2019年01月16日更新
【入江力式】大手予備校の物理講師が物理の勉強方法について詳しく・厳しく説明します
大手予備校の物理科講師の入江力が「物理の勉強方法」について、認知心理学の研究や個人的な経験から、妥当と思われる勉強の方略について具体的に5つ挙げています。

はじめに

初めまして。大手予備校で、物理科の講師を務める入江力と申します。


この記事では、高校物理を勉強する中で、認知心理学の研究や私の個人的な経験から、妥当と思われる勉強の方略について具体的に5つ挙げています。


これらの方略は、高校物理の学習だけでなく、その他の教科、さらには大学入学後の勉強においても役立つ普遍的な内容になっています。

1.応用(特殊な内容)の学習よりも先に、基礎(一般的な内容)の学習に時間を費やし、徹底的に学習する

特定の分野において、一般的に適用できる(全ての場合に普遍的に適用できる)能力や知識のことを、その分野における「本質」や「基礎」といい、特殊な場合にしか適用できない(一部の場合にしか適用できない)能力や知識のことを「非本質」や「応用」といいます。


勉強の際には、自分が今学習している内容がどれだけ基礎的(一般的)なことかを、常に気に留めながら、勉強するために使える限られた時間を、応用よりも基礎の学習に多く配分し、応用の学習は基礎の学習よりもできるだけ後回しにするようにしてください。

なぜ、基礎の学習に時間をかけるべきか?

例えば、英語の学習において「文型」と「仮定法」という文法事項を例にとって、このことを具体的に考えてみましょう。

 

ある100文で構成された英語長文があった場合、全ての英文は必ず5文型のどれかに属しますが、仮定法が用いられている文章は平均で高々2、3文です。


文型」は100文中100文に適用できる(一般的な)知識であるのに対して、「仮定法」は100文中高々2、3文にしか適用できない(特殊な)知識です。


それゆえ、「文型」は「仮定法」に比べて基礎的な文法事項であり、英語の学習に際しては、まずは「文型」の内容を徹底的に理解する必要があり、「仮定法」の細かい知識の学習はそれよりも後回しにしてよい、といえるでしょう。


なお、このことは大学受験勉強に限らず、あらゆる分野において効率的に能力を向上させるための、非常に普遍的な方略です。


このことを示すために、物理と全く関係ない(ように思える)「歌がうまくなる」ということについても、このことを考えてみましょう。


 歌唱技術は様々ありますが、代表的なものを挙げると、

  • 「喉を開く」
  • 「音程を合わせる」
  • 「滑舌」
  • 「ビブラート」
  • 「ハイトーン」
  • 「ファルセット」
  • 「スクリーム」

などがあります。


このうち、「喉を開く」ことや「音程を合わせる」ことは全てのプロ歌手がしている(少なくともしようとしている)一般的なことであるのに対して、「ビブラート」や「ハイトーンボイス」(高音域発声。正確に言うとヘッドボイスで、男声の場合およそ510Hz(hiC)以上)は全てのプロ歌手が歌唱に使用している訳ではありません。

(具体的には、「ビブラート」を多用する歌手として、T.M.Revolutionや、水樹奈々、演歌歌手など、ほとんど用いない歌手としてスピッツや、いきものがかり、ポルノグラフィティなど。また、「ハイトーン」で歌う歌手として、B’zや、デーモン小暮、DIRENGREY、その他ヘビィメタルバンド、逆に低音で歌う歌手として福山雅治など。)


つまり、「喉を開く」ことや「音程を合わせる」ことが最も基礎であり、歌唱力向上のためにはこれらのことを初心者の段階で徹底して訓練する必要があるといえます。(喉を締めて発声すると、志村けんや、えなりかずき、麻生大臣のような聞き苦しい声になり、さらに声帯を傷め危険。実際、多くの発声トレーニングでは喉を開いて発声する技術が最重要視されている。)

高校物理学における基礎(物理法則)は何か?

