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中学校数学で「未完成な証明」を生成する生徒の推論過程を改善する教授方略の研究

本研究の目的は,中学校数学の証明問題の解決場面で「未完成な証明」を生成する中学生の「架橋過程」での認知的要因と思考を同定し,それに基いて中学生の「架橋過程」を促進する教授上の視点を見出すことであった.「未完成な証明」を生成した認知的要因を分析するために,「仮説的架橋」と「調整」という観点から成る分析枠組みを構築し,インタビュー調査を実施して得たデータを分析した.その結果,「未完成な証明」を生成する中学生の認知的特徴を同定し,「未完成な証明」を生成した生徒への教授上の視点を示唆した.平成25年度の研究成果は,次の通りである.第一に,「未完成な証明」とその認知的要因に関する先行研究を調べ,研究の成果と課題について知見を得た.「未完成な証明」は,生徒によって書かれたものと捉えられていた.また,「未完成な証明」を,誤りや飛躍を含む証明と捉える立場と,証明のアイディアや方針と捉える立場があった.本研究は,現状,前者の立場をとることにした.さらに,Boero(2001)による代数の証明問題の解決過程における「予期(anticipation)」の働きについて考察し,証明過程における「予期的思考」について知見を得た.第二に,Heinzeらの研究における「仮説的架橋」と「調整」という視点をもとに,中学生の証明過程の考察し,「未完成な証明」を生成する中学生の認知的特徴を分析する枠組みを構築した.この枠組みに基づいて,対象とする中学生へインタビュー調査を実施し,その認知的特徴を同定した.その結果,「未完成な証明」を生成した中学生は,仮説的架橋と調整のいずれか一方の失敗だけでなく,仮説的架橋と調整の両方の失敗という認知的特徴があった.第三に,前向き推論と後ろ向き推論を繋ぐ「推論III」を成功的に遂行できた生徒と,成功的に遂行できなかった生徒の証明過程を比較し,それぞれの生徒の認知的特徴,思考のパターンを考察した.その結果,両者の共通点として,証明の方針は立てられるということである。しかし,証明の方針に沿って実際に証明を構成する際に働く思考に違いがありそうだといことがわかった。具体的には,ある二つの角(あるいは辺)が等しいことを示す際に,直接等しいことを示すことができないときに,示そうとしている角(あるいは辺)と等しい別の角(あるいは辺)に転換しようという思考が働いている傾向があった.この思考を同定するのは今後の課題である.本研究の目的は,中学校数学の証明問題の解決場面で「未完成な証明」を生成する中学生の「架橋過程」での認知的要因と思考を同定し,それに基いて中学生の「架橋過程」を促進する教授上の視点を見出すことであった.「未完成な証明」を生成した認知的要因を分析するために,「仮説的架橋」と「調整」という観点から成る分析枠組みを構築し,インタビュー調査を実施して得たデータを分析した.その結果,「未完成な証明」を生成する中学生の認知的特徴を同定し,「未完成な証明」を生成した生徒への教授上の視点を示唆した.平成24年度の研究成果は,次の通りである.第一に,証明の構成過程における認知的側面を分析する視点を得た.具体的には,Heinzeら(2008)による研究から,証明の構成過程において「仮説的架橋」と「調整」が鍵であることが明らかになった.また,Boero(1999)の研究によれば,証明の構成過程では私的な側面と公的な側面があることがわかり,この点を分析の視点に組み入れることとした.また,Boero(2001)の研究における「予期的思考(anticipationary thiking)」の役割が明らかになり,「仮説的架橋」や「調整」を促進する上で「予期的思考」が重要な役割を果たす可能性があることを見出した.予期的思考については,Furinghetti & Morselli(2004, 2009)でも言及されていた.さらに,「仮説的架橋」の「仮説的」の意味を明らかにするために,認知心理学におけるEvans(2007)の「仮説的思考理論」の概念に整理した.第二に,生徒による解答を分類する基準を設定し,生徒の解答を分類した.生徒の解答の分類は,「仮説的架橋」の観点「仮定から結論までどの程度繋げられているか」と「調整」の観点「推論の誤りや飛躍があるか」から行った.その結果,「架橋過程に成功,調整に失敗」タイプ,「架橋過程に失敗,調整に成功」タイプ,そして,「架橋過程と調整の両方に失敗」タイプを,「未完成な証明」のタイプとして特定した.第三に,各タイプに属する中学生に対してインタビュー調査を実施した.その結果,推論IIIができなかった生徒は推論Iだけを行っていた.そして,推論IIIができている生徒は推論Iと推論IIの両方を行っていると同時に,「予期的思考」を利用していることがわかった.さらには,調整に失敗している生徒は証明の公的な側面への意識が欠落している可能性も示唆された.9月にインタビュー調査,10月には筆記調査,12月にはインタビュー調査を行った.今年度の後半は積極的にフィールドに出て,データを収集できた.そこでは,推論IIIができなかった生徒の認知的要因と思考パターンを探ろうとした.しかし,現段階では,推論IIIができない生徒の特徴は捉えられたが,その特徴をもった生徒が推論IIIができないかについては明らかになっていない.その意味で,認知的要因は特定できていない.

同様に,ある特定の生徒の思考パターンは明らかになっているが,それがどの範囲まで一般化できるのかについては明らかにできていない.これらは,調査を計画する段階で想定していなかったことが原因である.中学生の証明の構成過程を分析する枠組みを構築するために,多くの先行研究を分析してきた.しかし,現段階では,「未完成な証明」や「架橋過程」といった本研究のキーワードについての定義が曖昧であった.そのため,筆記調査やインタビュー調査の視点が定まらず,役立つデータがなかなか得られていない.「未完成な証明」は,現在,生徒の解答に見られる表層的特徴から規定している.中学生による認知的要因や思考の特質から,「未完成な証明」を定義する必要がある.また,「架橋過程」についても,他の類似な先行研究と比較し,本研究における「架橋過程」の特徴を見出し,定義する必要がある.そして,これらを踏まえた分析枠組みを構築し,その枠組みが機能するような調査を設計する.未完成な証明を生成した生徒と証明を完成させた生徒の両方について,それぞれ認知的要因と思考パターンを明らかに志,比較検討する.その際,「未完成な証明」は多様に存在することが想定される.そこで,いくつかのタイプを選定し,そのタイプについて深く調査する.その際には,あるタイプの「未完成な証明」を生みだす生徒の認知的特徴を明らかにすることだけに留まらず,その認知的特徴をもった生徒は,そのタイプの「未完成な証明」を生成するのかまでも調べる.思考パターンについても,同じ手法で調べていく必要がある.あるタイプの「未完成な証明」を選定し,それを生成した生徒が「架橋過程」を成功的に遂行できるようになる視点を探り,教授方略を考案する.当該研究費が生じたのは,研究費執行が遅れたためである.今年度分の研究費はすでにすべて執行しており,納品も済んでいる.したがって,25年度に請求する研究費は,当初の計画通りに進める.
中立型関数微分方程式の定性理論について

