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# System prepended metadata

title: 理数探究の事例イメージ

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# 理数探究の事例イメージ
※本事例イメージは，実際の高校の取組を基に，作成したものである。
## １　指導例について
　これまでに記載した探究の意義や指導の在り方などを踏まえ，参考となる具体的な指導
例を次ページ以降に掲載する。
　指導例は，各学科に共通する教科「理数」の「理数探究基礎」及び「理数探究」の解説
を踏まえ，理数科の課題研究の取組，スーパーサイエンスハイスクールにおける課題研究
などの取組を収集し，それを基に作成した。
## ２　指導例の示し方
　各指導例は見開き２ページで示し，左側のページは「生徒の探究の概要」，右側のペー
ジには「生徒の状況及び教師の指導助言等」としている。概ね次のような構成を基本とし
ている。
生徒の探究の概要
設定した課題
探究の目的
用いた方法
得られた結果
考察・推論
生徒の状況及び教師の指導助言等
課題の設定　（課題の把握，課題の設定）
課題の追究　（仮説の設定，検証計画の立案，結果の処理）
課題の解決　（考察・推論）
## ３　指導例の活用
以下の指導例は，「理数探究基礎」及び「理数探究」を実施する際，想定される探究の
過程や，生徒に主体的に取り組ませるために必要な教師の関わり方などを，参考として示
している。各学校の実態や生徒の特性等に合わせて活用することが期待される。
これまで多くの授業や課外活動などにおいて優れた指導事例の蓄積があると考えられ，
それらを学校内外で共有することが求められる。また，これらを基に，創意工夫を生かし
た様々な指導方法が開発・実践されることが望まれる。
ア　自然事象や社会的事象に関すること
・ダンゴムシの交替性転向反応はどのようにして起こるか
・酸性〜塩基性でムラサキキャベツ液の色を鮮やかに変化させる色素の成分を調べる
・筒をのぞくと見える不思議な模様を調べる
イ　先端科学や学際的領域に関すること
・銅樹のフラクタル成長の規則性を調べる
・周期的に色の変化を繰り返す化学反応について調べる
ウ　自然環境に関すること
・マツの葉の汚染率は空気中のちりの量の指標となるか
・新生代第四紀の地層から産出する化石を用いて，当時の環境を明らかにする
エ　科学技術に関すること
・風洞装置を使って紙飛行機の揚力について調べる
・窓の熱伝導によって夏の夜間の室温を効率的に下げる方法を探る
オ　数学的事象に関すること
・金平糖の角
つの
の形成過程の数理モデルを作成する
・新たな二項演算を見いだす
## 生徒の探究の概要
### 設定した課題
ダンゴムシの交替性転向反応はどのようにして起こるか
### 探究の目的
ダンゴムシの交替性転向反応がどのような状況で起こるかを探る。
### 方法と結果
次の（1）から（4）の実験では，ダンゴムシがどのように進行するかを観察し，それぞれの
実験結果を矢印で示した。なお，図中の数字は，各実験の数字に対応している。
（1）障害物の無い平面に置いた場合
→ほぼ直進した。
（2）曲面の壁に接触させて置いた場合
→ほぼ壁に沿って進行した。
（3）進入角度を変えて壁に接触させた場合
①左から斜め 45 度で進入
→全て壁に沿って右に進行した。
②右から斜め 45 度で進入
→全て壁に沿って左に進行した。
③壁に対して垂直に進入
→左へ進行するものと右へ進行するも
のが同数ずつ観察された。
（4）直角の角から障害物の無い平面に進行
させた場合
→全て直前まで接触していた壁側へ曲
がって進行した。
以上の結果から，ダンゴムシの行動には壁が影響を及ぼしていることが示唆されたた
め，次の実験を行った。
（5）体の左右両側が壁に接触するＴ字型分岐迷路に置いた場合
→迷路の途中で止まってしまったり，分岐点で左右不規則に進行したりした。
### 考察・推論
　体の左右のどちらか片側が壁に接触している場合は接触する壁に沿って進行し，やがて
壁の無いところに出た場合は直前まで接触していた壁側へ曲がって進行した後，最初に接
触した壁に沿って進行する。この行動が連続することにより，交替性転向反応が起こるの
ではないかと考えられる。また，ダンゴムシは体の左右両側が壁に接触している場合は交
替性転向反応が起こらないことが示唆された。
### 参考：新たな展開
　さらに，交替性転向反応は壁が無くても起こるかを検証するために，水に囲まれたＴ字
型分岐迷路を用いて，迷路に壁を設置しない場合と設置する場合との比較実験を行ったと
ころ，結果は以下のようになった。
（6）水に囲まれたＴ字型分岐迷路に置いた場合
①迷路に壁を設置しなかった場合
→交替性転向反応が観察されなかった。
②迷路に壁を設置した場合
→交替性転向反応が観察された。　以下省略

## 生徒の状況及び教師の指導助言等
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 ・ダンゴムシの交替性転向反応（分
岐迷路を進む際，左右交互に曲がり
ながら進む習性）について，調べた
いと考えた。


・ダンゴムシの交替性転向反応につ
いて，どのような要因で起こるかと
いう疑問を投げかけた。
### 課題の設定 ・ダンゴムシの交替性転向反応はど
のような要因で起こるか，探究しよ
うと考えた。


・交替性転向反応については，有力
な仮説があるが，まずは独自に仮説
を立てて検証するように指導した。
### 仮説の設定 ・ダンゴムシは体の左右のどちらか
の壁に接触すると，その後はその壁
に沿って進行するのではないかとい
う仮説を立てた。


・実際に実験をさせながら，壁と接
触しているのは，体の左右のどちら
か片側だけか，それとも，左右両側
かに注目して仮説を考えさせた。

### 検証計画の立案
・仮説を立てたが，どのような見通
しをもって仮説を検証していけば良
いかが分からなかった。

・何個体のダンゴムシを実験に用い
るのが妥当か，実験回数は何回が妥
当か，判断できなかった。


・どのような実験装置を自作すれば
よいか考えさせた。
・個体差や実験条件によってばらつ
きが生じることを考えさせ，個体数
や実験回数を設定させた。
結果の処理 ・結果をどのような形で処理したら
良いかが不明であった。
・実験結果に対して，統計的に考え
ることが不十分であった。



・実験結果が何を示しているのかを
考えさせ，その示す内容を分かりや
すく表現するには，どうしたらよい
かを考えさせた。
・実験について，試行回数が十分で
あるか，個体差があるかについて確
認させた。生徒の状況を踏まえて，
検定処理を行わせることも考えられ
た。
### 考察・推論
・何を，どのように考察したら良い
かが曖昧であった。
・仮説を検証するに当たって，実験
結果から何が言えるかという視点で
考察することが不十分であった。
・考察の過程で，交替性転向反応は
体が壁と接触していなくても起こる
のではないかという新たな疑問が生
じた。


・設定した仮説を検証するために，
実験結果が「何を」，「どこまで」示
唆しているかを考えさせた。
・「仮説を支持するかしないかの根
拠として，実験結果から何が言える
か」と問いかけた。
・新たな疑問を見いだしたことを評
価し，更なる探究の展開を支援し
た。
### 参考：新たな展開
・新たな疑問に対する課題を設定するなど，更なる探究を展開することが
できる。
・交替性転向反応は体が壁と接触していなくても起こるかを検証するため
に，水に囲まれたＴ字型分岐迷路を用いた。その理由は，壁の代わりに水
との境界によっても交替性転向反応が起こるかを調べるためである。