さて、本題の物理について考えましょう。


高校物理で最も一般的な内容(基礎)とは、宇宙全体で普遍的に成り立つ物理法則で(決して試験によく出てくる内容ではない)、それは具体的には運動方程式です。


なぜなら、運動方程式は私たち自身やその身の回りの物についてだけでなく、宇宙の彼方の天体にまで成り立つ物理法則だからです。

(17世紀に、太陽系の天体だけで成り立つケプラーの法則(特殊な内容)から、ニュートンは木から落ちるリンゴも、遥か彼方の天体も同じ運動方程式(一般的な内容)という物理法則に従うことを発見した。つまり、物理学の進歩とは一般化の歴史と言える)

 

このような基礎的な物理法則を「原理法則」といい、高校物理における原理法則は運動方程式の他に、作用反作用則とマクスウェル方程式があります。(なお、後者の原理法則は高校物理の範囲では、運動方程式に比べて一般性に劣ります。)


また、特殊な内容は一般的な内容から必ず導くことができるので、ある特定の状況にだけ成り立つ物理法則や公式は必ず、(次節で述べる)言葉の数学的定義と原理法則から導くことができます。(厳密に言うと、個々の力の性質のみは導けず、これらは単独に記憶する必要がある)


それゆえ、特にこれらの物理法則や公式は、完全に一般的ではなく適用条件があるので、その適用条件を確認するために、学習の際にはそれらの一般的でない物理法則は、原理法則から自分で導いておく必要があります。


逆に、運動方程式は、適用条件はなく、どのような場合にでも成り立つので、解答解説に運動方程式が直接書いていないような問題でも、初歩の段階では運動方程式を立てて考えてみるべきです。

 

これらのことを考慮して、高校物理で出てくる法則や公式を、その一般性からランク付けすると以下のようになります。



--------(原理法則)------

運動方程式、作用反作用則

マクスウェル方程式


--------(準一般的物理法則)--------

エネルギー保存則、運動量保存則、角運動量保存則、回転運動方程式(力のモーメントの釣り合い)

回路方程式


--------(特殊な物理法則)--------

力学的エネルギー保存則、反発係数式、ケプラーの法則、

オームの法則、コンデンサーの公式、レンズの公式など....


--------(ただの数学公式)--------

※そもそも物理法則ですらない※

等加速度運動の公式


*「等加速度運動」は、大学入試物理の問題ではよく出てくるが、宇宙においては全く一般的ではない。(等加速度運動する物体などほとんどない)自分が今勉強していることがどれだけ一般的な内容なのか、特殊な内容なのかを考えようとしないで、試験でよく出ることが重要なことだと勘違いしている、自分で物事を考えようとしない人は、「等加速度運動の式」が最重要だという極めて的外れな誤解をしたまま何年も勉強をし続けている。

実際の問題に対する考え方や解き方について

ここまで、物理法則について述べてきましたが、もう少し具体的に、実際の問題に対する考え方や解き方についても考えてみます。


物理の問題に対する考え方は大きく分けて、数式を用いて厳密に考える方法と、日常生活の経験から直感的、感覚的に考える方法があり、前者を「定量的」な考え方といい、後者を「定性的」な考え方といいます。


例えば、「ボールを床に静かに落とすと(反発係数が1でなければ)何度も跳ね返るうちに静止する」、という事実は子供でも(定性的に)わかることですが、エネルギー保存則と反発係数式を立式して、(定量的に)証明することもできます。


このように定性的な考え方ができる理由は、物理学が身近なことも含めた自然現象を説明する学問だからなのですが、しかしながら物理学の考察対象には電場や磁場や電子(高校物理の範囲を超えれば、素粒子や時空の歪んだ宇宙、エントロピー)などといった、直接見たり触れたりできない、つまり定性的に考えることができない内容も含まれているので、「定性的」な考え方は一般的な考え方ではありません。


それに対して、人間の感覚を超えた現象に対しても(原理)物理法則は一般的に成り立ちます。


つまり、「定量的」な考えは基礎、「定性的」な考えは応用であるので、初歩の段階では直感的に明らかなことであっても、ちゃんと決められた手続きに則って法則を立式して解くべきであると言えます。


