JP2004294701A - 仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム - Google Patents
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Abstract
【目的】学習教育的な目的で様々な科学上の実験を、コンピュータを用いて仮想現実空間内で擬似的にシミュレートする場合において、現実実験の場合と同様に各種の科学実験をそれに付随する各種現象と共に体験させるシステムの提案。
【構成】仮想現実空間内で１つ以上の擬似的科学実験を行わしめるに際して、仮想現実空間内において処理するデジタルデータとして、実験環境データ６ａ、実験器具データ６ｂ、実験材料データ６ｃなどの各種実験条件データ６を所定のものとして実験者に各種出力装置を介して感覚的に認識できるように与え、該実験者が任意に行った各種実験条件データ６の組合せを入力せしめ、それに応じて実験した場合に生じる実験結果データ７を自然法則に従って計算・確定し、必要に応じて該実験結果に至る実験実行過程に関するデータ８と共に各種出力装置を利用して感覚的に把握できるものとして出力する。
【選択図】 図１
【構成】仮想現実空間内で１つ以上の擬似的科学実験を行わしめるに際して、仮想現実空間内において処理するデジタルデータとして、実験環境データ６ａ、実験器具データ６ｂ、実験材料データ６ｃなどの各種実験条件データ６を所定のものとして実験者に各種出力装置を介して感覚的に認識できるように与え、該実験者が任意に行った各種実験条件データ６の組合せを入力せしめ、それに応じて実験した場合に生じる実験結果データ７を自然法則に従って計算・確定し、必要に応じて該実験結果に至る実験実行過程に関するデータ８と共に各種出力装置を利用して感覚的に把握できるものとして出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に体験学習教育的な目的で様々な自然科学上の実験を、コンピュータを用いて仮想現実空間内で擬似的にシミュレートする場合において、現実の実験の場合と同様に各種の科学実験をそれに付随する各種現象と共に体験せしめるシミュレーションシステムを提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自然科学上の様々な実験を現実の実験室で行なうための実験器具や材料は学校教育の現場などで準備され、特定の実験を簡易に行うための実験セットのような商品も販売されている。
【０００３】
また、コンピュータの急速な発達と普及により、仮想現実空間内の仮想現実（ヴァーチャルリアリティー）を利用して様々な体験を学習させるような試みも行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したような従来の技術では、現実に実験を行うのであれば実験材料や実験器具を揃えたりするのが煩雑であり、また、学校教育の現場などでは安全性の配慮やコスト等の問題から実施できない科学実験も多い。
【０００５】
コンピュータを利用したシミュレーション実験では、それが厳密な科学性を追及したものであれば計算シミュレーションのように必要とする結果を厳密に算出するだけで実験そのものを疑似体験するようなものはない。
【０００６】
また、所謂ヴァーチャルリアリティーを利用して様々な疑似体験を行わせるシステムもあるが、必ずしも自然法則に忠実に従ったものではなく、特に、娯楽性を追及しているような場合には却って仮想現実空間のプログラム次第で実現可能な自由性を利用して現実では有り得ない現象を疑似体験させるというようなものが多い。
【０００７】
なお、仮想現実空間内で種々の科学実験シミュレーションを行う場合には実験材料が消費されるとか実験生成物をその後どう処理するか、付随的に生じる現象はどのよなものかなどといった点に配慮することは殆どないが、現実の実験等ではこのような問題を無視することができず、よりリアルな体験的学習効果を上げるための実験シミュレーションを実現するにはこれらの点なども考慮すべきであるがそのようなものは存在していない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記したような従来技術における課題を解消することについて、実験と検討を繰り返し行い創案されたものであって、自然科学に関する多様な実験環境や実験材料を自然法則に忠実に従ったものとしてデジタルデータ化し、これをコンピュータを利用した仮想現実空間内で実験者が感覚的に把握できるように忠実に再現して各種の出力装置で提示しながら科学実験のシミュレーションをリアルに実現するシステムを開発したものであって、具体的には以下のとおりである。
【０００９】
（１） コンピュータを利用して仮想現実空間内で１つ以上の擬似的科学実験を行わしめるに際して、
仮想現実空間内において処理するデジタルデータとして、実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの各種実験条件データを所与のもの、選択可能なもの、一定範囲で変更可能なものとして擬似的科学実験を行う実験者にモニターなどの各種出力装置を介して感覚的に認識できるように与えるものとなし、
該実験者が任意に行った各種実験条件データの組合せを入力せしめ、
入力された該各種実験条件データの組合せに応じて実験を実行した場合に生じる実験結果データを自然法則に従って計算・確定し、
必要に応じて該実験結果に至る実験実行過程に関するデータと併せて、
映像や音声などに関する各種出力装置を利用して感覚的に把握できるものとして出力せしめることを特徴とする仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１０】
（２） 実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの実験条件データが一定の法則に従って変動するもの、かつ／または、使用することによって消費される有限なものとして擬似的科学実験を行う実験者に与えられることを特徴とする前記（１）項に記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１１】
（３） 実験結果データとして、実行した実験が本来的に目的とする結果に関するデータに加えて、該実験を実行することに付随して生じる各種現象に関するデータをも出力せしめることを特徴とする前記（１）項または（２）項に記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１２】
（４） インターネットのようなネットワークを利用して、実験条件データの提示及び入力と実験結果及び実験に付随する各種現象データの出力を、擬似的科学実験を行う実験者の端末機器の各種入・出力装置で行うことができることを特徴とする前記（１）項〜（３）項の何れか１つに記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１３】
【作用】
コンピュータを利用して仮想現実空間内で１つ以上の擬似的科学実験を行わしめるに際して、仮想現実空間内において処理するデジタルデータとして、実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの各種実験条件データを所与のもの、選択可能なもの、一定範囲で変更可能なものとして擬似的科学実験を行う実験者にモニターなどの各種出力装置を介して感覚的に認識できるように与えるものとなし、該実験者が任意に行った各種実験条件データの組合せを入力せしめ、入力された該各種実験条件データの組合せに応じて実験を実行した場合に生じる実験結果データを自然法則に従って計算・確定し、必要に応じて該実験結果に至る実験実行過程に関するデータと併せて、映像や音声などに関する各種出力装置を利用して感覚的に把握できるものとして出力せしめることで、仮想現実空間内で実行する科学実験シミュレーションでありながら、実験者の入力条件を反映したものとして実験結果や実験過程を自然法則に忠実に従いながら感覚的に把握するものとして出力提示し、単に実験結果を提示するのではなく、現実の実験等を行う場合の練習としての学習効果が高い実験シミュレーションシステムを実現することが可能となる。
【００１４】
実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの実験条件データが一定の法則に従って変動するもの、かつ／または、使用することによって消費される有限なものとして擬似的科学実験を行う実験者に与えられることで、実験結果や実験経過に影響を及ぼす範囲で場所や日時、天候、温度、気圧などといった実験環境データや実験器具の大きさやサイズなどといった実験器具データ、実験材料の種類や濃度、保存状態などといった実験材料データを種々の自然法則に従ったものとして変化して各種実験条件データが実験結果や実験経過に及ぼす影響を理解できるものとし、更に現実には使用することで消費されてしまう実験材料等を仮想現実空間内でも消費されるものとしてよりリアルで学習効果性の高い科学実験シミュレーションを実現できる。
