Extended Summary 本文は pp.570-576

Design and Implementation of Study Support System

for Electric Circuit Using Virtual Oscilloscope

Masashi Ohchi Member (Saga University, masashi@ace.ec.saga-u.ac.jp)

Noriyuki Aoki Student Member (Saga University, aoki@ace.ec.saga-u.ac.jp)

Tatsuya Furukawa Member (Saga University, tach@ace.ec.saga-u.ac.jp)

Kenji Furukawa Non-member (Fujitsu Ten Co. Ltd)

Keywords: virtual laboratory, Java, electric circuit, transient phenomena, virtual oscilloscope

The authors have designed and implemented “Virtual Lab-

oratory” on the computer systems. Some of the systems are

implemented under Web–based learning environments where

server/client model and Jave technologies are adopted.

In the conventional system, students study the basic alter-

nating circuit theory and they can only observe the steady

state behaviors of waveforms on the electric circuits using the

“Virtual Oscilloscope”. In this paper, we will describe the

study support system for electric circuits including transient

phenomena using Java.

Fig. 1 shows the system configuration of the present study

support system. When a student opens the implemented

Web page, a Java Applet is downloaded and executed on the

client (user side) computer. The system has some functions

for studying electric circuits. For examples, explanation of a

basic electric circuit theory, observing voltage waveforms us-

ing the “Virtual Oscilloscope”, problems in electric circuits.

The scores that students get will be saved on the WWW

server by using Java Servlet container. Since they are saved

in HTML files, any students can easily see the own scores

using Web browser.

Fig. 2 shows the snapshot of the explanation window of

the electric circuit. If a student clicks the right button of the

mouse on the window, the contents change the next page.

Moreover, if the left button of the mouse is clicked, the page

goes back to the previous page. The menu window has ten

buttons, explanations, hints, problems, the Oscilloscope and

so on. When a student clicks the question button in the

menu window, the question window will be displayed.

Fig. 3 shows the snapshot of “Virtual Oscilloscope” for ob-

serving the voltage waveform. It is implemented by Java Ap-

plet. There are some control knobs with the “Virtual Oscil-

loscope”. For example, Voltage range, GND position, Focus

control, Intensity control, Scale controls, Trigger controls,

Fig. 1. System configuration

Fig. 2. Explanation of electric circuit

Fig. 3. Virtual Oscilloscope

Time scales and Horizontal position. It is able to observe

the transient voltage waveform of the RL, LC, RC, RLC

circuits. The voltage and the values of LCR(inductance, ca-

pacitance, resistance) are available to change using slider in

the system.

The implemented system is very significant for studying

the basic electric circuit including transient phenomena as

a physical phenomena. It is considered that students can

study electric circuits including transient phenomena easily

using the present system.

– 5 –

論 文

仮想オシロスコープを備えた電気回路学習支援システムの設計と実装

正 員 相知 政司∗ 学生員 青木 規至∗

正 員 古川 達也∗ 非会員 古川 健司∗∗

Design and Implementation of Study Support System for Electric Circuit

Using Virtual Oscilloscope

Masashi Ohchi∗, Member, Noriyuki Aoki∗, Student Member, Tatsuya Furukawa∗, Member,Kenji Furukawa∗∗, Non-member

We have designed and implemented the “Virtual Laboratory” on the computer systems. Some of thesystems are implemented Web–based learning environments where server/client model and Java technologiesare adopted. In our conventional systems, students study the basic alternating circuit theory and they canonly observe the steady state behaviors of waveforms on electric circuits using “Virtual Oscilloscope”. Inthis paper, we will discribe the study support system for the electric circuits including transient phenomenausing Java.

