理科——覚える単元と考える単元で方法を変える｜武蔵野個別指導塾が薦める学習の仕方

用語は覚えたのに計算問題で手が止まる。計算はできるのに「なぜそうなるか説明せよ」で白紙になる。実験は楽しかったのに、テストではその単元だけ点が低い。理科は、他の教科と同じ勉強のしかたが最も通用しにくい教科です。

理由ははっきりしています。理科という1つの教科のなかに、性質のまったく違う3種類の単元が混ざっていて、それぞれに別の手順が要るからです。覚える単元に説明の練習をしても時間が溶けるだけですし、説明の単元に一問一答を回しても、テストの記述問題には届きません。

この記事は、単元を3つに仕分ける15分の作業と、仕分けごとの手順を書きます。研究の解説は連載の別記事に譲り、ここでは「今日、机の上で何をするか」だけを扱います。小学生・中学生・高校生で手順が変わるところは分けて書きます。

この記事の結論

• まず単元を3つに仕分ける。①用語と分類を覚える単元、②計算で解く単元、③現象を説明する単元。判断は章末問題の問いの語尾で決まります。所要15分。
• ①は白紙再生と戻り。教科書を閉じて白紙に書き出し、抜けた語だけを2日後・1週間後に戻す。読み返しと蛍光ペンは、ダンロスキー（Dunlosky）らの格付けで有用性が低い側です。
• ②は手順カード。解けた問題の解答を「①単位をつける ②求める量を置く ③使う式を書く ④代入 ⑤単位を確認」という段に分解し、どの段で間違えたかを番号で記録します。
• ③は4欄ノート。教科書を読む前に「予想」と「そう思った理由」を書き、読んだあとに「教科書の説明」と「差分」を書く。この差分の1文が、記述問題で得点になる部分です。
• 誤概念は消えません。いったん直しても元の直観が戻ります。戻る前提で、差分の1文を残しテスト前に読み返す仕組みを作ります。

単元を3つに仕分ける（15分でできる）

理科の勉強が空回りする最大の原因は、単元の性質を見ないまま手を動かすことです。仕分けは主観で決めません。教科書の章末問題か学校ワークのまとめページを開き、問いの語尾を数えるだけです。

1. 単元の章末問題（またはワークのまとめ）を開き、問題番号を縦に書き出す。
2. 各問の文末を見て、下の表に従って①②③を書き込む。20問あれば20個の記号が並びます。
3. 数えて、ノートの単元名の横に「①12 ②5 ③3」のように書く。これがその単元の設計図です。
4. その比率で勉強時間を配る。①が多い単元に説明の練習を足しても配点は増えません。

1つの単元がまるごと1種類になることは、ほとんどありません。中学の「電流」は②が中心ですが、回路の説明を求める③も必ず混ざります。だから「この単元は計算」と決めつけず、比率で持ちます。比率が分かれば、テスト前に何を捨てないかも決まります。

①用語と分類を覚える単元の回し方

中学1年の植物の分類、2年の動物、地学の用語、高校生物の大半がここに入ります。この種類でやってはいけないのは、教科書の読み返しと蛍光ペンです。ダンロスキー（Dunlosky）らは代表的な10の学習法を有用性で格付けし、読み返し・蛍光ペン・要約・語呂合わせ・イメージ化の5つを「有用性が低い」に、思い出す練習と間隔をあけた復習の2つだけを「有用性が高い」に分類しました。

実際の教室でも同じです。中学校の理科の授業で、初回学習の2日後にノートを写した生徒と、見ずに思い出した生徒を比べ、さらに2日後にテストをした研究があります。

Rowley, McCrudden. Retrieval practice and retention of course content in a middle school science classroom. Applied Cognitive Psychology. 2020;34(6):1510-1515.

