理科の考え方を働かせる理科授業の提案

理科の考え方を働かせる理科授業の提案―フローチャート表現を活用して―中谷和弘

千葉大学教育学部委託研究生
児童がフローチャートを活用し、プログラミング的思考の要素の 1 つである条件分岐を身に付けることで、理科の考え方を働かせて問題解決に取り組めるか検証した。予備実践の課題から、フローチャート表現の条件分岐の使い方に焦点を定め、結果や条件制御が 2 択に分かれる観察や実験での活用を想定し、全学年のフローチャー
トの例を作成した。本実践では、第 5 学年の「もののとけ方」において、食塩とミョウバンの水溶液を判別する方法を考えさせる活動を実施し、児童が条件制御の考え方を働かせながら判別方法を導き出し、フローチャート上の条件分岐を適切に扱えることが明らかになった。児童はフローチャートを作成することを難しいと感じる一方で、考え整理するには分かりやすい手段であると捉えており、筋道立てて自然の事物・現象について考える一手段として今後も検討する必要がある。
キーワード：フローチャート、プログラミング的思考、条件分岐、理科の考え方

また、平成 31 年度（令和元年度）全国学力・学習状

1. はじめに

況調査の算数の解答分析によると、所属校の児童で論理令和年度から平成 29 年告示の小学校学習指導要領が的思考を要する問題の減点・誤回答があった者は、全体施行され、プログラミング教育が実施されることになっ6 割であり、そのうち約 8 割が説明不足によるものだとた。小学校におけるプログラミング教育のねらいは、文いうことが分かった。この結果を踏まえて行った 2019

部科学省（2020）では、①「プログラミング的思考」

年度の授業実践では、第 6 学年理科の「水溶液の性質」を育むこと、②プログラムの働きやよさ、情報社会がコにおいて、アンプラグドでプログラミング学習を実施しンピュータ等の情報技術によって支えられていることた。ICT 機器については、通信環境の不安定さやソフなどに気付くことができるようにするとともに、コンピトウェアに必要な機能が備わっていないことを検討しュータ等を上手に活用して身近な問題を解決したり、よた結果であったが、児童は 5 種類の水溶液の判別実験りよい社会を築いたりしようとする態度を育むこと、③について、実験方法が記載されたカードを使用して、実各教科等の内容を指導する中で実施する場合には、各教験計画のフローチャートを作成した。カードを取捨選択科等での学びをより確実なものとすること」1 と示されし、順序を考える活動により、児童が試行錯誤しながらている。したがって、プログラミング教育を導入する意

プログラミングを支える要素である順次や条件分岐を図はプログラマーの育成ではない。この内容に関連して意識して考えを可視化することで、全員が自分の考えを学習指導要領では、理科の第 6 学年「電気の利用」で表現することができ、それらを共有しやすくなることがエネルギー資源の有効利用を考える学習が例示されて見て取れた。ICT 機器を用いないことで、自分の組んいる。また、先行で実践されている内容として、第 6だプログラムが正常に機能を果たすか即時に判断でき学年の「水溶液の性質」の水溶液の判別のフローチャーないデメリットはあるが、環境に左右されず、児童の機ト作成や、第 5 学年の「流れる水のはたらき」の水害器の習熟に関係なく考える機会を設定することができから身を守るための工夫を考える事例等があるが、各学た。また、児童全員が自分の考えが持つことができたこ

校や指導者の裁量に任されている部分が多い。教科書にとから、問題解決のために比較する、条件を制御する、記載されている内容は、限られた学年や単元であり、指多面的に考えるという、理科の考えを働かせる要因につ導機会の少なさや問題解決の場面設定の難しさ、教材のいて、他の学年や区分、単元での検証を行っていきたい十分な確保など、実施する上での課題は多い。と考えた。

Kazuhiro NAKAYA : Proposal of Science Classes to Make theWays of Thinking of “Rika” : Utilizing Flowchart
Representation
A Research Student Committed by Faculty of Education,
Chiba University

要素を身に付けるために、フローチャートを活用した理本研究では、児童がプログラミング的思考を構成する科の授業を検討する。児童が目的と見通しをもって観察、実験など科学的な探究や問題解決を行う中で、フローチ28授業実践開発研究 第 14 巻（2021）

