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第 27 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集（2022 年 9 月）

VR-MD: スマホ VR で実施する分子動力学計算による化学教育効果の検証
Veriﬁcation of the Chemistry Educational Eﬀect of Molecular Dynamics Simulationin Smartphone Virtual-Reality System松田健郎 1) ，吉川信明 1) ，梶田晴司 1) , 佐藤宗太 2) , 谷川智洋 3)

Kenroh MATSUDA, Nobuaki KIKKAWA, Seiji KAJITA, Sota SATO and Tomohiro TANIKAWA1) 株式会社豊田中央研究所（〒 480-1192 愛知県長久手市横道 41-1, Kenroh.Matsuda.es@mosk.tytlabs.co.jp）
2) 東京大学大学院工学系研究科応用化学専攻（〒 277-0882 千葉県柏市柏の葉 6-6-2）
3) 東京大学次世代知能科学研究センター（〒 113-8656 東京都文京区本郷 7-3-1）
概要:
化学教育現場における VR 技術活用の期待が高まっている [1][2]．専門家と初心者の円滑なイメージ共有・理解度向上を目的に，スマートフォンで動作する分子動力学 (MD) 計算を内包した化学教育用アプリケーション「VR-MD」を試作した．MD 計算によって分子座標はリアルタイムに更新される．また体験者が分子に触れて動かすことも可能である．さらに授業内容に合ったコンテンツの作成，安全性を考慮した改良を行った上で高校での出張講義で実用した．授業後に実施した 7 段階評価アンケートおよび自由記述アンケートの結果から理解度や学習意欲向上の効果が確認できた．
キーワード： 化学授業，スマホ VR，分子動力学計算

1.

はじめにできるのではないかと考えた．

近年の VR 技術の発展を受け，教育現場での期待も高まっ

2.1ている．化学教育では様々な物質を構成する分子の特性を理解するため，その構造を理解することが重要である．中VR 利用の要件

出張講義への VR 利用にあたり，本研究では以下のような要件を定めた．

学では分子を単純な二次元構造で学ぶことが多いが，高校• 授業に参加する生徒全員が体験できる〜大学に進むと複雑な三次元構造や化学結合，経時変化す• 体験中も周囲の状況を簡単に確認でき，危険なときにる動きを学ぶこととなる．そのため，教科書のような二次は直ちに中断できる

元媒体だけでは理解が困難となり，化学に対して苦手意識• ネットワークを利用せず，スタンドアロンで動作するを持ってしまうことが課題となっている．
そこで本研究では，スマートフォンで動作する分子動力• 分子を自由に観察でき，触って動かすことができる

学 (MD) 計算を内包した化学教育用アプリケーション「VR出張講義には約 30 名の生徒が参加する．ここで体験人数MD」を試作した．MD 計算によって分子座標はリアルタイムに更新される．また体験者が分子に触れて動かすことも可能である．さらに授業で必要となる機能を実装した上で，を制限すると，VR 体験の有無によって各生徒の学習内容に差が発生してしまう．そのような不公平を無くすため，全員が体験できることが望ましい．

高校での出張講義で使用した内容について報告する．

生徒たちは同じ教室に集まり，教室に固定された机を最化学教育用アプリケーション「VR-MD」

大 3 名が横並びで利用する．椅子を机の下に戻した状態で共同研究を行った東京大学佐藤宗太特任教授は毎年，高あれば，多少の距離を移動することも可能である．しかし校での出張講義を実施している．2021 年のテーマは「分子ながら，生徒全員が一斉に体験するため，生徒同士や机，椅間の水素結合」であり，以前の授業では実験をベースに実子にぶつかって怪我をするリスクを伴う．そのため，体験中施されていた．そのときの課題として，実験で生じた現象も周囲の状況を簡単に確認でき，危険なときには直ちに中をもとに教科書などの図や口頭で説明しても，先生の頭の断できることが望ましい．

2.