【００１５】
実験結果データとして、実行した実験が本来的に目的とする結果に関するデータに加えて、該実験を実行することに付随して生じる各種現象に関するデータをも出力せしめることで、現実の実験では不可避的に生じてしまう実験目的外の事象（目的外物質の生成、エネルギー消費、実験器具等の汚損、ゴミのような不要物の発生など）についても実験者が意識することのできる実験シミュレーションとすることができる。
【００１６】
インターネットのようなネットワークを利用して、実験条件データの提示及び入力と実験結果及び実験に付随する各種現象データの出力を、擬似的科学実験を行う実験者の端末機器の各種入・出力装置で行うことができることで、インターネット等に接続可能なコンピュータ端末機器の如きがあれば何時でも何処でも本発明を実行することができるものとなし得、複数の人間が同時に同じ実験を行って実験結果を競ったり、実行可能な複数の実験の中でどの実験の人気が高いかなどのデータを採ったり、各種実験条件の追加や変更を専用サーバーなどを利用して一括処理することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、前提として、本発明の主要な目的が、コンピュータを利用して仮想現実空間内で現実世界と同じ自然法則にしたがった科学実験を擬似的に行うに際し、実験環境や実験器具、実験材料などの各種条件や実験結果、実験経過に関する多様な情報を単なる数値情報ではなく、実験者が各種出力装置を用いて五感（視覚や聴覚以外の情報は適宜な文字情報や音声情報としてモニター上やスピーカーを介して表示するなど行えばよい）を通じて感覚的情報として認識できるように提示し、それによって現実に科学実験を行っているのと同様な感覚で実験経験や技術をシミュレーション学習できることにあることを理解されるべきである。
【００１８】
したがって、直接的な実験目的とは別に実際の実験であれば付随的に発生する現象などについての情報も実験者の意思とは無関係に提示して、結果としてその利害得失等についても考察するように促すことが望ましい。このような事象は、ある科学実験の内容（例えば、発電実験など）が実社会で何等かの形式で事業化されるような場合に、付随する様々な問題点（設備コスト、材料コスト、エネルギーコスト、廃棄物の問題などを含んで）を意識させる契機となるもので従前の単なる科学シミュレーション実験にこのような観点は存在していない。
【００１９】
上記のような本発明の発想の原点となる問題意識を踏まえ、以下添付図面を利用しながら具体的な実験例の幾つかを参考として説明する。
【００２０】
図１は、本発明による仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム１の全体概念を示すものである。
すなわち、コンピュータ技術の発達により実現されている仮想現実（ヴァーチャルリアリティー）技術により仮想現実空間内にヴァーチャル実験室５をつくりインターネットのようなネットワーク２を利用して複数のコンピュータ端末３の如きによるアクセスを可能とし、専用のサーバシステム４による管理・運営を行って様々な科学実験シミュレーションを行わせるものである。
【００２１】
このヴァーチャル実験室５はヴァーチャルリアリティー技術によって３次元的に表現してコンピューターのモニターなどに提示するものであり、実験に使用する材料や器具、薬品、装置なども３次元的表現としてヴァーチャル実験室５内に配置する。また、シミュレーション実験を行う場合もその準備から経過、結果に至るまでを現実の実験に即して３次元的に表現するように構成する。
また、シミュレーション実験を行う者をヴァーチャル実験室５内で適当な３次元的表現によるキャラクター表示となし、これを実験者が操作するものとしてシミュレーション実験を行うものとすることも可能である。
【００２２】
このヴァーチャル実験室５には、実験条件データ６、実験結果データ７、実験経過データ８、実験付随現象データ９が格納されている。
すなわち、実験条件データ６としては、時間や温度、気圧などに関する実験環境データ６ａ、実験に使用する各種器具の種類（試験管、ビーカー、スポイト、加熱装置、電源装置など）やサイズ、規格などに関する実験器具データ６ｂ、実験に使用する実験材料の種類（各種薬品や試料物質など）や量、状態などに関する実験材料データ６ｃが実行可能な各種実験の種類に応じて、ヴァーチャル実験室５内に３次元的表現を採ったものとして準備されている（時間や温度、気圧などの実験環境データ６ａはヴァーチャル実験室５内に用意された３次元的表現としての時計や温度計、気圧計を使って測定することで実験者は知ることができるようにされる）。
【００２３】
また、実験結果データ７としては、シミュレーション可能とされた各種の科学実験について、その実験結果は実験条件データ６を用いながら必要な自然法則にしたがって計算され、これを出力するためのデータが準備されている。例えば、発電実験を例に考えると、必要な器具や材料などに関する実験条件データ６が得られれば採用する発電方式ではどのくらいの時間でどのくらいの発電量が得られるか、といった実験結果データ７は発電作業を実現している現実の自然法則にしたがって計算し確定することが可能である。このような実験結果データ７も３次元的表現を直接的に用いたり、または、３次元的表現を利用した計測機器を使って計測するという間接的手法などを用いて実験者が感覚的に把握するように提示される。
【００２４】
実験経過データ８は、単にどのような初期条件でどのような実験を行えばどのような実験結果が出るかということのみを知るためのシミュレーション実験では重要性がないものであるが、本発明は実験結果に至る経過についても実験者に提示することで仮想現実空間内のシミュレーション実験でありながら現実の実験を行うのと同様の実験技術を身に付けさせる学習効果を目的とするものであるから、実験の初期条件に応じてどのような経過で実験結果に至るかに関する実験経過データ８を３次元的表現などを用いて感覚的に把握できるものとして準備しておく必要がある。
【００２５】
さらに、実験付随現象データ９とは、実験の直接的な目的とはかけ離れているが、科学実験を実際に行う場合には不可避的に生じている様々な付随現象に関するデータのことである。仮想現実空間を用いて科学シミュレーション実験を行う場合、通常は実験目的と関連の薄い付随現象についてはこれを表現するような配慮がなされないが、仮想現実空間内のシミュレーション実験といえども単に実験の直接的な目的となっている事項についてのみ提示するのではなく、現実の実験であれば生じている付随現象に関する事項、特に様々な弊害をもたらし得る事項について示すようにしないと、現実の科学実験を行う上で考慮すべき事項を総合的にシミュレート学習させる本発明として不十分なものとなってしまう。
もちろん、この実験付随現象データ９も３次元的表現などを利用して実験者が感覚的に把握できるものとして提示するものである。
【００２６】
例えば、発電実験をシミュレートする場合、単に発電量や発電効率だけを示すのでは不十分であり、発電による熱発生や二酸化炭素発生、エネルギー消費や廃棄物量などのデータを実験付随現象データ９として示すべきものとするものである。
【００２７】
以下においては、幾つかの具体的なシミュレーション実験を例として本発明について説明する。
【００２８】
（実験例１）
電気分解槽に入れた水を電気分解して気体の酸素と水素を発生させる水の電気分解実験を例として本発明を実施する場合の概念的な説明図が図２である。
【００２９】
まず、実験条件データ６として、ヴァーチャル実験室５内の温度や湿度、気圧などの実験環境データ６ａを所与のもの、選択可能なもの、一定範囲で選択可能なものの何れかとして準備する。例えば、気温に関して２０℃であるとか実験者が設定できるものとするものである。常識的に有り得ない温度や実験を行うための自然法則が成り立たなくなるような選択はできないように一定範囲での選択可能性を許容するものでも構わない。
【００３０】
このような実験環境データ６ａとしては、実験結果等に影響を及ぼすものを提示することが重要であるが、必ずしも影響を及ぼすものでないデータも適宜に提示すべきである。実験者に色々な実験環境データ６ａと実験結果との間の因果関係を考察させるのに役立つからである。
【００３１】
また、実験環境データ６ａはシミュレーション実験の進行に合わせて変化する可能性があるものとして構成されるべきである。例えば、電気分解や発電によって発熱等が起こるのであれば気温上昇が起こるというようにするものである。
【００３２】
実験器具データ６ｂとしては、水電気分解槽、電源装置、電極、コードなどの器具や装置がモニター上には３次元的表現によって映像化してヴァーチャル実験室５内で使用できるように準備されている。これらの実験器具データ６ｂは初期状態としてシミュレーション実験をそのまま開始できるようにセッティングされたものとしてよいが、このような実験装置全体のセッティング自体をも実験者が行うものとしてもよい。
【００３３】
