ROSE - Ibaraki University Academic Repository

祖田, 直也

Soda, Naoya

Japanese

Development of technology for high-efficiency, high-power density small motors using next-generation nanocrystalline soft magnetic materials

青山, 和夫

Aoyama, Kazuo

A study on the origins and political and economic organization of Maya civilization

打越, 正貴

三原, 知弥

道徳科の授業改善に資する道徳性の評価

箕輪, 憲宏

髙野, 貴大

加藤, 崇英

教育実習生と指導教員の関係性における 「心理的安全性」に関する研究 －教育学部学生を対象としたWeb質問紙調査の結果を通して－

棗田, 孝晴

コイ科淡水魚類モツゴ Pseudorasbora parva を対象とした 練り餌による集魚効果の検討

小西, 康文

KONISHI, Yasufumi

茨城大学大学教育論叢 大学教育研究 第 8 号 (2025), 11-16 
 
1 
 
 
グループ割当問題に対する簡単な最適化手法の繰り返し利用 
 
小西康文* 
（2024 年 10 月 18 日 受理） 
 
 
Repeated use of easy optimization methods for the group assignment 
problem 
 
Yasufumi KONISHI*  
(Received October 18, 2024) 
 
 
Abstract 
Successful group work in lectures depends on our ability to create diverse student groups. This paper 
aims to show how to assign students to diverse student groups with 3 or 4 members using easy optimization 
methods. Repeated use of the easy optimization methods allows us to form small group members for the 
first time or keep high-performance group members in the same group for the next group work. 
  
キーワード: 割当問題, 制約条件, 目的関数, グループワーク 
 
 
１．はじめに 
昨今の多様化した大学入学制度において、今まで以上に入学学生がもつ特徴や価値観に広がりが
出てきている。そのため、多種多様な学生の特徴に対応した授業設計が求められている。同一の学
部学科で開講されている授業科目においても、その科目内容に対して苦手意識をもった学生とそう
でない学生との知識や技能の差は広がっていると考えられる。このような状況の中では、ある一定
の知識水準を想定した知識伝達型の授業よりも、多種多様な観点をもつ学生同士の協同学習を取り
入れた授業の方が、より大きな学習効果が得らえる可能性は高いと考えらえる。実際に、Prichard et 
al.や Francescato et al.など、協同学習が教育的により良い効果をもたらすことを指摘する研究も多
い。また、茨城大学においては 2024 年度から 1 回の授業時間が 90 分から 105 分への拡張されたた
め、学生の集中力を切らさないためにもグループワークのような学生が主体的に取り組める活動を
取り入れた授業形態が望まれている。 
グループワークを行うためには学生を各グループに割り当てなければならない。このグループの
割り当て作業の最も単純な方法の一つとして、名簿順に学生を各グループに適当な人数分だけ割り
 
* 茨城大学スチューデントサクセスセンター（Student Success Center, Ibaraki University） 
－11－
茨城大学大学教育論叢 大学教育研究 第 8 号 (2025) 
2 
 
当てる方法が考えらえる。しかしながら、Huxham and Land (2001)は、このように明確な基準がなく
学生をグループに割り当てた場合、期待した結果が得られないことも指摘している。特に、複数回
のグループワークを取り入れた授業を行うのであれば、グループ間で生じる偏りが学生の成績評価
あるいは教育効果に大きく影響する可能性もある。こうした懸念を回避するための方法として、あ
る基準や条件のもとで毎回グループメンバーを変更することが考えられる。 
ある条件のもとでグループの割り当て作業を行うような問題設定は、最適化問題の中における割
当問題として知られている。割当問題として考えられている基本的な例として、梅谷（2021）に記
載されているように、𝑝𝑝人の学生を𝑞𝑞個のクラスに割り当てるような場合が考えらえる。その際に、
制約条件として 1 クラスにおける受け入れ学生数の上限を定め、数値化された学生の希望が全体と
して最大となるように定式化が行われる。実務上は、今野ら（2011）や岩永ら（2020）が記載して
いるように、1 クラスの最低充足率の設定など単純な割当問題にいくつかの変更や制約条件が追加
される。梅谷（2021）、今野ら（2011）、岩永ら（2020）はクラス分けに対する最適化を記載してい
るが、クラスをグループに置き換えればグループ割り当てに対する最適化として適用することがで
きる。 
グループ割り当てに対する最適化では、グループ内の多様性とグループ間の平等性が重要な観点
となる。Barker and Powell (2002)、Weitz and Lakshminarayan (1998)、Mingers and O’Brien (1995)などは、
学生がもつ複数の特徴を基に様々な形の目的関数を定義することでグループ内の多様性が最大にな
るように定式化を行っている。また、Hubscher (2010)は学生の選好を目的関数に取り入れるなどし
ており、グループ割り当てに対する最適化としてグループ内の多様性やメンバーの選好に関する研
究は活発に行われている。他方で、毎回の授業でグループメンバーを変更するような場合を想定し
たグループ割り当てに対する最適化を考察するような研究は見当たらない。 
そこで本稿では、線形最適化ソルバーで対応できるような比較的簡単な最適化手法を利用して、
1 つの授業科目に対して複数回のグループ分けを行うことを念頭に 2 つのグループ割り当て方法を
紹介する。一方は複数回のグループ分けにおいて以前のグループメンバーと同じグループメンバー
とならないように制約条件を追加する方法である。他方はグループの提出課題の評価点に応じてグ
ループメンバーを入れ替える方法である。ここで紹介する方法は、最適化を行う上で分かり易い表
現で問題を扱える PuLP モデラ―を利用して実装できるような内容である。PuLP では CBC などの
線形最適化ソルバーを利用して最適化問題を解くことができる。PuLP のホームページには操作方
法が記載されており、岩永ら（2020）や久保ら（2018）でも取り扱われているため、学習コストは
比較的低く個々の状況に応じた制約条件を追加することも簡単に行うことができる。特に、毎回の
授業でグループメンバーを変更する際にグループ割り当て作業の手間を軽減させるには比較的有効
な手段だと考えられる。 
 
