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情報科テキスト活用事例 |
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私は情報Bの授業をこのように実施した（3）
─モデル化とシミュレーションによる問題解決と総合実習の取り組み─ |
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| はじめに |
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高等学校普通教科「情報」の学習目標は，学習指導要領によれば「情報及び情報技術を活用するための知識と技能の習得を通して，情報に関する科学的な見方や考え方を養うとともに，社会の中で情報及び情報技術が果たしている役割や影響を理解させ，情報化の進展に主体的に対応できる能力と態度を育てる。」である。普通教科「情報」（以下教科「情報」という）では，この目標に鑑み，さまざまな学習活動を展開して生徒の情報化の進展に主体的に対応できる能力と態度を育ててきている。折しも学習指導要領の改訂の時期にさしかかり，教科「情報」の改善に向けた取り組みが実施されようとしている。この改善の方向は，日々急速に進展する社会の情報化に対応できる能力の育成，情報に関する科学的な見方・考え方の確実な定着，合理的判断力や創造的思考力，情報手段等を活用した適切なコミュニケーション能力や実践的な問題解決能力の育成等に係わる指導を重視することである。ここで，特に注目したいのが実践的な問題解決能力の育成である。
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| 1．問題解決学習と協調学習 |
「情報教育がねらいとする教育目標は，最終的には“問題の認識とその解決手段を自ら工夫・実践・評価できる能力”の育成にある。」といわれている。現在高等学校で多くの生徒の学習場面に接している筆者は，生徒が，知識を学ぶことに意欲を示すが，自ら課題を発見し解決する学習には意欲を示さない傾向があると判断している。このような背景には，知識の獲得を偏重し，生徒が主体的に活動する学習環境の不備に一因があると考えている。生徒の学習の中心は，既存の知識を獲得し，その知識を活用して与えられた課題を解決することにある。
しかし，生徒が今後生きる社会では自らが知識を生み出さなければならない状況が生まれてくる。しかも，新しい知識を生み出す活動は多くの場合グループワークによって成り立つ。情報通信技術という道具を利用することにより，データ，情報，知識の入手，加工，分析，総合，伝達が迅速にかつ効果的に可能となる。それらの活動の中にはさまざまな学習要素が含まれている。知識獲得や問題解決能力とともに，協調，リーダシップ，尊敬，責任，自律といった態度形成も含まれる（※注1）。
情報教育，とりわけ教科「情報」の学習の中に，問題解決学習やグループ協調学習を効果的に位置づけ，実践することにより，生徒の問題解決能力の育成を図ることが重要である。
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| 2．モデル化とシミュレーションによる問題解決 |
日本文教出版「情報B」教科書では，第3章に「コンピュータの活用と問題のモデル化」を配し，高校生の問題解決能力を高めるためのいくつかの教材を提示している。ここでは，コンピュータを活用して問題を解決するために，問題をどのようにモデル化し，シミュレーションを行えばよいのかを学ぶ内容が具体的に示されている。
授業では，3つの例題各々に2時間を割り当て実施した。以下に授業の実施状況を簡単に示す。
（1）モデル化とシミュレーションの方法
ここでは，太陽光発電装置による発電量を，与えられたデータからモデル化し，シミュレーションする方法を学ぶ。
初めに，太陽光発電量と日照時間との間にどのような関係があるのかを調べる。本校には太陽光発電装置があるので，毎日の発電量を調査し，気象庁のWebページから入手した日照時間との関連を直接生徒に調べさせた。このとき，散布図や相関についての説明を簡単に行った。
その結果，高い正の相関が認められた。教科書の問題では，データが与えられているので，これを用いて散布図を描かせる。
まず，生徒は実習ノートを利用し手作業で散布図を描く。データ数が少ないときは問題ないが，データ数が多くなると手作業では無理であることを生徒もすぐに指摘する。そこで，コンピュータが威力を発揮することを生徒は知る。
▲図1 太陽光発電量と日照時間の関係
散布図（図1）から正の相関を確認して近似式を計算させる。このとき，相関係数の説明などを簡単に行った。表計算ソフトウェアを用いれば，簡単に相関係数を求めてくれる。
この例題では，相関係数が0.96となり，高い正の相関があることがわかる。
そこで，近似直線の方程式を計算させてみた。手作業で描いた散布図に適切な直線を書き込み，その直線上の適当な2点をとり，その2点を結ぶ直線の方程式を求める。この方程式を数式モデルとした。数式モデルを用いて太陽光発電量を計算した結果が表1である。
▲表1 数式モデルを用いて太陽光発電量を計算した結果
数式モデルを用いて計算した太陽光発電量と実際のデータとの差を求めて，数式モデルの妥当性を調べた。差の分布から妥当性を調べた。
▲図2 発電量の差のヒストグラム
差の度数をヒストグラム（図2）に表して，中央付近に多く分布していることから，概ね妥当な数式モデルであると判断する。この分布が偏っているときは，数式モデルを修正する。
また，回帰分析という方法もあることを説明し，実際に表計算ソフトウェアで計算した結果と自分で求めた方程式との違いを比べさせた。
生徒は，数式モデルを作成すれば，それを用いてシミュレーションを行い，いろいろな問題を解決することができることを知る。実際に，教科書や実習ノートにある問題を生徒に解かせてみた。
（2）時間的に変化する現象のモデル化とシミュレーション
ここでは，野生のニホンカモシカの生息数が，時間の経過とともにどのように変化していくかをモデル化し，生息数の変化を予測する方法を学ぶ。
モデルは，増殖率が一定の場合と，増殖率が変化する場合の2通りのモデルを考える。
「ある年の個体数＝前年の個体数＋前年の個体数×増殖率」のモデルは生徒にとって理解しやすいものである。
まず，実習ノートを利用して手作業で個体数の変化を計算させる。労力が多く費やされることがわかり，コンピュータの有効性に気づく。
表計算ソフトウェアの使い方を学ぶことが目的ではないので，あらかじめ表を準備し，生徒はそれをダウンロードして利用することにしている。
▲図3 ニホンカモシカの生息数の変化
図3は，増殖率が個体数の増加にともなって減少するモデルを作成し，個体数の変化をグラフに表現したものである。ロジスティック曲線ができることに生徒は驚くが，増殖率が一定で個体数が指数関数的に増加するモデルとの違いに気づく。
生徒は対象が同じでも，異なったモデルをつくればそれによってシミュレーションの結果は異なることを体験することができる。
（3）確率的に変化する現象のモデル化とシミュレーション
ここでは，駅の乗車券販売窓口での待ち行列をモデル化し，シミュレーションする方法を学ぶ。
実習ノートを利用して手作業によるシミュレーションを行う。待ち行列のモデル化とシミュレーションを理解するためには必要な段階である。ここでも，手作業によるシミュレーションには限界があるためコンピュータを用いて実施する。図4はコンピュータを用いてシミュレーションした結果である。
▲図4 コンピュータを用いてシミュレーションした結果
また，表によるシミュレーションの場合，待ち行列の長さなどが把握しにくいため，図5のようにグラフを描くことによって結果を可視化した。
▲図5 シミュレーション結果のグラフ化
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| 3．総合実習の取り組み |
グループの協調学習による問題解決は，今後の社会で活躍する高校生にとって重要な学習であることは前述したとおりである。
日本文教出版「情報B」教科書には，第4章に「総合実習」の内容が配置されている。この章がこの教科書の特徴のひとつであると同時に，教科「情報」の目標を実現するための重要な内容であると考えている。教科書では，「総合実習」の意義を次のように述べている（※注2）。
