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1 平成 19 年度理数教育ステップアップ研修実践記録 化学変化を表現する粒子モデルを作成し, 思考を深めていく授業の工夫 中学校理科第 1 分野 化学変化と原子 分子 の指導 実践者五泉市立川東中学校斎藤昌幸 原子モデルや分子モデルを使うことは, 科学的思考を深めていく過程において, そして自分の考えを表現する ( 人に伝える ) 時において, 有効な手段である モデルは, 物質の構造 ( 何原子と何原子が何個ずつ結びついている ) を表現するには便利である しかし, 物質の性質を表現するには難しい そこで, 生徒自身がモデルで表現したり互いに交流したりすることで, 物質の構造が変化することに伴って物質の性質も変化することを, 生徒により深く理解させる学習過程を試みた 今回の実践では, 生徒個々の発想や工夫を生かした原子 分子モデルを使って, 化学反応の様子を生徒自身に表現させることにより, 生徒は自分の思いや考えを他の人に理解してもらったうれしさや工夫を認められたという満足感を得ることができた 多くの時間が必要となり, 現行の学習指導要領の配当時間での時間確保という課題が残るが, この学習過程により 理科の面白さや深く追究する楽しさを味わわせる ことができるという結果が得られた 1 理数の面白さや深く追究する楽しさなどを味わわせる ための構想 理科の面白さや深く追究する楽しさを感じる ことは, 科学的な知識を身につける過程で必要な要素のひとつである 面白さや追究する楽しさについて次のように考える 理科の面白さある現象を体験したときに, びっくりした! 何でそうなの? という思いや疑問を, 理科の知識や体験を通して, へーそういうことか こう考えればいいのかな? やっぱりそうか! と論理的に理解できたり説明できたりした時に, 生徒は理科の面白さを感じると考える 深く追究する楽しさ自分の持っている ( 感じている ) 課題を解決する ( 追究する ) ことは, 教師主導で方法を説明ながら, 教師が解決することとは違う 生徒が自ら追究する場には必ず 自分たちで考えた方法 や 解決する過程での工夫や考察 が必要である つまずいても試行錯誤しながら, 納得できる結果や自分の考えや予想が正しかったことを確認できたときに, 生徒は追究する楽しさを感じ, またやってみようという気持ちを持つと考える 2 授業の実際 (1) 単元名 原子 分子と化学変化 (2) 指導目標 1

2 化学変化についての観察, 実験を通して, 化合, 分解などにおける物質の変化やその量的な関係について理解させるとともに, これらの事象を原子, 分子のモデルと関連付けてみる見方や考え方を養う (3) 本時における 理数の面白さや深く追究する楽しさなどを味わわせる 指導の構想 理科の面白さについてある事象について, 既習事項や生活体験を通して この考えはどうだろう? ちょっとうまくないなぁ この考え方で説明できるかなぁ? いいみたいだなぁ などと様々な角度から思考が進み, 試行錯誤しながら今まで理解できなかったことが理解できたと自分で認識できたときに, 生徒は理科の面白さやうれしさを感じると考える 本時で言えば, 自分の力 ( 既習事項や友人との交流で得たものも含めて ) で化学変化を説明するモデル ( 思考の表現 ) の進化を図ることができたり, 自分の考えたモデルが他の人に認められたりしたときに, おもしろさを感じると考える 深く追究する楽しさについて今まで考えてきたことが納得できる結果を得たり, 自分の考えや予想が正しかったことを確認できたときに生徒は追究する楽しさを感じ, またやってみよう! という気持ちを感じると考える 本時ではドルトンの原子説に則り, 実験結果を説明できる ( 人に理解してもらえる ) モデルを作り上げた時に 苦労したけど楽しかった と感じることができると考える また, 自分の考えを自分なりのモデル ( 色や形などに工夫を加えたモデル ) で表現することに楽しさや, 自分の考えを伝える時の便利さを感じることで, 学習意欲の持続や向上を図ることができると考える (4) 単元の指導内容 ( 学習内容 ) (1 次の物質と原子 分子は省略した ) 時学習内容 2 1 鉄を加熱してみよう どんな変化が見られるだろうか 次 23 加熱したら鉄が重たくなった ( 事実 1 ) モデルで表現してみよう 4 加熱後の鉄は, 鉄の性質や酸素の性質は残っているのだろうか 化 5 鉄を加熱したときの質量や性質の変化 ( 事実 2) をモデルで表現してみよう ( 本時 ) 学 6 他の人のモデルを分析してみよう 変 7 銅と硫黄を加熱したときの変化 ( 質量や性質の変化 ) を調べてみよう 化 8 化合や酸化について と原 1 化学反応式の意味や表し方について 子 2 化学反応式の表し方について 分 1 数々の反応や変化の前後で, 全体の質量はどうなるだろうか 子 23 化学変化の前後で全体の重さは変わるだろうか (1)(2) 4 質量保存の法則について 5 銅やマグネシウムを加熱したときの質量の変化について調べよう 67 化学変化における質量の比について (1)(2) 上記の指導計画で, 生徒が初めてモデルを意識したのは の学習である このときは, ドルトン 2

