自己組織化マップを用いた生徒の観察・実験における記述内容の分析 松原 道男
An Analysis of Description in the Student's Observation and Experiment by Using Self-Organizing Maps Michio MATSUBARA Ⅰ 問題の所在 理科学習において、子どもが自分の考えなど を表現する方法は、文章だけでなく描画法や概 念地図法などが用いられている。いろいろな表 現方法を用いることは、教師にとっては子ども の考えをいろいろな観点からとらえることがで きるとともに、子どもにとっては自分の考えを 明確にして自覚できるという点で意義があると いえる1）。 具体的な理科の学習においては、予想や結 果・考察などの学習場面において、いろいろな 表現方法を併用してノートやワークシートに記 入させることが多い。この中で、文章による表 現活動における子どもの実態および問題点につ いては、TIMSSの論述形式の課題などにおいて 明らかにされている。松原2）は、TIMSSにおけ る論述形式課題に対する中学生の回答の分析を 行い、正答率の低い問題は、論述形式であるた めというより、理由の説明ができないことによ ると指摘している。これについて、中山ら3) が さらに分析を行い、子どもは課題文に含まれる 言葉や名称を回答する傾向にあり、目に見えな い自然の仕組みへの言及が少ないことを指摘し ている。また、自然事象について、現象的説明 はできるが、その自然の仕組みにかかわる理論 的知識にもとづいて説明することが困難である ことを指摘している。この原因として日本のカ リキュラムにおいては、モデルで考えることや、 自ら結論を導出することが求められていないこ とをあげている4)。 一方、猿田5)は、小学生の論述的課題につい て分析を行い、長所と短所をあわせて科学的に 判断したり、物事を多面的に考えたりすること が苦手であることを指摘している。さらに、猿 田は6)、わが国の中学生の正答率が相対的に低 いことの要因について、教師質問紙の科学的論 述力に関する回答を分析している。その結果、 教師は解答のための理由を述べることを理科の 重要な目標ととらえていないことや、科学を実 世界の表現方法と認識している教師が少ないこ とを明らかにしている。 以上のことから、子どもに対して根拠にもと づいた論理的表現の育成とともに、それを教師 が意識していくことやカリキュラムを検討して いくことの必要性が指摘できる。 とくに子どもの記述における論理的な表現に ついて改善を図るためには、それを評価するこ とが必要となる。しかし、多肢選択や穴埋めを 行う回答と異なり、クラス全体の子どもの記述 内容の評価は比較的困難である。そこで、子ど もの記述内容の分析方法を開発していくことが 望まれる。 Ⅱ 研究の目的 以上のことから、論理的、科学的な説明能力 を身につけていくうえで、子どもの記述内容に ついて評価していくことが重要であると考えら れる。とくに子どもの考えの実態を把握し、授
業実践や授業改善の情報を得るには、クラス全 体の傾向をとらえる必要がある。しかし、一人 一人の記述内容を分析し、傾向をつかむといっ た定性的分析では時間を要するといった問題点 がある。 そこで、本研究においては、クラス全体の子 どもの記述内容の論理的、科学的側面について 評価する方法を開発することを目的とした。 Ⅲ 方法 1.記述内容の調査 (1)調査対象 調査対象は、石川県内の公立 A 中学校第 2 学 年 1 クラス 21 人である。 (2)調査内容 記述内容は、「電流」単元の１時間の授業に おいてワークシートに記述されたものを分析の 対象とした。ワークシートは、図1に示したとお りである。この中の「予想」と「わかったこと」 の記述内容の2つを分析した。「予想」は、2本 のニクロム線を直列につないだ場合と並列につ ないだ場合の豆電球の明るさや電流の強さにつ いて予想するものである。「わかったこと」は、 その実験結果とわかったことについての記述で ある。 2.分析のためのソフトの開発方法 記述内容について、文章そのものを直接解析 するのは困難である。そこで、文章を単語に分 割し、その単語の関係について分析する方法を 考えた。詳しくは、次の手順で分析を行った。 ①形態素解析のフリーソフトである「茶筌」を 用いて、生徒の記述内容から単語を抽出した。 クラス全体の傾向をつかむため、表層語では なく単語の基本形を抽出した。これは、表層 語を抽出すると同じ単語で活用が異なるも のが抽出されるからである。 ②①で抽出した単語について、重複している単 語を除いた。これについては、抽出した全単 語について、Excelを用いて重複した単語を 除くマクロを作成した。 ③Excelのシートの「行」に、②で抽出した単語 を置き、文章ごとにその単語が記述されてい ればそれをカウントし、その数を「列」に示 すマクロを作成した。 ④③で作成したデータをもとに、コホネン（Ko honen,T.）7)の自己組織化マップを用いて分 析するExcelのマクロを作成し、単語間の関 連をマップに示すようにした。 図1 ワークシートの内容 自己組織化マップを用いたのは、分類を可視 的連続的に表現できるという利点だけでなく、 分類能力においても優れていることが指摘さ れているからである8)。 3.分析方法 自己組織化マップにおける分析の妥当性に ついて、次のように検討することを考えた。ま ず、生徒の記述内容について、直接定性的に分 析し、クラス全体としてどのような記述内容が 多いかを明らかにした。次に、自己組織化マッ プを用いて単語の関連を分析し、クラス全体と してどのような記述内容の傾向にあるかを分析 した。以上の定性的分析と自己組織化マップに
