.12
4.52
0.78
3.88(p<.01).35❻科学の限界
mSD
3.57
1.27
3.55
1.09
-.17(p=.86)-.02

肯定的な記述をした人数

1時間目
2時間目
３・４時間目
５・６時間目
７・８時間目

否定的な記述をした人数

9時間目
10時間目
0204060

どちらとも判断できない記述をした人数
80100

振り返りに記述した人数（人）

図６ ❹の要素に関する振り返りの記述

図７ 各授業時間で❹の要素に関する振り返りを記述した人数(n=124)

述を行っていたことは、本実践の最たる成果である。このような成果の蓄積が、創造的な思考力の育成につながると考えられる。しかし、第５・６時間目には、創造力を用いることに、否定的な記述をする生徒も一定数見られた。その具体は、「創造的に考えすぎることによって、理論を無視して、目指すものとは異なる電池ができてしまった」というものであった。創造
的・理論的に思考することのバランスを意識させる手立てを検討することが、今後の課題である。
❶と❺の要素についての振り返りの記述の具体を図８に示す。❹の要素と同様に、これらの要素についての重要さを実感 図８ ❶（上段）と❺（下段）の要素に関する振り返りの記述する記述が、授業全体を通して確認できた。また、これらの気づきから、創造的に思考する活動へ繋がっていることが、振り返りの記述から読み取れる。
以上から、本実践は、生徒の創造的な思考力の育成に貢献するものと考える。紙面の都合上、３年生の成果報告のみとなっているが、他学年においても同様の方法で成果を測定し、効果を確認することができた。

５．今後の展開（成果活用の視点、残された課題への対応、実践研究の可能性や発展性など）
創造的な思考力の育成は、Society5.0 の時代の到来に伴って、今後の理科授業に求められる重要な視点である。本研究の成果は、創造的な思考力を育む授業デザインの構築に貢献するものと考える。今後、発展させていく点として、「科学の本質（NOS）」の理解を、このアプローチからどこまで深めることができるか、調査・分析していく予定である。
「科学の営み」や「科学とは何か」に焦点が当てられている NOS の理解が深まることで、一層「科学者」の視点から展開する学習効果が期待でき、生徒の創造力の育成に寄与すると考える。また、近年注目されている STEAM 教育についても、本実践のように科学史を一緒に取り扱うことで、効果が高まることが示唆され、本研究の成果を活用・応用できる部分と考える。
一方で、創造的な思考力の評価方法には課題が残る。今後、専門的な助言を大学の先生からいただく機会を設定することや、学会発表や研究会提案から頂く意見・指摘等から、評価方法を検討していきたい。

６．成果の公表や発信に関する取組み
雑誌掲載

学会発表

研究会提案

◆理科の教育 12 月号（東洋館出版）：「科学者視点」から思考していく探究活動 −発見された法則や理論、開発された科学技術の背景に着目して−◆第 72 回日本理科教育学会全国大会：「科学の本質」の多面的な理解を促す授業デザインに関する一考察 〜科学史に STEAM の視点を含めた複合的な学習文脈の実践から〜◆第 46 回日本科学教育学会年会：「学習者は「科学の本質(NOS)」の要素をどのような学習活動・場面で意識するのか◆第 61 回日本理科教育学会関東支部大会：「科学の本質(NOS)」の理解が領域固有から領域一般へと遷移していく要因に関する一考察◆2022 年度東京学芸大学竹早地区公開研究会：TEAM GIGA スクール時代の学習環境を考えよう。 −多様な学習空間における ICT の活用−「物質と電気（静電気）」

７．所感
生徒の創造的な発想は、時に教師の考え方を超越していくと、本研究で改めて実感した。教師は、各授業の目的を達成するための、効果的な探究方法を知っているし、必要な理論や法則も知っている。一方、生徒はそれらをゼロベースで構築していく。それゆえに、教師が全く意図しなかった創造的な視点を持ち、盛んに議論が行われ、試行錯誤を繰り返しながら問題を解決していく学習過程が成立していくのだと感じた。教師にとっては、生徒の発想が予想できず、授業設計に不安な要素がある。だからこそ、生徒と教師が共に問題解決にむけて学習文脈を創り上げていく過程が実現した。この過程が、本来の学びの姿と言えるのではないだろうか。

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