また、実験者が実験装置全体のセッティングを行うものとする場合には、実験器具データ６ｂとして行うシミュレーション実験と関係のないものも併せて提示するものとしたり、ひとつの実験器具（例えば、水電気分解槽）であってもサイズや形状、能力などに差があるものを複数準備して任意の選択が可能であるものとするのが望ましい。このような構成とすれば、実験装置全体のセッティングの差異が実験結果や実験経過に与える影響などについて考察することが可能となるからである。
【００３４】
実験材料データ６ｃとしては、水、酸素、水素などが液体は液体として、気体は気体として適当な容器等に収容されたものとして、それぞれに３次元的表現の映像データとして準備される。このような実験材料データ６ｂについても、初期状態としてセッティングされた実験装置の所定箇所に所定量を入れた状態として提示するものとして構わないが、各種実験の準備手続きをもシミュレーション体験させようという本発明では、各実験材料を所定の容器から然るべき実験器具に適量を移動するという手順自体も体験できるようにするのが望ましい。
【００３５】
また、ヴァーチャル実験室５内に３次元的表現の映像データとして提供される各種実験材料データ６ｃについても上記の実験器具データ６ｂの場合と同様に行おうとするシミュレーション実験（ここでは、水の電気分解及び燃料電池による発電実験）と関係のないものを併せて提供し、実験者に様々な組合せ可能性などに関して考察するように促すことが好ましい。
【００３６】
さらに、実験材料データ６ｃや実験器具データ６ｂの中の電源装置などのように現実の実験においては何等かの意味で消費されてしまうものに関する場合には、本発明のヴァーチャル実験室５内におけるシミュレーション実験においても使用されることで消費されてしまうものとして扱われるべきである。
すなわち、コンピュータ技術を利用したシミュレーション実験では多様な実験器具や実験材料があたかも無限に存在するものであるかのように使用することができる場合が殆どであるが、可能な限り現実に近いシミュレーション実験をヴァーチャル技術によって実現しようとする本発明では材料や資源が無限に存在しているかのような不自然な実験は排斥するものである。
【００３７】
また、このように実験材料や器具、資源などに関して現実に即した限定を施すことで、本発明の実験者は材料や器具、資源の有限性を常に意識しながら最適な実験条件等を探求することになり、本発明の科学実験シミュレーションを体験学習することで現実の実験を行う場合の実験材料等の取り扱いに関するノウハウ等も取得することが可能になる。
【００３８】
不足してしまった実験材料データ６ｃなどは、別個に有料データとして購入できるものとして構成すれば、コンピュータシミュレーション実験でありながら実行する実験についてリアルなコスト意識を実験者に持たせることが可能となる。
【００３９】
上記のような実験条件データ６に基づいて行う水の電気分解実験シミュレーションについて説明する。
（１） 実験者は、コンピュータモニター上で水の電気分解槽、電源装置、電極、コードなどの実験器具データ６ｂを任意に選択して実験装置全体をセッティングする：
（２） 実験材料データ６ｃとしての適量の水を電気分解槽の所定箇所に入れるようにモニター上で実験者が操作する：
（３） モニター上に３次元的表現として示されている電源装置の電流量などを選択して電源スイッチを入れる：
といった操作によって本発明による水の電気分解シミュレーション実験が開始される。
【００４０】
このように実験条件データ６が確定された上で本発明の科学シミュレーション実験が開始されれば、水の電気分解で酸素と水素が発生すること自体は公知の科学反応であり、どのくらいの時間でどのくらいの量の水が電気分解され、どのくらいの酸素と水素が発生するか、どのくらいの電気が消費されるかなどという実験結果データ７は勿論、上記したような実験経過データ８や実験付随現象でデータ９についても実験開始の初期条件のデータが確定していれば簡単に計算できる事項であり、これをヴァーチャルリアリティー技術を用いて実験者が五感を通じて把握する情報として提供することができる。
【００４１】
したがって、実験開始から実験結果を得るに至るまでの状況をその経過も含めて３次元的な映像表現や音声を用いて人間が感覚的に把握し易いデータとして予め準備してコンピュータのモニターやスピーカの如き出力装置によって出力できるように記憶装置に蓄積しておくことが可能である。
【００４２】
本発明は、実験者の初期条件設定によって定まる実験結果データ７や実験経過データ８を数値や数式、グラフや表といった厳密な客観性のあるデータとしてではなく、略正確な３次元的映像データや擬似的な音声データを用いて実験者に示そうとするものである。
【００４３】
もちろん厳密な数値等のデータ表示を排斥するものではなく、第一次的には実験者が感覚的に把握する映像データや音声データで提供しようとするものであるが、必要に応じて数値や数式、グラフや表を用いた実験データを提供してよい。ただし、単純に数値的データ等を与えるのではなく、この場合もヴァーチャル実験室５内に準備された仮想現実技術で作製された温度計や気圧計などの測定機器を用いて測定作業を行った上でその目盛りを読むというような手順を仮想現実空間内で実験者に行わせて厳密なデータ表示を与えるものとすることが望ましい。
【００４４】
水の電気分解実験について言えば、上記のように初期条件が確定されれば実験結果データ７は即時的に計算確定できるものであるが、実験者に対してこれを示すのは、時間経過にしたがってどのように反応が進行するかという実験経過データ８と共に視覚的変化はコンピュータモニターなどの表示手段を用いて、反応音などの聴覚的変化はスピーカを用いて行うようにする。
【００４５】
視覚や聴覚以外の感覚（触覚、嗅覚、味覚など）によって把握される実験データも本発明の実験者に示すのが望ましいが、現状の各種出力装置でこのような感覚を直接的に表現することは困難である。そこで、例えば、現実の実験者の分身としてヴァーチャル実験室５内で実験を行う仮想現実キャラクターの感覚として触覚や嗅覚、味覚を処理してこの仮想現実キャラクターの台詞としてこれらの感覚的情報をモニター上の文字やスピーカを通じての音声表現として提示することが考えられる。
【００４６】
上記の如くして、本発明のシミュレーション実験システムを利用する実験者は設定された初期条件に応じた水の電気分解実験の結果、どのくらいの時間で、どのくらいの酸素や水素が得られ、どの程度の電力を消費したかなどの実験結果を自然法則に基づいたものとして、その経過や実験に付随する現象に関しての情報と共に、コンピュータのモニター上のヴァーチャル実験室５内で３次元的に表現された情報やスピーカを介した音声情報として感覚的に把握し得る形式で入手することになる。
【００４７】
また、このような実験結果等の情報は実験が成功した場合のみならず、初期条件の設定の不備から失敗してしまう場合であってもシミュレーション実験自体は完結させて実験者に対して提供するものとすべきである。というのは、本発明において重要なのは各種科学実験の適切な手順等をシミュレーションによって学習することであるので、実験結果等が思わしいものでない場合でもその結果を踏まえて原因を究明したり、より効率的な条件の組合わせ等を実験者が試行錯誤するものとなすべきだからである。
【００４８】
さらに、上記した水の電気分解シミュレーション実験によって得られた「酸素」や「水素」はヴァーチャル実験室５内で行う別の科学シミュレーション実験で使用可能な実験材料データ６ｃとして保存蓄積できるものとしてよい。本発明のヴァーチャル実験室５内で実行されるべき科学シミュレーション実験は単一なものに限られる必要はなく、同じ実験材料データ６ｃや実験器具データ６ｂを共用するものとなし得るからである。
【００４９】
このように実験生成物等のデータを保存蓄積できるものとして構成すると、前記したように実験材料データ６ｃ等が消費される有限なものとして扱うとしてもこれを実験生成物等のデータによって補うことができることになり、このような観点から本発明を利用する実験者がより効率的な実験条件６を模索するなどということが実現される。
【００５０】
（実験例２）
水の電気分解とは逆に水素と酸素を結合させて水を生成することで電気を生じさせる燃料電池実験を行う場合の概念的説明図が図２である。
すなわち、この場合の実験条件データ６は以下のようになる。
【００５１】
ヴァーチャル実験室５内の実験環境データ６ａについては、実験例１の水の電気分解実験の場合と同様に気温や気圧、湿度などを原則的には所与のものとして与え、一定範囲で実験者が任意に選択できるものとすればよい。
【００５２】
実験器具データ６ｂについては、必要なものとして「燃料電池槽」、「電極」、「コード」、「モータ」、「プロペラ」、「電球」などがあり、これらはそれぞれヴァーチャル実験室５内の適宜な場所に３次元的表現によるデータとして配置され、実験者がこれらを組立てて実験装置全体をセットするものとしておくことができる。また、これらの実験器具データ６ｂについても前述の場合と同様にその能力に差異があるものを複数用意しておいて、実験者が任意に選択して組合わせるものとしておくことが望ましい。