3 の原子説 と 空気中にある酸素は分子で存在している という知識でモデルを作成した 原子は物質を作る最小の粒 なので原子 1つを1つの丸で表現した 図は, 加熱したときに, 加熱後の鉄は重くなった そのとき空気中の酸素が関係ある という事実を表現したモデルの一部である は鉄原子, は酸素原子である スチールウールを燃焼させた場合, 3 種類の酸化鉄の中で主に Fe3O 4( 四酸化三鉄 ) ができる しかし物質の構造についての説明は省き, 生徒にも追究させていない 代表的な8 種類のモデルを載せてあるが, こんなにたくさんのイメージが出てくるとは予想できなかった クラス全員でモデルの意味を既習事項に照らし合わせて吟味し, 妥当性を探った 全員で検討した後, 加熱後重くなった というモデルを再度個人で作成した 今度は生徒個人で鉄原子や酸素原子を色を使って表現させた 生徒個々の物質に対するイメージを色で表現させるねらいは, 自分が表現したモデル という意識を持たせるということである その後に 加熱による性質の変化 を観察, 実験で確認し, 本時へ進んだ (5) 本時の計画 (5/17 時間 ) (1) ねらい 実験結果を基に, 鉄が燃焼によって酸素と結びついて質量が大きくなったことや燃焼前とは別の物質になったことをモデルで表現できる (2) 本時の展開の概要 教師のはたらきかけ 1 事実 1と事実 2を確認しよう 事実 1については, 前時までに原子モデルや分子モデルを使って表現し, 妥当性について確認してある 本時は事実 2を追加した 3

4 2 事実 1と2を説明できるモデルを作成しよう 事実 1を説明したモデルで, 事実 2も説明できるだろうか? を各自が自分のモデルについて確認する 表現し切れていない部分に改良点を加え,2つの事実を説明できる自分なりのモデル ( 表現 ) を作り上げる 3 作成したモデルを使って, 事実 1 と 事実 2 を他の人に説明しよう 自分の作成したモデルを使って, 教室内の人 ( 大人の参観者も含めた中から )3 名に説明を試みる (3) 生徒の活動の様子 < 事実 1と事実 2を確認する場面 > 1 事実 1: 酸素が結びつく事により質量が増えた のモデルの妥当性を, 生徒が作成したモデルの数例を OHP で投影しながら確認した 投影した OHP シートはカラーで作成した 原子に色をつけたのは科学的な事実とは反することだが, 生徒が思い描いた鉄原子や酸素原子の色のイメージを大切にしたかった 2 事実 2: 加熱後は, 鉄や酸素とは性質が違う別の物質ができた について, 事実 1を説明したモデルで事実 2も説明できるかどうかを先ほど使用した OHP シートを投影しながら課題を投げかけた これからのモデルを作る時間が気になり, 少し早く進んでしまった これは, 生徒の不十分な課題把握に繋がってしまった < 事実 1と2を説明できるモデルを作成する場面 > 1 発問の意図をうまく伝えることができずに 何するの? と聞き直す生徒が多かったが, 課題を把握して活動に入ると, 他の人がどのようなモデルを作成しているのかを気にするのではなく, 事実 1と2を説明する自分の考えや思いをモデルで表現することに取り組んだ 事実 2について, これ( 事実 1を説明したモデル ) で説明できるんだよなー という生徒でも, 他の子に 酸素や鉄の性質が出ちゃ だめなんだよ といわれて考えこんだり,( 加熱後の物質 4