おける結果の比較から、自己組織化マップによ る分析の妥当性を検証することにした。 Ⅳ 開発したソフト 1．単語の抽出とデータセット 電熱線の直列つなぎについての生徒の予想 と並列つなぎについての予想に分けて、データ を作成することにした。同じく「わかったこと」 について、電熱線の直列つなぎと並列つなぎに 分けてデータを作成した。この直列つなぎと並 列つなぎの予想、および直列つなぎと並列つな ぎのわかったことの4つそれぞれについて、生徒 が記入したすべての文章を対象に、「茶筌」を 用いて単語の基本形および品詞を抽出した（図2 参照）。この段階で単語は重複している。この 出力された単語を「データ1」とする。 この「データ1」について、Excelを用いて、 品詞の①記号、②助詞、③助動詞、④接続詞、 ⑤未知語、⑥フィラーと、「茶筌」の文末記号 「EOS」の単語を削除し、このデータを「データ 2」とする。「データ2」について重複している 単語を除き、各単語とその単語の度数を出力す るマクロを作成した（図3参照）。この出力結果 を「データ3」とする。この「データ3」につい て、全文章の出現頻度が1以下のものを削除して、 図2 「茶筌」の出力例(一部) 図4 各文章に含まれる単語数の処理 図3 重複単語の処理
Excelの行に配置した（図4参照）。「データ3」 と「データ1」をもとに各文章に含まれる単語を カウントして、この数を文章ごとに列に配置す るマクロを作成した（図4参照）。この出力結果 を「データ4」とする。 2．自己組織化マップによる分析 自己組織化マップ作成のExcelシートを図5 に示した。「データ4」をシートにセットし、「単 語数」には「データ4」の単語数を入力する。「デ ータ数」は、「データ4」の列数を入力する。「最 大値」は「データ4」の最大値を入力する。「訓 練回数」は、自己組織化マップ作成のための演 算の繰り返し数を入力する。任意でよいが、今 回は10,000程度とした。「学習率」は、自己組 織化においては一般的に0.2から0.5の値が用い られる。「変更の幅」は演算にあたっての任意 のセルの位置に対して結合強度を変更する幅を 入力する。今回は20×20のセルに単語を配置す るので、3から8くらいまでが妥当と考えられる。 実行を押すと、「現訓練数」に「訓練回数」に なるまでカウントが表示され、演算経過が示さ れる。演算が終了するとデータの下に、後に述 べる図6から図9に示したようなマップが出力さ れる。近くに分布した単語どうしは、関連して 記述されているととらえることができる。 Ⅴ 結果および考察 1．記述内容の定性的分析結果および考察 生徒の記述内容についてまとめたのが、表1 から表4である。まず、直列つなぎの予想につい て、暗くなると考える生徒が半数を超える。「抵 抗が大きくなる」、「流れにくくなる」といっ た考えが多い。また、「変化がない」という生 徒もおり、理由は「電流の流れ」や「速さ」が 変わらないというものである。 表2より並列つなぎについての予想では、暗 くなるという生徒が半数ほどおり、「流れにく くなる」、「弱まる」、「抵抗が大きくなる」 といった考えである。次に変化なしといった生 表1 直列つなぎの予想（人） 暗くなる 人数 計 抵抗が大きくなる 5 流れにくくなる 2 電圧が弱まる 1 スピードや強さが弱くなる 1 根拠なし 3 12 変化なし 人数 計 電流の流れは同じ 3 一定の速さ 2 そのままの強さ 1 電気量に変化なし 1 7 記入なし 人数 計 言葉による記入なし 2 2 表2 並列つなぎの予想（人） 暗くなる 人数 計 枝分かれして流れにくい 2 強さが弱まる 2 抵抗が２倍 1 電圧が半分 1 無駄な電気を使う 1 距離が増える 1 根拠なし 2 10 変化なし 人数 計 半分になって元に戻る 2 電池の並列と同じ 2 平等に電気が流れる 1 5 明るくなる 人数 計 通り道が２つでまとめて多く なる２倍になる 3 根拠なし不十分 1 4 記入なし 人数 計 言葉による記入なし 2 2 図5 自己組織化マップ作成シート
表3 直列つなぎでわかったこと 現 象 人数 理由・根拠 人数 暗くなる 9 抵抗が大きくなる 11 電流が弱くなる 9 電圧が弱まる 1 記入なし 5 スピードが弱まる 1 記入なし 8 表4 並列つなぎでわかったこと 現 象 人数 理由・根拠 人数 明るくなる 15 抵抗が小さくなる 7 電流が強くなる 10 電流の通り道が多くなる 4 記入なし 2 同じ強さの電流が分か れて集まる 3 記入なし 10 徒も4分の1ほどおり、「分かれても元に戻る」 といった考えである。明るくなるという考えは2 割程度であり、「通り道が多くなる」というも のである。表3より直列つなぎでわかったことに ついては、半数の生徒が抵抗が大きくなるとい う理由や根拠を書いている。理由や根拠の記入 のない生徒も4割近くいる。表4より並列つなぎ でわかったことについては、「抵抗が小さくな る」、「通り道が多くなる」といった理由や根 拠の記入が多くみられるが、理由や根拠の記入 のない生徒も半数近くいる。 表5は、現象と根拠の記述関係について示し た表である。「現象から根拠」を記述する例と しては、「豆電球が暗くなる、抵抗が大きい」 などがあげられる。「根拠から現象」を記述す る例としては、「抵抗が大きくなったから暗く なった」などがあげられる。直列つなぎ、並列 つなぎとも、現象と根拠を記述している生徒は、 半数程度である。現象のみや記述のない生徒も 多いといえる。 2．自己組織化マップの結果および考察 自己組織化マップの結果については、図6か ら図9に示した。その際、文章全体での出現頻度 が6以上の単語を網掛けで示した。セルで仕切り が示されているところは、二重線、太線、さら に太い線の順で、近くに単語が配置していても 隔たりがあることを示している。 図6より、直列つなぎの予想においては、全 体として単語が分散している。その中で「つな げる」と「暗い」がやや近くにあり、関連して 記述されていると考えられる。また、「電気」 の近くに「変わる」や「大きい、抵抗」があり、 関連して記述されていると考えられる。図7は、 並列つなぎの予想についてであるが、これも単 語が分散している。その中で、「枝分かれ」、 「つなげる」、「暗い」が近くにあり、関連し て記述されていると考えられる。また、やや隔 たりがあって、「明るい」といった相反する単 語がある。