### 生徒の探究の概要
#### 設定した課題
酸性〜塩基性でムラサキキャベツ液の色を鮮やかに変化させる色素の成分を調べる
#### 探究の目的
ムラサキキャベツ液は，BTB 溶液などの酸塩基指示薬と同様に pH によって色が変化
するが，色の変化の仕方は一般の指示薬よりも複雑である（pH 1.0【赤】，pH 3.0【桃色】，
pH 5.0【赤紫】，pH 7.0【紫】，pH 9.0【青】，pH 11.0【緑】，pH 13.0【黄】）。そのため，
「ムラサキキャベツの色素は複数の成分が混ざり合ったものではないか」と考え，その解
明を探究の目的とした。
用いた方法
①　pH 1.0，pH 3.0，pH 5.0，pH 7.0，pH 9.0，pH 11.0，pH 13.0 の緩衝溶液を調製した。
②　それぞれの溶液にムラサキキャベツ液を加えて，その溶液の吸収スペクトルを紫外可
視分光光度計で測定した。
③　波長と吸光度のグラフを作成し，その関係性を分析した。
#### 得られた結果
pH 1.0，pH 3.0，pH 5.0 においては，
波長 430nm，570nm 付近で等吸収点
（吸収スペクトルが１点で交わる場所）
が見られた。
pH 9.0，pH 11.0 の吸収スペクトル
においては，酸性側の等吸収点と重な
らなかった。（pH 13.0 については実験
中に退色があったため，グラフには示
さなかった。）
考察・推論
酸性側では，等吸収点が見られたこ
とから，pH により構造が変化する同一物質（文献によりアントシアニン）の存在を推測
した。一方，塩基性側では，酸性側の等吸収点と重ならなかったことから，アントシアニ
ン以外の物質の存在を推測した。
#### 参考：新たな展開
アントシアニン以外の物質の存在を確認するため，薄層クロマトグラフィー（TLC）
を用いる計画を立て実験を行ったところ，２種類の成分が存在するのではないかという推
測が得られた。色素成分のより精密な分離と同定のため，高速液体クロマトグラフィー
（HPLC）を利用した。HPLC による分離では，紫色の成分２種類と無色の成分１種類が
含まれていることが分かった。さらに，無色の成分を塩基性にすると黄色に変色した。

## 生徒の状況及び教師の指導助言等
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
課題の把握 ・小学校時代の実験で，ムラサキ
キャベツ液の色の変化がとても印象
的であった。
・高校で酸・塩基の実験を行った
際，ムラサキキャベツ液の色の変化
が一般の指示薬より鮮やかで複雑で
あることに疑問をもった。
・この課題は，教科書等に記述さ
れ，常識と考えられている現象の説
明についての疑問であり，探究に取
り組む価値があることを伝えた。
・吸収スペクトルや吸光度について
調べるように伝えた。
### 課題の設定 ・ムラサキキャベツ液の色を変化さ
せる色素の成分について調べること
を課題として設定した。
・アントシアニンなど植物色素の成
分に関する先行研究や文献の調査を
行うよう助言した。
### 仮説の設定
・ムラサキキャベツの色素は複数の
成分が混ざり合ったものではないか
との仮説を立てた。
・吸光度を測定することにより，含
まれる成分について何か分かるので
はないかと伝えた。
### 検証計画の立案
・pH を 2.0 ずつ変化させた緩衝溶
液を調製した。
・条件を同じにして溶液の吸収スペ
クトルを紫外可視分光光度計で測定
した。
・ムラサキキャベツ色素の成分の分
離や pH による色変化の測定のため
に，利用可能な器具や機器など，実
験方法の選定について助言した。
結果の処理 ・グラフをどう見たらよいのか分か
らなかった。助言を受けて，酸性側
では等吸収点が現れることを確認し
た。塩基性側の吸収スペクトルで
は，酸性側での等吸収点に重ならな
いことを確認した。
・結果をグラフに表し，そこから見
えてくる傾向について考えさせた。
・それぞれの吸収スペクトルを重ね
た時に等吸収点が現れるかどうか確
認するように助言した。
・視点をもってグラフを見るように
助言した。
### 考察・推論 ・実験結果は複数の成分が混ざり
合ったものではないかという仮説を
裏付けるものではあったが，結論付
けるには，新たな検証計画を立てる
必要があることに気付いた。
・推測したことを検証するために新
たな計画を立てるように助言した。
・クロマトグラフィーなど成分を分
離する方法を調べるように助言し
た。
### 参考：新たな展開
・薄層クロマトグラフィー（TLC）を用いた実験においても仮説を裏付
ける結果ではあったが，色素成分のより精密な分離と同定のために高速液
体クロマトグラフィー（HPLC）を用いたところ，３種類の成分が含まれ
ていることが確認できた。
### 生徒の探究の概要
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握
・小学校時代の実験で，ムラサキ
キャベツ液の色の変化がとても印象
的であった。
・高校で酸・塩基の実験を行った
際，ムラサキキャベツ液の色の変化
が一般の指示薬より鮮やかで複雑で
あることに疑問をもった。
・この課題は，教科書等に記述さ
れ，常識と考えられている現象の説
明についての疑問であり，探究に取
り組む価値があることを伝えた。
・吸収スペクトルや吸光度について
調べるように伝えた。
### 課題の設定 ・ムラサキキャベツ液の色を変化さ
せる色素の成分について調べること
を課題として設定した。
・アントシアニンなど植物色素の成
分に関する先行研究や文献の調査を
行うよう助言した。
仮説の設定 ・ムラサキキャベツの色素は複数の
成分が混ざり合ったものではないか
との仮説を立てた。
・吸光度を測定することにより，含
まれる成分について何か分かるので
はないかと伝えた。
### 検証計画の立案
・pH を 2.0 ずつ変化させた緩衝溶
液を調製した。
・条件を同じにして溶液の吸収スペ
クトルを紫外可視分光光度計で測定
した。
・ムラサキキャベツ色素の成分の分
離や pH による色変化の測定のため
に，利用可能な器具や機器など，実
験方法の選定について助言した。
### 結果の処理
・グラフをどう見たらよいのか分か
らなかった。助言を受けて，酸性側
では等吸収点が現れることを確認し
た。塩基性側の吸収スペクトルで
は，酸性側での等吸収点に重ならな
いことを確認した。
・結果をグラフに表し，そこから見
えてくる傾向について考えさせた。
・それぞれの吸収スペクトルを重ね
た時に等吸収点が現れるかどうか確
認するように助言した。
・視点をもってグラフを見るように
助言した。
### 考察・推論 ・実験結果は複数の成分が混ざり
合ったものではないかという仮説を
裏付けるものではあったが，結論付
けるには，新たな検証計画を立てる
必要があることに気付いた。
・推測したことを検証するために新
たな計画を立てるように助言した。
・クロマトグラフィーなど成分を分
離する方法を調べるように助言し
た。
### 参考：新たな展開
・薄層クロマトグラフィー（TLC）を用いた実験においても仮説を裏付
ける結果ではあったが，色素成分のより精密な分離と同定のために高速液
体クロマトグラフィー（HPLC）を用いたところ，３種類の成分が含まれ
ていることが確認できた。
### 生徒の状況及び教師の指導助言等

