2017年11月2日木曜日

掛け算の順序は交換法則と矛盾しない

小学校に通う子どもが、テストの掛け算文章題で、答えは合っているが、掛け算の式の順番が違っているという理由でバツがつけられた答案をもらって帰る。親は、かけ算には交換法則が成り立つので式は正しいはずだと思い、その箇所を写真に撮って、ツイッターなどにアップする。(下の画像は、せいしんの確認プリントから。)



それを見たネットユーザーたちは、日本の算数教育では、掛け算の可換性(交換法則)という数学的真理が否定されている、嘘がどうどうと教えられている、と学校や教師を批判する。このような炎上騒ぎが、毎年のようにネットで起きている。だが、掛け算の順序は、算数で教えられている交換法則とは、矛盾するように見えて、本当は、矛盾しないのである。

というのも、掛け算を「1つ分×いくつ分=全部の数」で考える限り、交換法則には2種類あって、算数で教えられている種類の交換法則は、かけ算の順序と矛盾しないからである。2種類の交換法則というのは、解釈的な交換法則と位置的な交換法則である。解釈的な可換性と位置的な可換性と呼んでももよい。

 


解釈的交換法則は、一つ分×いくつ分の順序を変えずに、×記号の前後の数値だけ交換するものである。これに対して、位置的な交換法則は、単に、一つ分といくつ分を書く位置を×記号の前後で交換したものである。だが、7と8の位置が左辺と右辺で反対になっている点は、同じである。つまり、7と8の位置を×記号の前後で交換しても、計算結果(答え)が同じ56、と言っている点では、どちらの交換法則も変わらない。

位置的な交換法則では、左辺と右辺で、数値だけでなく、一つ分といくつ分の位置も逆になっている。しかし、意味は両辺で同じである。つまり、右辺も左辺も、構成員数が7のグループが8つある、という数的な構造を表している。つまり、一つ分が7であることは、左辺と右辺で変わりない。

これに対して、解釈的な交換法則では、左辺と右辺で意味が違う。言い換えれば、解釈的交換法則では、左辺は構成員数が7のグループが8つある関係を、右辺は、構成員数が8のグループが7つある、という、それとは異なる数的関係を表している。つまり、一つ分が=記号の左右で、違っている。同じ7が、左辺では一つ分、右辺ではいくつ分である。数字の意味が違っている。

数学的に関心がもたれるのは、後者の解釈的交換法則であろう。位置的な交換法則は、単に、一つ分といくつ分をどこに記すか、という表記上・慣習上の問題にすぎないように思われる。実際、外国の算数教育や日本の請求書などでは、いくつ分×一つ分、数量×単価の順をよく見かける(その例外もそれなりにあるが)。

引き算では、本当は、2つの数値のうちどれが引かれる数で、他のどれが引く数で、そして、演算が引き算であるということが分かっていれば、それらを配置する順序はどうでもよいと言える。引かれる数-引く数の順は、世界的に決まっているものの、そうでなければならない必然性はなく、慣習的にそう決まっているだけである。「逆」ポーランド記号法のように、演算記号を最後に書くスタイルもある。

書き方、記載スタイルは国や文化、分野や時代によって違ってくるが、日本の算数教育の伝統では、一つ分×いくつ分、基準量×倍という順序が採用され、それでほぼ統一されている。いくつ分×一つ分という逆の順序は使わない、という点で教科書はほぼ一貫している。金額の計算でも単価×数量の順である。つまり、教科書に位置的な交換法則は現れない。いつも一つ分、単位当たり量が先である。

同じ会社の請求書、一つ一つの請求書のなかでは、この順序は統一されていた方が、誤解がない。それは教育でもそうである。統一されていたほうが、一つ分(単位当たり量)はいつも×記号の前ということで、児童にとっても、分かりやすい。教師にとっても、いちいち、どれが一つ分でどれがいくつ分かを説明しなくてもよい利点がある。

算数で教えられている交換法則は、解釈的な交換法則であり、この交換法則では、一つ分×いくつ分の順序は=記号の前後で変わっていないことに注意すべきである。解釈的交換法則では、左辺も右辺も、一つ分が前、いくつ分が後にである。×記号の前後で数値を交換しても、一つ分×いくつ分の順序は保持されるのである。したがって、一つ分×いくつ分の順序の固定と交換法則とは、両立可能なのである。