【００５３】
燃料電池実験の場合の実験材料データ６ｃとしては、「酸素」、「水素」があるが、これらはガスボンベなどに入れられたものとして３次元的表現のデータとなしヴァーチャル実験室５内の所定箇所に配置し、燃料電池槽の然るべき場所に移注するものとなし得る。
また、前記した実験例１の水の電気分解実験の実験結果として得られた「水素」や「酸素」を燃料電池実験の実験材料データ６ｃとして利用するものとしても構わない。水の電気分解実験と燃料電池実験とは逆方向の反応実験であると理解できるので、この場合には水の電気分解実験において「電解槽」として用いた実験器具データ６ｂを燃料電池実験のための「燃料電池槽」と解釈して利用させることが可能である。
【００５４】
このように、ある実験で得られた実験結果を他の実験の実験材料データ６ｃとして利用できるように本発明のシステムを構築することで、実験者は実験効率の向上についてより現実的な利益を感じることとなり、実験条件の組み合わせや選択に関しての創意工夫が促されることとなる。
【００５５】
実験者が上記した実験器具データ６ｂを選択組合せして適切セッティングし、実験材料データ６ｃを「燃料電池槽」の適切な箇所に適量移注することで燃料電池実験は開始するものとされる。実験器具データ６ｂの中で「モータ」や「プロペラ」、「電球」などは実験結果として発電された電力でどのくらいの仕事が行えるかを示すために利用するものである。したがって、実験器具データ６ｂとしての「蓄電池」を接続して発電された電力を溜めてその電気量を示すようなものとしても構わない。
【００５６】
この燃料電池実験においても、実験環境データ６ａが与えられ、実験器具データ６ｂや実験材料データ６ｃが実験者によって選択・組合されて適宜な実験装置としてセッティングされれば実験の初期条件が確定されることとなり、燃料電池における反応自体は公知のものであるので該初期条件に基づく実験結果データ７は即座に計算され得る。しかし上記したように本発明において重要なことは純然たる実験結果データ７を得ることよりも実験経過データ８や実験付随現象データ９を実験者が感覚的に把握できる情報として提示してシミュレーション学習させることにある。したがって、実験例１の場合と同様に実験初期条件によって計算確定される実験経過データ８や実験付随現象データ９と併せて実験結果データ７を実験自体の成否に関わらず３次元的表現等を利用して実験者が感覚的に把握する情報として示すものである。
【００５７】
具体的には、実験初期条件によって確定し得る発電量に応じて実験装置に接続されたモータを駆動しプロペラを回転させたり、電球を点灯させたり、蓄電池に電力を蓄えるものとして実験者に示すことができ、プロペラの回転速度や回転時間、電球の明るさや点灯時間、蓄積される電力量などを同時に実験を行う複数の実験者の間などで競わせることが可能である。
【００５８】
燃料電池実験における実験結果として得られる電力のように実社会において有用な資源が得られる場合には、例えそれがシミュレーション実験上の仮想的存在であってもこれを仮想現実世界における実体的存在として取り扱うことが可能である。
すなわち、その現実の場合の性質に応じて、消費される有限なものとして実験装置や実験材料等を扱う本発明のシステムにおいては、ヴァーチャル実験室５内の蓄電池などに蓄えられた電力を他の実験を行うために利用するものとしたり、インターネットのようなネットワーク２を通じて本発明の科学実験シミュレーションシステムを共有し得る複数の実験者の間でやりとりするものとなし得、このような点は現実の実験では実現し難い本発明に独自な優位性を示す特質となっている。
【００５９】
（その他）
上記したような本発明の科学実験シミュレーションシステムでは、現実に行われる実験を自然法則にしたがって可能な限り忠実にコンピュータ等のモニターやスピーカなどの出力装置を用いて、実験者が現実の実験と同様に五感を介して感覚的に把握できるように各種シミュレーション実験を体験させるものであるが、仮想現実技術やインターネット等のネットワーク２を利用できるシミュレーション実験であることなどから、通常の実験シミュレーションや現実に行う実験内容を超えた優位性を発揮することも可能となる（図４にネットワーク２を利用した複数実験者の共同実験についての概念図を示す）。
【００６０】
すなわち、消費される有限なものとして構成される実験材料データ６ｃや実験器具データ６ｂであっても、ネットワーク２を利用して複数の実験者が共同して使用したり交換するものとなし得、また、実験条件データ６の選択・組合わせ効果などについての研究や考察を複数の実験者が分担・共同して行うことが簡単にできる。
また、実験結果についてその優秀性を多数の実験者の間で競うようなことも容易にでき、学習目的で行う科学シミュレーション実験として多くの実験者に意欲を持って取り組ませることが可能となる。
【００６１】
さらに、各種科学シミュレーション実験においてはそこで妥当する自然法則に忠実にしたがって実験結果や実験経過に関するデータを計算・確定するが、実験者が感覚的に把握する情報としては現実の実験室で見られるような実験器具や実験材料を使用したものとして提示する必要はない。
すなわち、専用の実験器具や実験材料の代わりに身の回りで普通に見られる日用品を用いた実験であるというように表現することも可能であり、実験者がより興味を惹きやすい形態で科学シミュレーション実験を行うようにできる。
また、実験で使用した各実験器具などについてもその使用状況をデータとして保存するものとなし、適切なメンテナンス作業を行わないと以後の実験などにおいて悪影響を及ぼす可能性があるように構成することも可能で、このようなことを通じて現実の実験における器具取り扱いのノウハウを学習させることができるようになる。
【００６２】
特に、実験例２で示した発電実験（燃料電池に限らず）の如き場合には、これを拡張して仮想現実空間内のひとつの町の電力供給を滞りなく行うために設備を整え、原材料を入手し、効率的な発電条件を確立してコスト管理をも行うといった現実社会と同様な管理・運営シミュレーションとすることもできる。この場合には、実験付随現象データ９として発電という目的との関連は薄いが不可避的に発生する熱発生や廃棄物の発生などについても情報を提示せしめるので、単に発電効率を最大にするということのみではなく、発電に付随する不都合な現象を最少にするという観点を持ったシミュレーション実験となし得、このような観点は現実の実験では中々考慮し難いものである。
【００６３】
本発明の科学実験シミュレーションシステムは上記した実験例以外の多様な科学実験に対しても応用可能である。というのは、実験環境や実験器具、実験材料などの実験条件が確定されれば実験結果等は対応する自然法則にしたがって確定可能であるので、実験条件と実験結果の因果関係が自然法則にしたがって解明されている科学的事象に関するシミュレーション実験であればどのような内容であっても本発明が利用できるからである。
【００６４】
また、このような原因と結果の因果関係が自然法則により説明できる事象であれば、科学実験に限らず、例えば、植物の成長観察や細胞分裂の観察の如きに関しても本発明のシミュレーションシステムは応用可能性を有していると理解されるべきである。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したような本発明によるならば、コンピュータなどの中で実現される仮想現実技術を利用して各種の自然法則に忠実な科学実験シミュレーションをその経過や付随現象と併せて実験者の感覚に訴える情報として提供することができ、現実の科学実験の技術的ノウハウをも学習できると共に仮想現実技術やネットワーク技術を利用して現実の実験では実現困難な事柄までも可能とするものであって、新たな科学実験シミュレーションシステムをその応用範囲の広いものとして提供できるものであるので、工業的にもその価値の高い発明であると理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステムの全体概念を示す図面である。
【図２】電気分解槽に入れた水を電気分解して気体の酸素と水素を発生させる水の電気分解実験を例として本発明を実施する場合の概念的な説明図である。
【図３】水素と酸素を結合させて水を生成することで電気を生じさせる燃料電池実験を行う場合の概念的説明図である。
【図４】インタネットのようなネットワークを利用した複数実験者の共同実験についての概念図である。
【符号の説明】
１ 仮想現実空間内の科学実験シミュレーションシステム
２ インターネットのようなネットワーク
３ コンピュータ端末
４ 専用の管理・運営サーバシステム
５ ヴァーチャル実験室
６ 実験条件データ
６ａ 実験環境データ
６ｂ 実験器具データ
６ｃ 実験材料データ
７ 実験結果データ
８ 実験経過データ
９ 実験付随現象データ
