【授業研究3】 高等学校第1学年「自然数の列」

1.授業の構想
 問題を解くとき,自分の解法と全く違った考え方に出会って,その見方や考え方のよさに驚かされることがある。同じ問題を全く別の見方や考え方から解決できることは数学のよさであり,生徒はこれを体験することで喜びや感動を味わうとともに,考えることの楽しさを感じることができるのではないだろうか。今回は「考える楽しさに触れながら,数学的な見方や考え方を身に付ける学習の指導の在り方」をテーマとして,数学Tの「自然数の列」で,数列の和の公式を導く授業を行った。さらに,昨年度の研究成果を踏まえ,生徒たちが自主的に考えることのできる環境づくりとして,授業に,「グループで話し合いながら学習すること」と「具体物を用いた操作活動を行うこと」の二つを盛り込んだ。

2.授業の実際
(1)  授業に当たって
 教材について
 数学Tの「自然数の列」では,三角数・四角数といった図形数を取り扱っている。n番目の二つの同じ三角数の和を考えることで,1からnまでの自然数の和の公式を導くことは容易で,生徒が公式をイメージするのにも大いに役に立っているものと思われる。ここでは,その図形的な取り扱いをさらに発展させ,数学Aで代数的に扱った「1からnまでの2乗の和・3乗の和の公式」を導けることを目標とした。2乗の和・3乗の和を,四角数を積み上げた立体で表す。2乗の和についてはその立体のまま考え,3乗の和についてはその立体を平面に写し,平面上で考える。代数的に導いた公式が,四角数という目に見えるものの和として求めることができれば,生徒たちが数列の和の公式に対してもっている印象も変わってくるであろう。パズル的な要素も含まれ,興味・関心をもって取り組むものと考える。
 前時までの内容
 図形数(三角数・四角数)について学習し,それらを用い,1からnまでの自然数の和,1から2n−1までの奇数の和を求めた。数列を既に学習していることもあって,生徒たちは十分理解できた様子であった。隣り合った三角数の和が四角数になることの発見と,図による説明を次時までの課題として残した。
 指導に当たって
 全員が主体的に課題に取り組めるように,一人一人に資料(発泡スチロールの立体,方眼紙,正方形の紙片)を用意するとともに,活発な意見交換ができるように3人一組のグループ学習とする。最初の課題では「1+4+9+16」を表す立体を1個与える。この立体は3個を組み合わせるとうまく数えられるようになっており,必要に応じてグループで意見を出し合い,検討できるようにする。次の課題では,四角数を表す正方形の紙とそれを数えるための方眼紙を用意する。一人で考えられるが,お互いの考えを比較検討できるように,グループは維持しておく。公式を求めることができたら,「1からnまでの3乗の和」が「1からnまでの和の2乗」になる理由を図で考えることができるようにする。生徒が自力で解決できるように,考える時間を十分にとる。
 学習計画
 (5時間 本時は第5時)
(2)  授業の展開
 目標
 四角数の和を立体に置き換えて考えることで,興味・関心をもって課題に取り組み,試行錯誤しながら考えることの楽しさを味わい,数学的な見方や考え方のよさを感得できる。
 準備・資料
 立体(立方体を階段状の四角数に積み上げた発泡スチロール)
 正方形(四角数1,4,9,16,25を表す紙片)
 正方形を数えるための方眼紙
資料8 立体
 展開
学習活動・内容 指導上の留意点及び評価
 隣り合った三角数の和が四角数になることを見付け,四角数25について図によって成り立つことを確認する。
(表現・処理)
 前時に学んだ「三角数の図を使って1から10までの和を求める方法」を,応用できる。
 四角数の和1+4+9+16を,立体を使って求めてみる。さらに,1から始まるn個の四角数の和を考えてみる。
・四角数1,4,9,16の和を表す立体を与え,必要に応じてグループで考えるよう指示する。
 (関心・意欲・態度)
 課題に興味をもち,四角数の和を求めようとする。
 考えて得られた結果を発表する。
・k=1からnまでの2乗の和の公式が得られたことを確認する。
 (数学的な考え方)
 立体をうまく組み合わせ,四角数の和を求めることができる。
・考えが進まない生徒には,出張った部分が出てもよいことを伝える。
 k=1からnまでの和,2乗の和が求められたから,次は3乗の和を求めてみる。
(1)  まず,1の3乗+2の3乗を求めやすい形に並べてみる。
(2)  1の3乗+2の3乗+3の3乗,1の3乗+2の3乗+3の3乗+4の3乗,1の3乗+
2の3乗+3の3乗+4の3乗+5の3乗についても並べてみる。
(3)  1からnまでの3乗の和がどうなるか考える。
・1,2,3,4,5の3乗を立方体で表し,それらをくずすことにより平面(四角数)で考えられることを示す。
 (関心・意欲・態度)
 課題に興味をもち,四角数の和を求めようとしている。
 (数学的な考え方)
 正方形をうまく組み合わせ,四角数の和を求めることができる。
・考えが進まない生徒には,切る部分があってもよいことを伝える。
 考えて得られた結果を発表する。
・偶数番目を加えたときも,奇数番目を加えたときも,うまく正方形に並べられることの証明が,数学的帰納法によりできることを説明する。
 図形的な見方や考え方のよさを認識する
 (知識・理解,数学的な考え方)
 数列では計算で導いた「和の公式」の,図形的な導き方が理解できる
 授業の記録
 研究授業に際して,全体及び抽出した2グループ(3人で構成)の様子を観察した。
  グループA:  2人は数学に対して苦手意識があり,やや消極的なところがみられる。
  グループB:  3人とも学習意欲が感じられる。