 
２．定式化 
グループワークを行う際に人数が多くなると学生一人一人の寄与が小さくなりグループ活動に積
極的に参加しない学生が増加することが考えられる。そこで、1 つのグループを構成する学生の数
は 3 名か 4 名とする。グループ割り当てを行う対象となる学生の数としては 50 名程度の規模を想
－12－
小西：グループ割当問題に対する簡単な最適化手法の繰り返し利用 
3 
 
定している。また、科目内容の知識や技能に関わる数値化された指標として 3 段階以上を想定し各
学生には付されているとする。今後はこの数値化された指標をスコアと呼ぶ。ここでは、単純にス
コアが高いほど科目内容の知識が豊富で高度な技能をもつ傾向があるとする。このような状況のも
とで、次のようなリストとリストに含まれる要素の数を考える。 
 𝑆𝑆：学生のリスト（学生の数：𝑛𝑛�） 
 𝐺𝐺：グループのリスト（グループの数：𝑛𝑛�） 
 𝑈𝑈：スコア上位の学生のリスト（スコア上位の学生の数：𝑛𝑛�） 
 𝐿𝐿：スコア下位の学生のリスト（スコア下位の学生の数：𝑛𝑛�） 
 𝑀𝑀：スコア中位の学生のリスト（スコア中位の学生の数：𝑛𝑛�） 
ここで、1 つのグループを構成する学生の数は 3 名か 4 名とするため、学生の数𝑛𝑛�に対して 𝑛𝑛�/4 
が割り切れる場合には𝑛𝑛� � 𝑛𝑛�/4、𝑛𝑛�/4 が割り切れない場合には 𝑛𝑛�/4 の小数点以下を切り上げた
整数、つまり 
𝑛𝑛� �  min�𝑛𝑛 𝑛 𝑛𝑛 | 𝑛𝑛�/4 � 𝑛𝑛� 
とする。そして、スコア上位の学生の数、スコア下位の学生の数、スコア中位の学生の数はグルー
プの数以上の数であり、スコア上位の学生の数およびスコア下位の学生の数に対しては 𝑛𝑛�/3 の商
以下の整数であると仮定する。 
グループの分けの対象となる学生は必ずどこかのグループに割り当てられるとして、各グループ
の人数は 4 名以下とする。もし、あるグループを構成する学生が全員スコア下位に属する学生であ
るならば、そのグループの活動のパフォーマンスは他のグループと比較して低くなる可能性が高く
なることが想定される。そこで 1 つのグループは、スコア上位の学生のリストから一人以上、スコ
ア下位の学生のリストから一人以上、スコア中位の学生のリストから一人以上、合計で 4 名以下の
グループとなることを条件とすることで、このスコアに関連する知識や技能に対しては偏りが少な
くなるようにグループ編成を行う。これらの条件を定式化するために、学生のリスト𝑆𝑆の要素𝑖𝑖がグ
ループのリスト𝐺𝐺の要素𝑗𝑗に割り当てられたとき 1、それ以外の要素に割れ当てられたとき 0 となる
ような変数 
𝑥𝑥�� 𝑛 �0, 1�    �𝑖𝑖 𝑛 𝑆𝑆, 𝑗𝑗 𝑛 𝐺𝐺� 
を導入する。この変数を用いることで、上記の制約条件は次のように定式化できる。 
�𝑥𝑥�� � 1
�𝑛�
        �𝑖𝑖 𝑛 𝑆𝑆� 
�𝑥𝑥�� �  4        �𝑗𝑗 𝑛 𝐺𝐺�
�𝑛�
 
�𝑥𝑥�� � 1         �𝑗𝑗 𝑛 𝐺𝐺�
�𝑛�
 
�𝑥𝑥�� � 1         �𝑗𝑗 𝑛 𝐺𝐺�
�𝑛�
 
�𝑥𝑥�� � 1         �𝑗𝑗 𝑛 𝐺𝐺�
�𝑛�
 
これらの制約条件のもとで PuLP の CBC ソルバーにより、想定した範囲内でのグループ分けを行
－13－
茨城大学大学教育論叢 大学教育研究 第 8 号 (2025) 
4 
 
うことができる。ここで確定した変数𝑥𝑥��の値を定数𝑑𝑑��と記載する。また、この第 1 回目のグループ
割り当てにおいてグループ𝑗𝑗が提出した課題の評価点を𝑐𝑐�、これらの課題の平均点を𝑚𝑚として以下の
グループ割り当てで利用する。 
 
 
３. 最適化手法の繰り返し利用 
ここまでに記載したような条件でのグループ割り当てであれば最適化問題を活用する利点は少
ない。最適化問題を活用すべき状況とはもっと複雑な制約条件が課された場合である。様々な種類
の条件が考えらえるが、今回は 1 つ目としては複数回のグループ分けにおいて以前のグループメン
バーと同じグループメンバーとならないように制約条件を追加する方法を示す。2 つ目としてはグ
ループの提出課題の評価点に応じてグループメンバーを入れ替える方法を示す。まずは前者の方法
として、第 1 回目のグループ分けにおいてグループ𝑘𝑘に属していた学生のリストを𝐻𝐻�とする。この
場合、第 2 回目のグループ分けにおいてグループ𝑗𝑗に属する学生はリスト𝐻𝐻�の中で 1 名以下となら
なければならない。したがって、この場合の制約条件 
� 𝑥𝑥�� � 1       �𝑗𝑗, 𝑘𝑘 𝑘 𝑘𝑘 �
�𝑘��
 