ャートによって考えを可視化することにより、児童が理ています。」6と述べている。ここで園児が試みる遊び科の考え方を働かせ、論理的思考力を身に付けることのは学習活動での試行錯誤と同義であり、遊びによって新有効性や各学年の授業での活用法について考察し、課題たな気づきや発想が生まれ、学びに繋がることが分かる。

を示す。

こうしたことを踏まえて、本研究では、論理的な考えだけではなく、試行錯誤され生まれた多様な考えも尊重し

2. プログラミング教育と理科の関係性て扱っていく。

2.1. プログラミング的思考について

表 1 創造的な学びのスパイラルとプログラミングの関連性

コンピュテーショナル・シンキング（CT）は問題解
学びのスパイラル

プログラミングが用いた用語であり、Wing（2006）2 で広く知られる①

発想 Imagine

目標設定ようになった。CT は問題をコンピュータ科学者のよう②

創作 Create

組合せ（順次・条件分岐・繰り返し）に考える方法であり、計算論的思考とも呼ばれ、前出の③

遊び Play

試行錯誤

プログラミング的思考は CT を基に、プログラミングと④共有 Share

対話論理的思考の関係を整理した日本独自の言葉である。文

⑤

振り返り Reflect

抽象化

部科学省はプログラミング的思考を次のように定義し⑥（新たな）発想

一般化・目標設定

決のプロセスを分解するものとしてシーモア・パパートている。
2.2. プログラミングと理科の関連について

自分が意図する一連の活動を実現するために、どのような動きの組合せが必要であり、一つ一つの動プログラミング教育で使用が水晶されているもののきに対応した記号を、どのように組み合わせたらい1つにScratchがある。設計者であるミッチェル。レズ

いのか、記号の組合せをどのように改善していけば、

ニックは、Scratchが開発された目的は、教育を「講義より意図した活動に近づくのかと、といったことを型」から、周りの世界と交流ができる「対話型」へと移論理的に考えていく力 3行することと述べている。佐伯（1997）は、「ソフトが支援する学習者像には大きく分けて、『観客（他方で、この定義はプログラミング的思考が具体的にaudience）型』と『演出者（producer）型』がある。

はどのような思考を指すものなのかは明言されてはい」7と述べている。Scratchは学習者が課題意識を持ってない。大森ら（2017）は、プログラミング学習に求め作品を作り出す点において演出者型であるといえる。

られるものを表１のように示しており、これに結び付く

Scratch以前に開発されたLOGOもコーディングし、幾体験の必要性を述べている。

何学的な模様を表現できる学習用プログラミング言語
であり、Scratch同様に演出者型といえる。

表 2 小学校段階におけるプログラミング学習に求められる知識・技能・能力 4
抽象化

不要な部分を分離してわかりやすくする

パターンの認識

類似性とパターンの発見する分解問題をより小さな小単位に分けていく手順

一般化

規則化・定型化

表 3 プログラミングソフトと観察・実験の比較
LOGO

Scratch

理科実験

タートル

スクラッチ

学習者（亀）

キャット（猫）

表現したい模様

作成したいもの

対象目標方法また、藤原伸彦らは「小さな試行錯誤を積み重ねてす学習問題

テキスト

ビジュアル手順の検討

プログラミング 8

プログラミング 9

観察・実験すめていくということこそ，プログラミング的思考とし考察て児童生徒に身につけて欲しいものの核である。」5と述べており、プログラミングには論理的思考に加えて試Scratch や LOGO は、試行錯誤を繰り返していくこ行錯誤することが必要であると指摘している。Mitchelとで目標達成に近付く点やそれぞれ猫や亀等を作成者

Resnickが代表を務めたライフロングキンダーガーテが命令を出す対象が存在している点が共通している（表ンが考えた創造的な学びのスパイラル（表２）の要素の3）。試行錯誤と対象が存在するということが、児童が１つである遊びについて、Resnick（2017）は「子供たプログラミングソフトに主体的に取り組む 1 つの要因ちが、常に自分の作品をいじくり回したり実験したりしだといえる。

