かつて「新講数学」という学習参考書があった

かつて、三省堂発行「新講数学Ⅰ-Ⅲ」という参考書があった。著者は当時立教大学の教授、数学基礎論の赤摂也氏。刊行は1969年。Ⅱの序文「この本を学ぶ皆さんへ-数学とはどんな学問なのだろうか-」から一部抜粋する。(全文大変素敵な文章なのだけれど・・)


何か困難なものに人を立ち向かわせるとき、よく使われる方法は、こう言い聞かせることである。
“いやちっともむずかしくはないんだよ。ゆったりとした気持ちででやれば。緊張したり恐れたりするのがいけないんだ。なあに、大したことはないさ。”
私が、数学はあたたかい学問だ、味わいのある学問だなどと言えば、諸君の多くは、この種の気休めだろうと思うだろう。しかし、正真正銘、私のは決してそうではない。私自身、体験から、本心そう思っているのである。

<中略>
数学を大学入試と関連づけて考えると、たしかに気が重い。そして、入試で良い点を上げようと思って勉強する数学は、たしかに非人間的であり、融通性がなく、技術的で、・・・といった印象を与えるであろう。無理もない。
どんなおいしいごちそうだって、テーブルマナーの競技場のようなところで食べれば、味も何もあったものではない。

<中略>
数学は“考える”学問だ。ああでもない、こうでもないといろいろの方面からゆっくり考えて、楽しむ学問なのである。もし一度この味を知れば、これは終生忘れられるものではない。一旦そうなれば、諸君は、むさぼるように勉強するようになるだろう。入学試験の準備など自然にできてしまう。
<中略>
私は、この本で、各教材のねらいをくどいまでに説明し、また、その理解を徹底せしめるために練習問題を豊富に集め、数学の真のおもしろさを諸君に伝えようとした。だから、本書では、“数学”そのものにとってたいせつな教材はくどいまでに説明されるが、これに反し、くだらない教材は木で鼻をくくったような扱いしかうけていないのである。


「初歩のラジオ」愛読者で工学系志望だった私は、高1でこの本に出会い、それまで大嫌いだった数学にのめり込むことになった。
内容は序文に書かれたとおり。定理、公式には厳密な証明が付され、数学の専門書と同様のスタイルをとっている。また、前記の数学Ⅱ第4章の前書きにあるように、指導要領の範囲を超え大学初年級の内容にまで踏み込んでいる。まさに、高校生が数学を学習するに相応しい書物だった。理系科目を得意とする生徒、という但し書きはつくのだが。高校教師としての経験からもみても成績上位の生徒にしか勧められない。逆に上位の生徒には是非触れて欲しい書物である事も間違いない。中学生でも読みこなせる生徒がいるだろう。
新講数学は、廃刊となって久しい。(ネットオークションでは定価650円の数学Ⅲに4万円の値がついていた。23年5月)このような書物への需要がなくなってしまったことが廃刊の主要な原因だろう。かつて人口十万に満たない地方都市で普通に手に入った参考書が。現在、街の書店で手に入る高校数学参考書は、入試対策一色。数学の理解そのものを目的として数学に取り組むことが、大半の高校で失われてしまったように思える。


「数学オリンピック」ヘの取り組みは、受験数学より「数学的」だと思われているかもしれない。実際、上位入賞者の中には、優秀な研究者になった人も多いようだ。しかし、限定された分野の試験問題を限定された時間内に一人で解き得点を競う、同じではないか。

数学の問題を解くにあたり、書物を調べること、他者と相談すること、十分な時間をかけること、これらは当たり前のことなのだ。
数学を学ぶことと数学オリンピックとは、登山と、富士山早登り競争ほどの差がある。早登り競争のトレーニングで登山のよろこびを伝えられるだろうか。数千人の中から勝ち抜いた少数の成功者は別として、数学への誤解をより広めることに貢献しているように思われてならない。

新講数学の復刊はできないものだろうか。内容についてこんな希望はある。
① 物理数学への応用はもう少し詳しく。
数Ⅲまでの微積分の知識で、高校物理の力学や電磁気の公式をきちっと書き直す。新講数学が刊行された1970年前後はブルバキ全盛の時代、新講数学もその影響下にある  ように思えるところがある。
② 参考文献のリストを
意欲的読者にこの先がどのように拡がっているのかを示したい。各分野の優れた書物の紹介、  更に取り組みやすいオンライン講座の紹介もあって良い。
新講数学を読みこなす力があれば、その先同じ「勾配」を登り続けることで新しい世界にどんどん到達できる。