今年度は主として、中立型関数微分方程式が、ある種の漸近行動を示す非振動解を持つための十分条件について研究した。について、非振動解の存在定理を導いた。今後、これらのタイプの方程式が持ちうる非振動解の漸近行動を分類し、そのような非振動解が存在するための十分条件を明らかにして、方程式の振動行動の完全な特徴付けを与える計画である。
現代テスト理論を応用した大学生調査の経年比較分析モデルの構築

近年、高等教育の質的保証が求められてくる中、今後、継続的な大学生調査が学内外で行われることを前提とし、学内外での調査同士の結果を比較可能なように等化したり、異なる年度に行われた調査を等化したりして、学習成果の経年変化を統計的に妥当な方法で検証できるようなアセスメント・モデルを構築した。試みに、大学満足度を例に、その経年変化及び学年毎の変化する満足度の状況を明らかにした。その結果、全国的な傾向として、満足度が1年次から2年次に向けて落ち込むことが分かった。ただし、1年次には、大学満足度が低くとも、学年進行が進むにつれて上がっていく大学も見られた。本研究は、対象学年、調査票の異なる複数の大学生調査の結果を用いて、それらを現代テスト理論である項目反応理論(Item Response Theory:IRT)によって等化(equating)することで、大学生調査において、経年比較可能なデータを作成することを目的としている。研究初年度には、大学満足度について、日本版大学生調査プロジェクト(JCIRP)のデータセット(3・4年生用のJCSS2005、JCSS2007、初年次学生用のJFS2008の三つのデータ)を用いて、項目反応理論によって等化を行い、その経年変化及び学年毎の変化する満足度の状況を明らかにした。また、大学満足度については、1年次から2年次になる際に満足度が急激に落ち込んでいた大学と統計的に有意な差がなく満足度が落ちなかった大学とで、項目間関連構造分析(Item Relational Structure Analysis : IRS)を行った。その結果、各大学が学生群や学年ごとの大学満足度の順序構造が明らかになった。更に、大学生調査の結果を解釈する際に必要となる基礎データを構築すべく、大学に進学実績の全国の高校3800校の高校進路担当教員に対して、進路指導方針を尋ねるアンケート調査を実施し、次年度の研究に向けてデータ入力を行っている。本研究は、対象学年、調査票の異なる複数の大学生調査の結果を用いて、それらを現代テスト理論である項目反応理論(Item Response Theory : IRT)によって等化(equating)することで、大学生調査において、経年比較可能なデータを作成することを目的としている。研究2年目には、大学満足度について、日本版大学生調査プロジェクト(JCIRP)のデータセット(3・4年生用のJCSS2005、JCSS2007、初年次学生用のJFS2008の三つのデータ)を用いて、項目反応理論によって等化を行い、その経年変化及び学年毎の変化する満足度の状況を図示し、大学満足度については、1年次から2年次になる際に満足度が急激に落ち込んでいた大学と統計的に有意な差がなく満足度が落ちなかった大学とで、Interpretive Structural Modeling (ISM)を行った研究成果を、海外の学会(Association for Institutional Research 10^<th> Annual Forum2010)で発表し、雑誌論文として『クオリティ・エデュケーション』に投稿し掲載された。また、大学満足度の経年変化の要因を知るために必要な高大接続情報の獲得を目的に昨年度より進めている、大学に進学実績の全国の高校3800校の高校進路担当教員に対して、進路指導方針を尋ねるアンケート調査のデータ入力を完了させた。研究3年目は、まず、日本版大学生調査プロジェクト(JCIRP)のデータセット(3・4年生用のJCSS2005、JCSS2007、JCSS2009、初年次学生用のJFS2008、JFS2009の五つのデータ)のうち大学満足度項目についてデータを整理し直し、大学満足度項目のDIF (Differential Item Functioning)分析を最終年度に行う準備を行った。また、発行が遅れていた『クオリティ・エデュケーション』4号(2012年3月刊行)に、項目反応理論によって等化を行い、その経年変化及び学年毎の変化する満足度の状況を図示し、大学満足度については、1年次から2年次になる際に満足度が急激に落ち込んでいた大学と統計的に有意な差がなく満足度が落ちなかった大学とで、Interpretive Structural Modeling (ISM)を行った論文が収録された。海外の学会(Association for Institutional Research 11^<th> Annual Forum 2011)では、大学満足度について潜在クラス分析で学生分類をして傾向を見た研究成果をポスター発表した。