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に体験学習教育的な目的で様々な自然科学上の実験を、コンピュータを用いて仮想現実空間内で擬似的にシミュレートする場合において、現実の実験の場合と同様に各種の科学実験をそれに付随する各種現象と共に体験せしめるシミュレーションシステムを提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自然科学上の様々な実験を現実の実験室で行なうための実験器具や材料は学校教育の現場などで準備され、特定の実験を簡易に行うための実験セットのような商品も販売されている。
【０００３】
また、コンピュータの急速な発達と普及により、仮想現実空間内の仮想現実（ヴァーチャルリアリティー）を利用して様々な体験を学習させるような試みも行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記したような従来の技術では、現実に実験を行うのであれば実験材料や実験器具を揃えたりするのが煩雑であり、また、学校教育の現場などでは安全性の配慮やコスト等の問題から実施できない科学実験も多い。
【０００５】
コンピュータを利用したシミュレーション実験では、それが厳密な科学性を追及したものであれば計算シミュレーションのように必要とする結果を厳密に算出するだけで実験そのものを疑似体験するようなものはない。
【０００６】
また、所謂ヴァーチャルリアリティーを利用して様々な疑似体験を行わせるシステムもあるが、必ずしも自然法則に忠実に従ったものではなく、特に、娯楽性を追及しているような場合には却って仮想現実空間のプログラム次第で実現可能な自由性を利用して現実では有り得ない現象を疑似体験させるというようなものが多い。
【０００７】
なお、仮想現実空間内で種々の科学実験シミュレーションを行う場合には実験材料が消費されるとか実験生成物をその後どう処理するか、付随的に生じる現象はどのよなものかなどといった点に配慮することは殆どないが、現実の実験等ではこのような問題を無視することができず、よりリアルな体験的学習効果を上げるための実験シミュレーションを実現するにはこれらの点なども考慮すべきであるがそのようなものは存在していない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記したような従来技術における課題を解消することについて、実験と検討を繰り返し行い創案されたものであって、自然科学に関する多様な実験環境や実験材料を自然法則に忠実に従ったものとしてデジタルデータ化し、これをコンピュータを利用した仮想現実空間内で実験者が感覚的に把握できるように忠実に再現して各種の出力装置で提示しながら科学実験のシミュレーションをリアルに実現するシステムを開発したものであって、具体的には以下のとおりである。
【０００９】
（１） コンピュータを利用して仮想現実空間内で１つ以上の擬似的科学実験を行わしめるに際して、
仮想現実空間内において処理するデジタルデータとして、実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの各種実験条件データを所与のもの、選択可能なもの、一定範囲で変更可能なものとして擬似的科学実験を行う実験者にモニターなどの各種出力装置を介して感覚的に認識できるように与えるものとなし、
該実験者が任意に行った各種実験条件データの組合せを入力せしめ、
入力された該各種実験条件データの組合せに応じて実験を実行した場合に生じる実験結果データを自然法則に従って計算・確定し、
必要に応じて該実験結果に至る実験実行過程に関するデータと併せて、
映像や音声などに関する各種出力装置を利用して感覚的に把握できるものとして出力せしめることを特徴とする仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１０】
（２） 実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの実験条件データが一定の法則に従って変動するもの、かつ／または、使用することによって消費される有限なものとして擬似的科学実験を行う実験者に与えられることを特徴とする前記（１）項に記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１１】
（３） 実験結果データとして、実行した実験が本来的に目的とする結果に関するデータに加えて、該実験を実行することに付随して生じる各種現象に関するデータをも出力せしめることを特徴とする前記（１）項または（２）項に記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１２】
（４） インターネットのようなネットワークを利用して、実験条件データの提示及び入力と実験結果及び実験に付随する各種現象データの出力を、擬似的科学実験を行う実験者の端末機器の各種入・出力装置で行うことができることを特徴とする前記（１）項〜（３）項の何れか１つに記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
【００１３】
【作用】
コンピュータを利用して仮想現実空間内で１つ以上の擬似的科学実験を行わしめるに際して、仮想現実空間内において処理するデジタルデータとして、実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの各種実験条件データを所与のもの、選択可能なもの、一定範囲で変更可能なものとして擬似的科学実験を行う実験者にモニターなどの各種出力装置を介して感覚的に認識できるように与えるものとなし、該実験者が任意に行った各種実験条件データの組合せを入力せしめ、入力された該各種実験条件データの組合せに応じて実験を実行した場合に生じる実験結果データを自然法則に従って計算・確定し、必要に応じて該実験結果に至る実験実行過程に関するデータと併せて、映像や音声などに関する各種出力装置を利用して感覚的に把握できるものとして出力せしめることで、仮想現実空間内で実行する科学実験シミュレーションでありながら、実験者の入力条件を反映したものとして実験結果や実験過程を自然法則に忠実に従いながら感覚的に把握するものとして出力提示し、単に実験結果を提示するのではなく、現実の実験等を行う場合の練習としての学習効果が高い実験シミュレーションシステムを実現することが可能となる。
【００１４】
実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの実験条件データが一定の法則に従って変動するもの、かつ／または、使用することによって消費される有限なものとして擬似的科学実験を行う実験者に与えられることで、実験結果や実験経過に影響を及ぼす範囲で場所や日時、天候、温度、気圧などといった実験環境データや実験器具の大きさやサイズなどといった実験器具データ、実験材料の種類や濃度、保存状態などといった実験材料データを種々の自然法則に従ったものとして変化して各種実験条件データが実験結果や実験経過に及ぼす影響を理解できるものとし、更に現実には使用することで消費されてしまう実験材料等を仮想現実空間内でも消費されるものとしてよりリアルで学習効果性の高い科学実験シミュレーションを実現できる。
【００１５】
実験結果データとして、実行した実験が本来的に目的とする結果に関するデータに加えて、該実験を実行することに付随して生じる各種現象に関するデータをも出力せしめることで、現実の実験では不可避的に生じてしまう実験目的外の事象（目的外物質の生成、エネルギー消費、実験器具等の汚損、ゴミのような不要物の発生など）についても実験者が意識することのできる実験シミュレーションとすることができる。
【００１６】
インターネットのようなネットワークを利用して、実験条件データの提示及び入力と実験結果及び実験に付随する各種現象データの出力を、擬似的科学実験を行う実験者の端末機器の各種入・出力装置で行うことができることで、インターネット等に接続可能なコンピュータ端末機器の如きがあれば何時でも何処でも本発明を実行することができるものとなし得、複数の人間が同時に同じ実験を行って実験結果を競ったり、実行可能な複数の実験の中でどの実験の人気が高いかなどのデータを採ったり、各種実験条件の追加や変更を専用サーバーなどを利用して一括処理することが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、前提として、本発明の主要な目的が、コンピュータを利用して仮想現実空間内で現実世界と同じ自然法則にしたがった科学実験を擬似的に行うに際し、実験環境や実験器具、実験材料などの各種条件や実験結果、実験経過に関する多様な情報を単なる数値情報ではなく、実験者が各種出力装置を用いて五感（視覚や聴覚以外の情報は適宜な文字情報や音声情報としてモニター上やスピーカーを介して表示するなど行えばよい）を通じて感覚的情報として認識できるように提示し、それによって現実に科学実験を行っているのと同様な感覚で実験経験や技術をシミュレーション学習できることにあることを理解されるべきである。
【００１８】
