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HaptiChemのシステム。左のノートパソコンに表示されている分子を、右のSPIDAR-Gで操作する
HaptiChemのシステム。左のノートパソコンに表示されている分子を、右のSPIDAR-Gで操作する
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HaptiChemを開発する、国立情報学研究所(NII)の佐藤 寛子助教授
HaptiChemを開発する、国立情報学研究所(NII)の佐藤 寛子助教授
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HaptiChemを使う生徒。多くが感嘆の声を上げていた
HaptiChemを使う生徒。多くが感嘆の声を上げていた
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SPIDAR-G。四隅には、糸の長さを測るためのセンサーと、糸の張力を調整するためのモーターが付いている
SPIDAR-G。四隅には、糸の長さを測るためのセンサーと、糸の張力を調整するためのモーターが付いている
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分子を3次元グラフィックスで表現したソフトウエア
分子を3次元グラフィックスで表現したソフトウエア
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 国立情報学研究所(NII)は2007年3月15日、体験型の化学教材「HaptiChem(ハプティケム)」を公開した。「見て触って分子の力を感じることができる」(NIIの佐藤 寛子助教授)のが特徴で、微少すぎてイメージしにくい分子の世界を体感することを通じて、生徒の理解を促進する。同日、東京工業大学付属科学技術高等学校において、HaptiChemを使った模擬授業を披露した。

 HaptiChemは、パソコン上で動くソフトウエアと、3次元入力デバイス「SPIDAR(スパイダー)-G」から構成される。パソコン上に3次元グラフィックスで表示された分子を、SPIDAR-Gを使って動かすという仕組みだ。今回公開されたシステムは分子と分子の間に働く力(分子間力)を題材にしている。分子と分子を近づけるにしたがって引きつけられる力(引力)が発生し、両者をぴったりと付けると、逆に反発し合う力(斥力)が発生するという現象を、自分の手で感じられる。

 SPIDAR-Gは、東京工業大学 精密工学研究所の佐藤 誠教授の研究室で開発されたデバイス。四隅から糸が張られた球体を握って、画面上の分子を動かす。動かした位置によって糸に与えられる張力が変わるので,球体を握る手に伝わる感触が変化する。こうして、引力や斥力を再現するという仕組みだ。一方のソフトウエアは、オープンソースのマルチメディア構築用ライブラリー「じゅん」(SRA先端技術研究所)および、化学用のグラフィックスライブラリー「ケモじゅん」を用いて開発されている。つまり「HaptiChemは純国産のシステム」(NIIの佐藤助教授)。

 模擬授業では、1年生の生徒が分子間力についての講義を受けた後、HaptiChemを使ってそれを体感する様子が公開された。SPIDAR-Gで手に力を感じた瞬間に「わあ」「すげえ!」「面白い」などの声があちらこちらで上がり、かなりの盛り上がりをみせた。「これは一家に一台欲しい」という声もあった。

 授業終了後、生徒からは「まさかここまで感覚を再現できるとは思わなかった。感動してはしゃいでしまった」「化学では目に見えないことが多く想像しにくい。目で見て体感できたのは初めてだったので、とてもいい経験になった」など非常に好評。授業を担当した森安 勝教諭も「化学では、目に見えない非常に小さな世界を言葉にして表現しなければならない。いろいろな小道具を駆使してはみるものの、分かりやすさを優先したがために正確に伝わらない部分も出てしまったりする。HaptiChemのように厳密に再現されれば、生徒にもすんなりと正しく伝わる」と高く評価する。

 この「正確さと分かりやすさ」のバランスをいかに取るかは、NIIの佐藤助教授が重視したポイントの一つだという。本来の分子間力は微弱なので、正確に再現しても人には力を感じてもらえない。だからといって分かりやすさを追求しすぎると正確さに欠け、正しい理解を阻害する恐れがある。そこで、実際の数値とシステムで体感している数値を表示し、それが仮想的であることを意識させる工夫などを盛り込んだ。それだけでなく「どこまでがモデル化されていて、どこからは正確でない部分なのかを、教える側がきちんと説明することが大切だと考えている。また、システムのどこが正確でないかを生徒に考えてもらうことも、一つの学習のきっかけになるのではないか」(佐藤助教授)という。

 このシステムは分子間力の学習以外にも、分子生物学などの分野でさまざまな応用の可能性がある。教育用だけでなく、研究者向けに応用することも考えているという。また利用者がシステムをカスタマイズできる仕組みも整えていく予定だ。

 HaptiChemのソフトウエアは、Webサイトで無償公開する。SPIDAR-Gは、日本国内の高等学校での教育目的に限り、期間限定で貸し出す。SPIDAR-Gは市販されているが、2007年3月時点で90万円程度と高額。SPIDAR-Gの開発に携わる東京工業大学の佐藤教授は「いずれはノートパソコンやプロジェクターと同等の価格に抑えたい。数が出れば自然に価格は下がるので、HaptiChemのような応用の可能性を広げてさまざまなところで使ってもらえるようにしたい」という。