キーワード：仮想実験室，Java，電気回路，過渡現象，仮想オシロスコープKeywords: virtual laboratory, Java, electric circuit, transient phenomena, virtual oscilloscope

1. はじめに

近年，初等教育から大学入学以前の教育で実験・観測が必ずしも十分に行われてはおらず，そのために自然の事象から離れた知識伝達に偏った授業になってしまい，いわゆる若者の理科離れが加速されているのではないかと考えられる。そこで，筆者等は，インターネットの利用が学校，家庭，

公共の場へと普及し，Web ブラウザがあれば誰でもどこからでもホームページを見ることができることに着目し，パーソナルコンピュータ（以下PC）システム上に「仮想実験室」を構築 (1) (2) してきた。本仮想実験プロジェクトは，初等教育から高等教育に至るまで行うことが少なくなってきている「実験」を，PCを用いて模擬的にでも体験できるようにという発想から研究を始めた。その研究の中で，大学における応用例として Java アプ

∗ 佐賀大学理工学部電気電子工学科〒 840-8502 佐賀市本庄町 1 番地Department of Electrical and Electronic Faculty of Science and

Engineering, Saga University

1, Honjo-machi, Saga 840-8502∗∗ 富士通テン（株）〒 652-8510 神戸市兵庫区御所通 1 丁目 2-28

Fujitsu Ten Co. Ltd

1-2-28, Gosyotori, Hyogoku, Kobe 652-8510

レット上に仮想オシロスコープを含む基礎電気回路学習支援システムの設計・実装を行ってきた (3)～(6)。従来，筆者等が開発した電気回路学習支援システムで用

いられている Javaアプレット (7)は，Webブラウザ上に組み込まれ動作するプログラムで，アニメーションを用いていた。しかし，波形を観測できる回路の素子値は固定であり，しかも交流の定常状態だけの波形表示であった。一方，電気回路学習ツールの開発についての報告 (8)もあ

るが，初歩的な交流理論に限られており，仮想的なオシロスコープを用いた波形観測が可能で過渡現象までも取り込んだ動的な電気回路学習支援システムは，筆者等の調べた範囲では見当たらなかった。また，大学での「実験環境」も決してよいとは言えない。

電気系学科の学生実験ではオシロスコープを使用することが多いが，オシロスコープの数にも限りがあり，個々の学生が同時にオシロスコープを使用することが可能ではなく，オシロスコープの基本的な操作さえもできない学生もいる。本システムを用いれば，この問題も解決できる可能性がある。筆者等が開発したシステムのWeb ページに学習者がア

クセスすると，Javaアプレットが学習者の PC(クライアント)にダウンロードされ，実行される。このアプレットには，全九章からなる基本的な電気回路についての説明機能，問題表示と答え合わせの機能，仮想オシロスコープによる波形表示機能がある。更に，従前のシステム (3) (4)では実装

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電気回路学習支援システムの設計と実装

していなかった過渡現象の説明と波形表示が可能である。仮想オシロスコープには電圧レンジ，GND 位置，時間

レンジ，スクリーンのフォーカスや輝度といったオシロスコープの基本的な設定ができる「つまみ」を備えている。また発振器や直流電圧源も用意され，学習者は実際にオシロスコープを使用する時のように，「つまみ」を調節して波形を観測することが可能である。この仮想オシロスコープを具現化したことによって，学

習者は電気回路を単なる回路方程式を解くだけの教科ではなく，波形を観測することによって，物理現象として理解することが可能になる。更に，学生実験等とも連係すれば，実際のオシロスコープの操作にも慣れるという効果も期待できる。本論文では，筆者等が開発した仮想オシロスコープを備

えた電気回路学習支援システムについてシステム構成やその内容について，詳述する。

2. 電気回路学習支援システム

〈2・1〉 本システムの概要 本システムでは基本的な電気回路についての学習説明機能，仮想オシロスコープを援用した波形表示機能，問題表示と答え合わせの機能があり，問題に答えた後には成績保存サーブレットにより成績が保存される仕組みになっている。学習者の成績は，HTMLファイルで保存され，その後，学習者本人だけがいつでもWeb ブラウザを用いて確認可能である。本学習支援システムの全体的な流れを図 1に示す。ここで，Java アプレットはセキュリティ上，クライアン

ト側 (学習者側)PCにファイルを作成することができない仕様になっている。そこで，本システムでは図 2に示すように，学習者の成績をWWW (World Wide Web)サーバ側に用意した Java サーブレット (10)によって，サーバ側に保存する。サーブレットはWWW サーバに常駐し，クライアント