また、大学満足度の経年変化の要因を探るために必要な高大接続情報の獲得を目的に昨年度より進めている、大学に進学実績の全国の高校3800校の高校進路担当教員に対して、進路指導方針を尋ねるアンケート調査に関して、AHPとコンジョイント分析によって分析を行い教育社会学会で発表を行った。その結果、進路指導の理念が上位校と下位校で学力重視と意欲重視で分断している、所謂、ガイダンス・トラッキングが形成されている実態を明らかにした。研究4年目では、研究の総決算として、分析に必要なデータの収集のために、大学生調査を実施するとともに、最終年度につき、項目反応理論(Item Response Theory)と差異項目検出機能(Differential Item Functioning)についての研究会を開催した。また、調査結果の経験比較という観点で、過去のオープンキャンパスデータを利用し、高校生のAO入試イメージについて、テキストマイニングによる経験変化の分析も行った。分析に必要なデータを得るために、長崎大学環境科学部の学部生と共同で「環境意識と環境行動に関する大学生調査」を実施し、76頁の調査報告書を刊行した。調査対象者は、349名、回収率は、98.9%であった。分析報告書では、項目分析の他、因子分析、相関分析、自由記述分析、一元配置分散分析、二元配置分散分析を行っている。また、最終研究成果報告として、九州大学アドミッションセンターにおいて、研究会を開催し、これまでの科研の成果として、項目反応理論(Item Response Theory)を用いた経年変化に関する分析結果を報告し、その方法を紹介するとともに、項目反応理論(Item Response Theory)と差異項目検出機能(Differential Item Functioning)については、ソフトウェア(PARSCALEとEASY-estimation)の使い方に関するチュートリアルを実施し、参加者全員のPCで実演可能なデータを準備して実際にPC上でプログラムを実行することで、両分析手法に対する理解を深めることを行った。おおむね順調に進展している。既に、本科研の柱となる項目反応理論によって等化やInterpretive Structural Modehng (ISM)を行う研究は査読雑誌に採択されており、最後の大学満足度項目のDIF分析に取りかかるのみである。24年度が最終年度であるため、記入しない。今後の研究課題については、最終年度にDIF分析を行うことである。そのためのソフトの整備等も滞りなく行い、データの整理もアルバイトの雇用により終了している。理論的検討を年度の前半部分で進め、年度の後半部分でデータ分析を行うことを予定している。
炉心制御の基礎(総括班)

「炉心制御の基礎」は、4つの計画研究と14の公募研究によって研究が進められている。本総括班は関係する研究者19名により構成され、研究全体を総括している。本年度の活動状況は以下のようである。(1).総括班会議などの開催第1回総括班会議(S63年5月2日):班構成、各サブ班のS63年度研究計画の検討など第2回総括班会議(S63年7月9日):S64年度計画計画研究のあり方及び各サブ班の構成、考え方、重点領域研究への要望、総合総括班事業「核融合研究会」の開催方針、具体案など第3回総括班会議(S63年9月3日):S64年度計画研究の検討など第4回総括班会議(H1年1月26日):S63年度研究成果報告書の作成、H1年度計画研究の方針、重点領域研究など評価委員とサブ班長との会議(S63年6月30日):S64年度の各サブ班の計画研究の項目について重点領域研究の進め方の検討会(S63年11月24日):重点領域研究の内容、具体案の検討など(2).第3班研究成果発表会と研究報告書平成元年1月26日、27日、京大会館にて開催:各計画研究については全体の概要をサブ班長(50分)、さらに3課題を研究分担者(各15分)が報告した。公募研究については全分担者(各15分)が報告した。発表内容は研究報告書として印刷中である。
機能性超微粒子セラミックスの基礎研究

本研究では通常のセラミックプロセッシングで用いられるボ-ルミル粉砕法により、0.1μm程度の超微粒子粉末を作成し、超微粒子の固相反応における活性化を利用し、1000°C以下の低温で焼結可能な機能性セラミックスを開発してきた。最終年度は、過去の研究で確立された粉砕方法(不純物の混入を防ぐためアルミナ製よりジルコニア製の13mmφのボ-ルを用いている)により得られた粉末を利用し低温で焼結したセラミックスの各分野への応用を検討した。(1)シリカーガラス系低温焼結基板材料シリカーガラス混合超微粒子粉末を用いたセラミック基板は900°C程度の温度で焼結が可能であり、高速コンピュ-タ用基板に必要な低誘電率(3.94.2at 1MHz)を有していた。110K級高温超伝導体を得る目的で、BiーPbーSrーCaーCuーO系セラミック粉末を上記粉砕法で作成し、MgO(100)基板上に塗布し、減圧下(O_2:Ar=1:10)で焼成することにより、密着強度の大きいTe=108Kのほぼ単相の超伝導厚膜素子の作成に成功した。(3)アモルファスフェライト材料Li_2OーBi_2O_3ーFe_2O_3、CuOーBi_2O_3ーFe_2O_3系粉末を上記粉砕法で作成し、1,2001,300°Cで溶融後、双ロ-ル法により急冷してアモルファスフェライトを作成した。これらの磁性粉は将来磁気記録媒体としての応用が期待される。1昭和62年度研究実績;本研究は,極めて簡単なボールミル粉砕法で0.10.3μm程度の超微粒子粉末を作成することにあった.粉砕用ボールとしては5mm中以下のジルコニア(ZrO_2)ボールを用いた.このような微小球ジルコニアを用いた理由は, 10mm中以上のボールを用いたのでは上記0.10.3μm程度の超微粒子が得られないこと,また,他のアルミナ,メノウなどのボールでは不純物の混入が多いからである.このような方法で,当初の目的である0.10.3μm程度のフェライト粉末,圧電セラミック粉末,超伝導セラミック粉末など各種セラミック粉末が得られるようになった.これらの粉末を用いセラミックスを作成したところ,フェライト,圧電セラミックスでは,通常の焼成温度より100200°C低い温度で緻密なセラミックスが合成できた.また,緻密化が難しいYBa_2Cu_3O_<7-8>系超伝導セラミックスでは相対密度95%以上の高密度化に成功し,ほぼ当初の目的を達成した.2昭和63年度研究計画;昭和63年度の研究計画では前年度で確立されたボールミル粉砕法で得られる超微粒子粉末を使用し,各種機能性セラミックス素子を開発する.超微粒子の特徴である固相反応における活性化を利用して,通常の焼結温度より数百度以上低い1000°C前後の低温度で焼結可能な低温焼結セラミック基板,低温焼結積層コンデンサなどを作成する.この方法は,アルミナ(Al_2O_3),ジルコニア(ZrO_2)など18002000°Cという高温で焼結される材料には効果的で,大幅な低温焼結化が期待できる.合成された機能性セラミックス素子については,その電子・電気的特性,磁気的特性,さらには機械的特性などを測定し,各分野への応用を検討していく.1.昭和63年度研究実績;本年度は前年度で確立したボールミル粉砕法で得られる超微粒子粉末を使用し、各種機能性セラミック素子を開発した。