が上記の制約条件に加わることとなる。続けて 2 回目、3 回目と回を追うごとにグループに属する
学生のリストに対して同様の制約条件を加えていくことで、過去のグループメンバーと全く異なる
グループメンバーによりグループ割り当てを行うことができる。しかしながら、制約条件を新たに
加えていくことで解が見つかる可能性は減少していくことに注意しなければならない。 
次に 2 つ目の方法として、目的関数を設定し最適化問題を有効に活用したグループ割り当てを考
える。先ほどと同様に 1 回目のグループ割り当ての結果を考慮した上でクラス分けを行う。今回は、
1 回目のグループ分割り当てで提出された課題の評価点が高いグループにおいては、グループワー
クが効果的に機能していたと想定する。そして 2 回目のグループ割り当てにおいても同じメンバー
が数名残るような場合を考える。ここで、第 1 回目のグループ割り当てにおいてグループ𝑗𝑗が提出し
た課題の評価点を𝑐𝑐�、これらの課題の平均点を𝑚𝑚として、提出した課題の評価点が平均点を上回る
グループでは同じメンバーが数名残るように 1 回目のグループ分けに対する制約条件を 
� 𝑥𝑥�� � 3       �𝑗𝑗, 𝑘𝑘 𝑘 𝑘𝑘 �
�𝑘��
 
と緩和する。さらに目的関数 
���𝑐𝑐� �𝑚𝑚� ⋅ 𝑑𝑑�� ⋅ 𝑥𝑥��
�𝑘� 
 
�𝑘�
 
を設定し、この目的関数が最大となるように最適化問題を解く。ここで、1 回目の最適化問題の解
となる変数𝑥𝑥��の値が定数𝑑𝑑��であることを考慮すると、2 回目も同じ学生が同じグループに残る場合
に𝑑𝑑�� ⋅ 𝑥𝑥��は 1 となり、1 回目と異なるグループへ移る場合に𝑑𝑑�� ⋅ 𝑥𝑥��は 0 となる。しがたって、提出
した課題の評価点が平均点を上回るグループに対して�𝑐𝑐� � 𝑚𝑚�は正の値となり目的関数を最大化す
るのに有効に働く。そのため 2 回目のグループ割り当てにおいて 1 回目のグループに同じ学生が残
るように働く。逆に、提出した課題の評価点が平均点を下回るグループに対して�𝑐𝑐� � 𝑚𝑚�は負の値
－14－
小西：グループ割当問題に対する簡単な最適化手法の繰り返し利用 
5 
 
となり目的関数を最大化するのを妨げるように働く。そのため 2 回目のグループ割り当てにおいて
1 回目のグループと異なるグループに移るように働く。 
 
 
４. まとめ 
本稿では、学生がもつ特徴はスコアの１種類であると想定しているため、グループ内に複雑な多
様性をもたらすことは難しい。そこで、学生のリストを学生が持つスコア順にスコア上位の学生リ
スト、スコア下位の学生リスト、スコア中位の学生リストに分割し、1 つのグループに必ずこれら
3 つの学生リストから 1 名が属するように制約条件をかすことで、グループ間で極端なスコアの偏
りがでないように設定した。また、組み合わせのパターンが強く制限されないように比較的簡素な
制約条件のみとした。 
今回の主な目的は、比較的小さな学習コストで割当問題に対して僅かな制約条件の追加や目的関
数の変更を繰り返し行うことで、次のような状況に応じた２種類のクラス分けができる点である。
1 つは同じ学生同士がグループメンバーとならないようにグループを割り当てることができ、もう
1 つはグループ課題の評価点が高いグループを優先的に残す方法である。授業内容や授業方法、学
生の適正などにより適切なグループへの割り当て方法は異なってくる可能性もある。したがって、
作業負担を増やさず目的合ったグループの割り当て方法を利用することで、教育効果の向上につな
げることが実務上においては重要となる。 
 
 
引用文献 
J.S. Prichard, R.J. Stanford and L.A. Bizo, (2006) Team-skills training enhances collaborative learning, Learning 
and Instruction, 16(3), 256-265. 
D. Francescato, R, Porcelli, M. Mebane, M. Cuddetta, J. Klobas and Renzi, (2006) Evaluation of the efficacy of 
collaborative learning in face-to-face and computer-supported university contexts, Computers in Human 
Behavior, 22(2), 163-176. 
M. Huxham and R. Land, (2000) Assigning students in group work projects: can we do better than random?, 
Innovations in Education and Training International, 37(1), 17-22.  
梅谷俊治.(2021)「しっかり学ぶ数理最適化 モデルからアルゴリズムまで」講談社.  
今野浩・後藤順哉.(2011)「意思決定のための数理モデル入門」朝倉書店.  
岩永二郎・石原響太・西村直樹・田中一樹.(2021)「Python ではじめる数理最適化」オーム社. 
K.R. Baker and S.G. Powell. (2002) Methods for Assigning Students to Groups: A Study of Alternative Objective 
Functions, Journal of the Operational Research Society, 53(4), 397-404. 
R.R. Weitz and S. Lakshminarayan. (1998) An Empirical Comparison of Heuristic Method for Creating Maximally 
Diverse Groups, Journal of the Operational Research Society, 49, 635-646.  
J. Mingers and F. A. O’Brien. (1995) Creating student groups with similar characteristics: A heuristic approach, 
Omega 23, 313-321.  
R. Hubscher. (2010) Assigning Students to Groups Using General and Context-Specific Criteria, IEEE Transactions 
－15－
茨城大学大学教育論叢 大学教育研究 第 8 号 (2025) 
6 
 
on Learning Technologies, 3(3), 178189.  
久保幹夫・並木誠.(2018)「Python による数理最適化入門」朝倉書店.  
PuLP, Optimization with PuLP,, https://coin-or.github.io/pulp/, (2024 年 12 月 26 日参照) 
－16－