からの要求があったときに処理が開始される。サーバ側で動作するプログラムとしてCGI によるものがあるが，CGIプログラムはクライアントからの要求ごとにプログラムを起動するため，多少の起動負荷がある。しかし，Java サーブレットはCGI に比べ，プログラムの並列処理時の負荷が軽く，起動負荷も少ない。よって，並行して複数の処理を行うことができ，クライアントからの複数の要求に同時に応答できるので，多数の学習者の成績保存にも対応できる。また，Java でプログラムが書かれているので，サーバマシンのOS 毎にプログラムの修正を行う必要がないといった利点もある。〈2・2〉 クライアント側学習用アプレット〈2・2・1〉 クラス構成 クライアント側学習用アプレットは以下に示すクラスから構成されている。

•説明，問題，章の表示切替え，成績保存を選択する「メニュー・ウィンドウ・クラス」

•電気回路について説明する「説明表示クラス」

図 1 全体的な流れ図Fig. 1. Whole flowchart.

図 2 システム構成Fig. 2. System configuration.

•問題を表示，答え合わせをする「問題表示クラス」•仮想オシロスコープと回路表示を含む「オシロスコープ・クラス」

Javaを用いたオブジェクト指向技術により，これら本システムの基本部分は継承したり，オブジェクトを生成することで容易に再利用できる。図 3 に本システムのクラス構造を示す。〈2・2・2〉 説明表示部 説明部では，電気回路を項目毎に以下に示す全九章に分けて説明を行っている。

•第 1章 複素数と複素平面•第 2章 電圧，電流の位相差•第 3章 有効電力，無効電力•第 4章 回路網解析と基本諸定理

電学論 A，126 巻 7 号，2006 年 571

図 3 学習アプレットのクラス構造Fig. 3. Class Configuration of Learning Applet

•第 5章 四端子定数•第 6章 ダイオード，整流回路•第 7章 共振回路•第 8章 過渡現象•第 9章 ラプラス変換図 4は画像と文による説明画面である。電気回路の解説

がブラウザ上に表示され，次に示すように，使用者の動作に応えたり，アニメーションを使う等，HTML では表現できない画面から構成されている。

•アプレットのロードが終了するまでは，メッセージを表示しプログラムの開始を待つ。

•マウスクリックで次ページの表示，説明図の更新処理。•説明文は，Webサーバ上のテキストファイルから読み込む。このテキストファイルには，説明ページ数，使用する画像ファイル名，説明文ファイル名が書かれている。なお，使用する画像ファイルや説明文ファイルもWebサーバ上にある。このように，説明文は修正が容易に行えるようにプログ

ラム中にテキストとして埋め込まず，別途の画像データファイルまたはテキスト・データファイルとして，WWW サーバに置かれる。説明文は，アプレットが文字列をロードして表示し，画像は Graphics クラスを用いて描画される。図 4では例として，RL 直列回路 (t=0でスイッチを閉じ

る場合)における抵抗とコンデンサにかかる端子電圧を求める過渡現象の解説を行っている。〈2・2・3〉 問題表示部 学習者の理解度をチェックするために，本システムでは，問題と解答チェック機能を実装している。メニューウィンドウの「問題」を選択すると図 5のように，ブラウザ上に練習問題が表示される。練習問題は各章に 5～6 問用意され，解答方法は 1～6の選択形式である。その際，下に選択用ボタンを配置しているので，ボタンをクリックすることで次の問題へと進むことができる。なお，“戻る”ボタンや，“最初から”ボタンも用意されているためやり直しも可能である。問題部での特徴を下記に挙げる。•説明表示と同じように，問題文，画像の指定は Webサーバ上のファイルに書かれている。なお，問題文ファイルや画像ファイルもWebサーバ上にある。

•解答はボタンによる選択式。•クライアントマシン上で答えのチェックを行う。

図 4 説明画面Fig. 4. Instruction window

図 5 練習問題Fig. 5. Problem window.