まず、超微粒子の特徴である固相反応における活性化を利用して、通常の焼成温度より数百度以上低い、1000°C前後の低温度で焼結可能なBaO-ZrO_2-B_2O_3系低温焼結セラミック基板を開発した。さらに、複合ペロブスカイトPb(B_1、B_2)O_3(B_1=Mg、Ni、Co、Mn、B_2=Nb、Ta、Wetc.)を含むPbTiO_3-Pb(B_1、B_2)O_3二成分系圧電セラミックス、PbTiO_3-PbZrO_3-Pb(B_1、B_2)O_3三成分系圧電セラミックスを1000°C前後の焼成温度で焼結し、優れた圧電特性を得ている。超伝導セラミックスでは、Bi-Sr-Ca-Cu-O系セラミック粉末を上記粉砕法で作成し、MgO(100)基板上に塗布することにより機械的強度の大きいTc=108Kの超伝導厚膜素子を得た。2.平成元年度研究計画;最終年度では、過去二年間の研究で確立された新セラミックプロセッシング法により得られた粉末およびその粉末を低温焼結したセラミックスの各分野への応用を検討する。セラミック粉末を利用する蛍光体や磁気記録媒体は有望な応用分野である。焼結体では、低温焼結セラミック基板、積層セラミックコンデンサ、高温超伝導セラミックスなど、応用例は枚挙にいとまがない。特に、積層セラミック基板や積層セラミックコンデンサでは、グリーンシートを多層化する工程が必要であるが、新プロセッシング法で得られる超微粒子を用いれば、従来30-40μmが限界とされていたシートの厚さをさらに薄くすることができるので、より一段の小形化、大容量化が期待できる。本研究では通常のセラミックプロセッシングで用いられるボ-ルミル粉砕法により、0.1μm程度の超微粒子粉末を作成し、超微粒子の固相反応における活性化を利用し、1000°C以下の低温で焼結可能な機能性セラミックスを開発してきた。本年度は、過去2年間の研究で確立された従来の常識とは違った、3mmφのボ-ル(不純物の混入を防ぐためアルミナよりジルコニアの方が望ましい)を使用するという新セラミックプロセシング法により得られた粉末を利用し低温焼結したセラミックスの各分野への応用を検討した。(1)シリカ-ガラス系低温焼結基板材料シリカ-ガラス混合超微粒子粉末を用いたセラミックス基板は900°C程度の温度で焼結が可能であり、高速コンピュ-タ用基板に必要な低誘電率(3.94.2at1MHz)のセラミックスが得られた。(3)アモルファスフェライト材料Li_2O-Bi_2O_3-Fe_2O_3,CuO-Bi_2O_3-Fe_2O_3系粉末を上記粉砕法で作成し,12001300°Cで溶融後、双ロ-ル法により急冷してアモルファスフェライトを作成した。これらの磁性粉は将来磁気記録媒体としての応用が期待される。
活性炭による病原ウイルスの吸着能と吸着されたウイルスの生残性変化に関する研究

水中の微量有機物を除去することを主な目的として導入される活性炭吸着プロセスによるウイルスの吸着容量と吸着後のウイルスの生残性の変化を明らかにするため、活性炭によるモデルウイルスの吸着容量実験、吸着後のウイルスの誘出実験、実活性炭処理施設に対する調査実験を行い、ウイルスの吸着容量と生残性に対する活性炭細孔分布や共存有機物の影響を検討した。活性炭による病原ウイルスの吸着特性を評価するため,フミン質濃度を一定とした試料水に指標ウイルスとして大腸菌ファージQβを添加した吸着実験を行い,ウイルス吸着の有無と吸着容量を検討した。また,液相濃度の経時変化に基づき,ウイルスの吸着速度を評価した。これらの検討により,微量有害有機化合物の除去を主要目的として導入される傾向にある活性炭吸着について,その副次的作用として数十nmのウイルスに対しても吸着されることが確認され,学術と応用の両面において新規性を有した重要な知見であった。また,ウイルスの吸着容量と活性炭細孔分布の関係,共存フミン質との競合関係を明確にするため,細孔分布の異なる活性炭を選択し,予備確認実験を行った。次に,大腸菌ファージQβを吸着された活性炭に対して誘出試験を行い,誘出されたQβを培養法と分子生物学定量PCR法によって定量することにより,吸着されたウイルスの生残性,生残性と固着時間との関係,他の吸着物質との関係の検討を行った。こうした検討は活性炭によるウイルスの吸着除去といった「正」の効果のみでなく,活性炭細孔に固着されたことによるウイルスの生残性の増大に伴う「負」の効果を示すなど,学術と応用の両面において大変重要である。さらに,生物膜による抑留を主機構により汚染物質を除去する緩速ろ過浄水処理システムについて,実稼働中の処理施設に対する調査研究を行い,ろ過施設内における大腸菌ファージの挙動,生残性の変化を調べた。また,実活性炭処理施設に対する調査も開始した。活性炭による病原ウイルスの吸着特性を評価するため,純水系およびフミン質共存系において,指標ウイルスとして大腸菌ファージQβを添加した吸着実験を行い,ウイルス吸着除去性と吸着除去に対するフミン質の影響を検討した。これらの検討により,微量有害有機化合物の除去を主要目的として導入される傾向にある活性炭吸着について,その副次的作用として数十nmのウイルスに対しても吸着されることが確認され,学術と応用の両面において新規性を有した知見が得られた。また,ウイルスの吸着容量に対する活性炭細孔分布の影響を評価するため,細孔分布の異なる4種類の活性炭を用いた吸着実験を行い、吸着除去性の活性炭に対する依存性を検討した。また,実際の稼働中の活性炭を附加した高度浄水処理システムを対象として,それぞれの処理プロセスから流入水と流出水を採集し、各処理プロセスにおける大腸菌ファージQβ濃度、有機物濃度、一般細菌、従属栄養細菌、大腸菌群濃度を測定し、その結果に基づき、Qβの除去挙動を検討し、他の評価項目との関係などについて解析を行った。フミン質濃度を一定とした試料水にQβとMS2をそれぞれ添加した吸着実験を行い、処理前後の試料水に対して、培養法、リアルタイムPCR法、及びナノ粒子径計測法による定量分析を行うことにより、QβとMS2の吸着等温線と吸着等温線係数を決定し、両モデルウイルスの平衡吸着容量特性を明らかにした。また、細孔分布の異なる活性炭による吸着実験と実験結果に基づく解析をそれぞれ行い、QβとMS2の吸着容量に対する活性炭細孔分布の影響を評価した。その上で、一定の条件下でQβとMS2を吸着された活性炭に対し、様々な誘出液による誘出効果の比較実験を行い、ウイルスの誘出に有効な誘出方法を特定した。また、活性炭から誘出したQβとMS2に対して、培養法とリアルタイムPCR法による定量を行い、吸着されたモデルウイルスの細孔内における生残性の経時変化を評価した。得た結果に基づき、活性炭によって吸着されるウイルスの生残性に対する活性炭細孔分布、吸着時の共存フミン質の影響を論議した。活性炭吸着処理施設を導入している2つの浄水処理場の各処理工程から処理水を採集し、処理水中に残存するモデルウイルスの濃度と活性を培養法とリアルタイムPCR法によって測定した。その結果に基づき、活性炭吸着による高度浄水処理システムにおけるウイルスの除去挙動を把握した。これらの結果は、ウイルス指標から見ても、有効な活性炭吸着高度浄水処理システムの構築と操作運転条件の設定に有用であり、学術的な面でも有意義と考える。
重度身体障害者の社会復帰のためのプログラマ教育・就労システムの開発

