【トップクォーク相互作用から探る新しい素粒子模型】

　我々の世界を構成している物質の最少単位である素粒子の振る舞いを理論的に理解しようと努めています。素粒子の振る舞いを理解することは、我々にとって身近な時間や空間の構造を理解することであり、宇宙の成り立ちをも知ることができると期待されています。
現在は、トップクォークと呼ばれる素粒子の振る舞いに着目して研究を行っています。

【コンピュータプログラミング言語の導入教育教材の開発】

　プログラミング言語の学習では、使用するプログラミング言語特有の文法を覚えつつ、開発するソフトウエアの利用目的を達成させるための手順（アルゴリズム）も、ほぼ同時に学習する必要があります。
そこで、プログラミング初学者向けにプログラミング言語の文法学習よりも、アルゴリズム学習に重点をおいたプログラミング学習用教材を試作しています。

周期表の個性豊かな金属イオンに汎用性のある有機分子を配位させ、これまでにない新規錯体を合成・単離して、粉末・単結晶Ｘ線構造解析により三次元構造を決定している。構造を決定した錯体は第一原理計算であるDV-Xα法によりその電子状態を計算し、分子軌道のエネルギー準位、波動関数の形状、スレーターの遷移状態による遷移エネルギー、状態密度曲線、Ｘ線光電子スペクトル、静電ポテンシャルなどを計算し、錯体の色や磁性など様々な物性と比較検討している。特に、DV-Xα法による無機化合物（分子量5000ぐらいまでの有機分子でも可）の電子状態計算に習熟しており、ホームページで有用な情報を発信するとともに、全国の大学・研究所・企業の学生・研究者にDV-Xα法についてのサポートを行っている。

【研究内容の説明】

液体ヘリウムや液体窒素などの寒剤を使った低温環境生成技術を基幹として、nano信号計測技術、物性測定技術を使って、様々な現象を観測しています。
例えば、超伝導技術を用いれば、地球磁場の数万倍もの強さを持つ電磁石を作ることができます。当研究室では1万倍の強さの電磁石を作り、その電磁石を用いて磁場が微生物に与える影響について調べています。

【取得した特許】

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特許第4975154号 「水混合燃料およびその製造方法」

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EUROPEAN PATENT SPECI- FICATION，Inter．Pub．Number：WO 2012/039429
「Water-Mixed fuel and method for producing same」

ディーゼルエンジンにおいて、燃焼時に適量の水と触媒を噴霧することで、数％のエンジン出力が見込める。その噴霧の方法と最適量に関する特許。

科学教育用の教材開発（主に化学・物理分野）を行っています。大学で科学の講義をしていると、小・中学校の理科の内容が案外定着していないことがわかります。そこで、まず学生の小・中学校の理科の知識の定着度を調べ、なぜ定着しないかを分析しています。さらに、小・中学校でどのように教育すれば定着率が上がるのかという観点から、教材を開発しています。このことは、大学教育の改善にも役立つと考えています。また、科学ボランティアセンターで学生と一緒に地域の子ども達にボランティアで科学教室・科学イベントを行っています。このような科学コミュニケーション活動を発展させるための教材と活動の進め方についても研究しています。

統計科学における統計的推測の基本的な枠組みにおいて、母集団分布に正規分布が仮定されることが通常です。正規分布の密度関数は左下図にあるような対称な釣り鐘型をしています。この図は、ユーロ統合前のドイツで用いられていた10マルク紙幣からの抜粋です。
正規性の正規性の検定とは、与えられた標本が正規標本かどうかを客観的に判断する方法です。非常に多くの定量的な手法が開発されていますが、本研究ではグラフィカルな手法の開発を目指しています。右下図はフィッシャーのアヤメデータに開発手法を適用した場合です。キーアイデアは、(グラフ表現法)=(共分散行列の主成分の歪度・尖度)+(歪度・尖度の同時密度関数近似)となります。