Repeated use of easy optimization methods for the group assignment problem

杉本, 妙子

茨城県南東部地域における特徴的方言とその変容に及ぼす移住者増に関する研究

藤原, 貞朗

ポストジャポニスム期における日本とフランスの美術文化の相互交流の深化と拡散の研究

松本, 光太郎

茨城大学・人文社会科学部・教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2022～2017
爪切りケアをめぐる乳幼児期と高齢期の自他関係に関する縦断・横断的研究
A longitudinal and cross-sectional study of self and others relationships in 
infancy and older regarding nail trim care
６０４２０３６１研究者番号：
松本　光太郎（Matsumoto, Kotaro）
研究期間：
１７Ｋ０４３４０
年 月 日現在  ５   ６ ２６
円     3,300,000
研究成果の概要（和文）：　乳幼児の爪切りの縦断研究を中心に、養育者が子どもの爪を切る動機として、乳児
自身が自分の身体を傷つけてしまうことにくわえて、養育者自身が傷つけられてしまう親子の事情が絡み合って
いること、また手という対象関係は手を握られ動かそうとすることにより生じることなどから他者が関わってい
る可能性、そして痛みの形成において「イタイ」という言語使用における言語と感覚との関係、それから爪切り
を生後10か月ごろ嫌がるようになり、2歳前後であらためて爪切りを拒否するようになり、この後拒否は徐々に
収束していく過程の心理発達について提示した。
研究成果の概要（英文）：Focusing on a longitudinal study of infant nail trimming, we found that the 
motivation for caregivers to trim their children's nails is not only that the infants themselves 
hurt themselves, but also that the parent-child situation in which the caregivers themselves are 
hurt is intertwined, and that the object relationship of the hand is created when the hand is held 
and the child tries to move it, which suggests the possibility that other people may be involved. 
The relationship between language and sensation in the use of the word "hurt" in the formation of 
pain, and the psychological development of the process of convergence after the child begins to 
dislike nail trimming at around 10 months of age and who again began to refuse it at around 2 years 
of age, and the refusal gradually subsided after that. The psychological development of these 
processes is presented.
研究分野： 心理学
キーワード： 爪切り　手　乳幼児　高齢者　親子　自他関係　ケア　痛み
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
　爪切りという日常行為にはらむ親子のあいだで生じる困難や、身体内の対象関係の成り立ちにおいて他者が関
わる可能性、それから痛みの形成や心理発達を爪切りの拒否の収束から読み解いていくことなど依然粗削りなが
ら乳幼児研究や自他関係の研究に新たな知見を提供しうる成果である。また学術的意義にとどまらず、子育てを
行う養育者において表立って問題にされたなかった爪切りという難題や、広く子どもをケアすることの悩ましさ
を知らしめる社会的意義がある。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９（共通） 
 
 
１．研究開始当初の背景 
（１）身体ケアと虐待  
2007 年に福岡県北九州市の病院に勤務する看護師が認知症高齢者の爪を切ったことで虐待が
疑われ、傷害罪で逮捕される事件があった。高齢者が自分で爪を切れない場合、伸びている危険
な爪を誰かが切らなければならない。誰かに爪を切ってもらう必要は乳幼児においても同様で
ある。爪切りは身体ケアを意図しているが、意味が反転して虐待と受け止められかねない悩まし
い生活行為である。 
 
（２）自他のつながらなさと痛み  
爪切りは爪を切られる者と切る者という別の身体同士で行う営みである。また、爪切りでは切
られる者と切る者が、切られる者の身体の一部である手の爪を対象にした「共同注意」を形づく
っている。相互に信頼していても深爪になったときには、切られる者と切る者の痛みをめぐる経
験の違いが生じる。切られる者は深爪をされると痛みを感じ、切る者は反応や身体の緊張からい
くらか感知しながらも痛みを直接感じない。痛みの私秘性と公共性は哲学における中心的課題
として、さらに発達心理学の一部において研究がなされてきた。爪切りは痛みをめぐる自他のつ
ながらなさが顕わになる生活行為である。 
 
（３）自分の爪を切る手と身体 
自分で自分の爪を切る際には、片方の手に爪切り道具を持って操作し、もう片方の手の爪を対
象にする。すなわち手は自分の身体の一部でありながら、かつ対象でもあるといういわば身体内
で自他関係が成り立っていることが爪切りの要件になる。手をめぐる身体内の自他関係が、確固
として成り立っていないのが乳幼児期であり、成り立っていたはずが崩れつつあるのが高齢期
であると考えられる。爪切りを出来ることが身体内の自他関係の成立の指標になりうる。 
 
２．研究の目的 
（１）自他関係の成り立ち  
爪切りケアを構成する爪を切られる者と切る者における自他関係の成り立ちを明らかにする。
特に発達過程の異なる乳幼児と高齢者における爪切りケアをめぐる自他関係の違いを検討する。
また、爪切りに潜む身体ケアの困難さの成り立ちを明らかにすることも課題である。 
 
（２）身体内の自他関係における形成過程と崩壊過程 
 自分で爪を切ることが出来るようになるプロセスとその意味を解明するために、身体内の自
他関係における乳児期の形成過程と高齢期の崩壊過程をたどることを課題とする。この研究を
通して、四肢から手や腕に進化した人間の特徴を明らかにすることや爪切りを単位とした生涯
発達の構想にも取り組む。 
 
