Development of needs type teaching materials for computer science education for undergraduate students

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26560084
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 岩崎 宏 金沢大学, 数物科学系, 准教授 (30242514)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石井 史之 金沢大学, 数物科学系, 准教授 (20432122)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 計算科学教材 / ニーズ型教材 / エクセル

Outline of Annual Research Achievements

数値計算技法や計算機技術などの知識「シーズ」から出発するのでなく、具体的な物理の問題を解決する必要性「ニーズ」から出発する計算科学教材、すなわち、プログラミングや数値計算技法を知らなくてもエクセルなどの既存のソフトウェアを使うことで計算科学の考え方を学べる教材、「ニーズ型計算科学教材」の開発を目指した。力学・電磁気学・統計力学・量子力学の幾つかのトピックについてモデルとなるパイロット教材の作成を行い、評価を行うことを目的とした。
統計力学の教材である「ブラウン運動を学ぶ」では顕微鏡でブラウン運動を観察したあと、サイコロ等の具体的な乱数に関する実験を行った後、エクセルを使って分散・平均などの統計量を計算してランダムな乱数の統計量に現れる規則性を体感し、更にエクセルを使って乱数の軌跡がブラウン粒子の運動とおなじになることを示し計算機の必要性を実感させた。さらにブラウン粒子と分子の衝突シミュレーションプログラム(本プログラムの資金によりJava系言語で作成したもの)を用いて、分子不可視のまま粒子の運動がランダムであることを確認させたあと、分子を可視化してブラウン運動の原因が分子の衝突にあることを理解させて、更にアインシュタインの理論を紹介した。以上のコンテンツを高校一年生向けの一日講義のために開発し、後に大学一年の演習にも使用した。この講義は非常に好評であり計算科学の必要性を理解させるものであった。
このコンテンツはWEBにて公開する予定である。
その他の教材も開発したが、計算機の知識のない受講生にソルバーを容易に自作させるのは難しく、この方法の開発がこの研究の今後の課題になると思われる。