本研究の成果を次に箇条書に列拳する。(1)Pascal言語の在宅学習用教育プログラムの初期バージョンを完成した。(2)簡易入力装置として商用化されているジョイスティック、マウス、タブレットなどの重度身体障害者用入力機器への応用性、経済的実現性を調査した。(3)ソフトウエア産業界でのソフトウエア、エンジニアの生産性、バックログの滞積状況を調査した。(4)教育プログラムのモジュール試験を行った。(5)プロトタイプ、モデルにより重度身体障害者へのシステム適合性を実試験した。(6)ソフトウエア生産の作業内容を実地調査し、教育システム全体の調整を行った。(7)リハビリテーションセンターでの実地評価を行ない次の知見を得た。CAIの本質的問題点が指摘された。つまり、各設問、説明が単調であり、問題および解説せ読まなくなる。ファンクション・キーを多用し操作を容易にする必要がある。障害者への応用では、軽度の障害者に適応したので特別な入力装置は不必要であった。(8)ホスト・コンピュータと端末装置の間で行う通信方式は、その転送内容および安全性などを考慮して、再度詳細に検討する必要が生じた。(9)操作方法や教材作成などを行うたけの各種ドキュメンテーション、マニュアルの整備を行なった。(10)教材作成の自由度を向上し、Pascal言語以外のCAIシステムを作成することも容易に行なえるシステムとした。今後の研究の展開について次に箇条書に列拳する。(1)必要に応じて言語内部での処理過程を理解できるシステムが望まれる。(2)解説文書に理解できない言葉がある場合など、それらの言葉を検索できる辞書が必要と考えられる。しかも、検索を容易にするためにハイパー・テキストの概念を導入することが待たれる。(3)受け入れ側である人間の判断、学習系を明確に理解する尺度が必要である。当初計画との変更点を次に箇条書に列挙する.(1)最近の情報工学の成果を踏まえ,構造化言語教育のためPascal言語を在宅学習用教育ソフトウェアとした.(2)開発用言語として不適当になったBASIC, 80系アセンブラ言語の自習用プログラム開発をやめ,高級言語による開発に一本化した.(3)重度身体障害者でも容易に操作可能な端末システムのユーザ・インタフェース開発は障害の多用性を考慮し,既存の安価な入力機器を修正することとした.1.設備購入状況:(1)在宅での作業スペースを考慮し,開発マシンはラップトップ型パソコンとし,速度,記憶容量,補助記憶,視認性の点から,東芝製J-3100を2台購入した.(2)米国における開発ツールの充実状況から5インチフロッピードライブ装置を媒体変換用に1台購入した.(3)最近の安価なパソコン・ネットワークを高速に利用するため,非同期通信用モデムを2台購入した.(4)ワードプロセッサ入力業務委託の可能性も考慮し,漢字プリンタを1台購入した.2.進展状況:(1)Pascal言語の在宅学習用教育プログラムの初期バージョンを完成した.(2)簡易入力装置として商用化されているジョイスティック,マウス,タブレットなどの重度身体障害者用入力機器への応用性,経済的実現性を調査した.(3)ソフトウェア産業界でのソフトウェア・エンジニアの生産性,バックログの滞積状況を調査した.(4)教育プログラムのモジュール試験を行った.(5)プロトタイプ・モデルにより重度身体障害者へのシステム適合性を実試験した.(6)ソフトウェ生産の作業内容を実地調査し,教育システム全体の調整を行った.1.本年度の研究実績を次に箇条書に列挙する。(1)リハビリテーションセンターでの実地評価を行ない次の知見を得た。

CAIの本質的問題点が指摘された。つまり、各設問、説明が単調であり、問題および解説を読まなくなる。ファンクション・キーを多用し操作を容易にする必要がある。障害者への応用では、軽度の障害者に適応したので特別な入力装置は不必要であった。(2)ホスト・コンピュータと端末装置の間で行う通信方式は、その転送内容および安全性などを考慮して、再度詳細に検討する必要が生じた。(3)操作方法や教材作成などを行うための各種ドキュメンテーション、マニュアルの整備を行なった。(4)教材作成の自由度を向上し、Pascal言語以外のCAIシステムを作成することも容易に行なえるシステムとした。2.今後の研究の展開について次に箇条書に列挙する。(1)必要に応じて言語内部での処理過程を理解できるシステムが望まれる。(2)解説文書に理解できない言葉がある場合など、それらの言葉を検索できる辞書が必要と考えられる。しかも、検索を容易にするためにハイパー・テキストの概念を導入することが待たれる。(3)学習を進めるにあたり、各自メモを取ることが重要なこととなる。そのためにCAIにメモ書き機能を付加したり、副読本を用意することが不可欠となる。(4)学習意欲の向上のために、表示画面の検討、音声出力装置の導入などが必要と考えられる。(5)受け入れ側である人間の判断、学習系を明確に理解する尺度が必要である。この尺度により学習過程の評価が明確になり、学習効率の向上を定量的に行なうことが可能になる。
学習ポートフォリオシステムに対する２１世紀型スキル分析手法の提案