どなたかやっていただけないか。

ジオジブラ(GeoGebra)

次の図はz軸に対し捻れの位置ある線分を、z軸のまわりに回転させてできる立体。これを、板書だけで生徒に納得させるのは、結構難しい。軸からの最短距離を計算すれば、曲面は推測できるが、なかなか実感できない。これをGeoGebraは、簡単に表現してくれる。これは、GeoGebraで作成し、Htmlに「エクスポート」してBlogに埋め込んだもの。左のスライダーをマウスで動かせば、回転角を調節できる。右の3D画面は、マウスのドラッグによって自由に視点を移動できる。スクロールホイールで拡大・縮小も自由。立体をあらゆる視点から眺められる。これがプロジェクターでホワイトボードに投影できたら。

GeoGebraは、ヨーロッパで開発された数学ソフトで、ネット上でフリーに供給されている。まずは、GeoGebra日本語ホームページ をご覧いただきたい。web版、ダウンロード版などのソフトとその大凡の解説がある。その長所をあげてみると、

・なんと言っても、無料!。(Mathematica は2万円以上)生徒にも気楽にインストールを薦められる。

・上の例のように、グラフ、図形、曲面、立体などの動的な表現力にきわめて優れる。特に3Dが凄い。スライダーで定数を変化させたり、自動でスライダーを動かしてアニメーションにしたり、点を直接ドラッグして図形を変形することもできる。上の図は、2つの媒介変数で表された曲面になるが、あっさりと描画してくれる。

・作業手順が記録され、作成が比較的簡単。あとから手を加え調整するのも楽。グラフィック画面に直接書き込むと、手順が数式入力画面に記録される。数式入力画面に書き込むことで、グラフィック画面を描くこともできる。大凡の概形を作り上げてから、色、点の大きさ、線の太さ、ラベル、書き込みテキストなど調整して仕上げてゆける。中学校の図形程度なら、教室で生徒と対話しながら少しずつ書いていくのも面白いだろう。「ちょっと色変えてみようか・・」とか言いながら。

逆に欠点をあげると

・ヨーロッパ発のフリーソフトで、日本語の充実したHELPファイル、またはマニュアル本がない。手探りで習得することになる。例えば数式入力画面のエディターにも独特の癖があって、(Excel等と違い[enter]押すまでに既に解析が始まっている)慣れが必要。先のホームページで概略は分かる。使い方を解説した日本語ページも多くあるけれど、全体性に欠け、その上旧バージョンを元にしていて、現在のバージョンと合わないものも多い。

・特にファイルの出し入れが不明確。一度ログオンしてしまうと、ネット上に保存場所ができてしまい、インターネットに接続している限り保存場所が選べない。自分の思うところにファイルを書き込むには、逆に「ダウンロード」することに。

・思わぬところで動作が不安定。例えば、3D画面で2D画面上の領域を表示させると、どうもおかしい。でも無料なのだから我慢しなくては。今のところ、こちらのOSに実害を加えるようなことはない。(バグは報告できる。)

・数式処理も可能だけれど、その能力は、長年愛用してきた derive 等に比べると見劣りするように思える。

とにかく、Geogebra は、素晴らしいソフト。私も未だその機能の一部しか知らない。コマンドリストは膨大。どう作ったか想像もつかないすぐれた作品がネット上には数多く存在する。学校の先生には、コロナウイルスが収束するまでの時間の一部を使って、習得されることを是非オススメしたい。使っていくうちに、「くせ」がわかり慣れていく。私もその一人だ。教材も数多くネットにあがっているので、多くの先生方がこれを共有されることを願う。また、図を描き、着色が簡単なので、小学生にも使えそうである。

自作GeoGebra ファイル(*.ggb)を置いてみる。GeoGebra をインストールするか、Web版を開いて、読み込むと見られると思う。最初は2020年度京都大学入試問題6。このような問題を簡単に視覚化できるから有り難い。計算量が多く、結構重たくなってしまった。一つのシートでできる事の限界だろうか。