参加した生徒は39人で、思い出した側のほうが保持がよくなりました。手順に直すと次のようになります。

1. 教科書の単元を1回だけ通読する。目安1回10分。線は引かない。
2. 教科書を閉じ、白紙に「この単元で出てきた言葉」を思い出して書く。目安1回5分。出てこないものは飛ばす。
3. 教科書を開き、書けた語に丸をつけ、書けなかった語を赤で足す。この赤が今日の勉強範囲です。
4. 赤の語だけを一問一答にする。「語→説明」と「説明→語」の両方向を作る。問われるのは後者が多いためです。
5. 2日後、赤のぶんだけをもう一度白紙に再生する。2回連続で書けたものは束から外す。
6. 1週間後、外したものも含めて全部を1周する。ここで落ちたものは、テスト前にもう一度落ちます。

分類の単元は、語の羅列ではなく表ごと白紙から描き直すのが速い。縦と横の軸を自分で引いて空欄を埋めます。表の形が再現できていれば個々の語は思い出しやすく、埋まらなかったマスだけを翌日にもう一度描きます。

戻る間隔の目安は、初回の翌日、1週間後、テストの2週間前、前日の4回です。これは研究が定めた数値ではなく、定期テストの日程から逆算した運用値です。進度が速いときは3週間前から始めます。

②計算で解く単元の手順

オームの法則、化学反応式と質量計算、濃度、圧力、力学、遺伝の比。ここでつまずく生徒の多くは、計算力が足りないのではなく、手順のどこで間違えたのかを自分で特定できていません。だから同じ間違いを繰り返します。最初にやるのは練習量を増やすことではなく、解けた問題の解答を「手順の言葉」に書き換えることです。

1. すでに解けた問題を1問選び、その解答を5つの段に分ける。①与えられた量に単位をつけて書き出す ②求める量を記号で置く ③使う式を書く ④代入する ⑤単位を確認する。
2. この5段をカード1枚に書く。これが手順カードです。単元につき2〜3枚で足ります。
3. 同じ型の問題を3問、手順カードを見ながら解く。初学の段階で自力の発見にこだわると遠回りになる、とカーシュナー（Kirschner）らが指摘した通りです。
4. カードを伏せて2問解く。2問とも正解したら、翌日に別の問題集から同じ型を2問。
5. 間違えたら、答えを直さずに「何段目で間違えたか」だけを記録する。③が3回続いたら式の選び方だけを練習し、④が続くなら代入の書き方を直します。

化学反応式の係数合わせは、勘で合わせずに原子の数の表を書きます。左に反応前、右に反応後、行に原子の種類。合わないマスだけを直す。オームの法則は、式を選ぶ前に回路図へ分かっている値を書き込み、直列か並列かを先に判定します。判定を書かずに式に入る生徒は、合成抵抗でほぼ確実に間違えます。力学は式より先に力の矢印を描きます。矢印の無い式は、検算のしようがありません。

②の単元は、1日にまとめて20問やるより、1回10分を数日に散らすほうが定着します。1日目に型そろえ、2日目に混ぜて出題、3日目に時間を計る、という配り方です。

③現象を説明する単元の手順

ここが点差のつくところで、同時にほとんどの家庭学習が手をつけていないところです。「なぜ」の問題は、教科書の説明を暗記しても書けません。自分がもともと持っている説明（素朴概念）と教科書の説明の違いに気づいていないからです。

やることは、その違いを紙の上に出すことです。ノートを縦に4つの欄に割ります。

1. 左「私の予想」——教科書を読む前に書く。目安3分。「分からない」でもよく、それも記録になります。
2. 2列目「なぜそう思ったか」——理由を1文で書く。ここが本体で、理由の無い予想からは差分が取れません。
3. 3列目「教科書の説明」——教科書と授業ノートを読んで書き写す。ここだけは写してよい。
4. 右「差分」——左と3列目の違いを1文で書く。「私は◯◯だと思っていたが、実際は△△だった。理由は□□」という形に固定します。

この4欄目が、記述問題でそのまま得点になる文です。この作業は、研究でいう「反証型の文章（refutation text）」——読者が持っていそうな誤った考えをまず名指しし、否定してから正しい説明を示す書き方——を自分で書く行為に当たります。

Schroeder, Kucera. Refutation Text Facilitates Learning: a Meta-Analysis of Between-Subjects Experiments. Educational Psychology Review. 2022;34(2):957-987.

