手を使わずに〈頭の中で図形を動かす〉力――メンタルローテーションと空間認識の話

1. 立体を頭の中で動かす問題から見える力

動画では、色のついた立方体（立体）を使って、 手は使わず、頭の中だけで立体の向きや位置関係を動かしてみる という、“頭の体操”を行いました。

たとえば、

• 見えている面が、動かすとどこへ移るか
• どの面が前・上・右になるか
• 同じ形でも、向きが変わるとどう見えるか

を、頭の中で追いかけながら考えます。

ここで大事にしているポイントは、あえて次の 2 つを「しない」ことです。

• ① 手で立方体を転がすマネはしない。
  つい手で確かめたくなりますが、まずは頭の中で追いかける経験を優先します。
• ② 紙に図を描いたり、実物を作ったりしない。
  展開図や積み木を使えば楽になりますが、いちど「頭の中だけで」立体を扱ってみます。

つまり、
自分の頭の中に立体のイメージを置き、それを“動かして・確かめて・更新する”
という、内側の操作そのものをトレーニングしています。

うまく追いかけられたとき、
「今、頭の中で形が動いた！」という感覚が一瞬でもあれば、
それが メンタルローテーション（頭の中で形を回したり動かしたりする力） です。

2. メンタルローテーションとは？（脳の中で何が起きているか）

メンタルローテーション（mental rotation）は、脳科学・認知心理学では 「心の中に思い浮かべた図や形の向きを変えながら考えるときの、脳のはたらき」 として説明されています。

目の前に実物がなくても、「頭の中の立方体」「頭の中の地図」「頭の中の図形」をクルッと動かして、 位置関係を確かめる力です。

この概念を有名にしたのが、心理学者 Roger N. Shepard と Jacqueline Metzler が 1971 年に行った有名な実験です。 三次元ブロックでできた不思議な形を 2 つずつ見せて、

「これは向きを変えただけで同じ形か？ それとも別の形か？」

を答えてもらい、答えが出るまでの時間を測りました。

この実験から、人間は形をただ“ながめている”のではなく、
頭の中で実際に立体を回しながら「同じ形かどうか」を判断していることが、実験的に確かめられました。

参考（英語・原著論文）：
Mental Rotation of Three-Dimensional Objects（Shepard & Metzler, 1971） ↗

3. なぜメンタルローテーションが大事なのか？

メンタルローテーションは、教科書に出てくる図形の問題だけに関わる力ではありません。 脳科学・STEM教育の研究では、思考の土台として重要な役割をもつ力だと考えられています。

① 情報を“動かしながら”理解できる

見たものをそのまま暗記するのではなく、

• 向きを変える
• 組み合わせ方を変える
• 別の角度から見直す

といった「頭の中で並べ替えたり、つなぎ替えたりする力」が育ちます。

たとえば算数・数学なら、

• 図形の問題で、「ここに線を足したらどう見えるかな？」と頭の中で区切り方やつながり方を試してみる
• グラフを見ながら、「もしここが2倍になったら？」など別パターンを仮定して考える

といったときに、見えていない関係を仮説として立てて試す力につながります。 これは「丸暗記型の学び」から、構造を理解して応用できる学びへ移っていくための土台です。

② 抽象的な学び（数学・プログラミング・デザイン）の基盤になる

多くの研究で、「空間認識能力（メンタルローテーションを含む）が、 STEM 分野（科学・技術・工学・数学）の学習や進路選択と関連する」ことが示されています。

たとえば…

• 図形を別の向きから考える
• 立体の展開図・投影図をイメージする
• プログラムの「右回転・左回転・回転後の位置」を感覚的に扱う
• 3D モデリングやプロダクトデザインで、頭の中で形を組み立てる
• データやグラフを見て、「もしこう動いたら？」という仮説を立てて比較する

こうした課題はすべて、 「見えていない状態」を頭の中で動かして確かめる ことが前提になっています。

描かれている図形そのままの状態では解けない問題に対して、 「ここに一本線を足したら、わかりやすくならないかな？」、 「この部分で分けて考えたら、整理できそうだな」と考えながら、補助線や切り分け方を工夫して、 見えにくい関係を浮かび上がらせていきます。
こうした「元の図のままでは見えない解き方を、自分でつくり出す」練習にも、メンタルローテーションはつながっています。

③ 実生活の「空間のセンス」として効いてくる

授業の外でも、この力はずっと使われ続けます。たとえば…

• 料理の段取りを組む
  3品を同時に仕上げるために、 「この鍋を火にかけている間に、あっちを切って、最後にこれを温め直して…」と、 位置とタイミングを頭の中で組み立てます。
• 一日の予定や移動ルートを頭の中で組み立てる
  「この打ち合わせのあとにここへ寄って、帰り道でこれを買って…」と、 地図と時刻を同時にイメージしながら、効率のよいルートを考えます。
• スポーツで人やボールの動きを予測する
  「この方向にパスが出たら、次はここへ走るだろう」と、 数秒先の位置関係を頭の中でシミュレーションすることで、 先回りして動ける・ぶつからずに安全にプレーできる、という形で役に立ちます。
• 初めての場所で道順を覚える
  一度歩いたルートを「頭の中の地図」として回転させ、 別の方向から戻るときにも迷わず歩けるようになります。

つまりこれは、「状況や配置を頭の中で整理し直し、『どうなっているか』『どう変わるか』を考えるための基礎体力」 と言える力です。

4. 子どもはどこでつまずきやすいのか？

立体を頭の中で動かして考える問題（メンタルローテーション）は、 情報処理として難易度が高いタイプの課題です。 大人でも、頭の中のイメージが途中でズレたり、 どこを見て比べればいいか分からなくなって迷うことがあります。

