2021 Fiscal Year Research-status Report

単機能ユニットの組み合わせで化学現象を再現するマルチ実験システムの開発と授業実践

Research Project

Project/Area Number	19K03152
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	中釜達朗日本大学, 生産工学部, 教授 (50244421)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	科学教育 / 実験システム / クロマトグラフィー / 抽出
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，化学教育における実現象の観察と理論学修を直結し，より深い学びを実現するために，教室内で多様な化学現象を発現できるマルチ実験システムを構築し，仮説実験授業的要素を取り入れたアクティブラーニングを試行することを目的とする。当該年度は実験システムの構築と実証，および実験システムを用いたアクティブラーニングの試行と検証を目的とした。当該年度は分離挙動を可視化できる高速液体クロマトグラフィー（HPLC）システムおよび抽出挙動を可視化できる単一液滴フローマイクロ抽出（SDFME）システムの開発と評価を行った。HPLCシステムについてはモデル試料に色素，分離部にシースルーカラムを用いることにより，分離挙動を可視化した。また，移動相にエタノール水溶液を用いることにより環境調和性に配慮した実験が可能とした。一方，前年度試作した教材を元に，カラム内の分離挙動と取得できるクロマトグラムとの関係をシミュレーションできる教材を新たに開発した。このシミュレーション結果を試作したシステムを用いた実験で再現するために，モデル試料の種類および移動相組成などを至適化し，いくつかのシミュレーション結果が実験で再現，検証できる実験系を構築することに成功した。 SDFMEシステムは環境調和性を考慮して抽出媒体を有機溶媒液滴としている。試料水溶液の流れの中に液滴を導入し，シースルースパイラルセル中に液滴を滞留させて抽出挙動を可視化した。抽出後，試料水溶液の流れを利用して液滴をセルから検出部に移動させ，吸収スペクトルを測定できることを確認した。一方，円状チップを単位物質量とし，SDFMEでの抽出挙動をシミュレーションできる教材を新たに開発した。カラム内の分離挙動と取得できるクロマトグラムとの関係に関するシミュレーション教材については，専門誌「工学教育」（日本工学教育協会）に投稿，審査中である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 一昨年度はコロナ禍における緊急事態宣言などの影響により，研究者および学生の大学構内への入構が制限されたために前半期はほとんど研究を遂行することができなかった。また，後半期でも購入したユニット部品が正常に作動せず，対面でのメーカーサポートを受けられなかったために実験システム構築に支障をきたした。当該年度はその遅れを取り戻すべく，担当学生数を増員して対応した。その結果，両実験システムとも教材開発例として学会などで発表できる段階まで研究を遂行できたが，開発の遅延により実験システムを用いたアクティブラーニングの試行に至っていない。また，授業内での理論検証をより明確に行うにはHPLCシステムでは適用できるモデル試料数の増加やカラムの分離能改善など， SDFMEシステムでは抽出による物質移動収支の整合性や再現性の改善などがそれぞれ必要である。
Strategy for Future Research Activity	本研究課題は当該年度で研究終了の予定だったが，次年度まで延長して目的を達成する。まず，開発したHPLCおよびSDFMEシステムについて，より確実な理論検証が可能となるようなシステムの改善を行う。続いて，授業においてクロマトグラフィーにおける分離挙動および抽出挙動を学修する際に，理論学修，シミュレーション教材を用いた挙動予測および実験システムを用いた実験による予測の検証を組み合わせたアクティブラーニングを試行する。試行後，アンケートを用いた教育効果の検証を行う。開発したHPLCおよびSDFMEシステムの機能およびこれらのシステムを用いたアクティブラーニングについては，日本工学教育協会や日本分析化学会あるいは米国化学会などの学会および学会誌で公開する。