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ここで理科の学習において、問題解決のために観察・実験を行う活動について、試行錯誤していく点においてプログラミンングと関連があると捉え、プログラミング的思考を取り入れた教材作成を検討することとした。
2.3. フローチャートと理科の考え方について
小林（2019）は「プログラミングの考え方（順序・繰り返し・条件分岐）を視覚化することで、対話しやすくなったり、試行錯誤しやすくなったり、間違い（問題）を発見しやすくなったりして、学習者主体の学習を行いやすくなることが指摘できます。」10 と述べ、論理的思考を視覚化させる際に適切なツールはフローチャートあると述べている。フローチャートの利点は簡易な図形

図 1 予備実践時のフローチャートの略図で表現することができ、矢印で手順を表現することで、プログラミング的思考の要素の 1 つである順次と結びことが想定された。また、学習内容の区分を A 物質・付けやすい。

エネルギーと B 生命・地球にすることで偏りを避けた。

また、プログラミング的思考の要素の 1 つである条

それらの区分の中で、比較する考え方を要する活動が複件分岐は、フローチャート上では矢印が 2 本に分かれ数設定されえた「音のふしぎ」と「雨水のゆくえ」の単て進行していくことから、児童が比較したり、異なる条元の実施を選択した。

件下での結果を検証したりする観察・実験において活用（2）単元の流れと児童の様子しやすいと捉えた。理科の考え方では、第３学年以上に〈第 3 学年 「音のふしぎ」（6 時間扱い）〉

は比較の考え方を、第５学年以上では条件制御の考え方単元を通して指導者が実験前の説明時に拡大したフを働かせることが求められている。各学年の観察・実験

ローチャートを提示して活動の流れを説明した。児童はにおいて、従来のワークシートではなく、フローチャー

音を出すものや音量を選択し、比較しながら音が出ト上で活動の内容を可視化し考えを整理して考察を行ている時や音が伝わる時のものの様子を記録し考察しう機会を増やすことで、児童の論理的思考力の向上を図た。

る。

〈第 4 学年 「雨水のゆくえ」（10 時間扱い）〉
観察・実験の前に指導者がフローチャートを掲示して

3. フローチャートを活用した教材開発

活動の流れを説明した。結果から考察を導くことが難しい児童もいたが、周りの意見に耳を傾け、考えを整理し3.1. 教材作成てまとめていた。

児童がどの程度フローチャートに対応できるのか予（3）予備実践の成果備実践をすることとした。多くの児童がプログラミング成果として二点を挙げる。一点目は、児童にとって初やフローチャートに慣れていないことを想定し、簡略化めてフローチャート表現を扱う機会であったが、学習活したフローチャート（以後、フローチャート表現と称す）動を可視化することや、表現の仕方に慣れていく様子がの使用を考えた（図１）。使用時の留意点は、児童にと伺えたことである。って活動の目標が明らかであること、活動の流れが目で二点目は、文章や考えを書く活動が苦手な傾向があっ追いかけやすいこと、分岐表現で児童がいくつかの候補た児童が、結果や観察で積極的に記述していく様子が見の中から選択する機会があることの 3 点である。これられたことである。従来のワークシートよりもフローチらを踏まえ、児童に自身が対象（主体）となることを意ャートの方が記述する内容が明確であったことが要因識させ、観察や実験の場面ごとのワークシートを作成しである。

た。

（4）予備実践の課題
指導者がフローチャート表現の条件分岐について、ワ

3.2. 予備実践

ークシート上で使用する実験道具の選択時にも使用し、（1）単元の選定比較する考えかを働かせる機会にならない場合があっ

実践校では第 3 学年からコンピュータを活用した学たことである。児童が理科の考え方を働かせられるよう習が本格的になるため、コンピュータにも慣れておらず、な条件分岐の扱い方を検討する必要がある。

プログラミング的思考を身に付いていない児童が多い

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児童が考え記述する部分：変化や反応、条件制御等
分岐の２択：操作や結果：考察、気付いたこと等②条件を制御する時①結果が２択に分かれる時