解釈的 7(一つ分)×8(いくつ分)=8(一つ分)×7(いくつ分)

算数で教えられている交換法則が解釈的な交換法則であると判断される第1の理由は、算数では交換法則は、九九表に発見できる規則性の1つとして教えられていることである。掛け算の可換性は、さしあたり、1~9(~12)までの自然数にしか当てはまらないものとして、教科書に登場する。

掛け算順序を巡る議論で、よく、「高学年で掛け算の交換法則を学んだら、順序固定は解除すればよい」といったことが言われる。「交換法則と掛け算の順序固定とは矛盾する」という思い込みがそこに働いているからである。実際には、交換法則は高学年ではなく、小学校2年生で、九九を学んでいる途中で、伏線として、すでに教えられている。たとえば、東京書籍の教科書だと、四の段のページで、4×3と答えが同じ三の段の九九は何かということが問われている。

4×3と答えが同じ12である三の段の九九は、3×4である。三の段では、3個で1パックのプリンがいくつあるかに応じて、プリンの総数がどう変わるか、という仕方で、三の段の九九が学ばれる。4パックあると総数は12個なので、3×4=12。

四の段では、みかん4個が縦に積まれて、1つの細長いネットにまとめられた単位で売られていて、そのネットがいくつあるかという仕方で、四の段の九九が学ばれる。みかんネット3つでは、総数は12であるので、4×3=12である。

3×4は三の段に属し、一つ分は3つである。4×3は四の段に属し、一つ分は4である。3×4と4×3は、×記号の前後で数値を取り替えた関係にあるが、答え(総数、計算結果)は同じ12である。画像は東京書籍2下(2015) p. 17, 19から。

 
このことは、7×8と8×7のあいだでも当てはまる。これらは伏線だが、より一般的に当てはまる規則性として、はっきりと交換法則が定式化されるのは、九九表を完成させた直後である。これも2年生である。「交換法則」という言葉は使われず、この規則性は「決まり」と呼ばれている。

「決まり」としては、1)各段は被乗数毎に増えて行くとか、3)三の段と四の段を足すと七の段になる、ということと並んで、2)交換法則が学ばれる。つまり、掛け算では、一つ分といくつ分の数値を交換しても、答えは同じなのである。画像は東京書籍 p.41から。


7×8=8×7

左辺の7は、7の段のなので、一つ分が7である。右辺の8×7は八の段なので、8が一つ分である。両辺では、意味が違う、つまり、表している数的関係が異なる。しかし、右辺でも左辺でも、一つ分は前に置かれている。そして、両者の答え(計算結果)は56ということで、等しい。

答えは等しいが、意味(数的関係)まで等しい、とは言われていないことに注意すべきである。結果は同じでも、そこに至る過程・操作が違っている。だから、7人座れるシートが8つあるときの総人数を問う文章題では、これが表す数的構造は、したがってまた、式は、7(一つ分)×8(いくつ分)であって、8(一つ分)×7(いくつ分)ではない。

たしかに、ただ数量的に見れば、7×8と8×7は等しい。それどころか、14×4や58-2とも等しい。しかし、小学生は掛け算を、一つ分×いくつ分で学んでいるので、1つ分が違うのなら、答えが同じでも、別の事態、別の数的関係、を表していると見なされるのである。小学生においては、まだ数と意味・具体は密接に結びついている。数を純粋に、数量的な等しさにおいて抽象して扱えるようになるのは、もっと先のことである。

交換法則という言葉は使われないが、小学生は、交換法則をすでに小2で学んでいる。交換法則は、かけ算を学び始めるとまもなく、学習するのである。それなのに、なぜ、かけ算の順序を固定してかけ算を教えるのか?ということが、一見、疑問であろう。その答えは、交換法則が解釈的だからである。

黒木氏はツイッターで繰り返し、東京書籍の教科書(およびその指導書)について、交換法則が成り立つ仕組みを説明した次のページで、かけ算の順序を教えている、と非難を込めて書いている。こうした誤解もまた、交換法則が解釈的であることを見損なっているために、起きている(画像は黒木氏ツイート2017/08/22 21:48、教科書2下 2011年、p. 20, 21)。