66
付録１
### 設定した課題
筒をのぞくと見える不思議な模様を調べる
### 探究の目的
金属の円形の筒を通して明るい空（青空）をのぞくと，図
１のような同心円状の模様がみられる。この模様（見える
像）がどのような仕組みで生じるかを調べる。
用いた方法
（1）図２のように照明装置でスクリーンを照らし，カメラの
レンズの光軸と筒の中心軸を一致させ，筒を通してスク
リーンを撮影する。また，筒の左半分から光が入射しない
ようにして，筒を通してスクリーンを撮影する（図３）。
（2）撮影した画像を，画像解析ソフトウェアを用いて解析した。
（3）筒の半径，長さ，材質，光の波長を変えて調べた。
得られた結果
（1）図４は，撮影した画像を基にして，模様をモデルで
示したものである。各領域のリング間の距離は，ほぼ
全て等しく，その距離は筒の内径と等しかった。
（2）図５は，図４の各領域に対する輝度（相対値）を示
したものである。外側の領域になるにつれて輝度は減
少している。また，同じ領域においても，中心側から
外側に向かって輝度が減少していることが分かる。こ
の結果は，筒の内径，長さ，材質，光の波長にかかわ
らず，全ての筒に当てはまった。
### 考察・推論
図３より，金属の筒の内面での反射が関係しているの
ではないかと考えた。そこで，仮説として，それぞれの
領域に異なる道筋で光が進み，外から入射した光は，筒
内での反射が１回では第１領域内に，２回では第２領域
内に，３回では第３領域内に観察されるとし
た。この仮説に基づき，図６の二次元のモデ
ルを作成して考察した。これにより，各領域
の距離は筒の直径に等しくなることが説明で
きた。また，簡単な文字を撮影して解析した
結果などからも，仮説が妥当と考えられる。
生徒の探究の概要
図１　青空をのぞ
いたときの模様
図２　実験装置
図３　円の半分を黒
くしたときの模様
図４　観察された模様
図５　各領域の輝度
図６　各領域で異なる道筋を通るとした仮説
67
付録１
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 ・金属の筒を偶然のぞき込んだとき
に見えた模様に関心をもった。
・「見えた模様の特徴は？　それは
他の筒の場合にも当てはまる？　計
測することは可能？」などの観察の
視点を与えた。また，先行研究の有
無や関連する物理現象について考え
させた。
### 課題の設定 ・長さや形状，材質が異なると見え
る模様はどのように異なるかを調べ
る。
・模様を撮影し，データ化する。
・本校が所有する実験装置で測定が
可能か，また，模様や像の何を測定
すべきか，観察した結果をどのよう
に数値化できるかを考えさせた。
・本研究が研究対象として妥当か，
オリジナリティがあるか，実験に無
理がないかなどに着目させた。
### 仮説の設定 ・図３から反射で説明ができると予
想した。議論を通して，筒の端の位
置に像ができていることに気付き，
光の道筋を考え，仮説を立てた。
### 【仮説】金属の筒の内面での反射に
よる像が関係しているのではないか
と考え，筒内での反射が１回では第
１領域に，２回では第２領域に，３
回では第３領域に像として観察され
るとした。
・仮説の内容を話し合わせ，考えら
れるあらゆるアイデアを出させた。
・写真に写る像は，どの位置にでき
ているのかを考えさせた。
・上記の考えを進めるため，再度文
献調査を促した。
・どのようなデータをどの範囲で測
定すればよいか，どのように調べれ
ば仮説の検証になるか考えさせた。
検証計画の
### 立案
・写真の撮影では，スクリーンに２
方向から光を当て，一様な明るさに
して，筒をスクリーンに垂直に置い
た。
・画像解析ソフトを利用して，輝度
の分析を行った。
・実験，観察上で注意すべき点は何
かを考えさせた。特に条件設定の検
討では，検証の際の排除すべき要素
に注意させた。
・仮説を裏付ける，または反証とな
る実験を考えさせた。
### 結果の処理 ・写真の分析より，材質や長さにか
かわらず，円筒をのぞいて見える模
様に共通の性質が見られた。
・輝度についても分析ができた。
・得られたグラフにはどのような特
徴があるか，その特徴を既存の知識
で説明できるかなどを考えさせた。
・実験は正確にできていたか，また誤
差はどの程度かなどを検討させた。
### 考察・推論 ・結果から，仮説が支持されると判
断した。仮説を基に，作図で考察す
ると，領域の幅についての説明がで
きた。また，次の追加実験からも仮
説の検証ができた。
①撮影する位置を確認した。
②第２領域をつくる光が筒の中で反
射すると考えた部分を黒い紙で覆う
と，第２領域のみ黒くなった。
・自分たちが行った実験だけで，仮
説の妥当性を説明できるか検討させ
た。
・必要とされる追加実験を考えさ
せ，新たな実験の工夫や装置の改良
を検討させた。
### その後の探究の展開
①筒内部を鏡面反射するアルミニウム膜で覆い n 次反射の強度を調べた。
②反射の際の輝度変化を分析する装置を工夫して組み立て，反射回数や反
射角によるレーザー光強度の変化を測定し輝度の変化の説明を試みた。こ
の際，レーザー光源（He‐Ne レーザー）強度の時間安定性，照度計の安
定性などに課題があると分かり，実験装置の特性も同時に調べた。
生徒の状況及び教師の指導助言等