図 2 フローチャート表現の教材作成時の考慮すべき点

無色透明な 2 種類の水溶液を想定するが、溶け残り
3.3. 教材の再検討があることで、そのまま温度を変化させるのか、溶媒予備実践での課題から、条件分岐の使い方が定まらな（水）を足すのか、溶け残りを取り出すか等、選択肢をかった点を改善するため、①結果が 2 択に分かれる時増やすことで、柔軟な発想が生まれることを促す。水溶②実験方法が選択される時の 2 パターンで使用するこ液の体積や溶け残りの量は記載せず、実験用具や操作はとで、理科の考え方を働かせやすい表現になると考えた

これまでの授業に準ずる形とし口頭で説明することと（図 2）。

した。

①の場合、第 3 学年以上に求められる比較する考え方を扱い、異なる 2 つのものを比べたり、１つのもの

4. 授業の実践と考察の時間的な前後関係を捉えたりすることができる。また、虫やものの分類、水溶液の判別等での活用を想定した。

4.1. 授業実施の概要②の場合、第 5 学年以上に求められる条件制御の考対象 N 小学校第 5 学年 28 名

え方を扱い、結果から考察を考える活動に焦点の定めや授業者 中谷和弘（執筆者）すくなるように検討した。

期日 2020 年 12 月 23 日
単元名 「もののとけ方」（12/12 時間目）

3.4 本実践の教材の検討【本時の目標】○ 2 種の水溶液の溶解度の違いを利用した判別方法を

予備実践では穴埋め式のフローチャート表現だったが、再検討したものは児童自身で作成することを想定し考えることができる。

た。実際にフローチャートが作成できるか、理科の考え本単元の内容の 1 つである「（ウ）物が水に溶ける方を働かせることができるか検証するため、第 5 学年

量は水の温度や量，溶ける物によって違うこと。また，の 2 学期の既習単元である「物の溶け方」の教材につこの性質を利用して，溶けているものを取り出すことがいて検討した。本単元は、4 回の実験の内、3 回を食塩できること。」11 の理解に迫り、これまで行った実験等とミョウバンについて扱っているため、比較することがを想起させながら水溶液の判別方法を論理的に考えさ意識しやすい。また、温度や水の体積を変えることで溶せていくこととした。

質の溶ける量が変化するので、条件制御の考え方も働かせやすい。条件分岐の表現に適切な判別を選択できてい4.2. 授業の実際と考察

るかによって、条件制御の考え方が働いていたとみるこ

授業冒頭では、指導者がメダカの雌雄の見分け方をにととした。これらを基に、本単元の発展問題として、児ついて、卵の有無、背びれの切れ込みの有無、尻びれの童には以下の問題を取り組ませることとした。

形状を用いたフローチャートの説明を10分程度行った。
条件分岐の枠内には1つずつ実験操作や比較する内容「白いとけ残りのある水よう液 A、B があり、食塩かミョウを入れることと、矢印の横には対応する2択の結果等をバンのどちらかがとけています。ロボットが食塩かミョウバンかを見分ける方法（プログラム）を考えましょう。

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理科の考え方を働かせる理科授業の提案

記入することを確認した。児童らは教科書やノートを参体を判別するため分岐としていたりと判別方法に誤り考にしながら、各々の図を作成していった。作成後は数が見られた。他方で、③の児童が作成したフローチャー

人の児童と考えを共有する時間を設け、最後に全体の場

トは、実験操作全てに誤りがあるのではなく、判別できで内容を確認した。

る実験操作も含まれているものもあった。

児童らが作成したフローチャートが条件分岐を適切④の３人は作成途中になっているものや水溶液の色、に用いて理科の考え方を働かせ、2 種の水溶液を判別す透明度を判別の条件としているものであった（図 5）。

る手順を考えられていたか分析した（表 3）。

表 4 児童が作成したフローチャートの分類（28 人）
分類

水溶液が判別できる水溶液が判別できない

条件分岐

①16 人
57.1％
②3 人
10.7%

③6 人
21.4%
④3 人
10.7%

が適切
条件分岐が不適切

図 5 ④の児童のフローチャート

28 人中 16 人は、条件分岐の数こそ異なるが、変える①②③の児童は、食塩とミョウバンの特徴を比較し条件を設定することと食塩とミョウバンの溶解度の違たり、変える条件を１つとした実験操作を考えたりするいを正確に捉え、判別方法を最後までかくことができてことができており、個人による差はあるが、理科の考えいた（図 3）。