中にある分子イメージを生徒たちに伝えることが困難であっ教室で安定したネットワーク利用が可能であるかは出張たことが挙げられる．そこで，直感的な体験を得意とする講義当日まで不明である．このことから，PC 上で VR 映

VR で「分子を目で見て触る」ことで生徒たちの理解を補助像を生成して遠隔で表示するといった方法は授業不可となⒸ 2022 日本バーチャルリアリティ学会-2F2-4-

2F2-4(a) 手認識なし: AR
図 1: 出張講義で使用した手持ち型スマホ VR．
るリスクを伴う．そのため，使用する VR デバイスはスタンドアロンで動作することが望ましい．

2.1.1

VR デバイス

本研究では，上記の要件を満たす VR デバイスとして，スマートフォンを手持ち型の VR ゴーグルに取り付けたスマホ VR を採用した（図 1）
近年，様々な VR デバイスが一般販売されているが，授業用に人数分を保有している学校は稀である．また出張講(b) 手認識あり: VR

義のために VR デバイス約 30 台を準備するのは困難である．そこで中古のスマートフォン (Apple 社製 iPhone7) を

図 2: AR/VR 切替機能．(a) 分子構造を観察するときは再利用し，予備を含めた約 50 台を準備することで，授業に周囲の映像を背景に表示．(b) 分子に触れるときは VR 空

参加する生徒全員が体験可能とした．

間を表示．

また頭に固定するヘッドバンド型の VR ゴーグルと異なり，手持ち型の VR ゴーグルは即座に着脱でき，目の周りAR のみである場合，分子に触れようとして手を伸ばすを覆うカバーもないため，体験中も周囲の確認がしやすいと体験者の手と手モデルが重なって表示される．作成途中利点がある．没入感には劣るものの，夢中になりすぎて先に数名で試行したとき，上記のような表示に違和感を覚え生の指示を聞き逃すような状況も軽減できると期待される．

る場合があった．体験者の手が表示されていると，そちら

2.1.2に意識が向いてしまい，体験者の手で分子に触れようとしハンドトラッキングによる直感的操作

スマートフォンのセンサや背面カメラを利用した 6DoF おてしまう．加えて，位置補正などの処理が常時実行されてよびハンドトラッキングシステムを導入した [3][4]．スマーいるため，手モデルは体験者の手よりもわずかに遅れて移トフォンには外付けのコントローラが付属していない．そ動する．これらによって，分子に触れる・掴む動作にズレがのため，体験者位置が固定される 3DoF や視点による操作生じてしまうことが主な要因であった．そこで，体験者のが一般的である．しかし，分子の立体構造の確認や位置を手を認識しているときは VR に切替えることで手モデルだ動かすといった体験には不向きなため，VR ヘッドマウントけが見えるようにした．

ディスプレイと同様の操作方法を導入した．加えて，手モ

2.2

本研究では，「核酸塩基対」「水分子クラスター（図 3a）」デルと分子モデルとの距離感を補強するため，それらの間「分子ベアリング [5]」の 3 コンテンツを作成した．これらに白色の破線を表示した．

2.1.3

授業に合わせたコンテンツのコンテンツでは，原子を各色の球，原子の結合を灰色のVR/AR の自動切り替え

本研究では，周囲を把握しながら安全に移動して分子構

円柱，分子間の水素結合を水色の点線として表示した（図造を観察できる AR モードと，分子を実際に触る際に操作3b）．これらの表示方法は専門家には一般的であるが，初心に集中できる VR モードを，2.1.2 による手認識に基づいて者にはそれぞれの意味を説明する必要がある．本研究では，シームレスに切替える機能を実装した（図 2）．

先生の講義中に CG オブジェクトの意味合いや学ぶポイン

VR のみである場合，手持ち型の VR ゴーグルを利用しトの説明を行った上で体験することにした．また，MD 計ても，VR 空間で前が見えにくい状態で移動することは危算で分子座標を制御することで実際の分子の動きを再現し険が伴うと考えた．そこで，アプリケーション起動時はスた [4]．さらに，温度による水素結合の変化を学ぶため，温マートフォンのカメラで撮影した周囲の映像を背景に表示