68
付録１
設定した課題
銅樹のフラクタル成長の規則性を調べる
探究の目的
銅樹を同時に多数成長させたときの成長の規則性について明らかにする。
用いた方法
CuCl2 寒天水溶液を直径 90mm のシャーレに４g 流し込む。寒天ゲルが固まったら，ゲ
ル上に鉄片（直径 6mm 厚さ 0.3mm）をのせ，表面にラップを貼る。恒温恒湿器で温度 25℃，
湿度 90％の条件で銅樹を成長させ，その画像を基に，コンピュータなどで解析する。
得られた結果
銅樹はその一部を拡大すると全体と似た形が現れる
自己相似性をもつ（図１）。自己相似性をもつ形は，
次元を数学的に求めると非整数になり，フラクタルと
いう。図１の銅樹のフラクタル次元は約 1.7 次元と
なった（図２）。
### 考察・推論
２個の鉄片から成長させた銅
樹間にできる隙間は垂直二等分
線になる。鉄片３個を三角形に
置くと隙間の交点Ｖは外心とな
ることで分かる（図３（a），（b））。
20 個の銅樹を同時に成長させると，銅樹間の隙間がボロノイ境界となった（図３（c））。
母点から銅樹を同時に成長させることで幾何学のボロノイ図を描くことができた。さら
に，鉄片を点と線状にすると銅樹間の隙間は放物線になった（図２（d））。これは準線と
焦点まで等距離の点の集まりが放物線となるためである。
生徒の探究の概要
図１．銅樹の自己相似性；それぞれ左隣
図の破線部を２倍に拡大した画像
図２．ボックスカウント法により銅樹の次元は約 1.7 次元となった。
金属樹のフラクタル次元 D
N（
L） 図形を含むボックス数
図３．銅樹を複数成長させたとき銅樹間に生じる隙間の分布。（a）２個の鉄片から生じた銅樹の隙間，（b）３個の鉄片か
ら生じた銅樹の隙間，（c）20 個の鉄片から生じた銅樹の隙間の分布はボロノイ境界と一致した。（d）点と帯状の鉄片か
ら銅樹を成長させると隙間は放物線と一致した。
69
付録１
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 ・化学の教科書に載っていた金属樹
が自己相似的に枝分かれを繰り返す
形に興味をもった。
・数理講座でフラクタルの数理的な
特性や解析手法を学んだことを契機
に，実際の金属樹のフラクタル次元
の計測に興味をもった。
・金属片が複数存在する場合に生成
される金属樹の形に興味をもった。
・金属樹以外にもフラクタル図形と
捉えられるものがあるか探すよう助
言した。
・自然界におけるフラクタルな事物
と数学的抽象的に定義されたフラク
タル図形の特性の違いに注意を払う
よう指導した。
・フラクタルを解析するために必要
な数学的手法を指導・提供した。
### 課題の設定 ・銅樹のフラクタル次元を計測す
る。
・銅樹を同時に多数成長させた場合
に生じる隙間の分布の幾何学的特性
を調べる。
・フラクタル図形の次元の定義は図
形の特性に応じて複数存在すること
を指導した。
・数学的に定量化して検証ができ，
発展的な展開が可能な課題になった
ことを評価した。
### 仮説の設定 ・【仮説①】擬二次元的に成長した
銅樹のフラクタル次元は１より大き
く２より小さい。
・【仮説②】銅樹を同時に複数成長
させた場合の隙間は，鉄片を結ぶ線
分に対して垂直二等分線上に形成さ
れる。
・仮説①はフラクタル図形の幾何学
的特性から考察して妥当か否か助言
した。
・仮説②の検証のために，活用でき
る数学的な手法や事象としてどのよ
うなものが存在するのか検討するよ
う促した。
### 検証計画の立案
・【仮説①】寒天ゲルの上から市販
のラップを貼るという生徒の着想に
より，次元計測に適した大きく美し
い銅樹を生成可能になった。
・【仮説②】鉄片を２個置いたとき
に生じた銅樹間の隙間は，２個の鉄
片を結ぶ線分の垂直二等分線になっ
た結果を踏まえ，順次個数を増やし
て検証することとした。
・フラクタル次元の計測は大学教授
に指導してもらった。一定の温度の
下で計測に適した銅樹を成長させる
必要性を助言した。
・最初から多数の鉄片による銅樹の
実験始めることが適切かどうか疑問
を投げかけ，「鉄片が２つ，３つ…」
と順次検証する生徒の計画は適切で
あると伝えた。
### 結果の処理 ・当初，銅樹間の隙間が垂直二等分
線であることを見た目のみで示して
いた。
・鉄片が 3 個以上の場合での銅樹の
形状の数学的処理（図形把握）に戸
惑いがみられた。
・図２（a）の目視の結果のみでは，
垂直二等分線となっている証明には
ならないと助言した。
・得られた形状が既知の幾何学的図
形か否か，調査すること，数学ソフ
トの活用を助言した。
考察・推論 ・次元計測で 1.7 次元という妥当な
結果を得た。鉄片 3 点では外心が，
多数点の場合はボロノイ図形が得ら
れることが実験で検証できた。
・鉄片の形状が点でない場合に生成
される銅樹の形状がどうなるのか発
展的な疑問をもった。
・「点状の鉄片と線状の鉄片の場合」
に理論的にはどのような形状が生成
されるか，数学的な考察と実験の必
要性を助言した。他に内心や楕円な
どが得られるか，疑問を投げかけ
た。
### 新たな展開
・均等な条件の下で銅樹を成長させたため結果的にボロノイ境界が現れた
ものと思われる。このように自然界にある形を取り上げ，その図形的な性
質を基に自然事象の意味を考察することが考えられる。
生徒の状況及び教師の指導助言等
生徒が働かせた
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
70
付録１
### 設定した課題
周期的に色の変化を繰り返す化学反応について調べる
### 探究の目的
時間経過とともに溶液の色などが周期的に変化を繰り返す化学反応を一般に振動反応と
いう。振動反応の一つである BZ（ベロウソフ・ジャボチンスキー）反応において，振動
反応の停止後の状態が，初濃度等の条件によってどのように変化するのかを調べることに
した。
### 用いた方法
ビーカーに臭素酸ナトリウム（NaBrO3），マロン酸（MA），硫酸の各水溶液を加え，最
後にフェロインを加えて振動反応を開始させる。Pt 電極を用いて酸化還元電位を 48 時間
測定する。（25℃，一定速度で撹拌）
### 得られた結果
反応物は時間とともに消費されるため，振動は永遠に続かず，成分の初濃度に応じて溶
液がどちらかの色で定常状態となる（図１左の△ □）。しかし，ある濃度では一旦停止し
た振動が突然再開することがわかった（図１左の●）。また，MA と NaBrO3 の初濃度［MA］0と［BrO3-］0 がともに低い領域では，極端に長い誘導期を経た後，振動状態（図１左の○）
が現れた。図１右には［MA］0 と［BrO3-］0 に関する振動停止過程の状態分岐図を示した。［MA］0
が高く［BrO3-］0 が低い溶液は図１□ の還元定常状態に到達する。一方［MA］0 が低く［BrO3-］0 が高い溶液は図１△の酸化定常状態に到達する。図１●振動が復活する過程は，□の過程と△の過程の２つの初濃度領域の境界に位置する。×は全く振動が起こらなかった初濃度である。
### 考察・推論
閉鎖系の BZ 振動の止まり方には４種類あることが分かった。それは単調に停止するだ
けでなく，ある条件下では振動の復活が観察された。これらは酸化剤の初濃度［BrO3-］0と反応基質の初濃度［MA］0 の組合せによって，状態分岐図上で４の領域に明確に分かれた。
### 生徒の探究の概要
図１．左は典型的な Pt 電極電位の時間変化の例を示す。横軸は時間，縦軸はPt
電極電位EPt。右は［MA］0 と［BrO3-］0 に関する振動停止過程の状態分岐図を示す。
71
付録１
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 ・実験書から溶液の色が周期的に変
化するという BZ 反応を見つけてき
て，面白そうなので題材に選んだ。
・反応物の初濃度を変えながら，溶
液の振動が起こる初濃度分布を調べ
るように助言した。
### 課題の設定 ・振動していた溶液を２日間放置し
た生徒が，その溶液が振動時とは異
なる色になっていることに疑問を抱
いたため，振動反応がどのように停
止したのか調べることにした。
・他の様々な振動現象を調べて参考
にするよう指導した。
・振動現象については漸化式で表現
できる可能性があることを示唆し
た。
### 仮説の設定 ・反応物質の初めの濃度によって反
応が停止した後の状態が決まるので
はないか，との仮説を立てた。
・長時間実験することにより，振動