安価または入手しやすい材料で作る分子模型と構造模型を開発しています。材料として、厚紙・電子部品・日用品・玩具などを使っています。模型にしてきた分子と構造はさまざまです。開発した模型を使って最先端の化学(科学)を主に高校生と大学生に紹介・解説しています。

【研究内容】

近年の先端科学技術の進歩に伴い、コンピュータシミュレーションによる新しい創薬やものづくりが大きく変貌しています。当研究室では、コンピュータシミュレーションを用いて、生体分子の立体構造や、機能性の解明を目的としています。従来からあるモンテカルロ法や分子動力学計算に加えて、スーパーコンピュータ「富岳」を用いたフラグメント分子軌道計算や第一原理計算により、(1)医薬品とタンパク質の相互作用を解析し、薬剤効果や副作用との関連を探る。(2)電子状態を解析することで、タンパク質の機能特性を解明し、新規材料などの開発につなげる。(3)有機合成で多用されている酵素と有機化合物の相互作用を解析し、酵素の鏡像体選択性を予測し、また鏡像体認識機構を解明する、などを行っています。

【社会活動】

●FMO創薬コンソーシアム酵素ワーキンググループサブリーダー
●解析シミュレーションネットOKAYAMA分子解析グループリーダー

暗号理論では、今後大きな脅威となりうる量子コンピュータに耐性をもつ新しい暗号基盤の開発研究を行っています。また、それらの安全性を理論的・実験的に調査することも大切であり、特に多変数公開鍵暗号では「ＭＱチャレンジ」という暗号解読コンテストを主催し、以下のようにウェブサイトで問題を公開しています。

また、これまでの単純な機能を持つ暗号だけではなく、様々な機能（暗号化された状態でも足し算ができるなど）を持つ暗号の研究も行っています。
整数論では、Langlands予想やArthur予想といった未解決問題と関連する保型表現の研究を行っています。

生物固有の微小構造の形成を支える自己組織化特性に注目し、生体膜構成分子の幾何学形状や物性と環境因子（温度、イオン環境など）との組み合わせから、生物微小形態形成を支えるナノ周期構造の形成メカニズムを検討しています。

磁石は我々の身の回りの多くのデバイスで使用されており、現代社会の高度な文明を支えています。その起源は電子がもつスピンという量子力学的な物理量にあります。スピンが物質中で様々な環境に置かれた時、古典的状態に対応状態のない奇妙な振る舞いを見せる場合があります。そういった現象に興味を持ち、様々な実験的手法を駆使して解明を目指しています。
水素は最も軽く強い量子性が気体される元素であることから、その実験的観測を目指しています。また物質中に侵入することで、例えば超伝導発現などの物性変化がもたらされる場合があり、水素誘起物性にも興味を持っています。中には水素を大量に吸蔵するものもあり、水素社会における安全な運搬・貯槽などへの応用も期待されています。そこで上記の基礎物性に加え、水素吸蔵特性の評価法の開発を通して高性能な水素吸蔵物質の実現を目指した応用研究も実施しています。

統計的手法、特に回帰問題に対する手法の開発に取り組んでいます。またそのプログラム（パッケージ）の作成を行っています。回帰問題は説明変数と応答変数の期待値との関係（回帰関数）を推定する問題です。応答変数に影響を与えている説明変数を選択する手法に興味があります。回帰関数にパラメトリックモデルを仮定する場合とノンパラメトリックモデルを仮定する場合のそれぞれにおいて、変数を選択する方法を研究しています。回帰分析は、例えば共分散分析において、因果効果の推定に使われています。開発した手法を因果推論に応用する研究も行っています。

46億年の地球史の中で、生命がどのように誕生し進化してきたか、フィールドワークを中心としたアプローチにより解読を行っています。とくに真核生物や多細胞動物の進化に着目し、イギリス・中国・ガボン・モンゴルなどでの地質調査、層序の復元（岩相・化石・年代測定）および古環境の復元（化学分析）に基づき、生物進化に必要な条件の解明を目指しています。また、地学教育分野では、野外での多角的・自発的な観察を再現する「VR巡検」教材の開発に取り組んでいます。