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総合実習では，グループを組み，目標を設定し，解決方法を考え，学習を進め，成果をまとめるといった流れを実践しながら，プロジェクト的に問題を解決する方法を学ぶ。この過程で必要となるのは，これまでに学んできた情報の基礎的な知識や，情報を活用する能力，グループのメンバーが協調・協働して作業を進めるためのコミュニケーションをはかる能力である。作業の分担も，リーダーにまとめを任せて，担当部分のみを行う分業スタイルではなく，メンバー一人ひとりが全体を把握しつつ，それぞれの分担に対して責任をもって進めていくプロジェクト型のワークスタイルである。
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（1）総合実習の内容
本校には，太陽光発電装置が設置されている。しかし，その実態はおろか太陽光発電装置の存在すら知らない生徒も多い。環境問題や新エネルギーの問題などは，生徒に関心を持ってほしい内容である。環境問題なども学びながら総合実習を進めることができれば，意義のある学習ができる可能性が高いと考えた。
テーマは，「大垣北高の太陽光発電装置による発電量は学校全体の使用電力量の何％をまかなうことができるか予測しよう」とし，12時間で計画した。授業の流れや内容については表2で示した。
（2）グループのメンバーが協調・協働して学習を進めるための工夫
【1】PSマップの導入
PSマップ（Problem Solving Map）とは，既習知識や前提条件から思考をスタートし，情報を収集したり，知識をまとめたり，判断を繰り返したりすることによって，自ら問題解決に導く道筋を明らかにするための図表と定義する。PSマップ（図6）の作成は，問題解決のプロセスを可視化し，協調学習における課題共有のための有力な手段と考えている。
▲図6 PSマップの例
本誌No.39で紹介した思考マップを問題解決の流れを考えるための手段として取り入れたのが，PSマップである。今回の問題解決学習では，初めに個人でPSマップを作成した後，グループ活動でよりよいPSマップの作成を目指した。
問題解決の流れは，簡単にはわからない。そのヒントをMoodle（【2】参照）の内容から得たり，教科書を参考にしたりして，自分で考えてみる。その後，グループでの話し合いでメンバーの意見を参考にしながら，よりよい問題解決の流れをPSマップに描く活動である。
【2】学習支援システムの導入
グループ協調学習による問題解決においては，その学習を支援するシステムが必要になる。ここでは，LMS（Learning Management System）としてMoodleを用いて生徒の学習を支援した。学習内容のおおまかな流れや分析方法を提示したり，グループで情報を共有する掲示板を設定したりした。
▲図7 Moodleの画面
授業が始まると，生徒はまずMoodleを起動し上の画面を表示させる。
この中には授業で必要となる資料やデータ，方法についての説明などが掲載されている。ただしそのまま利用できるものばかりではなく，その内容を生徒自身が読み取り，新たな情報を創り出さなければならないこともある。グループのメンバーに利用してもらう情報はグループの掲示板に投稿することによって，いつでも必要なときに利用できるようにした。たとえば，作業が遅れているメンバーが放課後に作業を行うとき掲示板を参照すれば作業を進めることができる。
（3）データの収集
データの収集は各グループで話し合い，分担を決めて太陽光発電量と積算電力計の値を読み取り記録した。できるだけ多くのデータを集められるようにグループ間の協力を行った。ある程度のデータの件数を確保することで，散布図や相関からモデルの作成が効果的にできることを学んだ。
（4）データの分析
データの分析は，教科書の例を参考に生徒自身に考えさせた。表計算ソフトウェアの使用法については，生徒同士の協力によって行うように指示した。散布図，相関係数，ヒストグラム，回帰分析については，概要をMoodleに掲載しておいた。生徒は，自分で調べ，できる範囲のことは自分で実施できた。もちろん質問には対応したが，同じことを何度も質問する生徒は少なくなった。
（5）モデル化とシミュレーション
太陽光発電のモデルは，調べるといろいろなモデルがある。生徒は，グループで相談をしながらモデルを作成したようである。教科書の方法を参考にしたものが多かったが，日射量から予測するモデルを採用したグループもあった。
学校の使用電力量は積算電力計のデータから1ヶ月分の電力量を予測し，過去のデータから比例計算をしてモデルを作成したグループが多かった。
（6）レポートの作成
レポートの作成は，教科書の章末に「わかりやすいレポートのまとめ方」が掲載されている。これを参照させるとともに，Moodleの中で書き方を示した。
レポートは，作業分担した内容について一人ひとりの生徒が作成した。すべての生徒にレポートの作成について学んでほしいとの思いから，グループでのレポート作成だけでなく，個人レポートの課題を課した。
（7）まとめと評価
12時間にわたって，協調学習による問題解決を行った。この学習に導入したPSマップとMoodleについての生徒評価はかなりよかった。協調学習をより効果的に実施するための工夫が，ある程度，生徒に受け入れられた。また，問題解決のレベルも概ね満足できるものであった。
グループによる問題解決学習には，テーマや方法など問題点もあるが，実施することによる生徒の学習効果は大きい。
今後は，生徒自身にテーマを考えさせる総合実習の授業設計にも取り組みたい。
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項目
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肯定（％）
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中立（％）
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否定（％）
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Moodleは学習に役立った
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93
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7
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0
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Moodleはグループ活動に便利だ
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86
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14
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0
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Moodleはうまく使えた
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82
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11
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7
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Moodle内の説明はよく利用した
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82
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11
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7
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Moodleの掲示板はよく利用した
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81
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14
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5
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Moodleで学習の見通しがもてた
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75
