2016 Fiscal Year Research-status Report
３Ｄプリンタによる分子計算のマテリアリゼーション －新教材・教育法の開発－
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16K00981
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| Research Institution | Hachinohe National College of Technology |
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Principal Investigator |
松橋 信明 八戸工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (40199831)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 一雅 函館工業高等専門学校, 生産システム工学科, 教授 (40270178)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 分子シミュレーション / 分子軌道法 / 分子動力学法 / 新教材・教育法開発 / ３Ｄプリンタ / マテリアリゼーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの研究成果をベースに、市販の分子シミュレーションソフト（分子軌道法、分子動力学法）を用いて新教材の開発を推進し、新教材データベースを蓄積するべく、高専本科５年生の卒業研究において、以下のような研究成果をあげることができた。
液体急冷法により熱力学的に安定な水素化アモルファスシリコンを作成し、ポテンシャルエネルギー、平均二乗変位、二体相関積算関数について通常のアモルファスシリコンと特性比較を行った。また、生体材料である両界面が水の脂質二分子膜を構築して構造パラメータの改善を行い、分子間距離や分子形状の違いによる特性変化を検討した。また、様々な炭素数のフラーレンを作成し、エネルギーの熱特性、二体相関関数、積算配位数について検討した。そして、C60フラーレンのSTLファイル出力から３Ｄプリンタによるマテリアリゼーション（物質化）を試みた。どれもカラフルで美しいグラフィックスを用いて視覚に訴え、学生の興味を誘発する電子材料教材として有効である。また、３Ｄプリンタによる造形化は、より効率的かつ直感的な理解を実現できる新教材として有効であることを確認することができた。
そして、多くの学生が授業で利用できる教材の開発を目指して、周期的に繰り返される位相幾何学的ナノサイエンス材料であるグラフェンとカーボンナノチューブの時間軸を含めた４次元的空間表現方法について研究した。業界標準のOpenGLのライブラリを使い、更には無線遠隔操作を可能にするためにブルーテゥーステクノロジーを搭載したモジュールを実装した。これにより、リアルタイム可動視点動画表示を実現し、無償でかつ自由度の高い環境を提供することができた。汎用性が高く、電子材料関連分野の教材として非常に有効である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、学齢的に理論的な理解が難しい高専電子系専門教育において、３Ｄプリンタによる分子計算のマテリアリゼーション（物質化）を行い、学生の興味を誘起しながら視覚的に電子材料の構造や物性を理解し、創造性を育む新たな教材と教育法の開発を目的とする。その具体的な研究目的は、1.市販の分子シミュレーションソフトを活用した新教材の開発、2.３Ｄプリンタを用いた分子計算のマテリアリゼーションによる新教材の開発、3.多人数教育に対応したオリジナルの新教材・教育法の開発、の３つである。
現段階において、高専本科５年生の卒業研究に分子軌道法や分子動力学法を用いた研究テーマを組み込み、市販の分子シミュレーションソフトを活用した新教材の開発を推進し、新教材データベースを蓄積している。また、多くの学生が授業で利用できる教材の開発を目指して、無償でかつ自由度の高い環境を提供することができた。これは、汎用性が高く、電子材料関連分野の教材として非常に有効である。そして、３Ｄプリンタを用いた分子計算のマテリアリゼーションに向けて、様々な試みを開始した。
以上の研究実績から、研究はおおむね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果をベースに、３Ｄプリンタを用いて分子計算結果をマテリアリゼーションした新教材の開発を行う。分子シミュレーションでグラフィカル表示した結果を、さらに立体的な模型にすることができれば、手に取って自由自在に構造を確認することができ、飛躍的に教育効果を高めることができる。
そして、マテリアリゼーションした新教材を活用した新教育法の開発を行う。３Ｄプリンタを用いて分子計算結果をマテリアリゼーションした新教材を電子系高専専門科目において有効活用するための新たな教育法を開発する。
さらに、創造性や学際性を育成できる新教材・教育法の開発を行う。シミュレーションなので実在しない分子やその集合体の安定性や性質を予測することが可能であり、自由な発想で様々な電子材料を設計でき、新機能性電子材料の開発を目指した、創造性を育成できる新たな教材と教育法を開発する。
最終的に、高専電子系専門教育における多人数教育に対応したオリジナルの新教材・教育法の開発を行う。開発した新たな教材と教育法を多人数の教育の場で展開するべく、安価で効果的な、そして高専電子系専門教育に最適なオリジナルの新教材・教育法を開発する。そして、八戸と函館の両高専の電子系専門科目への導入を目指す。
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Research Products
(2 results)