次は定番の、二次関数の最大最小。FunctioViewでも同様のことはできるけれどスライダーが使え、設定の自由度もこちらの方が大きいと思う。

空間の軌跡。定点と円周上の動点を通る直線と、平面との交点の軌跡。円錐曲線論から言えば、放物線になるのは分かるのだけれど、こうやって動的図形を作ることができて、あらゆる方向から眺められるのは凄い。

Excelで数学プリントを自動作問

インターネット上で数学の練習プリントが数多く出ているが、そのほとんどが固定されたpdfファイルだ。中に、出来杉君のような、表示するたび違った値を作る優れものもあるけれど。エクセルファイルのものも散見するが、再作問のためにマクロを使用し、(営業用に?)そのマクロが簡単には見ることができないようにできていて、自作のための参考にはならない。
 数学の基礎は計算力だ。「考える力」とか言う人もいるが、別項でも書いたように、数学の力とは、数的表現の処理能力だ。その力を付けるためには、基礎的な計算の反復訓練が是非とも必要だ。中学、高校生で数学を苦手とする生徒の多くは、基礎計算の反復トレーニング不足。これを補うことで数学の理解が飛躍的に向上することがある。キャッチボールの練習不足では、バントシフトの練習など出来るわけがないのだ。
エクセルを使えば、基礎トレーニングのドリルを毎回違った値で無限に作成できる(場合がある)。このようなファイルがを余り見かけないので、その方法を書いて、サンプルを上げてみようと思う。

使用する主なエクセル関数。
・乱数関数 =rand()
・切り捨て関数 =int()
    =int(rand()*10+1) で1~10までの整数を乱数として発生する→randbetween(1,10)でも同様
    =int(rand()*2)*2-1 で+1と-1をランダムに発生する
・順位付け =rank(A, B) AのB範囲での順位を示す。
      =small(A,B) Aの範囲から小さい順にB番目の値を拾い出す。 =large(A,B)は大きい方から
・表参照 =vlookup(A ,B,C) B範囲の表のA行目のC列を読み出す。Bには名前を付けておくと便利。
     =hlookup(A,B,C) B範囲の表のA列目のC行を読み出す

 単順に乱数で問題を作ると、重複が起きる。また不適切な値を避けるために複雑な if 関数を埋め込むことになる場合もある。これを避けるにはマクロなどを用い予め一覧表を作っておいて、乱数と表参照を用いて数値を選び出し、必要なら順位づけを用いて易しい順に並べる。サンプルであげたワークシートは大半この方法で作られている。
 例えば50題から10題選ぶには、50個乱数(rand)を作りそのうち10個について50個中の順位(rank)を計算する。こうすると1から50までの整数から重複無く10個を選べる。(これは結構有名な方法ですよね。)表からその番にある数値を読み出し(vlookup)問題を作る。
 マクロを使用するのはワークシート作成時の一回だけ。書くのに手間がかかる場合もあるが、数千通りの組み合わせでも瞬時に表にできる。これを適当に削って数値の一覧を作る。 
 また、オプション→数式→計算方法 でブックの計算を「手動」にしておき、[f9] キーを押したときだけ再計算するようにして、ちょっと触っただけで問題が変わってしまうことを防いでいる。
 テーマからは逸れるが、エクセルに付随するマクロ機能のうちプログラミングをコントロールしているヴィジュアルベーシック(VBA)は本格的なプログラム言語。結果を簡単にワークシートに反映できる。エクセルに予め含まれているから、オプションでマクロ有効化の設定さえすればすぐ使える。わざわざ言語を入手する必要が無い。子供たちのプログラミング学習にお手軽だと思うのが。

エクセル利用のメリット
・乱数を利用して、繰り返し異なるプリントを作成できる
・計算が速い
エクセルワークシートの組み込み関数は計算が大変速い。数千個程関数を埋め込んでもほとんどストレスにならない。なるべくマクロを使わずワークシート内で全て処理するのが、エクセル使いこなしのコツだ。それと近年のCPU自身の高速化。1980年代のスパコンを凌ぐ性能があるのだから。25年程前のロータス123では、ちょっとたくさん関数を使用すると、再計算が遅く使い物にならなかった。
・数学を苦手とする生徒の基礎力付けるために最適
考え方もさることながら、まず計算力を付けることが最重要。自然数の四則計算、分数の処理、負の数の処理、文字式の処理。生徒のつまずきに合わせて繰り返しトレーニングをさせるためのドリル作りが容易。一度作ってしまえば、次からは1秒かからずに違った数値の問題を作成できる。