問題全てに解答し終えると，答え合わせ機能が付いているため，正答のチェックをWebサーバにアクセスすることなく，図 6に示すようにクライアント側で自動的に正誤判定を行う。この方法であれば CGI のようにWeb サーバに負荷をかけることなく多人数で学習が行える。本システムでは，丸暗記を防ぐために模範解答は用意し

ていないがヒントを用意している。メニューウィンドウの「ヒント」をクリックすると新しいブラウザが表示され，ヒントを参照できる。また，ヒントは HTML形式で記述されており，Web サーバ上に置かれている。従って，リンクを辿ることにより他の問題のヒントも参照可能である。〈2・2・4〉 成績保存 図 6の状態から，「保存」のボタンをクリックすると図 7の成績保存用のウィンドウが新しく表示される。ここに事前に登録された ID と，パスワー

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電気回路学習支援システムの設計と実装

図 6 答え合わせ機能Fig. 6. Check of answer.

図 7 IDとパスワードFig. 7. ID and password.

ドを入力する。この操作によって登録されたユーザは問題の解答状況をサーバ側に保存できる。本システムでは，認証する際に，open_ssl，mod_ssl (11)を利用して暗号化を行っている。認証に成功すれば，成績データを HTML 形式で保存し，学習者側にはそのページが表示される。認証に失敗すれば，エラーを知らせるページを表示する。

3. 仮想実験波形表示部

仮想実験波形表示部では，仮想オシロスコープによってあらかじめ用意された電気回路の電圧波形を表示する。図8にそのクラス構成を示す。仮想オシロスコープは，「つまみ」をマウスでドラッグす

ることによって，時間や電圧のレンジを変更できる。“つまみ”や設定用のボタンは実際のオシロスコープにある使用頻度の高いものを用意した。アプレットが開始された時に，この “つまみ” の値はラ

ンダムに設定されている。学習者は実際の実験で行うように，グランドの位置を合わせ，適切な時間，電圧のレンジを設定した後に波形を観測する。〈3・1〉 電圧・電流の位相差 本システムの第二章である電圧・電流の位相差において，図 9は仮想オシロスコープを起動した画面である。メニューウィンドウの「Oscil-loscope」ボタンをクリックすることで，Web ブラウザに回路図が表示され，別ウィンドウで簡易発振器と仮想オシロスコープが表示される。本図では，RC直列回路の電源

図 8 仮想オシロスコープのクラス構成Fig. 8. Class Configuration of Applet Oscilloscope

図 9 仮想オシロスコープFig. 9. Virtual Oscilloscope.

電圧を V1，抵抗の電圧を V2 として観測を行っている。図 10は，実際に仮想オシロスコープに実装されている

つまみを用いて時間レンジ，電圧レンジ，GND 位置を調整している様子である。また，スレッドを用いたアニメーションの機能 (9) により，トリガレベル調整も可能である。他に，RL，LC 直列回路等も下のボタンを選択することで計測できる。〈3・2〉 過渡現象 本システムの第八章では，仮想オシロスコープによって，図 11 に示すように用意された回路の各端子電圧波形が計測可能である。過渡現象を苦手とする学生が多い理由として，過渡現象

を理解し，問題を解くためには微分方程式，またはラプラス変換の数学的な力を必要とするからとの意見がある。本システムでは，キルヒホッフの法則から微分方程式の解法までを示し，各素子にかかる電圧の概形図を示すだけではなく，仮想オシロスコープで同じ回路を用意し，仮想実験により観測した波形と，計算で得られた端子電圧の概形を比べることにより，学習者の理解向上を図った。また，説明部や問題部で解法を示すだけでは，過渡現象

を解く上でのイメージが作りにくいと考え，問題で用意した回路における各素子の電圧波形を仮想オシロスコープを用いて観測できるようにした。図 12は，図 11に示した回路の観測波形である。また，

RLCパラメータ変更用スクロールバーにより，クライアントは R，L，C の各パラメータの設定が可能となった。こ

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図 10 つまみによる調整Fig. 10. Adjustment parameters using dial

図 11 過渡回路Fig. 11. Transient of circuit.