たとえば、

• 向きの変化を追いかけるタイプ（回して追いかける）では、 「いま前に見えている面はどれか」「色の面はどこへ移ったか」を更新し続けます。
• 分解して組み直すタイプ（分解して組み立て直す）では、 パーツ同士の関係を保ちながら、向きを入れ替えて全体像を作り直します。

とくに子どもにとっては、次のような“複合タスク”を 同時にこなす必要があるため、なおさらハードルが高くなります。

● 必要な情報を「一時的に置きながら」考え続ける（ワーキングメモリ）

立体の問題では、目に見えている情報だけでなく、 「いま注目している面・色・パーツ」「いまの向き（前・上・右がどこか）」 「次に何を確かめるか（どこを基準に比べるか）」といった情報を、 頭の中に“仮置き”しながら考え続けます。 これは心理学でいうワーキングメモリの働きです。

ワーキングメモリとは、 考えごとをしているあいだだけ必要な情報を一時的に置いておき、同時にそれを使って考えを進める“頭の中のメモ帳” のような仕組みのことです。

参考：
Working Memory（The Decision Lab） ↗

子どもはこの容量が発達途上なので、「仮置きしながら考える」だけでも負荷が大きくなります。

● 向きが変わるたびに、情報を更新し続ける（追いかけ型）

向きの変化を追いかけるタイプでは、動かすたびに 「さっき前に見えていた面が、今はどこへ行ったか」や 「いま前・上・右になっている面はどれか」を、 頭の中で更新し続ける必要があります。

更新が追いつかないと、途中でイメージがズレてしまい、 「どこまで合っているか分からない」状態になりやすいです。

● 分解して、向きを入れ替え、合体して全体像を作る（組み直し型）

分解して組み直すタイプでは、頭の中の操作がさらに増えます。 ポイントは次の3つです。

1. 形をキープする（パーツの形・まとまりを崩さない）
2. 向きを入れ替える（どの向きで合わせるかを変える）
3. 合体した形を作る（組み合わせた結果の全体像をつくる）

「一度ばらして、もう一度組み立て直す」を頭の中だけでやるので、 ワーキングメモリと空間認識の両方に強い負荷がかかります。

● 似ている候補の中から、比べるポイントを決めてしぼり込む

選択肢がある問題では、 「どこを決め手にして比べるか（面の並び／色／凸凹の位置など）」や、 「比べる順番をどうするか」「合わない候補をどう落とすか」といった しぼり込みの手順も必要になります。

ここが定まらないと、頭の中で扱う情報が増えて迷いやすくなります。

しかもこれらすべてを、

• 手を使わず
• 図も描かず
• 頭の中だけで

行うことが求められています。

迷ってあたりまえの負荷がかかっているので、 「できない＝センスがない」ではなく、 「かなり高度なことにチャレンジしている」 と捉えてあげることが大切です。

小さいうちから「少し難しい空間操作」にゆっくり取り組む経験が、 算数・理科・デザイン・エンジニアリングの理解を、 感覚レベルからじわじわと支えていきます。

5. メンタルローテーションは“速さ勝負”ではない

「メンタルローテーション」と聞くと、ついどれだけ速く正解できるかが気になってしまいます。 ですが、土台づくりの段階では、速さは重要ではありません。

大事なのは、この流れを自分のペースで丁寧にたどれることです。

見る → イメージする → 動かしてみる → 位置関係の変化がわかる

親子で声に出しながら、ゆっくり一緒に追いかけてみてください。
「あ、今、頭の中でちゃんと動かせた！」という小さな成功体験が、 その後の正確さやスムーズさにつながっていきます。

6. 今日からできる！親子で楽しむ空間認識ミニ問題

ここからは、家で今日からできる追加の空間認識問題を、3つ紹介します。

📘 追加問題①｜動かしたら、どこが前？

1. 箱や積み木をひとつ用意し、「自分のほうを向いている面」にシールや色をつける
2. 「これを少し動かしたら、シールはどこを向くかな？」を頭の中だけで考える
3. 最後に手で確かめて、「考える → 確かめる」をセットにする

📘 追加問題②｜上から見たら、どう見える？

紙に「立体を上から見た図」を簡単に描いて、 「少し動かしたら、上からの見え方はどう変わるかな？」と問いかけてみましょう。
平面図 ⇄ 立体のイメージを行き来させる練習になります。

📘 追加問題③｜展開図から立体を想像できる？

6マス分の展開図をいくつか描き、 「この中で、立体を組み立てられるのはどれだろう？」とクイズにしてみましょう。
最初は切って組み立てて、慣れてきたら「頭の中だけで」を増やしていくと自然に練習になります。

7. 空間認識は“思考の器”を広げる力

SheSTEM Japan が大切にしているのは、 「正解できたかどうか」ではなく、「自分の頭で動かしてみたかどうか」です。

空間認識の力は、図形だけでなく、

• 文章で描かれた場面を思い浮かべる
• ストーリーの流れや因果関係を整理する
• 計画や手順を頭の中でシミュレーションする

といった、「構造を理解する」さまざまな場面でも働きます。

立体を頭の中で動かすという活動の裏側で、実は、 目の前のものの向きや位置関係を整理し直したり、 「ここからこう動いたらどうなるか」を筋道立てて考える力が育っていきます。

6つの思考のOSの全体像は、こちらにまとめています。
6つの思考のOS｜全体像を見る ↗

8. おわりに｜「手を使わずに動かしてみる」から始めよう

ほんの数十秒でもよいので、 手を使わずに、頭の中で動かしてみる時間 をつくることが、STEMの基礎体力を少しずつ育てていきます。

ぜひご家庭でも、 「今、頭の中でどう動いた？」 「さっき見えていた面は、今どこにある？」 と会話しながら、“考えるってちょっと楽しい”という感覚を増やしてみてください。