教師の発問・支援 全体の反応 グループA グループB
 隣り合う三角数の和が四角数になることを四角数25について説明して下さい。(指名)  発表者の説明をよく聞いている。  発表者の説明をよく聞いている。  発表者の説明をよく聞いてうなずいている。1人は黒板を写している。
 配った立体は,四角数の和1+4+9+16を表しています。立体を使って,和をうまく求める方法はないだろうか。  すぐに組み合わせ始めた。各グループとも組み合わせ方について活発に話し合っている。  2個組み合わせてしばらく悩んだ後,3個を組み合わせた  すぐに協力し合いながら組み合わせ方を考え,3個を組み合わせた。出張った所があることに納得しない様子である。
 n段だったら結果はどうなるでしょう。  ほとんどのグループがうまく組み合わせ,結果に感動している。  1人で取り組み,その後3人で答えを確認し合っている。  1人は答えを出してうなずいている。他の2人は話し合いながら結果を出し納得し合っている。
 結果はどうなりましたか。(指名)  発表者の結果を聞き,自分の考えと比較している。  納得している様子が感じられる。  発表者と求め方が異なるので,再度自分たちの求め方を確認している。
 n段の和の求め方を解説して,2乗の和が得られたことを確認する。  説明を聞き,大部分の生徒が納得している様子である。  説明を聞き,納得している。  説明を聞き,納得している。
 封筒の中に四角数が入っています。切ってもいいから,1の3乗+2の3乗を求めやすい形に並べてみましょう。  四角数の入っている封筒に興味を示している。各自取り組み始め,いろいろな並べ方をしている。  何をやったらよいのか分からない様子であったが,他のグループの様子を見て並べ始めた。  並べ始まったが,なかなかうまく行かない様子である。
 1の3乗+2の3乗+3の3乗+4の3乗+5の3乗についても考えてみましょう  グループで考えている生徒と,一人で考えている生徒と半半ぐらいである。  各自並べ始めている。あまり相談はしない。  教師の助言の後,1人がカッターで切りながら,考え始めた。
 1からnまでの3乗の和はどうなると思いますか。  グループ内で活発な検討が見られる。グループによっては解けた喜びを表現している。  一人一人取り組み3人で答えを確認し合っている。  一人一人取り組み3人で答えを確認し合っている。
 結果はどうなりましたか。(指名)  確認している。  しっくりしない様子である。  納得するとともに驚きが見られる。
 求め方を確認する。  説明をよく聞いている。同じであることに感動しているグループがある。  説明をよく聞いている。  説明をよく聞いている。
 