度変更用スライドバーや現在の温度などを表示するパネルして AR とした．これにより，分子構造を確認するだけでを下部に配置した．

あれば周囲の状況を把握しながら移動することができる．

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2F2-4

表 1: 7 段階評価アンケート．全 9 項目で 1-1〜5 は理解度，2-1〜3 は操作性，3-1 は期待度を評価する項目．

(a) 水分子クラスター(b) 水分子周辺の拡大図
図 3: 出張講義用コンテンツ．図中は水分子クラスターを例示．

図 4: 出張講義の様子．32 名の生徒が VR-MD を体験中．

出張講義における検証

3.
3.1

VR-MD を使用した授業

2021 年 11 月に開催された出張講義（講義時間が約 60分，質疑応答・アンケート記入が約 20 分）で，試作した化

図 5: 7 段階評価アンケートの平均スコアと標準偏差 (std.)．

学教育用アプリケーション「VR-MD」を使用した（図 4）．

スコアは値が大きいほど高評価を意味する．

授業は高校 1〜2 年生の 32 名が参加し，佐藤先生の講義とVR-MD の体験（5〜10 分間程度）を交互に行う形式で進め

7 段階評価アンケートの結果3.2.1

た．また初めての試みであるため，体験時の混乱によって授回答があった 32 名分の評価結果から平均スコアと標準偏業に遅延が発生することを想定し，初回体験時や困った際差を求めた結果を図 5 に示す．どの項目も平均スコアは 5の補佐として 6 名が待機した．しかしながら，生徒達の適以上と高い評価が得られた．特に理解度に関する項目では応力が高く，VR-MD の操作にも短時間で慣れていたため，多くの人が最高点に近い評価であったことから，専門家で授業は遅延なく進行した．

ある先生の分子イメージを初心者である高校生と共有でき3.2

授業後のアンケートたと考える．

VR-MD による教育的効果を確認するため，授業後に 7た．後者は例年実施されており，同様の授業内容のアンケー回答があった 31 名分（1 名未回収）の内容から一例を示す．

ト結果（2018 年，VR 未使用）があったことから感情分析を用いた比較も実施した．

Ⓒ 2022 日本バーチャルリアリティ学会自由記述アンケートの結果

3.2.2

段階評価アンケート（表 1）と自由記述アンケートを実施し• 水素結合はずっと教科書を読んでもよく分からなかったので今回やっと理解することができて感動しました-2F2-4-

2F2-4等分散性を F 検定を確認した結果，p=0.597 で「等分散性あり」となった．最後に二群比較として Student の t 検定
で確認した結果，p=0.0497 で「平均値に差がある」となったことから，2 つのアンケート結果には有意な差があると考える．

4.

結論
本研究では，化学教育用アプリケーション「VR-MD」を試作し，高校生 32 名が参加する出張講義で使用することで教育的効果を検証した．授業後に実施した 7 段階評価アンケート結果を集計したところ，特に理解度関連の項目で高い評価が得られた．このことから，専門家である先生の分子イ(a) 2018 年，VR 未使用メージを初心者である高校生と共有できたと考える．また
自由記述アンケートは，授業内容が近い 2018 年のアンケー
トとともに感情分析を実施した結果，VR を使用した今回（2021 年）の方がポジティブな意見を持つ人が増え，学習意欲が向上したと考える．
今後は，複数人で同じ課題を議論しながら解決していく
学習方法にも VR によるイメージ共有が有効と考えるため，安定して利用可能なネットワーク機能導入を検討する．
謝辞 出張講義の実施では，東京都立武蔵高等学校にご協力を頂いた．

(b) 2021 年，VR 使用

参考文献

図 6: 感情分析のスコア分布．値が小さいほどネガティブ，大きいほどポジティブであることを表す．単語感情極性対応[1] Concannon,

B.J.,

S. Esmail,and M. Roduta

Roberts.: Head-mounted display virtual reality in

表からスコアが-0.95 以下および 0.95 以上の単語を使用．

post-secondary education and skill training., in Frontiers in Education. 2019. Frontiers

他の生徒も同様の意見が多い印象であり，7 段階評価アン[2] Kamińska, D., et al.,: Virtual reality and its ap-

ケートの結果とも一致する．

plications in education: Survey., Information, 2019.

本アンケートと 2018 年のアンケートの記載内容を比較す

10(10): p. 318

るため，感情辞書ベースの感情分析を実施した．その結果を図 6 に示す．2018 年と 2021 年の分析結果を比較すると，[3] https://github.com/NON906/HandMR

後者の方がポジティブな意見を書いた人が増えているよう[4] 吉川信明，松田健郎，他：VR-MD: スマホ VR で実施
する分子動力学計算の実装, 第 27 回日本バーチャルリに見える．これらに有意な差があるかを確認するため，二アリティ学会大会群間の比較を実施した．

2 つのアンケート結果は独立であるため，正規性を Shapiro-[5] Isobe, H., et al.,: Molecular bearings of ﬁnite carbonWilk 検定で確認した結果，図 6a は p=0.695 で「正規性あnanotubes and fullerenes in ensemble rolling motion.,り」，図 6b は p=0.185 で「正規性あり」となった．次にChemical Science, 2013. 4(3): p. 1293-1297Ⓒ 2022 日本バーチャルリアリティ学会-2F2-4-