反応がどのように停止したのか，そ
の要因が分かるのではないかと考え
た。
・「反応が停止したかどうかを判断
するには，長時間の観察が必要では
ないか」と助言した。
・漸化式での表現について調べてみ
るよう助言した。
### 検証計画の立案
・振動反応を 48 時間にわたって測
定するために，溶液の Pt 電極電位
を測定して振動の様子を数値化し，
測定結果を自動的に PC に記録でき
る実験系を構築した。
・振動反応の停止後の状態に濃度依
存性があるかどうか，酸化剤である
臭素酸ナトリウムと反応基質である
マロン酸の初濃度を変え調べた。
・BZ 反応の漸化式を基にしてコン
ピュータシミュレーションを行った。
・酸化還元電位の測定方法，測定装
置の自作，一定温度での実験系の構
築について生徒と一緒に勉強しなが
ら行った。
・１つの初濃度に対し，最低２回以
上実験し，再現性を確認することを
指導した。特に状態分岐図中の異な
る振動停止の間の境界は，念入りに
調べさせた。
### 結果の処理 ・一旦振動が停止し，定常状態を経
た後，再び振動する初濃度の組合せ
があった。
・振動が復活する現象について，同
じ濃度で再現性を確認するだけでな
く，少し濃度を変えた時どうなるか
も調べさせた。
### 考察・推論 ・得られたデータを状態分岐図にし
てみると，臭素酸ナトリウムが高濃
度のときは高電位の酸化定常状態で
停止し，マロン酸が高濃度のときは
低電位の還元定常状態で停止し，そ
の境界の濃度のときに振動の復活が
起こることがわかり，とても驚い
た。
・BZ 反応の停止と復活について，
特に論文にする際，先行研究がない
かどうか，文献を調べて確認した。
・ある程度データが蓄積したところ
で，横軸にマロン酸の初濃度，縦軸
に臭素酸ナトリウムの初濃度をプ
ロットした状態分岐図を作ってみる
よう助言した。
・得られた状態分岐図が予想以上に
明解な結果で生徒と一緒に驚いた。
・自分たちの課題研究のどこに新奇
性があるのかを先行研究から明らか
にするように助言した。
### 新たな展開 ・BZ 反応の停止と復活に関係すると考えられる他の条件（フェロインの濃度，撹拌速度，温度など）について探究する。
・BZ 反応の漸化式が，他の現象の記述に役立たないかを調べ，どのよう
な現象の記述に同様の漸化式が現れるかを探究する。
### 生徒の状況及び教師の指導助言等
生徒が働かせた
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
72
付録１
### 設定した課題
## マツの葉の汚染率は空気中のちりの量の指標となるか
### 探究の目的
マツの葉の気孔におけるちりの詰まり方（観察した気孔のうち，ちりが詰まっている気
孔の割合（％），以下，マツの葉の汚染率）は，空気中のちりの量の指標となるかという
ことを確かめるために，マツの葉の汚染率と同所の空気中のちりの量を調べ，両者の間に
相関関係があるかを検証する。
用いた方法
環境の異なる 11 地点で，スライドガラスに
付着した空気中のちりの量（個 /cm2
）とマ
ツの葉の汚染率を測定した。また，別の日に，
同一の 11 地点で空気中のちりの量（個 /cm2
）
と，そのうちマツの葉の気孔に詰まる大きさ
のちり（25μm 未満，以下，小さいちり）の量
（個 /cm2
）を測定した。これらのデータを基
にして，①空気中のちりの量とマツの葉の汚
染率，②空気中のちりの量と小さいちりの量
との各関係をグラフにし，相関関係を調べた。
得られた結果	
①　空気中のちりの量とマツの葉の汚染率との間には，高い相関（相関係数：0.961）がある。
②　空気中のちりの量と小さいちりの量との間には，高い相関（相関係数：0.962）がある。
### 考察・推論
①及び②の結果から，空気中のちりの量に対して，マツの葉の汚染率及び小さいちりの
量ともに高い相関がみられたことから，マツの葉の汚染率は，各地点における，空気中の
ちりの量を相対的に比較する指標となると言える。また，小さいちりは，空気中のちりの
うち一定の割合を占めることも分かった。
### 生徒の探究の概要
73
付録１
### 各過程
生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握
・小学校時代，マツの葉の気孔に詰
まるちりの割合（マツの葉の汚染
率）による，大気汚染の調査を体験
したが，本当にマツの葉の汚染率で
大気汚染の状況が測れるか確かめた
いと思った。
・「大気汚染」という言葉が抽象的
であるため，「大気汚染とは具体的
に何を示すか」と疑問を投げかけ
た。
### 課題の設定
・マツの葉の気孔に詰まるのは，空
気中のちりであるとの見解から，
「大気汚染」を「空気中のちりの量」
で測定することとし，マツの葉の汚
染率と空気中のちりの量に相関があ
るかを確かめる課題を設定した。
・用い方の曖昧な語が具体化された
ことによって，検証において定量化
が可能となる課題となったことを評
価した。
### 仮説の設定 
・「マツの葉の汚染率と空気中のち
りの量との間には相関関係がある」
との仮説を立てた。
・仮説の設定理由を尋ねたところ，
課題に即した仮説を設定したとの回
答があった。
### 検証計画の立案
・はじめに，「マツの葉の気孔にち
りが詰まる」状態の定義を少量でも
ちりが観察できたら「詰まってい
る」と定義した。
・マツの葉の採集場所として任意の
11 地点を設定し，空気中のちりは
ワセリンを塗ったスライドガラスで
採取するなどの研究計画を立てた。
・空気中のちりの数を数えるに当
たって，ちりの大きさが様々であ
り，マツの気孔に入らない大きいち
りがあることに気付いた。
・マツの気孔の大きさを測り，空気
中のちりの量の測定に加えて，マツ
の気孔の大きさ（25μm）よりも小
さいちりの量も測定することとし
た。
・「ちりが詰まる」定義を設定した
ことについて，このような定義を検
証前に行うことが重要であると助言
した。
・葉の採集位置及び枚数，空気中の
ちりの採取位置及び時間などの条件
設定が不十分であったので，条件設
定を詳細に考えるよう助言した。
・空気中のちりについて，マツの気
孔の大きさに着目して，大きさの観
点を入れたことを評価した。
・採集サンプル数について，信頼性
のあるデータを得るために十分な量
であるか，また，各採集場所での測
定方法の統一性がとれているかなど
を確認させた。
### 結果の処理
・空気中のちりの量，マツの葉の汚
染率，25μm 未満のちりの量の各測
定データについて散布図で確認し，
相関係数を求めることが適当である
ことに，試行錯誤の後，気付くこと
ができた。
・生徒の試行錯誤の状況を見て，統
計処理に関する書籍を提示し，参考
にするよう助言した。
・結果の処理方法について，分かり
やすく整理されていたことを評価し
た。
### 考察・推論
・空気中のちりの量，マツの葉の汚
染率，25μm 未満のちりの量との各
関係に高い相関があることが分かっ
たが，仮説が支持されたということ
をどう表現すれば良いか迷ってい
た。
・以下の２点を確認させ，段階的に
文章化するよう助言した。
①結果を「根拠」として，明らかに
なったことは何か。
②自分が聞き手側に立って，どのよ
うに説明されれば納得できるか。
### 理数探究としての意義
・マツの葉を用いた同様の調査は，主に小学校や中学校での大気汚染に関
する学習で行われているが，科学的根拠を示す先行研究はそれほど多くは
ない。そこで，本探究の成果を公表することで，同様の調査における科学
的根拠を示すデータとして活用してもらうことができると考えられる。
### 生徒の状況及び教師の指導助言等
生徒が働かせた
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
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数学的な
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理科の
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数学的な
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理科の
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数学的な