３．研究の方法 
（１）インターネットをはじめとする道具を媒介した間接観察 
 爪切りに直接立ち会うのは、通常爪を切られる者と切る者に限られ、外部者が立ち会うことは
難しい。そこで、乳幼児の爪切りに注目する縦断研究では、乳幼児の爪切りに必ず立ち会う者、
すなわち乳幼児の爪を切る養育者に爪切りにまつわる質問をメールで定期的に送り、乳幼児の
爪を切るときの様子や養育者自身の経験などをメールや SNS を媒介して教えてもらう間接観察
もしくはインタビューを行う。高齢者の爪切りに注目する縦断研究では、自宅もしくは施設を定
期的に訪問し、爪を切るときの高齢者の様子や当人の経験、爪を切る家族や介護者の様子や経験
を質問に答えるかたちで教えてもらう。 
 
（２）訪問による直接観察 
乳幼児期の縦断調査では、インターネットを媒介した間接観察にくわえて、半年～1年に一度
直接家庭を訪問することも行う。乳幼児の変化にくわえて、生活環境の変化を直接観察するとと
もに、養育者には近況を聞き、乳幼児と直接関わることが目的である。 
 
４．研究成果 
 本研究では、4名の 0歳児の縦断調査から始めた。コロナ禍の影響により研究期間を延長した
ことで予定していた期間よりも長く調査を行い、充実した調査結果を得た。現在 6～7 歳になっ
た子どもたちの間接観察は継続していて、「研究の目的（２）」の身体内の自他関係の形成過程の
到達点である爪切りが自分で出来るまで続ける予定である。一方で、高齢者の縦断調査はコロナ
禍の影響により特別養護老人ホームをはじめとする高齢者施設に感染予防のため入ることが出
来なくなり、公民館等も調査の協力を得ることが難しかった。そのため、縦断調査は行えず、横
断調査にとどまった。よって、現時点での研究成果は乳幼児期が中心となる。 
（１）養育者が子どもの爪を切る動機 
 実際の爪切りを間接的に観察することで明らかとなったことの一つに養育者が子どもの爪を
切る動機がある。新生児期に子どもは自分の手の先の爪で自分の顔を傷つけ、しばらくすると自
分の足を自分の手の爪で傷つける。この行為は寝返りやリーチングを始める頃には見られなく
なるため、「ジェネラルムーブメント」（多賀、2002）と呼ばれる自発的で特定のパターンに特徴
づけることのできない動きと考えられる。また、自分の身体を傷つけるのみならず、新生児の手
の爪は抱っこや授乳を行う養育者の身体も傷つける。養育者は、子どもが自分の手で自分の身体
を傷つけてしまうこと、そして抱っこや授乳といった子どものケアをするために接近すること
で自分の身体が傷つけられることが子どもの爪を切る動機になっていた。この爪を切る動機に
おける養育者と子どもの絡み合った関係を読み解くことは今後の課題である。 
 
（２）対象関係の複層性 
 爪切りには、自分の爪を自分で切ることと他人が切ることの二通りがある。観察している子ど
もたちは爪を自分で切ることがまだできないため、他人が爪を切ることのみ検討している。新生
児・乳児において手は対象になっているのか、どのような対象なのか。観察している子どもたち
は爪を切られる際に手を握られると動かそうとする。そのなかで 2名の子どもは 10 か月ごろに
養育者の爪切りを嫌がるようになった。こどもは自分の手を対象として見ていたが、養育者と同
じ対象を共有していなかったと考えられた。「共同注意」が成立するのは 9か月ごろとされてお
り（トマセロ、1999）、養育者と徐々に対象を共有できてきた時期に爪切りを嫌がるようになっ
たため、爪を切るために手を握っているのは養育者であることが分かり、爪切りを嫌がることは
養育者への反発が新たに生じていると考えられた。 
また、新生児が手を自分の身体の一部であることが分かる過程において養育者が爪切り時に
手を握っていることによって対象として知覚され、身体の一部であることが分かる可能性が示
唆される。J.ギブソン（1979）では周囲の環境を隠すことで自分の手を視覚的に特定し、ナイサ
ー（1976）では対象に触れるとき対象とともに手を知覚する「生態学的自己」を提示していた。
これらは身体が対象を知覚する個体内の対象化にとどまっていて、本研究においては手が対象
になっていく過程に他者が関わっていることを見出している。 
 
（３）痛みの形成 
 爪切り後に乳児がつく溜息を痛みの表現とある養育者はとらえていた。この溜息が痛みによ
るものというのは解釈の域を出ない。乳児はまだ言葉を話せないので、乳児が痛みを感じている
のか明確に把握することが出来ない。麻生（2014）は 1歳の幼児の観察記録から「イタイ」とい
う言葉を用いる前、「ドン」というオノマトペ表現と痛みとの関係について検討している。本研
究においても、爪を切った後に長らく「イタイ」と口にしていた幼児が 3歳目前に「キモチワル
イ」と違う表現を始めた事例を採集した。現時点では 2つの可能性を検討している。一つは、長
らく使用していた「イタイ」という言葉で表現していたのは、正確には「キモチワルイ」事態で
あって、言葉「キモチワルイ」を新たに使用できることで、自分の感覚を表現できるようになっ
た可能性である。二つには、言語表現通り長らく爪切り後は「イタイ」事態であったのだが、「キ
モチワルイ」事態に移行した可能性である。 
 