遺跡から出土する植物の種子や果実から、人と植物の関係史を調べています。特に，農耕の始まりについて興味があります。日本列島の農耕の始まりは弥生時代ですが、縄文時代にダイズとアズキが日本列島でも独自に栽培化（ドメスティケーション） された可能性があり、研究を進めています。中米ではトウモロコシを基盤としたマヤ文明が繁栄しましたが、マヤ文明がどのように発祥し、衰退したのか、トウモロコシ農耕の発達や環境変動との関係から研究しています。

可換環論の対象であるコーエン・マコーレー加群は1986年にアウスランダーによって「個数の有限性とそれを定める可換環の幾何学的な性質」の関係が見出されて以来、代数幾何学と多元環の加群論を結ぶ重要な対象として研究されています。コーエン・マコーレー加群は有限次元多元環上の有限生成加群の自然な高次元化にも位置付けられ、私はコーエン・マコーレー加群の加群論（環上の線形代数）的側面に興味を持って研究を進めています。
現在、コーエン・マコーレー加群の圏に関手圏を用いて幾何学的構造を導入し、幾何学的な構造からコーエン・マコーレー加群の表現型について研究を行っています。

生徒が主体となる授業展開や発問の工夫など、理科が好きな子どもと、理科の授業を心から楽しめる先生を育てるための理科教育のあり方などを研究しています。

　総合的な探究の時間や各教科の探究活動が学習指導要領に盛り込まれ、各学校で実施されるなど、21世紀型学力を育成する学習活動として児童生徒が仲間と協力して探究的に学ぶ教授学習方略が注目されています。また、GIGAスクール構想によりICTの活用がこのような学習活動の場面に求められています。
　私は、このような時代が求める教育活動である探究的な学びの実践事例をもとに、その効果的な教授学習方略の研究を行っています。特に情報科では実習が重視され、生徒が主体的にICTを活用して学ぶことで「情報理論」や「情報倫理」「プログラミング的思考力」「情報活用の実践力」を身につけるような学習教材の開発と指導案の蓄積が待たれているところです。高橋研究室では、このような教材を開発し、実践の事例を分析することや、その効果を検証する基となる児童生徒の資質・能力を測定する方法について研究を進めています。

　アドラー心理学の理論、技法、思想を教育や臨床で応用することを研究しています。
　アドラー・ドライカース・サマースクールでのサイコドラマのコースでの様子。

　これからの社会を創り出していく子供たちが、社会や世界に向き合い関わり合い、自らの人生を切り拓いていくために求められる資質・能力を育成することを目的とした、理科の授業及び教師に対する研修に関する研究を実証的に行っています。
　主体的・対話的で深い学び(いわゆる、アクティブ・ラーニング)を実現できる理科の授業デザインの開発と評価の研究を行っています。
　協働学習を支援するソフトウエアと一人１台のタブレット端末を活用した協働学習支援システムの開発研究を行っています。

技術科教育に求められる授業形態や新たな課題の発見など，より効果的で有用な授業の在り方について，更なる探求に努めたい。また，ものづくり教育の研究としては，ものづくりの楽しさを実感し，生徒や学生の主体的な学びに向けての意欲や熱意を高め，より努力することへと繋げ，創造力・集中力・実践力を育み，教育的に大きな効果をもたらす教育方法を探求したい。

　本研究室では主として、近代日本の教育の発展に果たした外国人教師の役割について研究しています。
　明治以降の日本の急速な発展は、世界を驚かせました。その要因の一つには、人材養成に力を入れたことが挙げられます。西洋をモデルに殖産興業を図った日本は、採り入れた知識や技術を日本人自身の手で活用しようとしました。そのためには、西洋諸国の専門家の力を借りて、高度な教育を行うことが必要だと考えました。外国人教師たちは、このような日本人の期待にどう応えようとしたのでしょうか。