さらに、「電流」の近くには少数で あるが「半分」といった単語がある。 表 5 根拠についての記述結果（人） 直列つ なぎ 並列つ なぎ 記述内容 現象から根拠の記述 8 5 根拠から現象の記述 4 5 現象のみ記述 4 7 根拠のみ記述 1 1 現象と根拠の対応不十分 0 2 記入なし 4 1 図8は、直列つなぎでわかったことについて の記述であるが、「抵抗」と「大きい」がやや 近くにあり関連して記述されていると考えられ る。また、「つなげる」の近くに「暗い」、さ らに「電流」の近くに「弱い」といった単語が ある。単語の関連から科学的に正しい記述であ ると考えられるが、それぞれの記述内容は、分 散しており、それぞれの関連はやや弱いといえ る。 図9は並列つなぎでわかったことについてで あるが、単語が分散している。「つなげる」の 近くに「明るい」があり、「電流」とやや離れ て「強い」の単語がある。また、「抵抗」の近 くに「小さい」の単語がある。単語の関連から 科学的に正しい記述であると考えられるが、そ れぞれの記述内容は分散しており、直列つなぎ の結果よりもさらに関連は弱いといえる。
図8 直列つなぎ「わかったこと」の自己組織化マップ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 とき 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 本 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 つなげる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 暗い 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 べる比 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 長い 0 0 大き い 0 0 電球, 豆 0 0 0 0 さ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 思う 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 線 0 0 0 0 0 0 0 強い 0 0 0 0 0 0 0 0 抵抗 0 0 0 0 道 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 なる 0 0 0 0 0 倍 0 0 0 通る 0 弱い 0 電流 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 長い 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 思う 0 0 さ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 なる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 暗い 0 0 にくい 0 0 0 流れ る 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電熱 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 明る い 0 0 電球,豆 0 0 線 0 0 0 0 0 0 本 0 0 0 つな げる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ため 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 通る 0 道筋 0 流れ 0 あまり, 変化 0 倍 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電流 0 0 0 方 0 0 0 0 0 1 0 0 変わる 0 0 0 0 0 0 0 0 スピー ド,強い 0 0 0 とき 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電気 0 よう 0 する 0 0 分大きい, 抵抗 図6 直列つなぎ「予想」の自己組織化マップ 以上の結果から、実験前においては、とくに 並列つなぎについては、科学的な考えとは異な る考えをもっていることがわかるが、実験後に おいては、科学的に正しい考えになっているこ とがわかる。しかし、どちらのつなぎ方におい ても、実験結果からわかったことについては抵 抗と電流の強さ、さらに豆電球の明るさなど、 それぞれの関連についての記述は弱く、とくに 並列つなぎにおいてはそれが顕著であるといえ る。 3．自己組織化マップの妥当性の検討 定性的な分析結果と自己組織化マップの結 果を比較すると、たとえば、直列つなぎの予想 において、「抵抗が大きく暗くなる」という記 述が多いが、自己組織化マップにおいても、「大 きい」と「抵抗」が近くに配置されている。