エクセル利用の難しいところ
・体裁を整える機能がワープロほど無い。特に文字式のランダムな表示に手間がかかる。

 以下、サンプルとしてダウンロード可能なワークシートを多少あげてみます。適当に改造してご自由にお使い下さい。安全のため *.xlsx 形式のエクセルファイルにしてあります。すべてマクロ無し、ワークシートの再計算機能だけで新しいプリントを作ります。営業ではありませんので、隠しシートもありません。中身の仕組みはすべて公開してあります。(思いつきで継ぎ足しを重ね、温泉旅館のように込み入ってしまったものもありますが。)自由に改造してお使い下さい。エクセルの計算シートですから、著作権もなにもありません。忙しい先生方の業務軽減に少しでも役立てば幸いです。
書式の変更、印刷範囲の指定と印刷など、基本的なExcelの使い方は他で学習して下さい。ご意見ご要望あれば、qf4jt4793アットgmail.com までご連絡下さい。ご希望のものをアップできるかも知れません。

以下、[目次]を参照してサンプルをご覧下さい。印刷設定は使用するプリンターによって微妙に異なるので、印刷範囲・セルの大きさ・文字の大きさ等微調整が必要になる場合もあると思います。

穴埋め算-ダウンロード

穴埋め問題が苦手な小学生のために制作。中学で方程式の変形を習えば、無用となる技術だけれど、計算・計算の順序を理解するには助けとなるか。まず基本となる6つの逆算を確認する問題、1桁~2桁の問題、2桁~3桁、それぞれ計算1つを含むものと2組の計算のみの問題などを用意。[F9]キーで乱数再発生再作問できます。

『田の字表』(かけわり図・4マス図)を使った割合指導-ダウンロード

かけ算、割り算、速度、割合の指導に『田の字表』が最も有効であることは、他ページで述べた。
ここでは、皆さんの実践研究の材料にしていただきたく、実際の練習プリントを掲載する。ここにあげたプリントは算数につまずいた中学生および小学校高学年生徒対象に作成・使用したもの。大変効率的で抜群の効果をあげた生徒もいる。

他と同様マクロは使用していない。[F9]で再計算するよう設定してある。

まず、『田の字表』に慣れる計算練習。同時に100までの数の因数分解に慣れることを目標に、九九より少し広い数まで出題対象にしてある。

応用問題。数字だけ置き換えられるようにしてあるので、文章が少し変な所がある。適当にいじってお使いいただきたい。かけ算・割り算の応用問題で『田の字表』の単位感覚、かけ算・割り算の構造がつかめれば、割合・速度の概念修得は目前。

次に「倍」の計算。倍が小数や分数になれば、割合・%なのだから、整数の「倍」計算にまずは習熟しておきたい。「倍」を「時間」に、「単位量」を「速度」に変えれば、速度と時間の関係に繋がる。

「パーセント」の計算。%を100あたりの量として教え、田の字左下に100を入れる方法もあるが、これまでの経験では

25%=0.25倍

と処理して、かけ算・割り算と同じ計算をする方がわかりやすい。値はすべて整数値、数値の易しいものと難しいもの、処理順に分けたものと混合したもの、4種。小数割り算の余地は、作れなかったので、割り算は計算用紙にやらせている。

「速さ」の計算。速度は、単位時間あたりの距離=1あたりの量だから、『田の字表』の扱いに慣れていれば、低学年のかけ算・割り算の延長として子供は簡単に理解する。いわゆる「はじき」、T字型の図式を捨てるべきだ。処理順と混合の2種。

分数倍の計算。エクセルで分数を表示するのは面倒。特に柔軟な問題入れ替えが難しいので、混合問題も順番固定。大小から計算を推定できない問題で、『田の字表』は強力な武器になる。

通分の練習-ダウンロード

 分数足し算のトレーニングペーパー。小6から中学生までずいぶん使ってきた。これらの計算は繰り返しやらせるしかない。
 重複を避けるため分母の組み合わせはマクロを用いて作った一覧表から選択し、最小公倍数の小さい方から順に出題します。難度は2段階選択できます。アップにあたってワークシートを整理しました。ワークシートを使った作問システムの一例として見て下さい。