見方・考え方
74
付録１
### 設定した課題
新生代第四紀の地層から産出する化石を用いて，当時の環境を明らかにする
### 探究の目的
新生代第四紀は氷期と間氷期を繰り返した地質時代なので，産出する化石から推測され
る当時の堆積環境が地層の層準ごとに異なるかどうか調べる。
### 用いた方法
（1）関東地方のＡ市の露頭で，地層の観察を行った後，３つの異なる層準から化石を採
集した。
（2）第四紀の化石のほとんどは現生種であるので，現生の貝類図鑑などを参考に同定を
行い，さらに，貝類の種ごとに現在の垂直（深度），水平（緯度）分布を調べた。
（3）採集した貝類化石が，現在のどの辺りの海の貝類群集に相当するかを推定した。
### 得られた結果
層準１から産出した貝類の全てが現在生息している緯度の範囲は，北緯37°〜 42°である。この緯度は福島県沖から津軽海峡付近に相当する。同様の方法で他の層準についても調べた結果，１種を除き，層準２は北緯 37°〜 42°，層準３は北緯 37°〜 42°となった。３つの層準で比べると層準３から産出した貝化石の組合せが異なった。深度については，多くの化石が N1の上浅海帯（水深 20 〜 30m まで）に分布するものであり，汽水域のものが１種含まれていた。
### 考察・推論
層準１，２は福島県以北の貝群集なので，地層ができた時代は現在よりも寒かったと推測される。ただし，層準２，３では，北緯 43°以北でのみ生息する貝と，北緯 42°以南でのみ生息する貝が同時に産出した。そこで，再度同定を行ったが，どちらの同定にも間違いはなかった。汽水域を生息範囲とする１種が，死後運搬されて混入したものであると推論した。
### 生徒の探究の概要
75
付録１
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 ・自然環境の変化について，化石を
用いて調べたいと考えていた。
・中学校の授業で行った地層の観察
で，多くの種類の貝化石が産出した
ことから，それらを調べたらその化
石が生きていた当時の環境が推測で
きるのではないかと考えた。
・「自然環境」という言葉は幅広く
用いられるため，何を調べたいか考
えさせた。
・化石が産出する場所について調べ
るよう助言した。
### 課題の設定 ・Ａ市に露出する地層の複数の層準
から産出する化石を用いて，新生代
第四紀の寒暖や水深の変化を探ると
いう課題を設定した。
・課題が具体的になってきたことを
評価し，新生代第四紀に関わる資料
を幾つか紹介した。
### 仮説の設定 ・新生代第四紀は大きな気候変動が
何度もあった時代なので，化石から
推測される水温や水深などが地層の
層準ごとに異なるのではないかとい
う仮説を立てた。
・新生代第四紀という地質時代の自
然環境の特徴に注目して仮説を考え
させた。
### 検証計画の立案
・仮説を立てたが，どのような方法
で寒暖や水深を推測すればよいのか
が分からなかった。
・新生代第四紀の化石のほとんど
が，現在も生息している種と同じな
ので，それらの生息範囲を基に推測
できることを助言した。
結果の処理 ・調査結果をどのような形で処理し
たら良いのかが不明であった。
・生息緯度や水深の共通範囲に着目
し，調査結果を処理するよう助言し
た。
### 考察・推論
・調査結果を基に，どのように考察
したら良いのかが曖昧であった。
・緯度や水深の結果を図にまとめた
ところ，同一の地層から産出した化
石が示す水温に，矛盾する結果が現
れることに気付いた。
・当初設定した仮説を検証するため
に，自分たちの調査結果から何がど
こまで推測できるのかを考えさせ
た。
・化石の同定の再検討，貝の生息水
深の比較，保存状態を基にした死後
運搬の可能性を検討するよう助言し
た。
### 新たな展開 ・この内容をより発展させ，地層の複数の層準から産出する化石を基に，
自然環境を推測するなど，より深い探究につなげることができる。
・化石標本の大きさや形などを測定し，その変化について統計的に考察す
るなどの展開も考えられる。
### 生徒の状況及び教師の指導助言等
生徒が働かせた
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
76
付録１
### 設定した課題
風洞装置を使って紙飛行機の揚力について調べる
### 探究の目的
航空ショーで飛行機の曲芸飛行を見たとき，どうしてあんなに重い飛行機が飛ぶのだろうかと疑問に思ったので調べてみると，揚力という力がカギになっていることが分かった。そこで，揚力について調べる。
### 用いた方法
（1）折り紙の紙飛行機，競技用の紙飛行機，それらを支え
るスタンドを製作した。仮説として，風の強さが大きく
なれば，その分だけ揚力も大きくなり，電子てんびんの
値も小さくなるとした。
（2）図１のように，扇風機，電子てんびんにスタンドで固
定した紙飛行機を配置し，実験１として，扇風機の風を
あてる強さを変えて，電子てんびんが示す値を調べた。
その際，スタンドをのせてゼロ点調整を行った。
（3）また，図２のような風洞装置を製作して，同様にして
実験２を行った。その際，吹き流しを設置し，風洞装置
の外側には風が吹いていないこと確かめた。
（4）次に，風量と風の流れをより安定させるため，スト
ローを束ねて風洞装置の風の吹き出し口に敷き詰めて，
図３のようにして，実験３を行った。
### 得られた結果
扇風機の風を紙飛行機に当てると，電子てんびんの値は
一定の値を示さず，ある範囲の値を示す。そこで，最大値
と最小値を記録した。図４は，実験３における，風の強さ
に対する電子てんびんの値を示したものである。
### 考察・推論
実験１，２では，風の当たり方が不安定になり，紙飛行
機を抑える風などの影響により，電子てんびんの値が風を
当てないときよりも大きくなることがあった。ストローを
用いた実験３では，実験結果によって仮説が支持され，風の強さが強くなるほど電子てん
びんを示す値が小さくなり，揚力が大きくなることが分かった。この後，風速の違いによ
る，飛行機の翼が水平面とのなす角と揚力との関係について調べる実験を計画した。
### 生徒の探究の概要
図１　実験１の様子
図２　実験２の様子
図３　実験３の様子
図４　実験３の結果
77
付録１
### 各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
課題の把握 ・揚力について調べるため，紙飛行
機の翼の迎え角（水平面と翼のなす
角）と飛行距離との関係を調べる実
験を計画していた。
・紙飛行機の発射を制御することが
できないと，迎え角と飛行距離との
関係を調べることができないのでは
ないか，飛行距離を調べるだけでは
揚力について調べていないのではな
いかと指摘した。また，「揚力」につい
て，他者に説明できるように助言した。
### 課題の設定
・事象を観察し変数を特定し，定量
的な関係に着目した。
・飛行距離ではなく，風の強さと揚
力との関係に絞って調べることにし
た。
・要因が絞られたことで，実験で調
べることができる課題になったと伝
えた。一方，実際の実験計画を進め
る際に，具体的にどのような条件を
整える必要があるかを考えさせた。
### 仮説の設定 
・「風の強さが大きいほど，揚力は
大きく働く」と考えた。
・揚力の測定方法について調べてい
た。
・再現性に着目し，「風の強さの制
御」，「揚力の測定方法」を考えさせ
た。その際，２つの穴あき磁石を反
発させて，一方が浮いているときの
力を電子てんびんで測定する実験を
想起させた。
### 検証計画の立案
・スタンドに固定した紙飛行機を電
子てんびんに置き，風を当てないと
きと風を当てたときの差を求めるこ
とで揚力を調べることにした。
・折り紙飛行機と競技用紙飛行機の
２種類を作成した。
・扇風機の風の強さを大きくして
も，倒れないスタンドを作成した。
・実験１では，扇風機の風を直接当
てて強さを変化させる実験を行っ
た。実験２では，直方体の筒型風洞
装置を作成した。実験３では，スト
ローを束ねて，風洞装置の整流部に
装着した。
・探究を行うために必要な実験機
材，購入する材料などを提出させ
た。
・揚力を測定するため，再現性や条
件制御を考慮し，飛行が安定してい
る飛行機を作成するように助言し
た。
・複数回の実験を通して，再現性を
確認するよう助言した。
・乱れのない風をつくる工夫をする
よう助言した。
・風によって，スタンドが傾いた
り，移動したりすることがないかな