したがって、直接的な実験目的とは別に実際の実験であれば付随的に発生する現象などについての情報も実験者の意思とは無関係に提示して、結果としてその利害得失等についても考察するように促すことが望ましい。このような事象は、ある科学実験の内容（例えば、発電実験など）が実社会で何等かの形式で事業化されるような場合に、付随する様々な問題点（設備コスト、材料コスト、エネルギーコスト、廃棄物の問題などを含んで）を意識させる契機となるもので従前の単なる科学シミュレーション実験にこのような観点は存在していない。
【００１９】
上記のような本発明の発想の原点となる問題意識を踏まえ、以下添付図面を利用しながら具体的な実験例の幾つかを参考として説明する。
【００２０】
図１は、本発明による仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム１の全体概念を示すものである。
すなわち、コンピュータ技術の発達により実現されている仮想現実（ヴァーチャルリアリティー）技術により仮想現実空間内にヴァーチャル実験室５をつくりインターネットのようなネットワーク２を利用して複数のコンピュータ端末３の如きによるアクセスを可能とし、専用のサーバシステム４による管理・運営を行って様々な科学実験シミュレーションを行わせるものである。
【００２１】
このヴァーチャル実験室５はヴァーチャルリアリティー技術によって３次元的に表現してコンピューターのモニターなどに提示するものであり、実験に使用する材料や器具、薬品、装置なども３次元的表現としてヴァーチャル実験室５内に配置する。また、シミュレーション実験を行う場合もその準備から経過、結果に至るまでを現実の実験に即して３次元的に表現するように構成する。
また、シミュレーション実験を行う者をヴァーチャル実験室５内で適当な３次元的表現によるキャラクター表示となし、これを実験者が操作するものとしてシミュレーション実験を行うものとすることも可能である。
【００２２】
このヴァーチャル実験室５には、実験条件データ６、実験結果データ７、実験経過データ８、実験付随現象データ９が格納されている。
すなわち、実験条件データ６としては、時間や温度、気圧などに関する実験環境データ６ａ、実験に使用する各種器具の種類（試験管、ビーカー、スポイト、加熱装置、電源装置など）やサイズ、規格などに関する実験器具データ６ｂ、実験に使用する実験材料の種類（各種薬品や試料物質など）や量、状態などに関する実験材料データ６ｃが実行可能な各種実験の種類に応じて、ヴァーチャル実験室５内に３次元的表現を採ったものとして準備されている（時間や温度、気圧などの実験環境データ６ａはヴァーチャル実験室５内に用意された３次元的表現としての時計や温度計、気圧計を使って測定することで実験者は知ることができるようにされる）。
【００２３】
また、実験結果データ７としては、シミュレーション可能とされた各種の科学実験について、その実験結果は実験条件データ６を用いながら必要な自然法則にしたがって計算され、これを出力するためのデータが準備されている。例えば、発電実験を例に考えると、必要な器具や材料などに関する実験条件データ６が得られれば採用する発電方式ではどのくらいの時間でどのくらいの発電量が得られるか、といった実験結果データ７は発電作業を実現している現実の自然法則にしたがって計算し確定することが可能である。このような実験結果データ７も３次元的表現を直接的に用いたり、または、３次元的表現を利用した計測機器を使って計測するという間接的手法などを用いて実験者が感覚的に把握するように提示される。
【００２４】
実験経過データ８は、単にどのような初期条件でどのような実験を行えばどのような実験結果が出るかということのみを知るためのシミュレーション実験では重要性がないものであるが、本発明は実験結果に至る経過についても実験者に提示することで仮想現実空間内のシミュレーション実験でありながら現実の実験を行うのと同様の実験技術を身に付けさせる学習効果を目的とするものであるから、実験の初期条件に応じてどのような経過で実験結果に至るかに関する実験経過データ８を３次元的表現などを用いて感覚的に把握できるものとして準備しておく必要がある。
【００２５】
さらに、実験付随現象データ９とは、実験の直接的な目的とはかけ離れているが、科学実験を実際に行う場合には不可避的に生じている様々な付随現象に関するデータのことである。仮想現実空間を用いて科学シミュレーション実験を行う場合、通常は実験目的と関連の薄い付随現象についてはこれを表現するような配慮がなされないが、仮想現実空間内のシミュレーション実験といえども単に実験の直接的な目的となっている事項についてのみ提示するのではなく、現実の実験であれば生じている付随現象に関する事項、特に様々な弊害をもたらし得る事項について示すようにしないと、現実の科学実験を行う上で考慮すべき事項を総合的にシミュレート学習させる本発明として不十分なものとなってしまう。
もちろん、この実験付随現象データ９も３次元的表現などを利用して実験者が感覚的に把握できるものとして提示するものである。
【００２６】
例えば、発電実験をシミュレートする場合、単に発電量や発電効率だけを示すのでは不十分であり、発電による熱発生や二酸化炭素発生、エネルギー消費や廃棄物量などのデータを実験付随現象データ９として示すべきものとするものである。
【００２７】
以下においては、幾つかの具体的なシミュレーション実験を例として本発明について説明する。
【００２８】
（実験例１）
電気分解槽に入れた水を電気分解して気体の酸素と水素を発生させる水の電気分解実験を例として本発明を実施する場合の概念的な説明図が図２である。
【００２９】
まず、実験条件データ６として、ヴァーチャル実験室５内の温度や湿度、気圧などの実験環境データ６ａを所与のもの、選択可能なもの、一定範囲で選択可能なものの何れかとして準備する。例えば、気温に関して２０℃であるとか実験者が設定できるものとするものである。常識的に有り得ない温度や実験を行うための自然法則が成り立たなくなるような選択はできないように一定範囲での選択可能性を許容するものでも構わない。
【００３０】
このような実験環境データ６ａとしては、実験結果等に影響を及ぼすものを提示することが重要であるが、必ずしも影響を及ぼすものでないデータも適宜に提示すべきである。実験者に色々な実験環境データ６ａと実験結果との間の因果関係を考察させるのに役立つからである。
【００３１】
また、実験環境データ６ａはシミュレーション実験の進行に合わせて変化する可能性があるものとして構成されるべきである。例えば、電気分解や発電によって発熱等が起こるのであれば気温上昇が起こるというようにするものである。
【００３２】
実験器具データ６ｂとしては、水電気分解槽、電源装置、電極、コードなどの器具や装置がモニター上には３次元的表現によって映像化してヴァーチャル実験室５内で使用できるように準備されている。これらの実験器具データ６ｂは初期状態としてシミュレーション実験をそのまま開始できるようにセッティングされたものとしてよいが、このような実験装置全体のセッティング自体をも実験者が行うものとしてもよい。
【００３３】
また、実験者が実験装置全体のセッティングを行うものとする場合には、実験器具データ６ｂとして行うシミュレーション実験と関係のないものも併せて提示するものとしたり、ひとつの実験器具（例えば、水電気分解槽）であってもサイズや形状、能力などに差があるものを複数準備して任意の選択が可能であるものとするのが望ましい。このような構成とすれば、実験装置全体のセッティングの差異が実験結果や実験経過に与える影響などについて考察することが可能となるからである。
【００３４】
実験材料データ６ｃとしては、水、酸素、水素などが液体は液体として、気体は気体として適当な容器等に収容されたものとして、それぞれに３次元的表現の映像データとして準備される。このような実験材料データ６ｂについても、初期状態としてセッティングされた実験装置の所定箇所に所定量を入れた状態として提示するものとして構わないが、各種実験の準備手続きをもシミュレーション体験させようという本発明では、各実験材料を所定の容器から然るべき実験器具に適量を移動するという手順自体も体験できるようにするのが望ましい。
【００３５】
また、ヴァーチャル実験室５内に３次元的表現の映像データとして提供される各種実験材料データ６ｃについても上記の実験器具データ６ｂの場合と同様に行おうとするシミュレーション実験（ここでは、水の電気分解及び燃料電池による発電実験）と関係のないものを併せて提供し、実験者に様々な組合せ可能性などに関して考察するように促すことが好ましい。
【００３６】
さらに、実験材料データ６ｃや実験器具データ６ｂの中の電源装置などのように現実の実験においては何等かの意味で消費されてしまうものに関する場合には、本発明のヴァーチャル実験室５内におけるシミュレーション実験においても使用されることで消費されてしまうものとして扱われるべきである。
すなわち、コンピュータ技術を利用したシミュレーション実験では多様な実験器具や実験材料があたかも無限に存在するものであるかのように使用することができる場合が殆どであるが、可能な限り現実に近いシミュレーション実験をヴァーチャル技術によって実現しようとする本発明では材料や資源が無限に存在しているかのような不自然な実験は排斥するものである。
