教師の方へ

授業実践記録（化学）

「物質量」の指導における「イメージ化」

東京都立松が谷高等学校　主幹教諭　桑原　哲史

１．はじめに

高等学校の「化学基礎」の中で，生徒にとって最も「理解」が難しいものは「物質量」である，とよく言われる。その主な原因は，次の４点であると考えられる。

①　扱われる「原子・分子・イオン」の世界が目には見えないこと。

②　「物質量」の概念が抽象的であること。

③　「物質量」の説明が，生徒にとって身近な内容ではないこと。

④　「物質量」の指導内容に，数学的な計算が多いこと。等

以上の中で特に②の内容が「抽象的」であることは，生徒の「理解」を難しくする要因となっていると考える。

私は「物質量」について生徒の「理解」を促進する指導法の工夫を長年にわたって行った。その間，「脳科学」や「認知心理学」等に興味をもち，「理解」・「分かるということ」に関するいくつかの論理を学び，指導法に応用してきた。「理解」とは「イメージ化ができることである」という論理が印象に残り，「イメージ化」による指導を研究した。

今回は「イメージ化」の１つの方法として，「図」を用いる指導法を紹介しつつ，新たに考察を加えたい。

２．「理解」の推進と「イメージ化」

「理解」「分かる」ということは，「長期記憶」の中から学習した内容（「情報」）を「思い出す」ことができる事を意味する。その時「記憶」の中の「情報」が「イメージ」として存在することが重要とされる。

例えば，「リンゴ」という言葉を聞いた時，多くの人は，球状で赤い色の「リンゴ」を思い出す。更に，「リンゴ」の味も思い浮かべることができる。それは「リンゴ」を食べた経験から「リンゴ」に関する「情報」を記憶し，「イメージ」を作れるからと言える。即ち，「理解」には「イメージ化」が伴うものである。

教科等の学習においても，言語の意味や数学的な公式等，学習した内容が「長期記憶」に「イメージ化」され，その「情報」が「思い出される」ことが重要である。

学習内容が一時的な「短期記憶」に保存された状態では，記憶された「情報」は「忘却能力」によって失われてしまう。学習内容としての「情報」が「長期記憶」保存されることが「理解」の第一条件である。注意するべきことは「長期記憶」に保存された「情報」が「思い出せる」ことが「理解」であるという点である。

又，「情報」は意識されてはじめて「情報」となる，という事が「認知心理学」で述べられている。例えば，自分の横を自動車が通り過ぎても，その「事実」だけでは「情報」とはならず，意識されなければ「記憶」されない。自動車が通り過ぎたという「事実」を「意識」して，「情報」にすることで「記憶」される。更に，その色・形・スピード等，意識される「情報」が多い程豊かな「情報」の「記憶」となる。

私は，「理解」の成立にとって，「情報」をより「長期記憶」に保存しやすくし，同時に「思い出しやすくする」方法として，記号や図等に「イメージ化」することが有効である，と考える。

このように，グラフ・図・記号等の形状・色をもった「情報」にすることで，「理解」を促進することを「イメージ化」と定義しておきたい。

３．「物質量」の定義における「抽象性」

｛ｍｏｌ｝を単位とした「物質量」の概念は，その基本に「原子量」の計算における「相対質量」の考え方が基本になっている。見えない世界で原子の質量を比較すること自体極めて「抽象性」を含んだものである。従って，「物質量」の定義自体，生徒は「理解」しにくい。

「アボガドロ数Ｎ」の定義は「原子の『相対質量』の基準である質量数12の炭素原子¹²Ｃの12〔ｇ〕に含まれる炭素原子の数」と記述されている。この「抽象的」な「アボガドロ数Ｎ」を用いた『１モル〔単位記号：mol〕』の定義を行わざるを得ない。従って，「物質量」の定義自体が「抽象的な概念」である事実が，生徒に「物質量」の「理解」を難しくする根本的な要因である。又，「アボガドロ数Ｎ」とは別に，「１〔mol〕当たりの粒子の数6.02×10²³〔/mol〕を『アボガドロ定数Ｎ_Ａ』とする」との指導展開も，生徒にとって「アボガドロ数Ｎ」と『アボガドロ定数Ｎ_Ａ』との違いを熟考させてしまいかえって「混乱」を招く原因となっているように考えられる。

以上のように，「物質量」は，基礎的定義の段階で「理解」の難しさを抱えた指導内容（「情報」）である。

４．「物質量」の「イメージ化」による指導

４－１．「物質量」と「粒子数Ｘ」の関係の「イメージ化」

「物質量」の定義と共に，「物質量」と原子・分子・イオンの「粒子数」との関係を「イメージ化」してみた。基本的に，「物質量」と「粒子数Ｘ」の関係を，相互の「量の換算」と考えさせ「図示」した。