同 様に、並列つなぎの予想、直列つなぎと並列つ なぎのわかったことについても、定性的に分析 した結果と自己組織化マップで示された単語の 0 0 0 0 0 0 0 0 0 なる 0 0 0 0 強い 0 0 0 0 の 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 伝わ る 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電流 0 0 半分 0 0 速い 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電熱 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 理由 0 0 流れ 0 0 その 0 線 る 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 思う 0 0 さ 0 0 弱い 0 ある 0 倍 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 分か れる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 にくい 0 よう 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ２つ 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 電気 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 つな ぎ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 明る い 0 通る 0 道 0 いる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 並列, 変化 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 暗い 0 つく, 長い 0 0 つなぐ 0 0 0 0 0 0 0 とき 0 0 0 する 0 0 0 0 0 同じ 0 0 0 0 0 0 本 0 0 0 0 枝分 かれ 0 0 0 つな げる 0 方 0 変 わる0 豆,電 球 図7 並列つなぎ「予想」の自己組織化マップ 強い 0 0 0 0 0 線,電 熱 0 0 比 べる 0 0 0 抵抗 0 0 小さ い 0 0 とき 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 いる 0 0 0 つな ぐ 0 0 0 0 0 0 0 さ 0 0 0 倍 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 分か れる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 長い 0 0 思う 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 約 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電流 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 本 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電気 0 0 流 れる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 通る, 道 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 電球, 豆 0 0 0 0 0 0 なる 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 多い 0 0 通り 道 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 枝分 かれ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 方 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 明るい 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 つな げる 0 0 0 0 0 0 0 0 する 0 0 図9 並列つなぎ「わかったとこと」の自己組織化マップ
関連には一致が認められる。また、定性的な分 析において現象と根拠の関連を書いている生徒 は半数と少なかった。このことについて、自己 組織化マップでは、図9の並列つなぎでみられる ように、「電流」、「抵抗」、「明るい」など の単語の関連にはお互いに距離があり、現象を 示す単語（たとえば「明るい」）と根拠を示す 単語（たとえば「抵抗」）の関係性が十分でな いことが示されている。 以上のことから、自己組織化マップの分析に おける単語の関連性の結果は、生徒の記述した 内容の定性的な分析結果と一致していると考え られる。このことから、本研究における自己組 織化マップによる生徒の記述内容の分析には、 妥当性が認められると思われる。 今後、文章の構文についても考慮したデータ から自己組織化マップを作成すれば、さらに詳 細な分析が可能になると考えられ、検討課題と してあげられる。 参考文献 1)リチャード・ホワイト、リチャード・ガンス トン：「子どもの学びを探る」、1995、東 洋館出版社 2)松原静郎：「中学校理科における指導法の改 善への提言」、理科の教育、Vol.48、No.56 3、56-59、1999 3)中山迅・猿田祐嗣:「学習方法からの新教育 課程への提言－TIMSSの論述形式課題に対 する日本の児童・生徒の回答分析から－」、 日本科学教育学会年会論文集26、49-50、20 02 4)中山迅・大塲裕子・猿田祐嗣:「科学理論と 現象を関係付ける力を育てる教育課程の必 要性－酸化・燃焼に関するTIMSS理科の論述 形式課題に対する回答分析から－」、科学 教育研究、Vol.28、No.1、25-33、2004 5)猿田祐嗣:「小学校理科における指導法の改 善への提言」、理科の教育、Vol.48、No.56 2、54-57、1999 6)猿田祐嗣:「科学的論述力と指導法との関連 について－国際数学・理科教育動向調査(TI MSS)の国際比較データから－」、日本科学 教育学会年会論文集28、537-538、2004 7)T.コホネン：「自己組織化マップ」、102-17 1、1996、シュプリンガー・フェアラーク東 京 8)徳高平蔵他監修：「自己組織化マップ応用事 例集 SOMによる可視化情報処理」、97-99、 2002、海文堂