別の教科書では、交換法則の説明に、アレイ図が用いられている。アレイ図というのは、〇印や花のアイコンなどのコマが、長方形状に揃えて配列されたものである。碁盤の上に長方形状に配置された碁石を想像すればよい。縦2横6個のアレイ図では、全部で12個のコマが整然と並んでいる。

縦2横6個のアレイ図で、縦方向に2個ずつグループ分けすると、各グループの構成員数は2で、グループの数は6である。これは式では、2(一つ分)×6(いくつ分)と書かれる。

しかし、横方向にまとまりをとると、今度は、構成員数が6のグループが2つあるので、式は6(一つ分)×2(いくつ分)。どちらも計算結果は12である。同じアレイ図なので、グループの取り方で、コマの総数が変わるはずもない。画像は教育出版(2016) p.53より。




だから、ここから次のように、交換法則が式として引き出される。

2(一つ分)×6(いくつ分)=6(一つ分)×2(いくつ分)

これは、しかし、解釈的な交換法則にほかならない。解釈的な交換法則では、左辺でも右辺でも、一つ分が先に、いくつ分が後に書かれている。2と6を交換しても、一つ分×いくつ分の順序は保持されるのである。

だから、算数で教育的に行われている、掛け算の順序の固定は、算数で教えられている交換法則と両立可能である。交換しても、一つ分×いくつ分の順序は維持されるから。それが矛盾だと感じられるのは、1つに、交換法則を位置的な交換法則だと誤解するためである。

児童は、2年生で、かけ算では被乗数と乗数を交換しても答えは同じだと学ぶが、その交換法則が解釈的であること理解しているわけではないであろう。保護者やその他の多くもそうである。位置的と区別されたものとしての交換法則として、教えられ学んでいる、というわけではない。だから、交換法則を位置的と誤認されて、逆順バツの採点に疑問を持たれるおそれはいつもある。

もう一つの原因は、数学者や数学がよくできる人たち、そして、定数氏のような数学屋に多く見られるのだが、掛け算を1つ分×いくつ分ではなく、次の言葉の式で表される直積的な掛け算として理解していることである。

因数(factor)×因数(factor)=積(product)

これは2つの集合の各要素数とその直積集合の要素数の関係である。takehikcom氏の言葉を使えば、倍志向の掛け算と区別された、積志向の掛け算である。この掛け算の逆演算は因数分解である。彼らは、かけ算の本質を、この直積的に理解された掛け算に見て、それを絶対視している。

この掛け算を説明する際にも、アレイ図が用いられるが、直積主義では、縦の数と横の数から、直接、総数を引き出し、この際に、グループ分けをしない。つまり、一つ分やいくつ分は考えない。かりにグループ分けを考えても、アレイ図の主観的な解釈、一時的に設定され、すぐに解消される仮の説明、としか見なされない。定数氏が、「教えるときに順序を設定することに反対する自由派はいない」と言うときに考えているのは、このことである。





直積的な掛け算では、×記号の前後がともに因数になっていて対称的であり、だから、そこに順序の設定のしようがない。3と4という2つの因数は対等に、12を構成している。もちろん、書くときは、2つの数値のうち、どうしても、どちらかを先に置かざるをえないのだが、その順序はまったく偶然的なものなのである。この理解では、かけ算の順序にどんな意味もない。順序がありえないところに、算数教育で順序があるかのように掛け算を教えて、児童の数学的感覚を歪めているのはけしからん、というわけである。

だが、直積主義の掛け算が唯一正しい掛け算であるという先入見から解放されれば、つまり、目が覚めれば、彼らも、矛盾でも何でもないでもないこと、黒木氏らが超算数と呼んで批判するものこそが幻影であること、に気づくであろう。

(ツイッターに2017/09/05 18:34に投稿したものを手直しした。)

2017年10月30日月曜日

公式とかけ算の順序

「長方形の面積を「縦×横じゃないと駄目。横×縦だとバツ」という馬鹿教師は複数存在している」(ツイッター 定数氏 2017/10/28 6:14) そのように採点する教師は本当に馬鹿なのか?