44の独立した比較（n = 3,869）をまとめたこのメタ分析では、反証型の文章は他の教材と比べて中程度の効果（g = 0.41）と関連していました。ただし「読ませれば効く」という意味ではありません。効いているのは、誤った考えと正しい説明が同じ場所に並ぶことです。だから4欄ノートでは左の欄を消さずに残します。間違った予想を消しゴムで消した時点で、この手順は効かなくなります。

小学生は4欄ではなく4行で十分です。「予想／理由／結果／差分」を1単元に1枚。メイソン（Mason）らは小学4年生と5年生85人に反証型の文章と通常の説明文を読ませ、事前・事後・遅延の3回で測っています。小学生でもこの形は成立します。

誤概念を自分で見つける質問リスト

③の手順には前提があります。自分が何を間違って信じているかに、自分では気づきにくい。だから質問の形で外から突きます。単元の勉強が終わったら、次の5つを自分に聞いてください。1つでも詰まれば、そこが穴です。

1. 教科書の言葉を使わずに説明できるか。専門語を抜いて説明できないなら、語だけを覚えています。
2. 「なぜ」を3回重ねられるか。「なぜ水は蒸発する」「なぜ温度が上がると速くなる」「なぜ分子の運動が激しくなる」。2回目で止まるのが普通です。
3. 極端にしたらどうなるか。距離を10倍にしたら。極端な場合の答えは、式の意味が分かっているかを一発で暴きます。
4. 日常の例を1つ、そして例外を1つ挙げられるか。例だけなら暗記でも出せますが、例外は理解がないと出せません。

学年別によく残る誤概念も挙げます。当てはまるものがあれば、そのまま4欄ノートの「私の予想」欄に書いて始めてください。

大事なのは一度直しても戻るという事実です。科学教育を長く受けた大人に、直観と一致する文（月は地球のまわりを回る）と、同じ関係を扱いながら直観と食い違う文（地球は太陽のまわりを回る）を、できるだけ速く正誤判定させた研究があります。

Shtulman, Valcarcel. Scientific knowledge suppresses but does not supplant earlier intuitions. Cognition. 2012;124(2):209-215.

天文・進化・分数・遺伝・細菌・物質・力学・生理・熱力学・波の10領域すべてで、直観と食い違う文の判定は有意に遅く、正答率も低くなりました。素朴な考えは上書きされて消えるのではなく、抑え込まれたまま残り、何年も共存します。だから「一度わかった」は終わりではありません。差分の1文を捨てずに1冊にまとめ、テストの1週間前に読み返す。それだけで備えになります。

実験・観察をどう使うか

実験は楽しいのに点にならない、という声をよく聞きます。実験が悪いのではなく、前後に置くべき作業が抜けているのです。研究の側も、この点にははっきりした答えを出しています。

Alfieri, Brooks, Aldrich, Tenenbaum. Does Discovery-Based Instruction Enhance Learning? Journal of Educational Psychology. 2011;103(1):1-18.

164件を集めた2つのメタ分析のうち、補助のない発見学習と明示的な指導を比べた580の比較では、多くの条件で明示的な指導が有利でした（d = 0.38、95% CI [0.44, 0.31]。発見学習に不利な向き）。一方、解答例や足場かけを伴う「補助つきの発見」を他の指導と比べた360の比較では、補助つきが有利でした（d = 0.30、95% CI [0.23, 0.36]）。理科の探究も同じ構図です。

Furtak, Seidel, Iverson, Briggs. Experimental and Quasi-Experimental Studies of Inquiry-Based Science Teaching. Review of Educational Research. 2012;82(3):300-329.

1996年から2006年に発表された37件を整理したこの分析では、全体の平均効果量は0.50でした。そして教師が主導した活動の効果量は、生徒主導の条件よりおよそ0.40大きいという結果が出ています。

Lazonder, Harmsen. Meta-Analysis of Inquiry-Based Learning. Review of Educational Research. 2016;86(3):681-718.