5 は ) 鉄原子や酸素原子でできているんだけど, 性質が変わって鉄や酸素とは違う物質になったということを表現できるモデルってどんなもの? と, どのような表現方法が妥当なのか悩んでいた 学習ノートを見返して, 今までの学習事項や表現にヒントを求める姿も見られた 事実 2が新しく加わることで, 自分が考えた事実 1を説明したモデルを 根本から見直して考え直す生徒 と事実 1のモデル ( 原子が結びつく様子や原子の色 ) に工夫や改良を加えて, モデルの進化を思考する生徒 がいた 2 生徒たちは公開授業という雰囲気にも慣れ, いつものように 自分の考えを他の人に聞いてもらう 人の考えを聞く そして感想を伝えたりやアドバイスを与える もう一度自分で考えてみる というスタイルで学習を進め始めた そんな中, 加熱後の物質をもう一度見て何かヒントを見つけようとしている生徒も現れた 教えてもらおうという受け身的な生徒もいない なにか自分の力で自分のモデルを作ろう! 自分の考えを人に聞いてもらって, アドバイスをもらおう! という意気込みで生徒の気持ちが満ちあふれていたように感じた 鉄原子と酸素原子の結びつき方を変えようという生徒, 鉄原子と酸素原子の並び方を変えようという生徒, 分子の色を変えようという生徒と様々な工夫が表現された < 作成したモデルを使って, 事実 1 と 事実 2 を他の人に説明する場面 > 1 班構成は, 学級の生活班をそのまま利用した 事実 1を説明したモデルの説明で考えると異質集団である 同じ班のメンバーで見比べても数種類のモデル表現に触れることができたし, 多くの考えを聞き, アドバイスしたり認め合うことができた 中には, それではわからない もっと説明して! その説明では納得できない という意見に, 大きい声で興奮気味に一生懸命説明している生徒もいた 自分の考えたモデルで説明するからこそ わかってほしい 伝わってほしい という気持ちが自分のモデルの正当性を主張し続けたのだと思う このやりとりの繰り返しで, お互いに化学変化に対する理解も深まっていった 2 参観している大人 ( 主に理科の教員 ) に説明し, 大人からの質問に答える事ができたり, なるほど, よくできているよ あなたのモデルで2つの事実を説明できているよ とほめられたりすることでうれしさを感じ, 自分の考えに自信を持ったようである 5

6 < 生徒の作成したモデルについて> モデルで表現する事の難しさは, 混合と化合をモデルでどのように表すことができるか? という部分であった 燃焼前後で起こる質量の変化 についてだけを説明できるモデルであれば 混合の状態を表すモデル でも説明できた 本時は 混合 と 化合 の違いを生徒が理解し, 燃焼前後で起こる性質の変化 をどう表現するのかがポイントであった 生徒の作成したモデルの一部を紹介する それぞれ, 表現する時にどのような工夫をしたのか( 自分のモデルをどのように進化させたのか ) もあわせて見ていただきたい < 生徒のモデル例 1> < 事実 1> < 事実 1 と事実 2> < 表現するときの工夫 > 鉄を加熱したら, 鉄と酸素が結びついて鉄でも酸素でもないものになったので, 分子全体を鉄原子の色 ( 黄色 ) と酸素原子の色 ( 水色 ) を混ぜた緑色にした < 生徒のモデル例 2> < 事実 1> < 事実 1 と事実 2> < 表現するときの工夫 > 鉄と酸素が離れていると, それぞれ別々のもの ( 鉄は鉄, 酸素は酸素 ) になるので, 一緒のものという考えで, くっつけた 色は加熱したので濃くなった 6