（４）拒否が収束していく心理発達 
 養育者の世話を必要とする乳児は爪を切られる際には動いてしまう。動く動作は 10 か月ごろ
に爪切りを嫌がるようになり、より対応しづらいものになっていく。「（２）対象関係の複層性」
で述べたように、共同注意の実現により養育者への反発と考えている。そして 2歳前後であらた
めて爪切りを拒否するようになる。この後拒否は徐々に収束していく背景として、自他の区分が
明確になることが考えられ、具体的に①移動の自由により、養育者との距離を自在に広げたり縮
めたりできること、②言葉で主張できるようになること、行為の意味を理解できるようになるこ
と、③信頼関係のなかで交渉できること、以上の 3点が考えられた。 
 
（５）道具を媒介した間接的観察法の開発 
 家庭内の調査を実施することは、外部の人間にとって容易ではない。本研究で注目した爪切り
はお風呂上りや寝る前、幼稚園・保育園に出かける前など養育者と子どもの都合に合わせて不定
期で、私的な時間に行われる。事前に訪問時間を設定することができないため、調査実施に踏み
出せなかった。そこでインターネットのメールや SNS、それからコロナ禍以降はオンライン会議
ツール（Zoom）も利用することで調査が可能になった。さらに方法論の開発として、多くの家庭
で導入され、家の中をあちこち移動している掃除ロボットを使用した間接的観察法を考案し、調
査を実施した論文を発表した。 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計1件（うち査読付論文　1件／うち国際共著　0件／うちオープンアクセス　0件）
2022年
〔学会発表〕　計3件（うち招待講演　1件／うち国際学会　0件）
2022年
2020年
2019年
 ３．学会等名
 ３．学会等名
日本発達心理学会第33回大会（招待講演）
日本発達心理学会第31回大会
日本発達心理学会
 ２．発表標題
 ２．発表標題
 ２．発表標題
乳幼児の爪切りから心の成り立ちの展開を考える
 ４．発表年
 ４．発表年
 ４．発表年
 １．発表者名
 １．発表者名
 １．発表者名
松本光太郎
松本光太郎
松本光太郎
 オープンアクセス  国際共著
オープンアクセスではない、又はオープンアクセスが困難 －
意外なことの発生機序ーロボット・外出・ダンゴ虫
親子は未分化から分化へと発達していくのだろうか？：爪を切られる乳幼児と爪を切る親の視点から
 ３．学会等名
掃除ロボットに同行するフィールド観察研究――動く人工物から探索する人間の周囲に広がる意味
質的心理学研究 51-70
 掲載論文のDOI（デジタルオブジェクト識別子）  査読の有無
なし
 ３．雑誌名  ６．最初と最後の頁
有
 ４．巻
松本光太郎 21
 １．著者名
 ２．論文標題  ５．発行年
〔図書〕　計1件
2020年
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
共同研究相手国 相手方研究機関
 ３．書名
老いと外出
 ５．総ページ数
 １．著者名  ４．発行年
松本 光太郎
 ２．出版社
新曜社 336


爪切りケアをめぐる乳幼児期と高齢期の自他関係に関する縦断・横断的研究

星川, 晃範

茨城大学・フロンティア応用原子科学研究センター・産学官連携准教授
科学研究費助成事業　　研究成果報告書
様　式　Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９ （共通）
機関番号：
研究種目：
課題番号：
研究課題名（和文）
研究代表者
研究課題名（英文）
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）
１２１０１
基盤研究(C)（一般）
2022～2017
高周波によるメタンハイドレートの水素結合切断への挑戦
Challenge to scission of hydrogen bonds in methane hydrate by high-frequency 
induction
６０３９１２５７研究者番号：
星川　晃範（Hoshikawa, Akinori）
研究期間：
１７Ｋ０５１１５
年 月 日現在  ５   ６ １６
円     3,700,000
研究成果の概要（和文）：メタンハイドレートは日本近海に大量に埋蔵されており、次世代エネルギー資源の一
つとして着目されている。氷でできたカゴ構造を効率的に分解するため高周波印加により水素結合の様子を観測
することを試みた。冷凍機中で高周波を発生させて試験を行ったが、高周波の反射が起こり、結果として試料に
十分な高周波をかけることができず、高周波による水素の振動を観測するには至らなかった。高周波を導入する
際にはケーブル長を短くした冷凍機を設計する必要があることが分かった。
研究成果の概要（英文）：A large amount of methane hydrate is buried in the sea floor near Japan. It 
is attracting attention as one of the next-generation energy resources. To efficiently decompose the
 cage structure made of water molecules, we tried to observe the hydrogen bonding by applying high 
frequency. High-frequency induction was introduced into a GM refrigerator using helium as a 
refrigerant, but high-frequency reflection occurred, and it was not possible to apply high-frequency
 waves sufficiently. Unfortunately, no high frequency effects were observed. It is necessary to 
design a refrigerator with a short cable length when introducing high frequency.
研究分野： 量子ビーム
キーワード： 高周波の電場印加測定　中性子回折実験
  ２版
令和
研究成果の学術的意義や社会的意義
高周波中の水分子に着目した中性子回折実験はこれまでに無く、外場中の水素結合の直接観察という学術的なイ
ンパクトも高く、新たな計測技術として発展する可能性があった。今回、コロナウィルス等の影響もあり、技術
開発に遅れが生じるとともに、結果として満足できる測定結果を得ることができなかった。また、高周波を導入
するにあたり専用の冷凍機設計から見直す必要があることが判明した。得られた知見を今後の研究に役立てた
い。
※科研費による研究は、研究者の自覚と責任において実施するものです。そのため、研究の実施や研究成果の公表等に
ついては、国の要請等に基づくものではなく、その研究成果に関する見解や責任は、研究者個人に帰属します。
様 式 Ｃ－１９、Ｆ－１９－１、Ｚ－１９（共通） 
 