れによって，観測波形がパラメータに伴い動的に変化する現象を確認できる。図 13に第八章の過渡現象で観測可能な直流電圧源を用

いた RC，RL，LC，RLC 直列回路の電圧波形を示す。このように，仮想オシロスコープを用いた学習では，実

際のオシロスコープを用いたのとほぼ同様の仮想実験が行え，電気回路の理論をより深く理解するだけでなく，オシロスコープの操作方法を習得するのに有効であり，学生実験を受講する前の学生に対する導入授業でも，使用可能と考えられる。

図 12 仮想オシロスコープ (過渡現象)Fig. 12. Virtual Oscilloscope(transient phenomena).

図 13 仮想オシロスコープを用い表示された波形Fig. 13. Displayed wave using Virtual Oscilloscope.

〈3・3〉 ヘルプ機能 仮想オシロスコープにより，オシロスコープの基本的な操作方法を学ばせる意図があるが，初めてオシロスコープを扱う学生もいるはずである。そこで，オシロスコープを使用するにあたり，各チャンネルのGNDを合わせる，発振器から正弦波を入力する，トリガを合わせるなど基礎的な操作手順を説明するために図 14に

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電気回路学習支援システムの設計と実装

図 14 ヘルプ画面Fig. 14. Help Window.

示したようなヘルプ画面を用意した。

4. 試験運用の結果

本システムを，筆者等の研究室の学生数名に試験的に使用させた。その結果，全体的に使い方が分からなかったという感想があった。説明の部分でも，あらかじめ画面を右クリックすることで次のページへ進み，左クリックで前のページへ戻る機能や問題ではボタンを選択することで次の問題に進める等の，使用方法を理解するのに多少の時間がかかったようだ。仮想オシロスコープに対してのマニュアルだけでなく，全体的なシステムのマニュアルの作成が必要だと感じた。しかし，説明表示部においてWebページをクリックす

ることで，説明文が切り替わるアイデアは学習者の興味を引くものであったようだ。特に仮想オシロスコープでは，実際のオシロスコープと

ほぼ同じ操作であり，オシロスコープの操作法を学ぶのには良いとの感想が多かった。しかし，“つまみ” の操作では少々扱いづらいとの指摘があったため，今後，さらなるインタフェースの改良が必要であると思われる。

5. む す び

本システムでは，インターネットを利用した電気回路の学習，及び仮想オシロスコープを使用した仮想実験を行うことが可能である。

Javaアプレットで実装したため，学習者 (クライアント)は，場所や PCの環境に制限されることなく，Webブラウザを使用して容易かつ自由に利用できる。また，クライア

ント側で特別なソフトのインストールや保守といったものは基本的に不要である。インターネットが幅広く普及した現在ではこのような教育システムも有用であると考える。教科書での学習では，掲載されている抵抗等の変化で波

形が変化することは皆無である。しかし，本システムでは，仮想オシロスコープを用いることで，各パラメータの値による，電圧波形の変化を視覚的に確認が可能である。実際にオシロスコープを使用して実験を行ったような擬似体験をさせることで，電気回路に対する学習効果が向上すると考えられる。更に，学生実験と連係することで実際のオシロスコープの操作方法の習得にも利用可能である。今後の課題として，仮想オシロスコープのインタフェー

スの改良や各章に用意されている練習問題の数を増加することが挙げられる。また，データベースと連係することで，学習履歴の保存等が考えられる。謝 辞本研究を遂行するにあたり，2005年 3月に佐賀大学大学

院工学系研究科博士前期過程電気電子工学専攻を修了した（現：アイコム株式会社勤務）赤木圭太氏に多大な協力を頂いた。ここに，謝意を表する。（平成 17年 8月 19日受付，平成 18年 1月 24日再受付）

文 献

（1） T. Furukawa, M. Matsuo, S. Miyazaki, H. Dozono, and M.