【００３７】
また、このように実験材料や器具、資源などに関して現実に即した限定を施すことで、本発明の実験者は材料や器具、資源の有限性を常に意識しながら最適な実験条件等を探求することになり、本発明の科学実験シミュレーションを体験学習することで現実の実験を行う場合の実験材料等の取り扱いに関するノウハウ等も取得することが可能になる。
【００３８】
不足してしまった実験材料データ６ｃなどは、別個に有料データとして購入できるものとして構成すれば、コンピュータシミュレーション実験でありながら実行する実験についてリアルなコスト意識を実験者に持たせることが可能となる。
【００３９】
上記のような実験条件データ６に基づいて行う水の電気分解実験シミュレーションについて説明する。
（１） 実験者は、コンピュータモニター上で水の電気分解槽、電源装置、電極、コードなどの実験器具データ６ｂを任意に選択して実験装置全体をセッティングする：
（２） 実験材料データ６ｃとしての適量の水を電気分解槽の所定箇所に入れるようにモニター上で実験者が操作する：
（３） モニター上に３次元的表現として示されている電源装置の電流量などを選択して電源スイッチを入れる：
といった操作によって本発明による水の電気分解シミュレーション実験が開始される。
【００４０】
このように実験条件データ６が確定された上で本発明の科学シミュレーション実験が開始されれば、水の電気分解で酸素と水素が発生すること自体は公知の科学反応であり、どのくらいの時間でどのくらいの量の水が電気分解され、どのくらいの酸素と水素が発生するか、どのくらいの電気が消費されるかなどという実験結果データ７は勿論、上記したような実験経過データ８や実験付随現象でデータ９についても実験開始の初期条件のデータが確定していれば簡単に計算できる事項であり、これをヴァーチャルリアリティー技術を用いて実験者が五感を通じて把握する情報として提供することができる。
【００４１】
したがって、実験開始から実験結果を得るに至るまでの状況をその経過も含めて３次元的な映像表現や音声を用いて人間が感覚的に把握し易いデータとして予め準備してコンピュータのモニターやスピーカの如き出力装置によって出力できるように記憶装置に蓄積しておくことが可能である。
【００４２】
本発明は、実験者の初期条件設定によって定まる実験結果データ７や実験経過データ８を数値や数式、グラフや表といった厳密な客観性のあるデータとしてではなく、略正確な３次元的映像データや擬似的な音声データを用いて実験者に示そうとするものである。
【００４３】
もちろん厳密な数値等のデータ表示を排斥するものではなく、第一次的には実験者が感覚的に把握する映像データや音声データで提供しようとするものであるが、必要に応じて数値や数式、グラフや表を用いた実験データを提供してよい。ただし、単純に数値的データ等を与えるのではなく、この場合もヴァーチャル実験室５内に準備された仮想現実技術で作製された温度計や気圧計などの測定機器を用いて測定作業を行った上でその目盛りを読むというような手順を仮想現実空間内で実験者に行わせて厳密なデータ表示を与えるものとすることが望ましい。
【００４４】
水の電気分解実験について言えば、上記のように初期条件が確定されれば実験結果データ７は即時的に計算確定できるものであるが、実験者に対してこれを示すのは、時間経過にしたがってどのように反応が進行するかという実験経過データ８と共に視覚的変化はコンピュータモニターなどの表示手段を用いて、反応音などの聴覚的変化はスピーカを用いて行うようにする。
【００４５】
視覚や聴覚以外の感覚（触覚、嗅覚、味覚など）によって把握される実験データも本発明の実験者に示すのが望ましいが、現状の各種出力装置でこのような感覚を直接的に表現することは困難である。そこで、例えば、現実の実験者の分身としてヴァーチャル実験室５内で実験を行う仮想現実キャラクターの感覚として触覚や嗅覚、味覚を処理してこの仮想現実キャラクターの台詞としてこれらの感覚的情報をモニター上の文字やスピーカを通じての音声表現として提示することが考えられる。
【００４６】
上記の如くして、本発明のシミュレーション実験システムを利用する実験者は設定された初期条件に応じた水の電気分解実験の結果、どのくらいの時間で、どのくらいの酸素や水素が得られ、どの程度の電力を消費したかなどの実験結果を自然法則に基づいたものとして、その経過や実験に付随する現象に関しての情報と共に、コンピュータのモニター上のヴァーチャル実験室５内で３次元的に表現された情報やスピーカを介した音声情報として感覚的に把握し得る形式で入手することになる。
【００４７】
また、このような実験結果等の情報は実験が成功した場合のみならず、初期条件の設定の不備から失敗してしまう場合であってもシミュレーション実験自体は完結させて実験者に対して提供するものとすべきである。というのは、本発明において重要なのは各種科学実験の適切な手順等をシミュレーションによって学習することであるので、実験結果等が思わしいものでない場合でもその結果を踏まえて原因を究明したり、より効率的な条件の組合わせ等を実験者が試行錯誤するものとなすべきだからである。
【００４８】
さらに、上記した水の電気分解シミュレーション実験によって得られた「酸素」や「水素」はヴァーチャル実験室５内で行う別の科学シミュレーション実験で使用可能な実験材料データ６ｃとして保存蓄積できるものとしてよい。本発明のヴァーチャル実験室５内で実行されるべき科学シミュレーション実験は単一なものに限られる必要はなく、同じ実験材料データ６ｃや実験器具データ６ｂを共用するものとなし得るからである。
【００４９】
このように実験生成物等のデータを保存蓄積できるものとして構成すると、前記したように実験材料データ６ｃ等が消費される有限なものとして扱うとしてもこれを実験生成物等のデータによって補うことができることになり、このような観点から本発明を利用する実験者がより効率的な実験条件６を模索するなどということが実現される。
【００５０】
（実験例２）
水の電気分解とは逆に水素と酸素を結合させて水を生成することで電気を生じさせる燃料電池実験を行う場合の概念的説明図が図２である。
すなわち、この場合の実験条件データ６は以下のようになる。
【００５１】
ヴァーチャル実験室５内の実験環境データ６ａについては、実験例１の水の電気分解実験の場合と同様に気温や気圧、湿度などを原則的には所与のものとして与え、一定範囲で実験者が任意に選択できるものとすればよい。
【００５２】
実験器具データ６ｂについては、必要なものとして「燃料電池槽」、「電極」、「コード」、「モータ」、「プロペラ」、「電球」などがあり、これらはそれぞれヴァーチャル実験室５内の適宜な場所に３次元的表現によるデータとして配置され、実験者がこれらを組立てて実験装置全体をセットするものとしておくことができる。また、これらの実験器具データ６ｂについても前述の場合と同様にその能力に差異があるものを複数用意しておいて、実験者が任意に選択して組合わせるものとしておくことが望ましい。
【００５３】
燃料電池実験の場合の実験材料データ６ｃとしては、「酸素」、「水素」があるが、これらはガスボンベなどに入れられたものとして３次元的表現のデータとなしヴァーチャル実験室５内の所定箇所に配置し、燃料電池槽の然るべき場所に移注するものとなし得る。
また、前記した実験例１の水の電気分解実験の実験結果として得られた「水素」や「酸素」を燃料電池実験の実験材料データ６ｃとして利用するものとしても構わない。水の電気分解実験と燃料電池実験とは逆方向の反応実験であると理解できるので、この場合には水の電気分解実験において「電解槽」として用いた実験器具データ６ｂを燃料電池実験のための「燃料電池槽」と解釈して利用させることが可能である。
【００５４】
このように、ある実験で得られた実験結果を他の実験の実験材料データ６ｃとして利用できるように本発明のシステムを構築することで、実験者は実験効率の向上についてより現実的な利益を感じることとなり、実験条件の組み合わせや選択に関しての創意工夫が促されることとなる。
【００５５】
実験者が上記した実験器具データ６ｂを選択組合せして適切セッティングし、実験材料データ６ｃを「燃料電池槽」の適切な箇所に適量移注することで燃料電池実験は開始するものとされる。実験器具データ６ｂの中で「モータ」や「プロペラ」、「電球」などは実験結果として発電された電力でどのくらいの仕事が行えるかを示すために利用するものである。したがって、実験器具データ６ｂとしての「蓄電池」を接続して発電された電力を溜めてその電気量を示すようなものとしても構わない。
【００５６】
この燃料電池実験においても、実験環境データ６ａが与えられ、実験器具データ６ｂや実験材料データ６ｃが実験者によって選択・組合されて適宜な実験装置としてセッティングされれば実験の初期条件が確定されることとなり、燃料電池における反応自体は公知のものであるので該初期条件に基づく実験結果データ７は即座に計算され得る。しかし上記したように本発明において重要なことは純然たる実験結果データ７を得ることよりも実験経過データ８や実験付随現象データ９を実験者が感覚的に把握できる情報として提示してシミュレーション学習させることにある。したがって、実験例１の場合と同様に実験初期条件によって計算確定される実験経過データ８や実験付随現象データ９と併せて実験結果データ７を実験自体の成否に関わらず３次元的表現等を利用して実験者が感覚的に把握する情報として示すものである。