 
１．研究開始当初の背景 
日本近海の海底にメタンハイドレート（天然ガスハイドレート）が大量に埋蔵されていること
から、メタンハイドレートは次世代エネルギー資源の一つとして着目されている。天然ガスの主
成分はメタンであり、次いで、エタン、プロパン等から成る。したがって、炭素量の少ない天然
ガスは、他の化石燃料に比べ燃焼時の二酸化炭素（CO2）や窒素酸化物(NO2)の排出量が小さく、
硫黄酸化物(SO4)を排出しないことから、環境にやさしいエネルギーとして着目されている。こ
うした中、メタンハイドレートの有効利用は社会的に非常に重要である。 
メタンハイドレートはクラスレートハイドレートの一種で、水分子が作るカゴ状の水素結合
ネットワークにゲスト分子としてメタンを内包する化合物である。メタンハイドレートの水素
結合は強く、メタンハイドレートを燃やしても爆発することなく静かに燃える程度である。メタ
ンハイドレートを分解するにあたり、この水分子の水素結合を効率よく切断することができれ
ばよいことから、その一つの手法として電子レンジのメカニズムに着目した。電子レンジでは水
分子の双極子としての性質を利用して、マイクロ波により水分子を振動させ、熱を発生するが、
水素結合が結びついた固体の氷の状態では、共鳴周波数が異なるため、電子レンジでほとんど温
められない。電子レンジで使用されているマイクロ波は主に 2.45GHz が使われており、解凍モー
ドは主に出力を小さくするだけのものが多く、解凍に時間がかかる。一方で、業務用の解凍専用
の装置としてマイクロ波よりも周波数が低い、13.56MHz の高周波を用いた高周波加熱装置があ
る[1]。高周波やマイクロ波は被加熱物の表面から入り、徐々に熱エネルギーに変換され減衰さ
れながら内部に浸透していく。凍結状態において 10MHz の高周波は 1GHz のマイクロ波より約 5
倍、2.5GHz のマイクロ波の 15 倍の浸透深さがあることから専用の解凍装置が製作されていた。
こうした点を踏まえて、高周波を印加した際に水分子の水素結合がどのように変化するのか明
らかにすることで、水分子の結合状態の変化の様子をとらえられるのではないかと推測した。 
 
２．研究の目的 
本研究では氷およびクラスレートハイドレート等の水素結合状態が、高周波を印加すること
で水素結合を切りやすくできるのではないかと考え、中性子を用いて水分子およびクラスレー
トハイドレートの水素原子を高周波外場下において観測し、その水素結合状態を明らかにする
ことを目的とした。 
 
３．研究の方法 
 中性子回折用の 4KGM 冷凍機(住友重工 SRDK-101D-A11B）の一部を改造し、高周波発振器を組
込み、高周波中の試料の温度等をモニターできるように、高周波の影響を受けない蛍光式光ファ
イバー温度計を追加する。高周波発振器は発振部、電源部、整合器、電極で構成されており、電
極は試料を挟んだ平板とした。発振部は国際的な割り当て周波数の一つである 13.56MHz の周波
数を作り、電源部は試料までその交流電場を加えるための電源で 40W(サムウェイ T161-4613R)、
整合器は高周波出力を負荷回路（電極と試料）に対して、整合回路を製作した。 
 