公式は、算数では、言葉の式と呼ばれている。当然のことだが、言葉の式(公式)は、ただ盲目的・機械的に暗記しても、使えるようにはならない。基準量×割合=当該量、当該量÷割合=基準量という公式を覚えても、割合の文章題に出てくる、割合以外のもう1つの数値が基準量なのか当該量なのか判断できなければ、どちらの公式を使ったらよいのかわからない。

こうした事態を避けるためにも、公式の学習では、その公式がどうしてそのようになっているか、を理解しておくことが大切である。たとえば、三角形の公式では、どうして2で割るのか、ということを。同時に、その公式が何に、どういう状況に、適用できるかも知らなければならない。台形に三角形の面積の公式を当てはめてはならない。

算数の教科書は、公式を使って面積や速度、割合、金額の計算を教えているから、公式主義と言えるかもしれない。しかし、公式暗記主義ではない。というのも、たとえば、5年の算数の教科書には、三角形の面積がどう求められるのかについて、3通りの考え方が示されているからである。これが分かっていれば、たとえ公式を忘れてしまっても、公式を再構成できるであろう。黒木玄氏はツイッターで、「小学校の算数は、児童に公式を意味も分からないまま暗記させ、それを機械的に当てはめさせている」ようなことを、繰り返し言って批判しているが、この批判は見当違いである。

(画像は、東京書籍2014下36より抜粋)

3つの考え方から、三角形の面積を求める公式は3つ導き出せそうであるが、実際には「底辺×高さ÷2」の1つに固定されて教えられているのは、それらが公式だからである。公式は覚えればよいものではないが、覚えるためのものということも、依然として真実である。覚えるためには表現や順序は1つに固定しておいた方がよい。

(画像は学校図書算数教科書52016 p188より)

長方形の面積を求める公式は、縦×横と教科書に載っているのであるから、この形で覚えておけばよい。掛け算が可換であるという理由で、あるいは、掛け算の可換性を知らないと思われたくないという理由で、縦×横と横×縦の2つを書いたり覚えたりする必要はない。この意味では、多くの教科書に見られる、「横×縦でも同じだね」といった注記は不要である。


(大日本図書4 2016 p140) 

長方形の面積の公式には、ヴァリエーションが2つしかないから、その馬鹿馬鹿しさは目立たないが、直方体の体積の公式について、もしすべてのヴァリエーションを提示するなら、次のように6通りもできる。

縦×横×高さ
縦×高さ×横
横×縦×高さ
横×高さ×縦
高さ×縦×横
高さ×横×縦

でも、こうした列挙は無意味だし、滑稽である。教科書としては1つの形だけ提示しておけばよく、そして、学習者としては1つの形で覚えておけばよいのである。もし位置を交換する必要があれば、計算の過程で、交換法則や結合法則で順番を変えればよい。

大人は長方形は90度回転させれば(視点を90度変えれば)、縦の長さは横の長さに、横の長さは縦の長さになるので、計算ではなく公式そのものにおいて、縦と横はどっちでもよい、と主張するであろう。しかし、そうした図形(あるいは視点)の自由な移動・回転・反転にもかかわらず保持される図形の同一性、という抽象的な見方は、小学校や中学の学習の過程で、はじめて獲得されていくものであり、既得能力として前提としてはならない。小学生から言わせれば、縦2cmと横8cmの横長の図形と、縦8cmと横2cmの縦長の図形は、縦も横も長さが違う別の図形である。

だいたい、長方形面積や直方体体積の学習では、交換法則とか場合の数(順列・組合せ)はテーマではない。4年生にとって、交換法則や結合法則は学習済みで、ここで、交換法則を適用して公式のさまざまなヴァリエーションを考えることに、どんな意味もない。

教科書に載せ、そして児童が覚えるべき1つの形は、どれでもよいとも言えるが、教科書によってバラバラというのは避け、やはり、できれば、人口に膾炙した形が適切であろう。欧米では、三角形の面積の公式の形は、÷2が1/2として先頭にあったり、Bh/2と分数の形だったりということはあるが、底辺B(base)と高さh (height)は、いつも、Bhの順である。底辺を決めないと高さが測定できないという測量上の都合であろうか。

長方形の面積の公式は、日本の算数教育では、過去いろいろな経緯があったらく、長いほうの辺の長さを最初にもってくる様式や、横×縦の様式が採用されたこともあるらしい(注1)。現在では、世界的ではないが、長方形の面積は縦×横で、直方体の体積は縦×横×高さで、定着している。この順番に合うように、直方体の場合を例にとると、なぜその公式で体積が求められるかの説明も、まず1cm^3の単位立方体を奥行き方向(縦)に直列的に並べ、そうしてできた棒を横(幅)に並べ、そうしてできた板を積み上げる、となっている。あえて、これと異なった形で覚える必要はない。

