マイクロコンピュ-タ-を利用した新しい教育用ソフトウェアの開発研究(コンピュ-タ-・グラフィックスによる化学反応のシミュレ-ション)

1989 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 62580234
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 時田 澄男 埼玉大学, 工学部, 助教授 (20008866)
• 研究分担者: 勝部 昭明 埼玉大学, 工学部, 教授 (70008879) ; 山田 興治 埼玉大学, 工学部, 教授 (30008875) ; 岩本 一星 埼玉大学, 工学部, 助教授 (90008871) ; 吉田 俊久 埼玉大学, 教育学部, 教授 (90016395) ; 下沢 隆 埼玉大学, 理学部, 教授 (30008809)
• キーワード: 化学教育 / マイクロコンピュ-タ- / 量子化学 / 原子軌道 / 分子軌道法計算 / 計算機シミュレ-ション / 可視化 / アニメ-ション

研究概要

マイクロコンピュ-タ-を利用した新しい教育用ソフトウェアの開発に関連して、以下の3項目の研究を行った。
1.有機色素の分子設計:分子の基底状態と励起状態のエネルギ-差を分子軌道法で計算することは古くから行われているが、操作性の点で問題がないわけではなかった。今回、これを、対話型で行えるように工夫した新しいソフトウェアを開発した。この結果、実用的な分子設計が便利に行えるようになっただけでなく、デモンストレ-ションなども容易となり、教育上も有用なソフトウェアであることが明らかとなった。
2.化学結合の本質のビジュアル・シミュレ-ション:化学結合の長さと方向性、原子軌道の重なり合いと干渉の様子等を量子化学計算に基づきコンピュ-タ-・グラフィックスを援用して画像出力する方法について研究した。この方法を、分子軌道図の解釈に関連する教育の場で活用することにより、酸素分子と窒素分子の物性の相違等の具体的な問題を、結合の本質の視覚化という観点から説明することが可能となった。
3.分子構造模型の計算機出力の高速化:化学反応のシミュレ-ションを行う基礎技術のひとつとして、分子構造模型をコンピュ-タ-上で高速表示する新しいソフトウエアを開発した。従来、マイクロコンピュ-タ-上で高速出力が可能な分子構造模型はいわゆる針金模型と呼ばれる線画出力に限られていたが、今回、これを陰影のついた球と棒で表示し、しかも、リアルタイムの動画が可能なように改善した。この結果、シクロヘキサンの反転など、新しい教育効果が期待される応用の道が拓けた。本ソフトウェアは各方面に配布し、広く活用方を依頼した。
なお、これらソフトウェアの教育効果は、本学のほか、東京大学、お茶の水女子大学、千葉大学、東京学芸大学、上智大学、東京理科大学、埼玉工業大学などにおける講義で実際に利用することにより確認した。

研究成果

• [文献書誌] 時田澄男: "ベンゾ〔1,2,3-kl:4,5,6-k′l′〕ジキサンテンの増環型類構体、ならびに、それらのエンドペルオキシドの合成とホトクロミック特性" 日本化学会誌. 876-879 (1989)
• [文献書誌] Sumio TOKITA: "Synthesis of Soluble Metal Free Tetrapyrazino-porphirazines" Proc.1st International Symposium on Chemistry of Functional Dyes. 71-74 (1989)
• [文献書誌] Sumio TOKITA: "An Interactive Software for Predicting Electronic Absorption Maxima of Organic Compounds by Widely Used Microcomputers" Proc.1st International Symposium on Chemistry of Functional Dyes. 55-58 (1989)
• [文献書誌] 時田澄男: "2,3,9,10,16,17,23,24-オクタアルキルテトラピラジノポルフィラジンの合成と性質" 日本化学会誌. 219-224 (1990)
• [文献書誌] 時田澄男: "結合の長さと方向性" 現代化学. 218. 58-63 (1989)
• [文献書誌] 時田澄男: "軌道の干渉" 現代化学. 220. 51-55 (1989)
• [文献書誌] 時田澄男: "酸素分子と窒素分子(上)" 現代化学. 224. 55-59 (1989)
• [文献書誌] 時田澄男: "酸素分子と窒素分子(下)" 現代化学. 225. 48-53 (1989)
• [文献書誌] 時田澄男: "自由電子模型と光吸収" 現代化学. 228. 51-55 (1990)
• [文献書誌] 時田澄男: "科学教育におけるマイクロコンピュ-タ-の利用-特に高画質化とアニメ-ションについて-" 科教研報. 3(5). 1-4 (1989)
• [文献書誌] 時田澄男: "色素の機能と分子軌道法計算" CACS FORUM. 9. 3-9 (1989)
• [文献書誌] 時田澄男: "マイクロコンピュ-タ-による色素のデザイン" 化学. 45(3). カラ-(2 ) (1990)
• [文献書誌] 時田澄男: "機能性色素の分子設計-PPP分子軌道法とその活用" 丸善, 225 (1989)
• [文献書誌] 川橋正昭(分担執筆): "目で見る物理" 講談社, 103 (1990)