ただ実際の試験では、このように直感的に明らかなことでも毎回数式を立式していたら試験時間が足りなくなるので、慣れてきたら定性的な考えも織り込み、自分なりに省略していった方がよいですが、それは単に解答時間短縮のために行うことであって、本質的なことではありません。


大学入試は(なぜか)試験時間を非常に厳しくする傾向があるので、確かに解答時間短縮は得点上昇に直結しますが、焦る気持ちを抑えて、まずは時間がかかってもよいから全ての問題を確実に解ける(一般的な)手続きを身に付けましょう。


そして、それができるようになった後に(特殊な)個々の問題に応じて、解答時間短縮のためにその手続きを省略するようにしましょう。学問に対する理解と、テストの得点は必ずしも比例しません。(タイムラグがある)


くれぐれも、(一般的な)手続きが身に付いていないのに、初歩の段階から解答時間を気にして(または面倒くさがって)思考や手続きの省略を乱発して解答するようなことはやめてください。


普段の勉強では省略せずじっくり時間をかけて考えて解き、その分試験ではミスをしないようにうまく省略をして素早く解く、というように「普段の勉強」と「試験の解答」での態度は完全に分けるべきだと言えます。

(*一部にやたら「イメージ」(定性的な考え方)を強調する高校物理の参考書があるが、以上の理由からこのような説明の仕方は不適切であると言わざるを得ない。受験テクニックとしてならともかく、学問的には明らかに誤っている。イメージで全てわかるなら子供でも物理の問題が解けるし、そもそも物理学など不要になる。)


以上で述べてきた、「基礎を徹底し、応用は後回しにする」ことは、冷静に考えれば当たり前のことなのですが、多くの(特に論理的思考力の弱い)人は、論理よりも感情に支配され、手っ取り早く能力を自分の物にしたいと思うあまりに、基礎的な学習をすぐに飽きてやめてしまい、応用的な学習をとにかくやろうとします。


その最大の理由は、どのような分野においても、基礎的な学習、練習は単調反復的でつまらないからです。


具体的に様々な分野で、基礎的な学習、練習を見てみると、数学の場合「計算練習」、英語の場合「文法」、歌の場合「喉を開く」こと、野球、サッカーなどのスポーツの場合「筋力トレーニング」など、どれも単調で地味な作業です。


しかしながら、真に他人と異なる能力(個性)を手に入れたいのならば、このような地味で苦痛な作業は避けて通れません。


「急がば回れ」という諺があるように、とにかく演習問題数を稼ぎたいという焦りの気持ちを抑制し、まず始めに言葉の厳密な定義(次節)や原理原則の法則を完璧に理解するようにしてください。

2.専門用語の定義を、数式を用いず、日本語で憶えて説明できるようにすること。

特定の分野でのみ用いられ、日常会話では用いられない言葉のことを、「専門用語」といいます。


ある概念を日常の言葉で説明しようとするととんでもなく長くなる場合には、それを略するためにそれに対応する専門用語が生み出されます。(このことは学問領域だけのことではなく言語の本質です。例えば、「正社員で長期にわたって働くほど給料が上がり出世するような人事制度」と毎回言うのが面倒なので「年功序列」という言葉が生み出されました)。


これらの専門用語は日常で用いられない以上、双方がその意味を意識的に記憶、理解していなければ、それらを用いたコミュニケーションは成立しません

 

例えば、


この物体の点Oを基準とした重力の位置エネルギーを求めよ。


上の文章で専門用語「位置エネルギー」の意味がわからなければ、この文章は、


この物体の点Oを基準とした重力のانأةينابايلاを求めよ。


と書いていることと同じになります。


 つまり、コミュニケーションに用いられている専門用語の意味が説明できなければ、それは(意味のわからない)アラビア語を読んだり聞いたりしているのと同じことです。


そこで、その意味を「記憶、理解」しているかどうかを厳格に確認するために、「コミュニケーションで使用される専門用語を、日本語で他人に説明できる」かどうかを確かめてみる必要があります。