ど，測定時の条件を考えさせた。
### 結果の処理 ・実験１，２では，扇風機の風の乱
れが影響して，電子てんびんの値が
仮説とは異なる値を示した。
・実験３でストローを用いること
で，電子てんびんの値が安定し，図
３の結果が得られた。
・複数回の測定を通して，測定値の
散らばりなどについて助言した。
・紙飛行機に働く風の向きの影響に
ついて考えさせた。
考察・推論 ・風洞装置を工夫することで安定し
た風を当てることができた。
・測定結果から，仮説が検証され
た。
・風の強さと揚力との関係が分かり
やすい図を作成すること，探究の過
程を分かりすく説明すること，先行
研究を踏まえて自分たちの探究の価
値を説明することなどを助言した。
### その後の探究の展開
・高さの異なる４種類のスタンドを作成し，それぞれで揚力を調べた。
・風速計を購入し，飛行機の迎え角（翼が水平面となす角）と揚力との関
係について調べた。
・発射装置を作成し，実際に紙飛行機を飛ばして，迎え角と飛行の様子を
調べた。
### 生徒の状況及び教師の指導助言等
生徒が働かせた
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
78
付録１
### 設定した課題
窓の熱伝導によって夏の夜間の室温を効率的に下げる方法を探る
### 探究の目的
一般的に屋外では夜間，放射冷却によって気温が下がる。一方，夜間に閉め切った屋内
においても気温が下がるが，室温低下の主たる要因は屋外との温度差による熱伝導であ
る。ここで電気代を節約するために，空調を使用せずに夜間の室温を下げようとしたと
き，熱伝導が生じやすい窓ガラスによって空気を冷却させることが考えられる。この探究
では，屋内の窓ガラスに接する空気を強制的に撹拌させることで，撹拌させないときと比
べ夜間の室温が低下するかどうかを確かめる。
### 用いた方法
実験は５階建て校舎の３階の教室（教室Ａ）で行った。室温は教室の机上で測定した。
空気を強制的に撹拌させるために，天井付近の空気を，扇風機を用いて窓に当てるように
した。この時の室温変化と比較するために，隣の教室（教室Ｂ）の室温を用いて撹拌がな
い時の教室Ａの室温変化を推定した。推定には，あらかじめ教室Ａ，Ｂにおいて，攪拌し
ないときの夜間の室温を測定し，その結果の相関から得た換算式を用いた。
### 得られた結果
教室Ｂの室温から教室Ａの室温を推定する式が得られた。次に，この式を用いて撹拌さ
せなかった場合の教室Ａの室温を推定し，撹拌させた場合の実測値と比較したところ，撹
拌させた場合の室温の方が，低下率が小さかった。
### 考察・推論
夜間に部屋の空気を攪拌させると，室温は下がりにくくなることが分かった。この結果
は次のように考えられる。窓は教室の壁の中ほどの高さに位置するため，撹拌がない場合
は，天井付近には暖かい空気が滞留しており，窓の高さ以下の空気だけが冷却される。し
かし，撹拌すると暖かい空気も冷却されることになるため，机上の空気の温度が下がりに
くくなる。温度測定地点を机上以外にも増やすことで，この説明の検証が可能である。
### 生徒の探究の概要
79
付録１
各過程
### 生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 ・自然環境を利用した省エネに関す
る研究がしたいと考えていた。
・実施時期が夏であったので学校の
空調の使用電力を抑えたいと考え
た。
・省エネを数値化する方法を考え
た。
・省エネという言葉は抽象的であ
り，具体的にどういった点で，効率
化を図りたいかということを考えさ
せた。
・具体的にどの時間帯を対象とする
かを考えさせた。また，気温の日周
変化の要因について調べさせた。
### 課題の設定 ・夜間の教室の室温がどのように低
下するかを探究することにし，放射
冷却と熱伝導のどちらが夜間の室温
を下げることに効果があるかを検討
することにした。
・計算の結果，放射冷却よりも熱伝
導による冷却の効果が大きいことが
分かった。
・教室の室温変化は実測できるが，
放射冷却については測定が難しいの
で，簡単なモデルをつくり，計算し
た方がよいと助言した。
・放射平衡の考え方や熱伝導の考え
方に関する書籍を紹介した。
### 仮説の設定 ・室内の空気を撹拌させる方が熱伝
導による冷却効果が大きくなるので
はないかという仮説を設定した。
・根拠に基づいた仮説が設定できて
いることを評価した。
### 検証計画の立案
・夜間，撹拌をする場合としない場
合で，室温低下率が異なるかを調べ
ることにした。
・空気を撹拌させていない他の教室
の結果と比べることにした。
・天気や外気温の影響があるので実
験日が異なる結果を単純には比較で
きないことを伝えた。
・他の教室と室温の変化が同じにな
るという確証がないことを伝えた。
### 結果の処理 ・何回か測定したところ，温度差が
あったため，手法を再検討しようと
した。
・測定結果をグラフにまとめたとこ
ろ，２つの教室の室温の関係が一次
関数で表せると仮定しても無理がな
いことに気付いた。
・実験の結果，予想に反して撹拌し
た方が，室温が高くなった。
・測定結果をグラフにまとめさせ，
片方の教室からもう片方の教室の室
温が推定できると考えればよいとい
う気付きが生じるまで待った。
・生徒の気付きを評価し，その結果
を用いて，実験を進めるよう促し
た。
### 考察・推論 ・実験が失敗したと考え，もう一度
やり直そうとした。
・空気の流れのモデル図を書き，自
然冷却と強制撹拌をした場合とで，
冷やさなければならない空気の量に
違いがあることに気付いた。
・何か見落としがないかを検討させ
た。
・「教室の中で温度が高い空気はど
こにあった？」「水を容器の横から
冷やしたらどうなる？」などの質問
をして，得られた結果を説明できる
別のモデルを考えるよう助言した。
新たな展開 ・空気全体の温度を変化させるよりも，生活する範囲のみの空気の温度を
制御する方法，例えば夏季においては教室の下側の空気を夜間に効果的に
冷却する方法などの，新たな課題を探究することも考えられる。
### 生徒の状況及び教師の指導助言等
生徒が働かせた
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
理科の
見方・考え方
80
付録１
### 設定した課題
金平糖の角つのの形成過程の数理モデルを作成する
### 探究の目的
金平糖を作る過程で自然にできる角の形成過程を数理モデルで再現し，そのメカニズムを解明する。
### 用いた方法
固体物理の文献を基に金平糖の角の形成過程を確認して，数理モデルを作成してシミュレーションを行い，実際の金平糖と比較する。
### 得られた結果
固体物理の文献によると，核となる種粒子の表面にショ糖粒子が付着し結晶化することによって突起が生まれ，角に成長する。私たちの仮説は，種粒子を球と仮定して，角の形
成過程は次の仮定によって説明できるというものである。
（i） 突出した部分ほどショ糖粒子が付着しやすく，高くなりやすい
（ii）周囲とある程度高低差がつくとならされる（崩壊）
簡単のため金平糖の断面で考える。種粒子を正円と仮定し周を N 等分し，時刻 t，地点
n の高さを a n,t，ショ糖粒子の付着しやすさを pn t, とすると，（i），（ii）を満たす式の一例が
　（i） p k
a
a ,
,
,
n t
i t
i
N
n t
1
=
=
! ， a p 1 Q
a p Q
b ,
,, ,
, , ,
n t
n t n t n t
n t n t n t
2
E = + ]
]
g
g *
　（ii）
b b
b b
a
b b b
b b b
or
and ,
, , , ,
, , , , ,
,
n t
n t n t n n t n t
n t n t n t n t n t
t
1
1
1 1
1
1 1
F Fa
a a
b a = -
-
- -
- +
-
+ -
] +
]
g
g *
である。ここで，単位時間当たりにつく粒子の総数の期待値が k，崩壊が起きるときの閾
値が a，崩壊する粒子の個数が b，Qn,t は 0EQn t, E1 を満たす乱数である。
### 考察・推論
数理モデルによる金平糖の断面（図１）と実際の金平糖の断面（図２）が類似している
ことから，金平糖の断面の特徴を再現することができたと言える。また，金平糖の角の形
成のメカニズムを説明するモデルを作ることができた。
生徒の探究の概要