先ず，「１〔mol〕＝Ｎ_Ａ｛個｝の集団」という基本概念では，Ｎ_Ａという数がポイントであることを「理解」させる必要がある。それには，個数をまとめて数える場合の基本的な「定数」（以下，「基本定数」）の重要性を「理解」させることが重要である。この「基本定数」という概念の「イメージ化」を図った。「基本定数」の例として「１〔ダース〕＝12〔本〕」を用いる場合がある。しかし，この「ダース」という「単位」は，次の２点に課題がある。

①　最近の生徒は，「ダース」という「単位」は身近なものではないこと

②　「ダース」の「基本定数」は「12」であり中途半端な数であること

従って，「ダース」を単位とした例示は「物質量」に展開しにくい。

「基本定数」を「10」として「１〔箱〕」という「単位」を用いる例も考えられる。しかし，この場合は「基本定数」の「10」から「Ｎ_Ａ」に展開する際，数値の隔たりが大きく，意外に「理解」されにくい。

そこで私は，「単位」と「基本定数」の例に「１〔クラス〕＝40〔人〕」という関係を挙げた。その結果，「物質量」と「粒子数」及び「Ｎ_Ａ」との関係性の「理解」に効果があった。それは，以下のことが要因と思われる。

①　「座学」における「一斉授業」は「クラス単位」で実施されている為「１〔クラス〕＝40〔人〕」という関係は身近である。

②　「40」という「基本定数」は，単純過ぎず且つ複雑過ぎない。

③　②の結果，「40〔人〕」を「基本定数」とする例は「物質量」における「基本定数」である「Ｎ_Ａ」への展開がしやすい。

④　「クラス数」と「人数」の関係を具体的に発問できる為，「物質量」と「粒子数」の関係に発展した際，両者の関係を「理解」しやすい。

以上のことから，最後に「物質量ｎ〔ｍｏｌ〕」と「粒子数Ｘ〔個〕」の関係を以下の〔図１〕ように図示することで「イメージ化」を図った。尚，指導の際に矢印「→」が「変換」及び「換算」の方向を表すことも示した。この段階では，板書で「図示」した。

〔図１〕「物質量ｎ」と「粒子数Ｘ」との関係

４－２．「物質量」と「質量Ｗ」の関係の「イメージ化」

「物質量」と「質量」の関係を指導する場合，「物質量」と「粒子数」との関係を基本的概念として，常に確認することが重要であった。

「物質量」と「質量」の関係を指導する場合，以下の点が課題となった。

①　教科書における「モル質量」の定義が「抽象的概念」であること。

②　「原子量・分子量・式量」と「質量」の関係の「理解」が前提として必要であること。

③　「モル質量」と「原子量・分子量・式量」の区別を「混乱」する生徒がいること。

特に③において，「モル質量」と「原子量・分子量・式量」を全く異なるものとして扱うことが，より「混乱」を招いている事実に気付いた。そして，「原子量・分子量・式量Ｍ」と「質量Ｗ」との関係を直接的に重視する指導が重要である，と思われる。

尚，具体的には，身近な物質である水Ｈ_２Ｏを例にしながら指導展開することで「理解」が深まることも分かった。コップ１杯（180〔mL〕）の水を例に挙げて，コップ等を図示して発問しながら指導することは有効であった。

このように，常に具体化を図りつつ，以下の〔図２〕のように示して「イメージ化」を図った。この段階でも「板書」で示した。

〔図２〕「物質量ｎ」と「質量Ｗ」

４－３．「物質量」と「気体の体積」の関係の「イメージ化」

「物質量」と標準状態における「気体の体積」の関係の指導において，以下の点が課題となる。

①　気体の粒子は目に見えないこと。

②　「体積」の概念が抽象的で，「理解」していない生徒がいること。

③　「気体の体積」は「物質量」が同じでも，温度・圧力により変化すること。

④　「圧力」には「内圧」と「外圧」があること。

⑤　「アボガドロの法則」を「理解」していない生徒がいること。

⑥　「気体の状態方程式」を「化学基礎」の時点で学んでいないこと。

「体積」を「言語」としては知っていても，「量的な概念」として「理解」している生徒は意外に少ないことがある。黒板に風船を描き，気体の粒子を「丸○」で描くことで「イメージ化」を図ると効果的である。

「体積」の「温度」による影響は「理解」しているが，「圧力」による影響を「理解」している生徒は意外に少ない。従って，前述の風船等を用いた「イメージ化」による指導で行い，「内圧」「外圧」についても「熱運動」との関係を「矢印⇒」で表すことが，「イメージ化」には有効であることが分かった。

但し，課題④・⑤については，簡単に触れることで対応するしかない。この時点で「状態方程式」について詳しく触れることは，かえって「混乱」を招く恐れがあった。

更に，「物質量」と標準状態における「気体の体積」の関係を指導する場合，以下の課題が考えられた。

①　「体積」の概念が量的に「抽象的」であること。

②　「圧力」の単位には複数あり，特に「Pa」の単位が意外に「理解」されていないこと。

③　１〔atm〕を〔Pa〕単位に換算する場合の「1.013×10⁵」の数値で数学の指数が意外に「理解」されていないこと。

④　「モル体積」の概念が抽象的であり，「気体の種類に無関係」であるという事実が「理解」されにくいこと。

特に，課題④の指導を重視しつつ，「基本定数」の考えとして「モル体積」を扱うことで対応した。22.4という数値は「ニニンガシ」（２×２が４）という例えを示して印象付け，「イメージ化」を図った。