本研究では,学習ポートフォリオシステムに蓄積される学習者のフォーマル・インフォーマル両面の学びのデータを分析することによって,学習者が21世紀型スキルを獲得する過程を書き出すことを試みた.本研究に先んじて行ってきた過去2年間の研究結果から,人が単独で自主的に学習の過程を書き込んで残すことは本人にとっての学習効力感が低く,継続的な活動になり難いことがわかってきた.そこで,まずこの点について対談形式でまとめたものを出版した(研究成果参照).しかし,研究代表者の所属変更に伴い,学習ポートフォリオシステムに対象を絞っていた研究を「人が学ぶ過程全般」へと対象を拡大して, 21世紀型スキルの獲得に関する評価手法の検討を行ってきた.具体的には,学習者単独では学習過程を記録することの限界を超えるために, 2人で問題を解決させることで対話をさせ,その対話を詳細に分析することでどのような場面で21世紀型スキルが発現するかを評価した.その結果, 21世紀型スキルの中でも特にコミュニケーションにかかわるスキルが高い学習者は,はじめは答えがわからなくても前向きに答えを探そうとする対話を通じて2人で正解にたどり着くことができる確率が高いことがわかった.しかし,こうしたコミュニケーション能力は課題固有のものであるため,普遍的な能力であるとは言い難いこともわかった.今後,コミュニケーション能力は課題固有であることを踏まえた上で,対話など人の学習過程を無理なく記録する協調学習などの手法を活用することで,学習場面でいかに21世紀型スキルを評価するかについて慎重な検討を重ねていきたい.本研究では,学習ポートフォリオシステムに蓄積される学習者のフォーマル・インフォーマル両面の学びのデータを分析することによって,学習者が21世紀型スキルを獲得する過程を書き出すことを試みた.本研究に先んじて行ってきた過去2年間の研究結果から,人が単独で自主的に学習の過程を書き込んで残すことは本人にとっての学習効力感が低く,継続的な活動になり難いことがわかってきた.そこで,まずこの点について対談形式でまとめたものを出版した(研究成果参照).しかし,研究代表者の所属変更に伴い,学習ポートフォリオシステムに対象を絞っていた研究を「人が学ぶ過程全般」へと対象を拡大して, 21世紀型スキルの獲得に関する評価手法の検討を行ってきた.具体的には,学習者単独では学習過程を記録することの限界を超えるために, 2人で問題を解決させることで対話をさせ,その対話を詳細に分析することでどのような場面で21世紀型スキルが発現するかを評価した.その結果, 21世紀型スキルの中でも特にコミュニケーションにかかわるスキルが高い学習者は,はじめは答えがわからなくても前向きに答えを探そうとする対話を通じて2人で正解にたどり着くことができる確率が高いことがわかった.しかし,こうしたコミュニケーション能力は課題固有のものであるため,普遍的な能力であるとは言い難いこともわかった.今後,コミュニケーション能力は課題固有であることを踏まえた上で,対話など人の学習過程を無理なく記録する協調学習などの手法を活用することで,学習場面でいかに21世紀型スキルを評価するかについて慎重な検討を重ねていきたい.
I型糖尿病における膵島細胞障害機序の研究

I型糖尿病における膵島細胞障害をin vitroで再現し、細胞障害を防止する手段を開発することを目指して、以下のような研究を行った。NODマウスの脾則胞を膵島細胞と培養しただけでは、有意の細胞障害は認められなかったので、サイクロフォスファマイド注射により自己免疫機序を増強したNODマウスを用いるようにした。サイクロフォスファマイド注射後の脾細胞サブセットの変動を観察し、糖尿病発症との関連を見ると、NODマウスは骨髄抑制からの回復が遅く、Balb/cマウスと比較すると、サイクロフォスファマイド注射後にBリンパ球およびTリンパ球の比率が高く、芽球様のnullcellが少なかった。この傾向は後に糖尿病を発症したマウスで特に顕著であった。脾細胞をin vitroでC3Hマウスの脾細胞によりprimingした後のC3Hの細胞に対する細胞障害性は、サイクロフォスファマイド処理しないとNODとC3Hで差がなかったが、処理後はNODマウスの方が強いキラー活性を示した。次にレクチンによって刺激した脾細胞の膵島細胞障害性を検討した。ConAで刺激するとNODマウスの脾細胞は膵島細胞を障害したが、同様の障害は正常マウスの脾細胞でも認められた。このConA刺激脾細胞の膵島細胞障害は、poly(ADP-ribose)合成酵素阻害剤により抑制された。また、ConAで脾細胞を刺激した際のconditioned mediumだけでも、弱いながら膵島細胞を障害することが示された。そこで膵島細胞障害の一部にはサイトカインなどの液性因子が直接的に関与しているのであろうと考え、r-interferonとtumor necrosis factorの膵島細胞への作用を検討した。両者の存在下でマウス膵島細胞を培養すると、4日程度で細胞の破壊が起こる。このサイトカインによる膵島細胞破壊も、poly(ADP-ribose)合成酵素阻害剤により有意に抑制されることが明らかになった。NODマウスにおけるin vivoでの効果も、この機序による可能性がある。1.NODマウスの脾リンパ球のNK様臍島細胞障害作用の検討臍島炎が盛に観察される10週令前後のNODマウスを用いて, NODマウスおよびB10GDマウスの臍島細胞に対するNK様活性を^<51>Cr放出法で測定した.しかしspecific^<51>Cr releaseは4%以下であり,有意のNK活性は検出されなかった.2.臍島細胞に対するcytotoxic Tlymphocyte活性の検討NODマウスの脾リンパ球5×10^5とNODマウスの臍島細胞1×10^5を5日間培養した後, NODマウスの臍島細胞に対する障害作用を検討したが,明らかなCTL活性は認められなかった.同様の培養条件でBalb/cマウスの脾細胞に対するallo-killer活性は十分誘導された.3.レクチン刺激脾リンパ球の臍島細胞障害作用の検討Con-Aで3日間刺激したNODマウスの脾リンパ球は, NODマウスの臍島細胞に対して明らかな障害作用を示した. Con-Aで刺激したconditioned mediumだけでも臍島細胞から51Crを放出させる作用が認められ,なんらかの液性因子が関与していることが示唆された.