7 < 生徒のモデル例 3> < 事実 1> < 事実 1 と事実 2> < 表現するときの工夫 > 鉄原子を黒, 酸素原子を白に変えた 酸素が原子になって鉄とくっついたので酸素でもなく, 鉄も酸素とくっついたので鉄でもない 質量も大きくなったし, 性質も変わった 生徒が 混合 から 化合 にイメージを変えて表現し, 理解できたのかどうか? については本時の授業では把握できなかった 授業後回収した生徒の表現を確認したところ, 明らかに 混合から化合にイメージが変化していた ことを読み取れた生徒はいなかった 次時に 混合と化合の違い について補足した 3 実践の考察とまとめ (1) 授業の有効性について以下の1~3のことが検証できたので, 理数の面白さや深く追求する楽しさを味わわせる 指導方法として, 粒子モデルを取り入れた授業は有効であるといえる 1 燃焼後の質量の変化や性質の変化を説明できるモデルについてじっくり考えることができた 2 質的変化を色を使って表すようになり, 離れていた原子がくっつくモデルを作り上げることができた 生徒のイメージが変化した 3 進化させたモデルを人に説明する中で, 素朴な くっつく から, より科学的本質に迫っている自分を自覚できた また, 以上の生徒の活動を補助したワークシートは, モデルを進化させる という意味で, 前と比べて思考や表現の進化が見えるように工夫を加えた 授業終了後, 理科の面白さや深く追究する楽しさ という観点を含めた生徒アンケートを実施した 項目とアンケート結果は以下の通りである 選択肢は4 段階である 理科の面白さに 1 自分の考えや意見を他の人に伝えることができたか ついて 2 他の人の考えや意見を聞くことができたか 追究する楽しさ 3 自分で課題について考えることができたか について 4 自分の考えと他の人の考えを合わせて, 再び考えることができたか 理解について 5 他の人と協力しながら学び合うことで, あなたの理解は深まったか 7

8 できた( 赤 ) まあまあできた( 緑 ) の合計が多くなることをねらいとした アンケート結果から, 本時については 面白さ 追究する楽しさ についての項目で生徒の多くが高い達成を感じているということが読み取れた 今回の実践は 理科の面白さや深く追究する楽しさを味わわせる 指導過程の1つとして有効であるといえる しかし, 楽しさ: アンケート項目 12 と 追求する楽しさ : アンケート項目 34 を比べてみると, 楽しさ を感じることができなかった生徒が多かった どのような工夫をすればいいのか解決していきたい 今回の実践全体を通して, 次のような課題が挙げられる (2) 課題 粒子モデルを取り入れた授業 をより有効にするためには, 以下の課題が明らかになった 1 化学変化における質的変化をモデルで説明する場合, 混合 から 化合 にモデルを進化させる手だての研究 物質や原子のイメージを色を使うことで表した この色を使うことで, 化学変化と混合の違いを生徒に気づかせようと工夫してみたが, 科学的思考を進める手段として妥当かどうか モデル化の時に生徒が混乱を来すおそれがあるので, 原子が結びついている と 原子がくっついている の概念を押さえておく必要がある 2 課題に対して使用するモデルの段階を見極めること まねるレベルのモデル 他に置き換えて考えるモデル 粒子モデル 2 次元的なモデル思考やビーズやスチロール球のような3 次元的なモデル思考 3どこに視点 焦点を当てるかを具体的にした課題を提示することにより, 生徒の思考の目指す方向を明らかにすることができる 8