以下，同様に〔図３〕のように，「物質量」と「体積」の関係を「イメージ化」した。この段階でも，板書による図示を行った。

〔図３〕「物質量ｎ」と「気体の体積Ｖ」

４－４．「物質量」「粒子数」「質量」「気体の体積」の関係の「イメージ化」

「情報」は意識されて初めて「情報」となる，という「認知心理学」の理論がある。私はそれを受けて，「情報」には「深さ」がある，と考える。例えば，自分の横を自動車が通り過ぎた時にその事実を意識しても，「通り過ぎた」というのみの「情報」か，自動車の色・形・車種等より多くの「情報」を意識したか，では「情報」が異なる。意識する「情報」が多い程「深い情報」と言える。従って，学習においても同様のことが言える。従って，「物質量」と他の複数「量」の関係を関連付け「深い情報」とするには，より効果的な「イメージ化」が必要と考える。

それにはこれまで「理解」した「情報」を有効に活用する必要がある。即ち，これまで「イメージ化」に用いた「図」を有効活用し，「図」を統合することが有効である。「イメージの融合」と呼ばれる現象である。その結果，「物質量」「粒子数」「質量」「気体の体積」の関係の指導では，「イメージ化」の際に次の点を留意した。

①　複数量の関係とは，「換算」の関係であることを明示すること。

②　各量の「換算」には，「物質量」の概念が重要であること。（「物質量」が中心の位置を占めている事実に触れること）

③　「物質量」を学んできた意義を，②と関連付けて確認すること。

④　３つの量の関係を示す前に，２つの量の関係を示すこと

「粒子数」「質量」「気体の体積」の量の関係を示す前に，「物質量」を中心として「粒子数」と「質量」の関係の「イメージ化」を図った。「物質量」が量の換算の基本にあり，「物質量」を学ぶ意義の確認となる。具体的には〔図１〕・〔図２〕を統合した〔図４〕を作成して「イメージ化」を行った。この段階でも，板書で示し，他の２つの量の関係を生徒に考えさせる機会を与えた。

最後に「物質量」を中心に位置付けて〔図１〕・〔図２〕・〔図３〕を融合して，「物質量」「粒子数」「質量」「気体の体積」の関係を「イメージ化」し，〔図５〕を作成し，プリントにより配布した。

〔図４〕「物質量ｎ」・「粒子数Ｘ」・「質量Ｗ」の関係

〔図５〕「物質量ｎ」・「粒子数Ｘ」・「質量Ｗ」・「気体の体積Ｖ」の関係

５．「物質量」の「イメージ化」の応用

〔図５〕は，「物質量」を用いた「化学反応の量的関係」に応用できる。小単元「化学反応式」において２物質間の「物質量」が化学反応式の「係数」から求められることを学ぶ。この小単元を学んだ生徒の一部に２物質間の具体的な量の関係を求められない生徒が生じる。

この際に，【物質Ａ】【物質Ｂ】の２物質について，〔図５〕を用いて各物質の係数をａ，ｂとし，以下の〔図６〕を示すことで「イメージ化」ができる。ここでは，それぞれの「換算式」等を省略したものを示す。

〔図６〕２物質間の量的関係

「物質量ｎ」・「粒子数Ｘ」・「質量Ｗ」・「気体の体積Ｖ」の関係を〔図５〕による「イメージ化」によって「理解」した生徒は，〔図５〕を展開した〔図６〕の「理解」が極めて早い。その結果，多くの生徒が〔図５〕による「イメージ化」を前提にした〔図６〕の「イメージ化」によって，「物質量」の定義を含め，２物質間の量的関係を「理解」する場合が多かった。

〔図５〕による「イメージ化」の効果が，２物質間の関係に発展した場合の「理解」に反映されている。

更に，〔図５〕及び〔図６〕における「各量」の関係や「換算式」を「理解」した生徒は，指導を行っていなくとも，「自主的に」Ｖ_ＡとＶ_Ｂの数値が直接係数ａ，ｂを用いて求められることに気付くケースが多かった。又，Ｘ_Ａ：Ｘ_Ｂ＝ａ：ｂであることにも気付く場合もあった。

意外であったのは，これらの関係を「自主的」に「発見」「理解」した生徒は，比例式で関係を示すだけではなく，自ら〔図６〕の「Ｖ_Ａ」「Ｖ_Ｂ」間や「ｎ_Ａ」「ｎ_Ｂ」間に「往復する矢印」を書き入れて「イメージ化」する能力を身に付けていたことである。このことは，「イメージ化」による指導には，生徒自ら「イメージ化」する能力を身に付けさせる効果があり，「理解」を推進する効果がある事を示している。