4.γ-interferonとtumor necrosis factorの作用の検討ヒトの臍島細胞にclassIIMHC抗原を発現させることが示されているIFN-γとTNFは,マウスの臍島細胞においても5日間同時に作用させるとIa抗原を発現させた. Ia抗原発現の程度はNODマウスとB10GDマウスとの間で差がなかった.またIFN-γとTNFは単独では臍島細胞を障害しなかったが,同時に作用させるとNOD, B10, GDの臍島細胞に対して明らかな障害作用を示した.レクチンによって刺激された脾細胞の膵島細胞障害性の検討。NODマウスおよびBlo、GDマウスの脾細胞を10μg/mlのConA存在下で3日間培養すると芽球化し、マウス膵島細胞と1:100のE/T比で24時間反応させると有意の膵島細胞障害を示した。そこでこの系を用いてpoly(ADPーribose)合成阻害剤の効果を検討した。脾細胞と膵島細胞とを反応させる際に4mMのnicotinamide,4mMのpicolinamideまたは0.5mMの3ーaminobenzamideを加えておくと、膵島細胞の破壊が抑制された。一方、conAで脾細胞を刺激した際のconditioned mediumだけを膵島細胞に加えても、弱いながら膵島細胞を障害することが示された。そこで膵島細胞障害の一部にはサイトカインなどの液性因子が直接的に関与しているのであろうと考え、次の実験を行った。Tumor necrosis factorの抗腫瘍作用の機序として、細胞膜の障害の他に、核に作用してDNAの断片化をきたすことが示されている。このことはtumor necrosis factorがストレプトゾトシンと類似した機序で膵島細胞を障害しうることを示唆しており、poly(ADP-ribose)合成酵素阻害剤の効果も、この点から理解しうると考えられる。またNODマウスの膵島炎に対するnicotinamideのin vivoでの効果もサイトカイン作用に拮抗することによっている可能性がある。
肺サーファクタント蛋白質A及びD関与の生体防御(自然免疫)の分子機構の解明

肺サーファクタント蛋白質AおよびD(SP-A、SP-D)は、マンノース結合蛋白質(MBP)とともに、C型レクチンのコレクチン・サブグループに属する。コレクチンは複合脂質の他に、ある種の病原微生物構成成分もリガンドとし、マクロファージとも相互作用を有して、呼吸器における自然免疫生体防御に寄与しているが、その分子機序の詳細は不明である。また、CD14やToll様受容体(TLR)は病原微生物菌体成分を認識するパターン認識受容体で、病原微生物に対する生体応答のシグナル伝達に必須である。本研究は、SP-AやSP-Dのコレクチンとマクロファージ受容体であるCD14/TLRによる自然免疫生体防御の分子機構を明らかにすることを目的として遂行された。以下に要約する。1.肺コレクチシのSP-AとSP-DはともにCD14に結合し、LPS-CD14相互作用を変化させるが、その結合の機序は異なる。さらに、MBPもCD14に結合することを明らかにした。2.ブドウ球菌由来ペプチドグリカン(PGN)はSP-Aのリガンドではないが、肺胞マクロファージとU937細胞株において、SP-AがPGN誘導TNF-alpha分泌を有意に抑制した。SP-Aは、TLR2によるPGN惹起NF-kappaB活性化を抑制した。SP-AはTLR2細胞外領域に直接結合して、PGNとTLR2細胞外領域の結合を抑制した。以上の結果は、SP-AがTLR2との直接の相互作用を介してPGN誘導TNF-alpha分泌を抑制していることを示している。3.TLR2によるPGN認識の分子機構を明らかにした。可溶型TLR2細胞外領域(sTLR2)を作成し、PGNとの直接の相互作用を調べた結果、PGNがTLR2細胞外領域に直接結合してNF-kappaBを活性化することがわかった。さらに、TLR2欠失変異体による解析から、PGNシグナリングにTLR2のCys30-Ser39領域は必須ではないが、Ser40-Ile64領域が重要であることが示された。また、キメラ体による解析から、TLR2と同様にPGNに結合するCD14は、PGNシグナリングに関してTLR2細胞外領域に代替できないことを示した。以下に要約する。肺サーファクタント蛋白質AおよびD(SP-AおよびSP-D)とマンノース結合蛋白質(MBP)は、C末端側に糖鎖認識領域(CRD)を有するC型レクチンのコレクチン・サブグループに属している。コレクチンは、複合脂質や病原微生物をリガンドとし、マクロファージとも相互作用を有して、呼吸器における自然免疫生体防御を担っている。一方、病原微生物およびその構成成分に対するパタン認識受容体であるCD14やToll様受容体(TLR)は、病原微生物に対する生体反応を惹起する重要な生体防御機能分子である。本研究は、SP-AやSP-Dのコレクチンとマルロファージ受容体であるCD14/TLRとの相互作用による自然免疫生体防御の分子機構を明らかにすることを目的として遂行された。以下に結果を要約する。1.マクロファージ様細胞株U937細胞mRNAよりヒトCD14とヒトTLR2のcDNAをクローニングした。