72件をまとめたこちらでは、支援を与えた場合の効果は、学習活動で d = 0.66（95% CI [0.44, 0.88]）、課題の遂行で d = 0.71（95% CI [0.52, 0.90]）、学習成果で d = 0.50（95% CI [0.37, 0.62]）でした。つまり探究は「支援つき」という条件つきで効いているのであって、放っておいて効く話ではありません。家庭でできる支援は3つです。

1. 実験の前日に、用語と装置の名前だけ先に覚える。器具の名前を探しながらでは、現象を見る余裕がなくなります。
2. 実験の前に予想と理由を書く。③の左2欄を先に埋める。授業中に時間がないなら前夜に教科書の実験ページを見て書きます。
3. 実験の後に差分を書く。学校のレポートを出したうえで、家では「予想・結果・差分」の3行だけ別に書く。目安1回10分。

実験はやり直せません。学校の実験の価値は、予想と結果がずれた記録が手元に残るかどうかで決まります。

図は「見る」ではなく「閉じて描く」

理科の図——消化管の順序、回路図、力の矢印、細胞の模式図、天体の位置関係、前線の断面。眺めている時間は、ほぼ勉強になっていません。手順は単純です。

1. 教科書の図を30秒見る。
2. 閉じて白紙に描く。ラベルも自分で書く。
3. 開いて、違うところを赤で直す。
4. 翌日、赤が入ったところだけをもう一度描く。

ただし描けばよいものではありません。フィオレラ（Fiorella）とチャン（Zhang）は、描画は負担が重く時間もかかること、手引きがないと質の低い図しか描けないこと、先行研究の多くが「図なしで文章だけを読む」という弱い比較対象と比べていることを指摘しています。だから描く対象は限定します。1回に描くのは1つの図だけ、目安1回5分まで。順序と向きと名前が合っていれば十分で、色を塗り始めたら勉強ではなく作業です。

学年別——どこに時間を使うか

小学生（理科）

覚える語は多くありません。カードは作らず、教科書の図を白紙に描き直すのを中心にします。③は4行日記で1単元1枚。間違った予想は消さずに残します。保護者の方がやるのは、答えを教えることではなく「どうしてそう思ったの」と1回聞くことです。理由を言葉にした時点で、半分は終わっています。

中学生（1分野・2分野）

1分野（物理・化学）は②が多く、2分野（生物・地学）は①が多い、と大づかみに持てば配分を間違えません。ただし1分野にも③は入ります（電流の向き、力のつり合い、状態変化）。定期テストの2週間前からは、①は毎日の白紙再生、②は1日1型、③は差分ノートの読み返しに分けます。3つを同じ日に同じやり方で混ぜないことが、中学生でいちばん効きます。

高校生（物理・化学・生物）

物理は③の比重が最も高い科目です。公式を覚えるより、「どの状況でどの式を使うか」の対応表を作るほうが点になります。左に状況（等加速度・円運動・単振動・力学的エネルギー保存）、右に式。化学は3種類が全部入る科目で、理論が②、無機と有機が①、反応の説明と実験考察が③です。比率が単元ごとに大きく変わるので、仕分けの15分は化学でいちばん効きます。生物は①が中心ですが、近年は実験考察の③が増えています。グラフの読み取りと「なぜこの結果になったか」を1文で書く練習を週2回入れてください。

この記事で言えないこと

ここに挙げた効果量は、いずれも多数の研究をまとめた平均です。単元によっても生徒によっても幅があります。平均が0.50だからといって、次の定期テストが何点上がるという話には変換できません。

反証型の文章の研究には批判もあります。ゼンギロウスキー（Zengilowski）らは、1つの研究で扱う題材が1つか少数に限られること、テストを受けること自体が概念の変化に影響すること、そして変化が直後のテストを超えて持続するかが十分に確かめられていないことを挙げています。4欄ノートを1回書いただけで概念が入れ替わるとは考えないでください。この記事が差分の1文を後日読み返す工程を入れているのは、そのためです。