【００５７】
具体的には、実験初期条件によって確定し得る発電量に応じて実験装置に接続されたモータを駆動しプロペラを回転させたり、電球を点灯させたり、蓄電池に電力を蓄えるものとして実験者に示すことができ、プロペラの回転速度や回転時間、電球の明るさや点灯時間、蓄積される電力量などを同時に実験を行う複数の実験者の間などで競わせることが可能である。
【００５８】
燃料電池実験における実験結果として得られる電力のように実社会において有用な資源が得られる場合には、例えそれがシミュレーション実験上の仮想的存在であってもこれを仮想現実世界における実体的存在として取り扱うことが可能である。
すなわち、その現実の場合の性質に応じて、消費される有限なものとして実験装置や実験材料等を扱う本発明のシステムにおいては、ヴァーチャル実験室５内の蓄電池などに蓄えられた電力を他の実験を行うために利用するものとしたり、インターネットのようなネットワーク２を通じて本発明の科学実験シミュレーションシステムを共有し得る複数の実験者の間でやりとりするものとなし得、このような点は現実の実験では実現し難い本発明に独自な優位性を示す特質となっている。
【００５９】
（その他）
上記したような本発明の科学実験シミュレーションシステムでは、現実に行われる実験を自然法則にしたがって可能な限り忠実にコンピュータ等のモニターやスピーカなどの出力装置を用いて、実験者が現実の実験と同様に五感を介して感覚的に把握できるように各種シミュレーション実験を体験させるものであるが、仮想現実技術やインターネット等のネットワーク２を利用できるシミュレーション実験であることなどから、通常の実験シミュレーションや現実に行う実験内容を超えた優位性を発揮することも可能となる（図４にネットワーク２を利用した複数実験者の共同実験についての概念図を示す）。
【００６０】
すなわち、消費される有限なものとして構成される実験材料データ６ｃや実験器具データ６ｂであっても、ネットワーク２を利用して複数の実験者が共同して使用したり交換するものとなし得、また、実験条件データ６の選択・組合わせ効果などについての研究や考察を複数の実験者が分担・共同して行うことが簡単にできる。
また、実験結果についてその優秀性を多数の実験者の間で競うようなことも容易にでき、学習目的で行う科学シミュレーション実験として多くの実験者に意欲を持って取り組ませることが可能となる。
【００６１】
さらに、各種科学シミュレーション実験においてはそこで妥当する自然法則に忠実にしたがって実験結果や実験経過に関するデータを計算・確定するが、実験者が感覚的に把握する情報としては現実の実験室で見られるような実験器具や実験材料を使用したものとして提示する必要はない。
すなわち、専用の実験器具や実験材料の代わりに身の回りで普通に見られる日用品を用いた実験であるというように表現することも可能であり、実験者がより興味を惹きやすい形態で科学シミュレーション実験を行うようにできる。
また、実験で使用した各実験器具などについてもその使用状況をデータとして保存するものとなし、適切なメンテナンス作業を行わないと以後の実験などにおいて悪影響を及ぼす可能性があるように構成することも可能で、このようなことを通じて現実の実験における器具取り扱いのノウハウを学習させることができるようになる。
【００６２】
特に、実験例２で示した発電実験（燃料電池に限らず）の如き場合には、これを拡張して仮想現実空間内のひとつの町の電力供給を滞りなく行うために設備を整え、原材料を入手し、効率的な発電条件を確立してコスト管理をも行うといった現実社会と同様な管理・運営シミュレーションとすることもできる。この場合には、実験付随現象データ９として発電という目的との関連は薄いが不可避的に発生する熱発生や廃棄物の発生などについても情報を提示せしめるので、単に発電効率を最大にするということのみではなく、発電に付随する不都合な現象を最少にするという観点を持ったシミュレーション実験となし得、このような観点は現実の実験では中々考慮し難いものである。
【００６３】
本発明の科学実験シミュレーションシステムは上記した実験例以外の多様な科学実験に対しても応用可能である。というのは、実験環境や実験器具、実験材料などの実験条件が確定されれば実験結果等は対応する自然法則にしたがって確定可能であるので、実験条件と実験結果の因果関係が自然法則にしたがって解明されている科学的事象に関するシミュレーション実験であればどのような内容であっても本発明が利用できるからである。
【００６４】
また、このような原因と結果の因果関係が自然法則により説明できる事象であれば、科学実験に限らず、例えば、植物の成長観察や細胞分裂の観察の如きに関しても本発明のシミュレーションシステムは応用可能性を有していると理解されるべきである。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したような本発明によるならば、コンピュータなどの中で実現される仮想現実技術を利用して各種の自然法則に忠実な科学実験シミュレーションをその経過や付随現象と併せて実験者の感覚に訴える情報として提供することができ、現実の科学実験の技術的ノウハウをも学習できると共に仮想現実技術やネットワーク技術を利用して現実の実験では実現困難な事柄までも可能とするものであって、新たな科学実験シミュレーションシステムをその応用範囲の広いものとして提供できるものであるので、工業的にもその価値の高い発明であると理解されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステムの全体概念を示す図面である。
【図２】電気分解槽に入れた水を電気分解して気体の酸素と水素を発生させる水の電気分解実験を例として本発明を実施する場合の概念的な説明図である。
【図３】水素と酸素を結合させて水を生成することで電気を生じさせる燃料電池実験を行う場合の概念的説明図である。
【図４】インタネットのようなネットワークを利用した複数実験者の共同実験についての概念図である。
【符号の説明】
１ 仮想現実空間内の科学実験シミュレーションシステム
２ インターネットのようなネットワーク
３ コンピュータ端末
４ 専用の管理・運営サーバシステム
５ ヴァーチャル実験室
６ 実験条件データ
６ａ 実験環境データ
６ｂ 実験器具データ
６ｃ 実験材料データ
７ 実験結果データ
８ 実験経過データ
９ 実験付随現象データ
Claims (4)
- コンピュータを利用して仮想現実空間内で１つ以上の擬似的科学実験を行わしめるに際して、
仮想現実空間内において処理するデジタルデータとして、実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの各種実験条件データを所与のもの、選択可能なもの、一定範囲で変更可能なものとして擬似的科学実験を行う実験者にモニターなどの各種出力装置を介して感覚的に認識できるように与えるものとなし、
該実験者が任意に行った各種実験条件データの組合せを入力せしめ、
入力された該各種実験条件データの組合せに応じて実験を実行した場合に生じる実験結果データを自然法則に従って計算・確定し、
必要に応じて該実験結果に至る実験実行過程に関するデータと併せて、
映像や音声などに関する各種出力装置を利用して感覚的に把握できるものとして出力せしめることを特徴とする仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。 - 実験環境データ、実験器具データ、実験材料データなどの実験条件データが一定の法則に従って変動するもの、かつ／または、使用することによって消費される有限なものとして擬似的科学実験を行う実験者に与えられることを特徴とする請求項１に記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
- 実験結果データとして、実行した実験が本来的に目的とする結果に関するデータに加えて、該実験を実行することに付随して生じる各種現象に関するデータをも出力せしめることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
- インターネットのようなネットワークを利用して、実験条件データの提示及び入力と実験結果及び実験に付随する各種現象データの出力を、擬似的科学実験を行う実験者の端末機器の各種入・出力装置で行うことができることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の仮想現実空間内における科学実験シミュレーションシステム。
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