ドリルや単元テストは授業の一環であるから、それらでは、教科書に載っていて、そして授業でも習った、定まった形の公式を適切な対象に適用できるか(正しく使えるか)を確認することが、目的となる。この過程で、公式が頭にちゃんと入っているか、の確認も当然、行われる。長方形の面積を求める公式が、もしかりに日本で、長さ(長辺)×幅(短辺)であったら、今度は、児童が、辺の長さを判断して、長辺の長さを表す数値を×記号の前に置けるかどうかが、チェックポイントとなる。

逆に言えば、授業の一環ではない実力テストや資格試験、授業とは関係なしに趣味や力試しで解く問題では、そのようなことは要求されない。このような状況では、受験者の学習背景が多様であったり(私立校出身者、帰国子女、等)、授業というコンテキストがそもそも無かったりする。単元テストでは必要になってくる、「教えたことができるようになっているか」の確認、つまり、フィードバック、がここには、不要なのである。

単元テストには、単に公式の一部を空欄にして、そこを埋めさせる、つまらない問題形式もあるが、やはり、定番は、具体的な長さの数値が入った図形を示して、その面積を求めさせる設問である。それ以外にも、池や畑、花壇などを例に使った文章題もある。(下の画像は、光文書院のVドリル5下 19より )



たとえば、三角形の形をした溜め池が図(底辺80m、高さ123m)で示されている文章題では、式はまず、学習した公式「底辺×高さ÷2」に従って、80×123÷2と立てる。これによって、教師は児童が公式を習得していることを確認できる。

同時に、教師は、児童が底辺や高さが三角形のどこを指しているのかを理解しているかどうかも、確認できる。ダミーの数値に騙されて、高さをそちらと誤解する例もある。もし、高さ×底辺で「も」よいということになると、児童が底辺と高さそれぞれを正しくとらえているかが、確認できなくなる。この意味でも、式の最初を公式通りに書くことを求めることは、有益である。

公式主義と批判されようとも、ともかく公式で三角形の面積の求め方を教えているのだから、そして、教えたのだから、公式が児童の頭に入っているかどうかを確認するのは、当然である。公式は使用し適用するためのものであるから、数値が入った具体的な三角形の図(絵)を使った問題で、公式を正しく使用できるかどうかもまた、チェックする。公式の習得があやふやで、長方形の面積を求める問題で、縦と横の長さを足してしまう児童もいる。

しかし、公式通りが求められるのは立式までである。立式後の、=記号での言い換えや筆算、暗算では、つまり、計算過程では、計算しやすいように計算すればよい。80に123を掛けてから2で割るより、80をあらかじめ2で割って40にしておいたほうが、計算が楽だ。

=(80÷2)×123 ←結合法則・交換法則(÷2を×1/2と解釈して、順序を変更)
=40×123
=123×40 ←交換法則
=4920 答 4920m^2

40×173の計算は、筆算で行うと、173×40のほうがしやすいであろう。ここで交換法則を使い順序を逆転する。次の画像は、教科書の、面積ではなく、2位数と1位数のかけ算の箇所だが、ここでも、筆算のような計算過程では、交換法則が適用され、立式での一つ分×いくつ分の順序が逆転している(画像は東京書籍20113下 p.68より)。



だから、公式に従った立式と、交換法則や結合法則の適用とは、両立可能、同居可能なのである。公式通りでない立式でバツにしたからと言って、算数で掛け算の可換性を否定した、ということにはならない。

ましてや、小学校の教師は交換法則を知らない、ということではない。ただ、バツになった答案を写真に撮ってネットに掲載されると、「嘘が教えられている」という誤った印象が生ずるので、この誤った印象に惑わされないように注意すべきである。小学校では、交換法則は2年次に学ばれ、そして、それ以降、実際に、繰り返し使われている。

掛け算の単元でも同様で、2年生は掛け算を、次の公式(言葉の式)で学ぶ。この公式のこの形・順序は日本の算数に固有で、英語圏の算数教育では、グループの数×グループの構成員数、 などと、日本と逆順になっていることが多い。