効かない条件もはっきり書いておきます。第一に、用語だけを覚えて現象を説明できない状態は、テストの形式によっては点が取れてしまいます。選択式と一問一答だけの定期テストで高得点が出て、入試や模試で崩れる。発見が遅れるぶん、この型が最も危険です。第二に、探究や実験だけでは基礎知識は入りません。支援のない発見学習が明示的な指導に劣るという結果は、そこを指しています。第三に、誤概念は一度直しても戻ります。意志や努力の問題ではなく、抑え込まれた直観が残り続けるという性質の問題です。第四に、図を描く作業は質が低ければ効きません。描く対象を絞らないと、他の勉強を圧迫します。

当塾の立場

この記事に書いた手順は、ほぼすべて家でできます。仕分けの15分、白紙再生、手順カード、4欄ノート、閉じて描く。必要なのは白紙とノートだけで、教材も道具も要りません。特に①の白紙再生と②の手順カードは、塾に通っていない生徒でも今日から始められます。

塾の役目が残るのは③です。差分が本当に差分になっているかは、自分では判定できないからです。教科書と同じ言葉を書いていても中身が別物であることは珍しくありません。素朴な考えは抑え込まれたまま残るのですから、本人が自分の説明の穴を見つけられないのは当然です。ここには他人の目が要ります。探究や実験が効くのも支援がある条件に限られ、教師主導のほうが効果量が大きいという結果も出ています。「自分で考えさせる」ことと「放っておく」ことは違います。

武蔵野個別指導塾では、単元ごとに①②③の比率を先に出し、③の差分の1文を講師が読んで、言葉は合っているが中身がずれている箇所を指摘します。個別指導の形をとっているのは、同じ間違いでも理由の持ち方が生徒ごとに違うからです。

関連する研究の解説

• 素朴概念はなぜ教えても直らないのか——理科教師にも誤概念の干渉は残っていた — ③と誤概念チェックの土台になっている研究をまとめています。
• 直接指導と探究学習——認知負荷理論と「指導の最小化」論争の現在地 — 実験と探究をどこまで生徒に任せるかの全体像。
• 検索練習——思い出す作業が記憶を作る — ①の白紙再生が読み返しより効く理由。

出典

1. Schroeder NL, Kucera AC. Refutation Text Facilitates Learning: a Meta-Analysis of Between-Subjects Experiments. Educational Psychology Review. 2022;34(2):957-987.
2. Shtulman A, Valcarcel J. Scientific knowledge suppresses but does not supplant earlier intuitions. Cognition. 2012;124(2):209-215.
3. Alfieri L, Brooks PJ, Aldrich NJ, Tenenbaum HR. Does Discovery-Based Instruction Enhance Learning? Journal of Educational Psychology. 2011;103(1):1-18.
4. Furtak EM, Seidel T, Iverson H, Briggs DC. Experimental and Quasi-Experimental Studies of Inquiry-Based Science Teaching. Review of Educational Research. 2012;82(3):300-329.
5. Lazonder AW, Harmsen R. Meta-Analysis of Inquiry-Based Learning. Review of Educational Research. 2016;86(3):681-718.
6. Rowley T, McCrudden MT. Retrieval practice and retention of course content in a middle school science classroom. Applied Cognitive Psychology. 2020;34(6):1510-1515.
7. Dunlosky J, Rawson KA, Marsh EJ, Nathan MJ, Willingham DT. Improving Students’ Learning With Effective Learning Techniques. Psychological Science in the Public Interest. 2013;14(1):4-58.
8. Kirschner PA, Sweller J, Clark RE. Why Minimal Guidance During Instruction Does Not Work. Educational Psychologist. 2006;41(2):75-86.
9. Zengilowski A, Schuetze BA, Nash BL, Schallert DL. A critical review of the refutation text literature. Educational Psychologist. 2021;56(3):175-195.
10. Mason L, Zaccoletti S, Carretti B, Scrimin S, Diakidoy IN. The Role of Inhibition in Conceptual Learning from Refutation and Standard Expository Texts. International Journal of Science and Mathematics Education. 2019;17(3):483-501.
11. Fiorella L, Zhang Q. Drawing Boundary Conditions for Learning by Drawing. Educational Psychology Review. 2018;30(3):1115-1137.