(3)  授業の考察
 授業終了後,生徒38人に対して,アンケート調査を行った。
 生徒が自ら考え,不思議さや驚きを感じることで,考える喜びを味わえることを目指した授業であり,全員がグループ内で協力し合いながら,課題を解決していくものと期待したのであるが,資料9によれば最初の課題は1グループが,二つ目の課題は2グループが結果を求められなかったようである。うまく考えを進められないでいた生徒に対する,細やかな配慮が必要であった。最初の課題では,全部のグループがすぐに組み合わせ始め,出張った部分をどうしたらよいか考えていた。結果を求められなかったグループは,出張った部分の処理がうまくいかなかったようなので直方体に組むことができるよう,立方体を6個与えるなどの工夫もできたのではないかと思われる。二つ目の課題は高度ではあるが,数学の美しさを感じるとともに,「1からnまでの和」と「1からnまでの3乗の和」の関係をよく理解できるものであるだけに,すべての生徒が,もう少し時間をかけてじっくりと取り組めるような工夫が必要であった。また,グループAのように「何をやっていいのか分からない。」ということがないような,課題についての,分かりやすい丁寧な説明の必要があった。しかし,資料10によれば,ほとんどの生徒が興味・関心をもって課題に取り組み,この授業のテーマである「考える楽しさを味わう」ことができたと答えている。授業中は全員が積極的に課題に取り組み,問題解決のための活発な話合いが行われた。そして,解決できたときには,心から喜んでいる姿が見られた。また,数学のよさとして「喜びや楽しさがある。」を挙げた生徒が最も多く,「美しさや驚きがある。」と合わせると,23人(実人数)となった。理由としては,生徒が主体となって問題解決する中で,解けたことで喜びを味わうことができたこと,全く別の見方や考え方から数列の和の公式を導けたこと,そして,それらが目に見える四角数の和で表され,きれいに並べたり組み合わせたりできたこと,などが考えられる。立体の組み合わせについても,授業終了後,「出張った部分が{n(n+1)}/2だから,2乗の和の公式はすぐに分かる。」とか,「6個のほうが出張った部分がなく分かりやすかった。」といった,美しさにつながる感想が聞かれた。さらに,「筋道を立てて考えられる。」という数学の見方や考え方のよさを挙げた生徒も3分の1に達して,「数列の和の公式に対し,親しみが湧いた。納得した。」などの感想も多かった。今回の授業を通して,数学の実用面だけではなく,考えることの楽しさや数学そのもののもつよさを感じさせることができたのではないかと思う。

資料9 課度の解決状況(38人)
  自力で解決 グループ内でヒントを得て解決 解決できなかった
1+4+9+16 21(55%) 14(37%) 3(  8%)
2乗の和の公式 24(63%) 11(29%) 3(  8%)
1の3乗+2の3乗 20(53%) 12(32%) 6(16%)
3乗の和の公式 23(61%) 8(21%) 7(18%)

資料10 授業について(38人)
  できた だいたいできた できなかった
 興味・関心をもって課題に取り組むことができましたか。 32(84%) 5(13%) 1(  3%)
 授業の内容が理解できましたか。 21(55%) 12(32%) 5(13%)
 考える楽しさを味わうことができましたか。 14(37%) 23(61%) 1(  3%)

 この授業で数学のよさとして感じたことはありますか。
(二つまで回答可) (単位:人)
 役に立つ。他に活用できる。  5
 筋道を立てて考えられる。 13
 形式的,機械的に扱え,能率的になる。効率化が図れる。  2
 事象を文字,数字,記号を用いて,抽象化・一般化ができる。  2
 美しさや驚きがある。 12
 喜びや楽しさがある。 18

資料11 「四角数の並べ方」の例
資料11 「四角数の並べ方」の例

立体を組み合わせている様子
立体を組み合わせている様子

3.まとめと今後の課題
 今回の授業において,立体等の具体物を用意したり,自由に意見を交換したりできるように,グループ学習にしたことは,生徒たちの思考活動を促す上で大いに役に立ったようである。研究主題にかかわる事前の意識・実態調査によると,授業において,高等学校では課題設定の工夫はよくしているが,操作活動やグループ学習を取り入れている教員は少ないという結果が出ている。もちろん課題設定の工夫は大切なことではあるが,それを最大限に生かすためにも,生徒たちが考えやすくなるための様々な環境づくりの工夫をしていく必要があるのではないかと思われる。それから,普段の試験の結果の良い生徒が早く解決するとは限らないことが,今回の授業を実施して分かった。普段あまり目立たない生徒でも,生き生きと課題に取り組んで,早々に結論に達し,得意げな表情を見せていた。そして,その後の授業においても楽しそうに課題に取り組んでいた。具体物による操作活動は,数学に対して苦手意識をもっている生徒たちに,数学的イメージをもたせる上で効果的であったようである。今回の授業で,普段の授業とは違った生徒たちの姿を見ることができた。
 これからも環境づくり等の工夫をして,考える楽しさを味わえるような,そして,生徒の感性を揺さぶることのできる授業の創造に努めていきたいと考えている。

算数・数学科目次