方を働かせていたといえる。今回の検証授業では、フローチャートの説明に多くの時間を割くことができなかったが、学級の約 78％の①と③の児童は条件分岐を適切に用いることができたので、フローチャート表現を理科で扱うことに大きな障害はない。しかし②と④の児童に正しいフローチャートのかき方を伝えるためには、理解させるための手立てが必要であるといえる。また、児童がフローチャートの修正や改良する時間を確保できなかったので、考えを共有する機会を確実に設ける必要がある。
授業後のアンケートでは、「フローチャートをかくの図 3 ①の児童のフローチャートが簡単か。」の問いに対して、難しい、やや難しいと回答した児童が全体の 47.5％であった。しかし、「フロ②の３人は、判別方法が記述できているが、条件分岐のーチャートは他の考えのまとめ方に比べて分かりやす

図形から正しく矢印が分かれていない表現になっていいか。」の問いについては、分かりにくい、やや分かりた（図 4）。

にくいと回答した児童はいなかった。児童らは慣れないフローチャート表現に戸惑いながらも、手順を考えたり判別したりする方法としては肯定的に受け止めているといえる。自由記述欄には、「他の課題でも使ってみたい。」や「文章で答えるよりも分かりやすかった。」といった感想等が見られた。
4.3. 本授業の成果と課題成果として二点を挙げる。一点目は、児童が、ある程度の説明を聞き、プログラミング的思考の条件分岐の考
図 4 ②の児童のフローチャートえ方を理解してフローチャート表現をかくことができたことである。

③の６人は、条件分岐を適切に用いているが、食塩と二点目は、ほとんどの児童がフローチャート表現で考ミョウバンの特徴を逆に捉えていたり、ろ過する操作自えを可視化することができ、学級の半数以上の児童が比32

授業実践開発研究 第 14 巻（2021）

較や条件制御の考え方を働かせて水溶液の判別方法を想起することであるため、単元の導入や考察する場面で導き出すことができたことである。判別方法を導き出せは取り入れやすいが、プログラミング的思考の要素と結なかった 9 人の内、6 人はフローチャート表現に一部間び付けにくいことが分かった。フローチャート表現の中違いがあっが、判別方法としては適切な部分もあったこに組み込む場合、児童が記述できるようにワークシートとから、条件分岐の考え方がある程度働いていたといえ内にスペースを確保する等の工夫が必要になる。

る。
課題として三点を挙げる。一点目は、45分の授業時

5.2 高学年間の中で短く的確なフローチャートの作成の仕や条件

第 5 学年では、植物の発芽と成長やふりこの動き、分岐の考え方を理解させる手立てが求められることで電磁石の性質等について、比較するため条件を選択し、ある。

変える条件を 1 つに限定することで論理的に考えていく活動を設定することができる（図 7）。児童には、目

二点目は、考えを共有する時間を確実に設定することである。

的に応じて変える条件と変えない条件に注意して条件

三点目は、同一単元内や年間を通じて複数回実施し、分岐を考えさえ、考察に繋げることを意識させていく。

説明に要する時間を短縮することや、フローチャートを作成する経験を積ませることが必要である。

例）

5. フローチャートを活用した授業の考察
5.1 中学年
第 3 学年では、チョウの体のつくりを基に他の虫と比較したり、電気を通すものや磁石に引きつけられるものの分類を考えたりする活動が考えられる（図 6）。第図 7 電磁石の性質

使用例

4 学年では、電池のはたらきやとじこめた空気と水、雨水のゆくえの単元で、比較して考える活動について、フ第 6 学年では、ほぼ全ての単元でフローチャート表

ローチャート表現を活用可能である。

現を取り入れることができる。図 8 の水溶液の判別のように、複数の結果からの考察や考えの共有・整理、実験方法の再検討等をするためのフローチャート表現による考えの可視化は適しているといえる。

