このコラムを読まれている方にとって学生時代はどのくらい前のことになるでしょうか？　高校で受けた授業科目の名称や「一期校／二期校」「共通一次試験」「大学入試センター試験」「AO 入試」など大学受験に関する言葉の何に馴染みがあるかが世代を決める一つの目安になるかもしれません。 これら制度の違いは高等教育の現場である大学に良くも悪くも大きな影響を与えます。 そして学生の様子も時代とともに変わってきています。 ここでは大学における技術教育の現状と筆者の研究室で開発を進めている教育支援システムについてお話させていただきます。

理工系の高等教育現場のいま

能動的な学習のコンピュータによる支援

筆者はコンピュータを上手に利用すれば授業を補う能動的な学習環境を構築し、前述の問題をある程度解消できるであろうと考えています。たとえば、機械設計に関する教育で必ず扱われるものの一つに機構学があります。機構学では機械の動きを幾何学的にモデル化しますが、機械に触れた経験が少ないと数式や図だけでは機構学で扱われる内容をイメージしづらい場合があるでしょう。ビデオなどで動きを見せることも考えられますが、それではどうしても受け身がちになってしまうことは否めません。そこで筆者の研究室では歯車や軸、モータなどの機械要素をコンピュータの画面上でブロックのように組み合わせて任意の機械のモデルを構築し、その動きをアニメーション表示するシステムの開発を進めています [2,3]

$[2,3]$

。 システムの実行画面を図 1 に示します。 一般の 3 次元 CAD システムとは異なり、設計の本質にかかわるパラメータだけを入力するインタフェースにしています。 図 2 は独立したビータ（プロペラで代用）を 2 本もつ電動ハンドミキサの機構モデルを構築していった様子で、表示倍率や視点の方向を適宜変更しながら順次適当な機械要素をマウスのドラッグ・アンド・ドロップ操作によって配置し機構を構築します。 このとき、動力伝達方向の変換に平歯車対を用いようとしても歯車どうしが結合せず、平歯車対とかさ歯車対の違いが仮想体験を通して理解できるようにもなっています。

図 2  機構構築の様子

機械系エンジニアにとっては図面が正しく読み書きできる能力も必須です。立体を投影図で表現したり投影図から立体を想像できるようになるには、様々な形状の立体について自分の頭で考えて描いた投影図を指導者に見せ、適切な講評を受けて修正するという試行錯誤を繰り返すことが有効でしょう。 筆者の研究室では指導者が行う講評の一部をコンピュータで代替する製図学習支援システムの開発を進めています [4,5,6]

$[4,5,6]$

。 手書きの投影図をイメージスキャナやスマートフォンでディジタル画像化したものを入力すると、システムはそこに表現されている情報にできる限り忠実にサーフェスモデルを生成して表示します。つまり、投影図に不備があれば誤りの内容を反映した不自然な立体が表示されるので、正解を見たり指導者の指摘を受けなくても、注意深く立体を観察することで投影図中の誤りの有無や箇所を調べられるというものです。たとえば、図 3(a) はかくれ線が一部欠落している投影図で正面図の赤丸で囲った部分に存在すべきかくれ線が描かれていません。 システムはこの投影図から図 3(b) の立体を生成して提示するので、ユーザは中央の直方体が内部のない状態になっていることから投影図の誤りに気が付き、さらに面が張られていない部分に注目し投影図のどの箇所に問題があるのかを考えて修正するという手順で学習を進められます。

図 3  投影図の誤りを反映した立体の生成

おわりに

理工系の大学教育が置かれている現状と、そこに生じている問題を解消することを目指して開発を進めている教育支援システムを紹介しました。 機械と身近に接する環境があり、指導者と学習者の双方に心と時間のゆとりがあれば、このようなシステムは無用のものといえるでしょう。 現代はエンジニアを育てるのに良い時代になったのか悪い時代になったのか、どちらだと思われますか？

次回は、筆者が学生時代から手掛けているアコースティック・エミッション（AE）法についてお話させていただきます。

【参考文献】

[1] 大学設置基準, 昭和31年10月22日文部省令第28号（最終改正：平成27年3月30日文部科学省令第13号）.

[2] 結城 宏信, 岩石 さやか, 石川 紗樹: “マウスによる要素配置と条件指定を導入した教育支援用機構構築シミュレーションシステムの開発”, 講演会 技術と社会の関連を巡って：過去から未来を訪ねる 講演論文集,No.15-53, pp.23-24, (2015).

[3] 結城 宏信, 菊池 風太: “三次元機構構築シミュレーションシステムにおける機械要素配置機能の操作性の向上”, 日本機械学会2016年度年次大会講演論文集, No.16-1, S2020101, (2016).

[4] 結城 宏信, 山崎 陽介: “手書き製図に対応した第三角法の学習支援システムの開発”, 日本機械学会2015年度年次大会講演論文集, No.15-1, S2020204, (2015).

[5] 黒沢 晃平, 結城 宏信: “スマートフォンを用いた製図学習支援システムの開発（手書きした投影図からの立体生成）”, 講演会 技術と社会の関連を巡って：過去から未来を訪ねる 講演論文集, No.17-52, 134,(2017).

[6] 黒沢 晃平, 結城 宏信: “二面図もしくは三面図で表した投影図と立体の関係を学ぶための製図教育支援システムの開発”, 日本機械学会2018年度年次大会講演論文集, No.18-1, J2010102, (2018).