ここで注意しておきたいことが、私たちは自然言語(日本語)でコミュニケーションをするのであって、数式だけではコミュニケーションはできません。


例えば、「ばねが与える力の大きさは、ばねの伸び(縮み)とそのばねの弾性定数の積である」という弾性力の性質は、ばねが与える力の大きさをF、弾性定数をk、ばねの伸び(縮み)をlとすれば、F=klと書き表せますが、その代わりに、ばねが与える力の大きさをΨ、弾性定数をφ、ばねの伸び(縮み)をξとすれば、Ψ=φξとも書き表せます。


このように、物理における数式で使われる文字には、必ず自然現象を表す意味が込められているので、日本語から数式を導き出すことはできるが、数式単体から日本語を導くことはできません。よって、物理の学習において暗記すべきことは日本語であって、数式単体を暗記しても何の意味もありません。


科学において数式は、演繹、推論するために用いられるのであって、コミュニケーションのために用いられているのではないからです。


なお、勉強において、この「コミュニケーション」という観点を軽視している人が非常に多いのですが、勉強という作業が「特定の分野についてすでにわかっている人から、学ぶこと」である以上、勉強では参考書を読んだり、教師や友達から教えてもらったりと、顔が見える人とも見えない人とも常にコミュニケーションを行っているはずで、それをしていないのならば、それは純粋な「研究」です。


あなたは勉強する中で、教師、参考書や教科書の執筆者、とうの昔に死んだ学者まで、何百人もの人の影響を受けているのであり、あなたは自分一人で勉強しているわけではありません。このように勉強の本質はコミュニケーションであるので、そのコミュニケーションの媒体として使われる言葉、特に専門用語の意味は完璧に理解していなければなりません。

(*ここで、「コミュニケーション」とは、「音声や文字などの何かしらの媒体を用いて、自分の脳内の思考を相手の脳に転写すること、またはされること」を言います。その意味で恐らく、予備校講師は全ての職業の中で最もコミュニケーション能力が要求される職業と言え

るでしょう。なお世間で(就職面接などで)誤解されているように、ニコニコしながら相槌を打ってハキハキ喋ることは、相手を気持ちよくさせるための単なるトーク技術であって、決してコミュニケーション能力ではありません。)

3.「わからない」と思ったら「なぜわからないのか」を、日本語で他人に説明できるようにすること。

 勉強する中(問題を解いていく中)で「わからない」と思ったときに、一度立ち止まって「なぜわからないのか」、「何がわからないのか」をよく考えるようにしてください。


 例えば、「等速円運動」の問題は解けたのに、「非等速円運動」の問題が解けなかった、または「摩擦のない単振動」の問題は解けたのに、「摩擦がある単振動」の問題が解けなかった、というように類似の問題なのに解けなかったということがあった場合は、新しく加わった要素(前者の場合「接線方向の加速」、後者の場合「摩擦」)がわからなくなった原因だと推察できます。


 このように、わからない問題が出てきたら、以前解けた類似の問題を探すことで、わからない原因を探しやすくなります。「何がわからないのか」が明確であれば、それについて調べたり質問したりして解決できますが、「何がわからないのかわからない」状態だと「わからない」状態の解決のしようがないので、このことも当然のことと言えます。


 なお、このような「自分がわかっているということがわかる」、「自分がわからないということがわかる」能力のことを認知心理学ではメタ認知能力といいます。(「メタ○○」とは「○○を○○すること」、つまり「メタ認知」とは「認知(理解していること)を認知(理解すること)すること」。ギリシャの哲学者ソクラテスが「よく知っていると思ったが、無知であることを気づかせようとした」行為は、メタ認知を促す行為であったといえる。)


 最近の認知心理学の研究では、高認知・低メタ認知(理解力があるが、自分が何をわからないのかがわからない人が多い)グループよりも、低認知・高メタ認知(理解力が低いが、自分が今何をわかっていて、何をわかっていないかがわかる人が多い)グループの方が問題解決の成績が良いという非常に興味深い実験結果が出ており、このメタ認知能力が学習において最重要の能力であると考えられています。