例）

例）

図 6 身の回りのももの仲間分け

使用例

中学年では、まだ自力でフローチャートをかくことが難しい児童も多いことが想定される。よって、指導者が実験のまとめの際に使用したり、グループ毎に取り組ま図 8 水溶液の判別せて協力して 1 つのフローチャートを完成させたりす

使用例

ることで、プログラミング的思考の基礎を身に付け、比較の考え方を働かせる土台を築くことをねらいとする高学年では、比較する考え方に加え、条件制御と多面ことができる。また、前述の図６のように、単元のまと的な考え方を働かせ、可視化した考えを共有する活動をめとしての発展問題として活用する方法も考えられる。

行うことで、児童が自分の考えを論理的に検討する機会

一方、教材検討をしていく中で、第 4 学年で求めらを設定することができる。また、理解を深めるために、れる関係付ける考え方は、児童の生活経験や既習事項を33

理科の考え方を働かせる理科授業の提案

単元のまとめとして発展問題を設定したり、日々の学習を育む－“フローチャート”でプログラミング的思考を可視化－」（スカイ株式会社 ICT を活用した学習活動をサポート 学校と ICT）
佐伯胖（1997）『新・コンピュータと教育』岩波新書
藤原伸彦・阪東哲也・曽根直人・長野仁志・山田哲也・伊藤陽介（2019）「ティンカリングとしてのプログラミング」
鳴門教育大学情報教育ジャーナル、No.16、pp.21-16
文部科学省（2016）「小学校段階におけるプログラミング教育の在り方について（議論の取りまとめ）」文部科学省（2018）「小学校学習指導要領（平成 29 年告示）解説理科編」、東洋館出版社
文部科学省（2020）「小学校プログラミング教育の手引き（第三版）」
Resnick,M. (2017) Lifelong Kindergarten: Cultivating
Creativity through Projects, Passion, Peers, and Play
（ミッチェル・レズニック、酒匂寛訳『ライフロング・キンダーガーテン 創造的思考力を育む４つの原則』日経BP社、2018）
Wing, J. M.（2006）”Computational Thinking"Communications of the ACM, Vol,49, No.3, pp33-35

活動の中でフローチャートにより考えを可視化して共有する活動を増やしたりすることで、理科の考え方を働かせるということの定着を図っていく。

6. 研究の成果と課題
6.1. 成果
成果として二点を挙げる。一点目は、フローチャート表現を理科の学習に活用し、条件分岐を適切に用いることで、理科の考えを働かせる学習活動に結び付けられたことである。
二点目は、理科の考え方を働かせるためのフローチャート表現の活用案を、中高学年の全単元を通じて 40 案検討できたことである。学年によって案数に差はあるものの、指導者の活用や発問の工夫によりどの学年でも実謝辞
研究に関してご指導いただきました、千葉大学教育学部藤川大祐先生をはじめ、検証授業で協力していただいた所属校の職員の皆様に心から感謝申し上げます。

施可能性があることが分かった。
6.2. 課題
課題として三点挙げる。
一点目は、検証する学年と単元を拡大し、それぞれの学年に適したフローチャート表現の活用法の検討を続けていくことである。
二点目は、理科の考え方だけではなく、理科の見方を働かせることへの影響について検討することである。
三点目は、 感染症予防の為、児童の可視化した考えを共有する機会を確保できなかったことである。来年度から 1 人 1 台のタブレットが配付され全面的に活用予定のため、それを活用した考えの共有方法を模索していく必要がある。
教育現場では、今後もプログラミング教育の実践が増えてくることが予測される。ICT 機器の操作やプログラミングの基礎の学ぶ機会等、カリキュラム・マネジメントを行い、計画的に指導する環境を整えていくことに努めていきたい。
※この 2 行は消さないでください。編集者が削除します。1
1 文部科学省（2020）、p.11
2 Wing（2006）3

有識者会議（2016）大森ら（2017）
5 藤原ら（2019）、p.24
6 ミッチェル・レズニックら（2018）、p.35
7 佐伯（1997）、p.1248 文字、記号、数字のみでプログラムを組むこと
9 文字や記号の代わりにオブジェクトでプログラムを組むこと10 小林（2019）11 文部科学省（2018）、p.63
4

引用文献
小林祐紀（2019）「教科学習の中でプログラミング的思考力34