図 1　数理モデルによる金平糖の断面 図 2　実際の金平糖の断面
k=3，a=14，b=9，N=48
81
付録１
### 各過程
生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 ・先輩が行った風紋に見られる周期
的なパターンを数学的アプローチで
説明した研究に興味をもち，同じ手
法を用いて解析できそうな現象を探
すことから始めた。
・風紋の形成過程では，「より高い
位置にある砂粒ほど遠くへ飛ぶ」，
「傾斜が大きいときには砂粒は高い
方から低い方に転がる」という２つ
の仮定から数理モデルを作成してい
たので，あまり複雑な条件がなさそ
うな現象を探すように提案した。
### 課題の設定 ・「突出した部分ほど糖蜜が付着し
やすくより突出しやすい」，「周囲と
ある程度高低差がつくと突出した部
分が削れる」という２つの仮定から
数理モデルを作成し，再現性を検証
するという目標を設定した。
・金平糖の角の形に着目すると，先
輩が行った数理モデリングの手法を
使えそうであると助言した。
・数理モデルを用いて金平糖の断面
の形状を再現することで，角形成の
メカニズムを説明できればよいと助
言した。
### 仮説の設定 ・金平糖の角がどのようなメカニズ
ムで形成されているのかを解明する
ことを目標に設定した。
・２つの仮定から数理モデルを作成
する方法を助言した。
方法 ・金平糖の製造過程の観察から始め
た。
・工場に協力を依頼し，形成過程の
サンプルをもらった。
・角の形成過程を２つの仮定で説明
できるという仮説を立てて数理モデ
ルを作成し，数値シミュレーション
を行った。
・金平糖の角は球面上にあるが，単
純化，理想化して断面の形状を再現
するという２次元で扱う方法を提案
した。
・グループのメンバーが７人いたた
め，役割分担を明確に行うよう助言
した。
結果 ・作成した数理モデルが妥当である
ことを検証する方法，数理モデルか
ら何が言えるのか，迷いがあった。
・数理モデルから角形成のメカニズ
ムをどのように説明するのか問いか
けた。
・数理モデルが妥当であることを検
証する方法を提案した。
考察・推論 ・１年半かけて取り組んだ内容を，
限られたページ数の中でどのように
表現するのかが難しく感じた。
・２つの仮定から角の形成過程を説
明できること，数値シミュレーショ
ンの結果と比較して数値モデルが妥
当であることが検証できたことを中
心にするよう助言した。
・先行研究で何がどこまで明らかに
なっているのかを把握し，論文に本
研究の独自性を記述するように助言
した。
新たな展開 ・同様の手法で数理モデルを作成できる事象は他にもあると考える。更に
事象を広げ数理モデルを作成し，同様の数理モデルについては共通点など
について探究をすることが考えられる。
生徒の状況及び教師の指導助言等
生徒が働かせた
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
数学的な
見方・考え方
82
付録１
設定した課題
新たな二項演算を見いだす
探究の目的
四則演算以外に「使い勝手のよい」二項演算があれば，これまで複雑な記法が必要だっ
た式も簡潔に表せるのではないか。そのような演算を見いだす。
用いた方法
乗法は加法を繰り返したものであり，かつ，分配法則を満たす。通常繰り返しの回数は
自然数でしかないが分配法則は実数全体で成り立つので，後者を「使い勝手のよさ」の候
補とした。具体的には，「使い勝手のよい」演算とは，既知の演算（加法，乗法）ととも
に体を成すものだと定め，それを満たす演算が存在するか非自明な次の場合を考察した：
0 以外の全実数の集合を R# とし，通常の乗法を・とするとき，]R#; , : Og を体にする
ような演算Oが存在するか。即ち，5 つの条件
１．全ての a b , !R# に対して，a b O =bOa　（交換法則）
２．全ての a b , , c!R# に対して，]a b O Og c a = O O]b cg　（結合法則）
３．全ての a b , , c!R# に対して，aO] ] b c : O g g = a b :]aOcg　（分配法則）
４．ある e!R# が存在して，全ての a!R# に対し，aO O e e = a=a（この e は唯一つ
に定まり，]R#; , : Og の単位元と言う）
５．a!1 である全ての a!R# に対して，それぞれある a !R# l が存在し，a a O l l =a a O =e
a a O l l =a a O =e（但し e は条件４で定めた単位元。この al を（Oに関する）a の逆元と言う）
を満たす演算Oを R# 上に定義できるか。
これらの条件から「a b O =1 ( a=1 または b=1」が導かれる（このとき ]R#; , : Og
は整域という）。また，]-1gO :]e eg=1 も成り立つ。ここで，-1!1 より e e : =1 が従
う。更に e!1 が分かり，e=-1 となる。これを条件３の式に b c = =e=-1 と代入す
ると，全ての a!R# に対して a a : =1 となる。
これは矛盾であり，仮定を満たす演算は存在しないと分かった。
得られた結果
]R#; , : Og を体にするような演算Oは存在しない。
考察・推論
通常の四則演算がよくできていることが分かった。また，上の結果は，実数体では
1!-1 であることから 1=-1 となって生じるものである。
「使い勝手のよい」二項演算を見いだすことはできなかったが，具体的な事例として，
]R#; , : Og を体にするような演算Oは存在しないという証明ができた。体についてより理
解を深め，1=-1 である体（標数２の体）ではどのような結果が導かれるのかを確かめ
たい。
### 生徒の探究の概要
83
付録１
### 各過程
生徒の状況 教師の指導助言等
### 課題の把握 
・階乗の記号「!」を知ったときに，
1 2 + +g+ =n n]n+1g/2 のように，
乗法よりも「上位」の演算を使えば
「!」を使わなくても済むのではない
かと思った。
・階乗の表記方法としては広義積分
を用いた C（ガンマ）関数があるが，
そのことについては必要な時期が来
るまで触れずにおくことにした。
### 課題の設定 ・使い勝手のよい新たな二項演算を
探すことにした。
・「使い勝手がよい」ことについて，
他者への説明も重視し，どんなモチ
ベーションで何をしようとするかを
言語化するよう助言した。
### 仮説の設定 ・1 2 + +g+ =n n]n+1g/2 と同じ
ように，左辺が積のとき右辺に相当
する場合の演算が存在するという仮
説を立てた。
・「積のときに右辺に相当する」と
は何かを問いかけた。
### 検証計画の立案
・かつて「かけ算はたし算を繰り返
したもの」と習ったことを思い出
し，乗法の繰り返しである累乗が乗
法の「上位」に来る演算として適切
ではないかと考えた。
・累乗は交換，結合法則を満たさな
いことに気付いた。
・代わりに，指数，対数法則から逆
算して「上位」の演算を新たに定義
した。
・加法，乗法は実数全体で定義され
るが，新しい演算は対数を用いてい
るため正の実数でしか定義されない
ことに気付いた。
・中間発表で交流したところ，「体」
という概念を知り，探し求めている
のはそれであると確信し，「積に相
当する演算」の意味を確定した。
・本人の理解の整理や，伝える練
習，助言の獲得のためにも，数学仲
間と交流するよう促した。
・加法と乗法の関係として，指数，
対数法則もあることを助言した。
・法則を見付けることには価値があ
ると励ました。
・他人に伝える難しさを知ることは
収穫だと伝えた。
・相手に伝わっているかどうか，丁
寧に確認しながら発表するよう助言
した。
### 結果の処理 ・実数体とは別に有限体でも同じこ
とを考え，具体的に手を動かして計
算すると，規則が見えてきた。
・実数体でも同じ規則があることを
確認し，０以外の全実数の集合にお
いて乗法の「上位」に来る演算は存
在しないことが分かった。
・仮説と反対の結果が出たが，その
結果から分かることを考えさせた。
### 考察・推論
・通常の四則演算の「優秀さ」を実
感した。
・今回の結果は，実数体において，
1!-1 であることから生じている
と認識した。
・発表の仕方を工夫して全体を発表
するよう助言した。
### 新たな展開 
・問題意識にしたがって課題を更に発展させることと，得られた結果の意
味について改めて考察する。