 確かに、私個人の経験と照らし合わせると、(理科だけでなく全ての)勉強ができない子供は自分の思考の状態を人に説明できず(わからず)、そのために人に勉強の質問ができないのでいつまでも勉強ができないということが多いです。


 そもそもこういう子供は大抵日本語をうまく喋れないのですが、認知心理学の研究でも言語の能力がメタ認知能力と密接に関係していることが示唆されています。


 そのためここまで紹介した、『専門用語の定義を、数式を用いず、日本語で他人に説明できるようにすること』と『「わからない」と思ったら「なぜわからないのか」を、日本語で他人に説明できるようにすること』という2つの方略は、「日本語で説明する」と書いてあるようにメタ認知能力の向上も兼ねています。


 またメタ認知能力不足で、考えたが「何がわからないのかわからなかった」としても、講師と一緒に「わからない所」を探すこともメタ認知能力向上に繋がると思うので、講師や先生積極的に質問しするようにしましょう。

4.数式は目で追わない。必ず、紙の上で手を動かして計算して追うこと

物理の問題の解答解説や、理論のプリントを読むときは、必ず机に向かって、そこに出てきた数式を計算用紙で計算しながら読み進めるようにし、くれぐれも寝転がって読むようなことはしないでください。(寝転がって読むくらいならテレビゲームしていた方がマシです)


というのも、前述したように単体での数式は、コミュニケーションの媒体ではないので、小説のように目で追って読むものではないからです。(もちろんかなり慣れれば、高校物理程度の数式は目で追って読むこともできるが、素人がそのようなことをするべきではない)私の個人的な経験でも、物理学の専門書を目で追って完全に理解したことはありません。

5.出てきた物理量の単位を必ず確認すること。

 物理と数学の間の決定的な違いの一つに、「単位」があるかないかということが挙げられます。


この単位をバカにしている人が非常に多いのですが、単位は物理量の本質を表しているだけでなく、「出てきた答えの単位が合っているか確認する」という物理でしかできない検算(次元解析)を可能にしています。


この検算は非常に有用で、出てきた答えの単位を確認するかしないかで点数が1割近く変わることもあるのですが、多くの人はそれをやろうともせず非常にもったいないです。


これは能力ではなく、単に習慣の問題なので、出てきた答えや、新しく習った物理量の単位がどのようになるのかを常に意識しながら勉強を進めていってください。

おわりに

以上、5つの勉強方略について述べてきましたが、これらの方略に共通している態度は、少々抽象的になりますが、「自分で物事を考える」という態度です。


そして、この「自分で考える」ということを面倒くさがる、または無駄だと思っている人はよく「他の受験生よりもたくさん問題を解かなければいけないという強迫観念にとらわれて、とにかくひたすら問題集の問題を解きまくる」という(間違った)勉強をし続けています。


このような「自分で物事を考えない」勉強を続けている人が、「何年も努力をしているのに成績が上がらない」などと訴えてくることがあるのですが、「真に努力した」ということと、「面倒くさがって楽をしようとしたが失敗して、かえって無駄に努力するハメになった」ということは全く別の話です。


もちろん、「本当に努力したが失敗した」ということは人生でいくらでもあり得ますし、それは本当に辛いことですが、後者の理由で失敗したならそれは完全に自己責任です。これを機に、あなたの今までの勉強態度を振り返って、このようなことに思い当たる節があるかどうかをよく考えてみてください。

この記事の執筆者
駿台予備学校物理科講師。名古屋大学院博士前期課程修了(素粒子宇宙物理学専攻)。最難関大学受験生を対象とした「高3スーパー物理」の講座を担当。 検定教科書などとは全く異なる、原理法則と定義から高校物理の全てを解き明かす、曖昧さの全くない極めて論理的な授業によって、毎年多くの受講生を合格、そして物理好きにしている。 趣味は、ニコニコ動画、ポケモン、人狼ゲーム。好きなゲーム配信者は、もこう先生、高田健志さん、加藤純一さん。駿台大阪校wiki→https://osaka.wicurio.com/index.php?%E5%85%A5%E6%B1%9F%E5%8A%9B
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