2.SP-AとSP-DはCD14と結合するが、MBPもCD14に結合し、MBP-CD14相互作用はSP-Aと同様にペプチド-ペプチド相互作用であることを見いだした。3.10個のロイシンリッチリピートモチーフ(LRR)を持つCD14の4つ欠損変異体を作成し、バキュロウィルス発現系およびCHO細胞発現系で蛋白質を発現させた。精製CD14欠損変異体とSP-Aとの結合をリガンドブロットにより解析したところ、SP-Aはwt sCD14と2LRR欠損のsCD14Δ277-310に強く結合し、5LRR欠損のsCD14Δ203-310には弱い結合性を示した。7LRR欠損のsCD14Δ151-310にはほとんど結合せず、SP-AとCD14との相互作用におけるLRRの重要性が示された。4.呼吸器感染症におけるグラム陽性菌感染症も極めて重要である。SP-Aとグラム陽性菌の菌体成分であるペプチグリカン(PGN)との相互作用を調べた。SP-AはPGNに有意な結合性を示さなかった。PGNもLPSと同様にマクロファージに対して細胞応答を惹起する。U937細胞および肺胞マクロファージを用いた系で、SP-AはPGN惹起TNFα分泌を抑制することを見いだし、SP-AがPGNによって惹起される炎症に対して抑制的に働くことが示唆された。5.PGNによって惹起される細胞応答に責任のあるTLR2の細胞外ドメインの重要性を調べるために、LRRを有するTLR2の細胞外ドメインを同じくPGNに結合してLRRを有するCD14に置換したCD14/TLR2キメラ体を作成してPGNに対する細胞応答をHEK293細胞でのNFΚB活性化を指標に調べたところ、キメラ体はPGNシグナルを伝達できず、CD14はTLR2に機能的に代替できないことが証明された。肺サーファクタント蛋白質AおよびD(SP-A、SP-D)は、マンノース結合蛋白質(MBP)とともに、C末端側にコラーゲン様領域を有するC型レクチンのコレクチン・サブグループに属する。コレクチンは、糖質、糖脂質、リン脂質の他に、ある種の病原微生物とその構成成分もリガンドとし、マクロファージとも相互作用を有して、呼吸器における感染防御のFirst Line Defenseとして自然免疫に寄与しているが、その分子機構は不明の点が多い。また、CD14やToll-like Receptor (TLR)は病原微生物菌体成分を認識するパターン認識受容体で、生体応答に必須である。本研究は、SP-AやSP-Dのコレクチンとマクロファージ受容体であるCD14/TLRとの相互作用による自然免疫生体防御の分子機構を明らかにすることを目的として遂行された。以下に要約する。1.肺コレクチンのSP-AとSP-Dに加えてMBPもCD14に結合することを明らかにした。2.SP-Aとグラム陽性菌菌体成分のペプチドグリカン(PGN)との相互作用を調べた結果、PGNはSP-Aのリガンドではないことがわかった。PGNはマクロファージ細胞株U937と肺胞マクロファージからのTNF-alpa分泌を促進するが、SP-AはPGN-誘導TNF-aplha分泌を有意に抑制した。しかし、SP-AはPMA-誘導TNF-alpha分泌は抑制せず、SP-Aによる作用は菌体成分惹起細胞応答に特異的であった。
動的風洞実験のための画像計測技術

私の研究目的は,大振幅のピッチング動作中にphotogrammetry測定技術と力測定を組み合わせて後退角の小さくかつ剛性の低い柔軟なデルタ翼の挙動を理解することである.過去の研究としてGursulらによって柔軟なデルタ翼の場合,同じ形状の剛性の高いものに比べ,ポストストールと呼ばれる領域において大きな揚力効果が得られるという結果が示されている.今回の実験では,後退角50°,コード長200mmのデルタ翼で厚みを0.4mm,0,6mm,1.0mmと変えて行った.またピッチング動作の静的実験と動的実験の両方を行い,それぞれにおいてデルタ翼の揚力曲線を調べた.この実験からではGursulらの示した結果を得ることができなかった.これはデルタ翼を支える支持部のサポート領域に起因していると考えられ,デルタ翼の支持部の長さを短くすることによってこの結果を得ることができることが追実験によって確認された.それに加え,デルタ翼の支持領域の幅と支持部の長さに対しても揚力効果の影響が見られることも確認することができた.今後の実験では支持機構を改良し,Gursulらの支持機構を置き換えることによって行う予定である.また12月中旬から2月の末までの期間にウェスタンミシガン大学のTianshu Liu研究室にて研究をしてきた.この期間ではphotogammetry測定で使用するカメラキャリブレーションのためのキャリブレーション方法の学習について学んだ.この方法は,従来よりもはるかに簡単であり風洞実験においてより効果的に使用することができる.また,フレキシブルフラット矩形板の3D座標測定技術の周波数解析についても学んできた.これは振動する平板の3次元座標と矩形平板の周波数を求めるために利用される技術で,この経験を研究に生かしていきたいと考えている.私の研究目的は,大振幅のピッチング動作中にphotogrammetry測定技術と力測定を組み合わせて後退角の小さくかつ剛性の低い柔軟なデルタ翼の挙動を理解することである.過去の研究としてGursulらによって柔軟なデルタ翼の場合,同じ形状の剛性の高いものに比べ,ポストストールと呼ばれる領域において大きな揚力効果が得られるという結果が示されている.今回の実験では,後退角50°,コード長200mmのデルタ翼で厚みを0.4mm,0,6mm,1.0mmと変えて行った.またピッチング動作の静的実験と動的実験の両方を行い,それぞれにおいてデルタ翼の揚力曲線を調べた.この実験からではGursulらの示した結果を得ることができなかった.これはデルタ翼を支える支持部のサポート領域に起因していると考えられ,デルタ翼の支持部の長さを短くすることによってこの結果を得ることができることが追実験によって確認された.それに加え,デルタ翼の支持領域の幅と支持部の長さに対しても揚力効果の影響が見られることも確認することができた.今後の実験では支持機構を改良し,Gursulらの支持機構を置き換えることによって行う予定である.また12月中旬から2月の末までの期間にウェスタンミシガン大学のTianshu Liu研究室にて研究をしてきた.この期間ではphotogammetry測定で使用するカメラキャリブレーションのためのキャリブレーション方法の学習について学んだ.この方法は,従来よりもはるかに簡単であり風洞実験においてより効果的に使用することができる.また,フレキシブルフラット矩形板の3D座標測定技術の周波数解析についても学んできた.これは振動する平板の3次元座標と矩形平板の周波数を求めるために利用される技術で,この経験を研究に生かしていきたいと考えている.
超伝導複合材料の力学応答が超伝導特性に及ぼす影響のモデリング

多芯Nb_3Al/CuおよびNb-Ti/Cu超伝導複合線材を対象として,静的および繰り返し(疲労)応力下での,フィラメントおよび安定化銅の損傷の発生,成長,集積を観察した。その結果と臨界電流を比較することにより,力学応答と超伝導特性の相関を評価した。主な結果は以下のようにまとめられる。(1)複合線材中でNb_3Alフィラメントは脆性破壊するがNb-Tiフィラメントは延性を持っているため,単独の場合と複合材中では著しく異なった挙動をする。Nb-Tiフィラメントは単独の場合は1箇所でネッキングして破断するが,複合材中ではフィラメントと安定化銅の力学的相互作用でネッキングの進行と抑制が繰り返されるので,マルティプルネッキング現象を呈する。(2)その結果,フィラメント損傷は,Nb_3Alでは脆性破断の集積,Nb-Tiではマルティプルネッキングによる断面の不均一化の形で生じる。(3)損傷を内含する複合線材の破壊強度と臨界電流の相関解析から,損傷が増すと共にn値が低下すること,破壊強度と臨界電流の間には弱い直線関係があることを見出した。