 

(画像は、啓林館算数教科書20162下 p.5より。一部カット)

("Multiplication Strategies Anchor Chart", by HoppyTimes)


  一つ分×いくつ分=全部の数

2年生はまだ、四則演算を学習し始めたばかりであり、式を書くこと自体に、まだ習熟していない。だから、引き算で、文章中の順番に惑わされて、5-7=2のような式を立てがちである。このような言葉の式(公式)は、立式の学習の際してのお手本のような役割を果たしている。習字におけるように、最初は、お手本をなぞるようにして、児童は掛け算の立式を学ぶのである。

一つ分などが特定できない計算問題では別だが、掛け算の文章題では、この言葉の式に従った立式が求められる。立式を見ることで、教師は、児童が、この言葉の式をしっかり押さえているかどうか、一つ分といくつ分をそれぞれ正しく把握しているかどうかを確認できる。

低学年で出会う掛け算の文章題は、単純で、一つ分といくつ分を把握していなくても、文章中に含まれる数値を、ともかくも九九で掛ければ、答えが出てしまうということも多い。だから、一つ分といくつ分を特定したうえで、公式通りの式が立てられるかどうかはポイントの一つになる。

たしかに、一つ分といくつ分が正しくとらえられていれば、公式通りの式を書けるが、その逆は必ずしも言えない。だが、人の知識や能力を測る完全な設問というのはない。教師が直面している現実の問題は、文章をよく読まずに、数値だけ取り出して九九を適用する安易なやり方に対する牽制である。トランプ配りで一つ分といくつ分をそれぞれいくつ分と一つ分と解釈する児童、いくつ分と一つ分をしっかりとらえた上であえて逆順で式を書く児童、は自由派の議論のなかにしか出てこない。

公式を意識しないで式を書くことでバツになった答案を、写真に撮ってネットにアップするならば、「式はまったく正しいと思われているのになぜバツなのか」、「小学校では、掛け算の可換性を否定するトンデモ教育が行われているのか」という勘違い議論が巻き起こる。


(上記採点例の画像は、日本標準の単元テスト12.かけ算(2)①からの抜粋)

勘違いが起きるのは、写真に撮ってネットにアップされると、その言葉の式で掛け算が教えられ、児童の側でもそれに対応することが期待されている、という文脈がカットされてしまうからである。一つ分といくつ分をしっかりとらえられるようにするという教育的コンテキストがカットされてしまうからである。

色板の絵を使った上記の文章題も、「……全部で何枚要りますか。式は授業で習った言葉の式に従って書きましょう。」という文言が入っていると考えると、授業という文脈が少しは補われ、どうしてバツなのかが理解できる。「習っていない(2年で習っています!)交換法則を適用したからバツ」なのではなく、習った公式に従ってないからバツなのである。


注1 東京書籍の教科書で、縦×横と横×縦が併記されているのは、この辺の葛藤の痕跡である、という。伊藤隆「長方形の面積の公式における「縦×横」の変遷と多様性について」 群馬大学教育学部紀要自然科学編第57巻5-14頁2009 参考。
https://gair.media.gunma-u.ac.jp/dspace/bitstream/10087/4713/1/02_%E4%BC%8A%E8%97%A4.pdf

他の教科書が、注(マスコットの吹き出しの中)で併記されているのは、また別の事情によるもののようだ。数学史ライターの高橋誠(メタメタ)氏によると、上野健爾氏の審議会発言が学習指導要領の記述を、そして、教科書の表記を変更した契機になった可能性が高いとのこと。
メタメタ氏「「縦×横=横×縦」と明記しても「底辺×高さ=高さ×底辺」と明記しない理由」(2011/08/31)
http://ameblo.jp/metameta7/entry-11002953474.html

(付記)天蒸氏によると、この上野発言以前から(1990年代から)、教科書の記述は、横×縦を注記したり併用したりし始めていたという(twitter 2018/12/26 15:22, 2015/11/12 06:48)。この点が実際どうなっているかは、機会があったら教科書の記述を調べて見たい。天蒸氏が正しいとすると、上野氏の発言は、すでに起きていた縦×横単記から併記への誤った動きを構成する1つの要素にすぎない、ということになりそうだ。

(twitter 2017.10.29投稿に基づく)