４．研究成果 
中性子回折実験をするにあたり、装置の真空散乱槽上面にフランジで冷凍機をセットし、その
フランジ下面から 600mm 下にビームセンターがある。冷凍機は単独で冷やすことができるよう
に中性子回折装置本体の真空散乱槽とは別途、小型の真空容器にセットしたうえで利用する。こ
うした中、高周波用のケーブルを冷凍機の試料を取り付け位置まで導入するにあたり、外側の小
型真空容器および輻射シールドなどの隙間に配線する必要があるがあまり空間的余裕は無かっ
た。使用した同軸ケーブルのコネクタに関しては、利用できる空間の大きさの都合上、一般的な
BNC コネクタではなく、小型の MMCX コネクタを選択し、同軸ケーブルは直径 1mm 程度のセミリ
ジッドタイプのケーブルを選択した。また、冷凍機内部を巻き付けながら引き回すためケーブル
は冷凍機の中だけで 2m ほど必要であった。セミリジッドタイプのケーブルは見た目、針金のよ
うな感じのものであり、手で曲げることができる程度に固い。小型真空槽へ導入するにあたり、
通常、電流導入端子が必要となるが、MMCX コネクタを用いた電流導入端子は存在せず、NW25 の
フランジに穴をあけてセミリジッドケーブルを直接通して、エポキシ樹脂で固定する方法をと
った。同軸ケーブルの内部の材質に関しても当初、室温からの熱流入を考慮してマンガニン線を
選択したが、ケーブルの抵抗が数オーム程度となり、高周波を印加するとこの同軸ケーブルでの
発熱が大きく利用を断念した。その後、セミリジッドケーブルの材質を銅線に変更することで、
発熱を抑制することができた。その他、いろいろと工夫しながら、冷凍機中で高周波を発生させ
て試験を行ったが、結果として最後まで試料部に十分な高周波の出力を加えることができなか
った。主な原因としては電源の出力は最大 40W を用意したが、試料部では平板の板で挟む程度で
あり、電源の内部抵抗とバランスをうまくとることができず、高周波の反射が起こってしまい、
電源の出力で 20W までしか加えることができなかった。また、加えて試料までの電力損失が予想
以上に大きく、試料体積約 2cc に対して、わずか 5C 程度だけ温度上昇させるにとどまった。つ
まり熱量としてはおよそ 42J 程度しか高周波のエネルギーを伝えることができなかったことに
なる。以上のことから、試料に高周波を十分に加えることができず、高周波による水素の振動を
観測するには至らなかった。 
本研究で実際に実験をしてみて、氷に対する高周波による影響が思いのほか小さいことが分
かった。試しにキムワイプに水を含ませて同じシステムで高周波をかけたところ、簡単に室温か
ら 100C 程度まで上昇することが確認できた。-15C の氷に対して、2.5GHz のマイクロ波を用い
た場合より、10MHz の高周波の方が 25 倍ほど損失係数は大きく高効率に思われたが、10MHz の高
周波を氷と水に用いた場合、大きいと思われた-15C の氷の損失係数に対して、さらに 25C の
水では損失係数が 10倍ほど大きく、氷に対してはあまり効率的ではないことが改めて分かった。
世の中で使用されている解凍装置でも実際には同様の現象が起きており、氷が溶けて水になる
と一気に過熱されやすくなるようである。この解凍技術に関しては、大きな氷塊を解凍すること
に特化しており、例えば肉等の冷凍食品に対して実用化されていた。したがって、氷単体ではな
く、タンパク質等の有機物が混在している状況下で利用されていることから、このタンパク質の
部分でさらに加熱されやすくなっている可能性がある。少なくとも骨とか成分の大きく異なる
部位が混在する場合では、高周波による損失係数が部位によって不均一となり、印加の工夫が必
要となるようだ。現状、出力を抑えながらゆっくりと 30 分程度時間をかけて解凍しているよう
である。こうした中将来的に、氷に関しても簡単に解凍できるような新しい技術開発ができれば
と良いと改めて思った。日々忙しく働きながら、家事をこなしている人たちにとっては非常に重
要な技術開発項目の一つである。電子レンジを使ってもなかなか解凍するのに時間がかかるの
と、解凍が十分でない場合もある。家庭の冷凍庫の氷は-15C 程度の氷であり、我々は固体とし
て認識しているが、実際の水分子の運動としては、かなり活発に水素原子はその場所を入れ替え
ている。氷中の水分子の水素原子は酸素を中心とした四面体の頂点位置に水素原子が存在して
おり、時間的な平均をとると各頂点に 1/2 個の水素原子が存在しているように観測される。この
時、頂点の水素と中心の酸素の延長線上に隣り合う水分子の四面体の中心と頂点が存在する。つ
まり、酸素と酸素の間には水素が入りうる位置が 2つある。局所的にはどちらか１個の水素しか
入ることは許されず、2つになりそうな場合には反対側の水素がよけるような動きを見せながら
氷の中でその水素原子位置のバランスが都度とられている。このような水素結合のネットワー
クが形成されている中、水素原子位置を入れ替えるだけの振動（外場）では、水素結合を切断す
るには足りないと考えられる。水の場合にはこのような水素結合の制約はないため、個々の水分
子が双極子として外場とともに振動することができ、マイクロ波や高周波で効果的に発熱が可
能となる。氷の融点近くまで温度を上昇させると、水素結合のネットワークが直線的ではなくな
り、水と同様に個々の水分子が振動することができるようになるため、急激に温度が上昇すると
理解される。メタンハイドレートの水素結合も基本的には氷と同様であり、氷の水素結合を断ち
切るには、水素結合よりも強い外場（高周波の振幅）を加えるのが一つであるが、水分子が作る
水素結合に対して、マッチングさせないとそもそも印加したエネルギーが吸収されない。したが
って、可能性として使用する周波数帯域と出力の大きさを変えることで改善されることが期待
される。ここで現状、日本では電波法無線設備規則による規制の観点から、無線設備通信設備以
外の設備であって 10kHz 以上の高周波電流を利用して高周波エネルギーを発生させて 50W を超
える高周波出力を使用する設備に関しては届け出が必要であることことに注意する必要がある。
なお本研究では、届け出の対象にならない 40W の高周波電源を利用した。この高周波電源の出力
はソフト的に PID 制御することができないもので、手動によるダイヤルゲージで調整し、一定の
電力出力を保って実施した。冷凍機の方は通常の温度コントローラを用いて PID 制御しており、
この状態で、試料部に高周波電源出力で 20W を印加すると時間に対して温度が上昇し続けるの
ではなく、冷凍機側で制御している温度に対して約 5C 程度の上昇した温度で安定していた。つ
まり、コールドヘッドと試料間の温度勾配として熱平衡状態が保たれており、コールドヘッド側
の PID 制御が支配的であった。逆に高周波による影響が小さいことが起因しているとも考えら
れる。今回、冷凍機のコールドヘッドまで導入するにあたり、中性子回折の観点で検出器の陰に
ならないよう冷凍機の構造に制約があったため、少なくとも約 2m の長さが必要であった。逆に
高周波印加の観点ではできるだけ短いケーブル長（数 10cm 程度）の方がよいことが改めて分か
り、冷凍機の設置方法も含めて設計を見直す必要があることが分かった。今後、得られた知見を
活かして研究を進めていきたいと考えている。 
 
[1] 山本泰司, 日本 AEM 学会誌, 22, 456-462 (2014) 
 
５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕　計0件
〔学会発表〕　計0件
〔図書〕　計0件
〔産業財産権〕
〔その他〕
－
６．研究組織
７．科研費を使用して開催した国際研究集会
〔国際研究集会〕　計0件
８．本研究に関連して実施した国際共同研究の実施状況
共同研究相手国 相手方研究機関
所属研究機関・部局・職
（機関番号）
氏名
（ローマ字氏名）
（研究者番号）
備考
研
究
分
担
者
松川　健
(Matsukawa Takeshi)
(60580876)
茨城大学・フロンティア応用原子科学研究センター・産学官
連携助教
(12101)


高周波によるメタンハイドレートの水素結合切断への挑戦

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