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20
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7
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PSマップは問題解決に役立つ
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73
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20
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7
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PSマップは自分の考えを表現する道具
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68
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23
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9
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問題解決の中でPSマップを参照した
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68
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16
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16
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問題解決の手順がわかった
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68
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23
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9
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レポートのまとめ方がわかった
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84
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16
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0
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レポートはうまく作成できた
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73
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25
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2
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問題解決学習はうまくできた
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71
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16
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13
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▲生徒アンケート結果（抜粋）
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1時間目
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グループ
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「大垣北高の太陽光発電装置による発電量は学校全体の使用電力量の何％をまかなうことができるか予測しよう」をテーマとして問題解決学習を今後12時間にわたって実施することを理解する。作業計画や役割分担を作成する。（4〜5人グループ）
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2・3時間目
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全体
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太陽光発電はどのようなしくみで行われているのかを調べ，太陽光発電量に影響を及ぼす要素は何かを知る。インターネットの関連サイトを参考にしながら調査する。その後，太陽光発電のしくみPSマップの作成（個人）を行う。続いてグループでPSマップの作成を行う。
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4・5時間目
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個人
グループ
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問題解決の全体のながれを考えてPSマップを個人・グループで作成する。その後，収集したデータの整理・分析を行う。
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6・7時間目
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個人
グループ
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太陽光発電量に影響を及ぼす要素を用いて，発電量を予測するモデルを作成する。モデルの妥当性を調べる。年間の太陽光発電量を予測する。教科書の内容を参考にする。
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8・9時間目
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グループ
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学校における使用電力量の予測値と予測した太陽光発電量から，太陽光発電によって学校の使用電力量の何％をまかなっているかを予測する。レポート作成の準備を進めながら作業を実施する。
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10・11時間目
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個人
グループ
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レポート作成（グループで協力してレポート作成を行う）
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12時間目
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グループ
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問題解決学習の評価と反省
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▲表2 総合実習の流れと内容
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注1：西之園晴夫・岡本敏雄著，『情報科教育の方法と技術』，ミネルヴァ書房，2007年
注2：水越敏行・村井純監修，『新・情報B 探究する楽しさ』，日本文教出版，2007年
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