Ohchi: “Development of Distributed Educational Support

System for Learning Image Processing”, IPSJ, Vol.41, No.12,

pp.3208–3113 (2000–12) (in Japanese)

古川達也・松尾匡章・宮崎純生・堂薗 浩・相知政司：「分散型画像処理教育支援システムの開発」，情報処理学論，42, 12, pp.3208–3113

(2000–12)

（2） T. Furukawa, M. Ohchi, and K. Kurakaki: “Design and

Implementation of Streaming Video and Measurement Data

Distribution System over the Internet”, IEEJ Trans. EIS,

Vol.125, No.7, pp.1077–1083 (2005–7) (in Japanese)

古川達也・相知政司・倉垣健治：「インターネットを援用した遠隔操作可能な動画・計測データ配信システムの構築」，電学論 C，125,

7, pp.1077–1083 (2005–7)

（3） S. Doi, T. Furukawa, and M. Ohchi: “Construction of Sup-

port System for experiment using Java ～Development of

Virtual Oscilloscope Applet for Studying ～”, SICE Kyushu

branch, Vol.18, No.403, pp.315–318 (1999–10) (in Japanese)

土井 聡・古川達也・相知政司：「Java を援用した学生実験支援システムの構築～仮想オシロスコープ学習アプレットの開発～」，第 18 回計測自動制御学会九州支部学術講演会，Vol.18, No.403,

pp.315–318 (1999–11)

（4） T. Furukawa, M. Ohchi, and S. Doi: “Development of study

Support System for Fundamental Electric Circuit”, The

Papers of Joint Technical Meeting on Frontier in Education,

IEE Japan, FIE–02–7, pp.35–38 (2002–9) (in Japanese)

古川達也・相知政司・土井 聡：「基礎電気回路学習支援システムの開発」，電気学会教育フロンティア研資，FIE–02–7, pp35–38

(2002–9)

（5） M. Ohchi, T. Furukawa, and K. Furukawa: “Development

of Self Study Support System for Transient Phenomena in

Electric Circuits Using Java”, The Papers of Joint Technical

Meeting on Frontier in Education, IEE Japan, FIE–03–31,

pp.51–53 (2003–9) (in Japanese)

相知政司・古川達也・古川健司：「Java を援用した電気回路の過渡現象学習支援システム構築の試み」，電気学会教育フロンティア研資，FIE–03–31, pp.51–54 (2003–9)

（6） K. Furukawa, T. Furukawa, and M. Ohchi: “Development

of Self Study Support System for Transient Phenomena

電学論 A，126 巻 7 号，2006 年 575

in Electric Circuits using Laplace Transformation”, SICE

Kyushu branch, Vol.22, No.203A4, pp.253–254 (2003–11) (in

Japanese)

古川健司・古川達也・相知政司：「ラプラス変換による電気回路過渡現象学習支援システムの開発」，第 22 回計測自動制御学会九州支部学術講演会，Vol.22, No.203A4, pp.253–254 (2003–11)

（7） http://java.sun.com/applets

（8） 川合耕平・森幸 男：「E–Learningによる電気回路学習ツールの開発～交流電力，ベクトル奇跡及び電流源・電圧源～」，平成 15 年度東京 4 高専卒業研究発表交流会，No.304 (2003)

（9） http://java.sun.com

（10） http://java.sun.com/j2ee/ja/servlet/index.html

（11） http://www.apache.org

相 知 政 司 （正員） 1964 年 12 月 8日生。1989 年 3月長崎

大学大学院工学研究科修士課程修了。同年 4 月

NTT に入社。1991 年 4 月佐賀大学理工学部助

手。1993年 4月同電子工学科助手へ配置替。2000

年 4 月同講師，2002 年 1 月同助教授，現在に至

る。インターネットを援用した教育工学に関する

研究に従事。博士 (工学)。計測自動制御学会，電

子情報通信学会，日本シミュレーション学会，日

本 AEM学会，日本ロボット学会会員。

青 木 規 至 （学生員） 1981 年 5月 20日生。2004 年 3月佐

賀大学理工学部電気電子工学科卒業。2006 年 3

月同大学大学院工学系研究科博士前期課程修了。

同年 4月同大学大学院博士後期課程進学，現在に

至る。誘電体並びに電磁界の計測に関する研究に

従事。計測自動制御学会，日本音響学会学生員。

古 川 達 也 （正員） 1956 年 6 月 21 日生。1984 年 3 月九

州大学大学院工学研究科博士後期課程単位取得退

学。同年 4 月長崎大学工学部助手。1986 年佐賀

大学理工学部電気工学科講師，1987年同助教授。

1993 年 4 月同電子工学科助教授へ配置替。2001

年 4月電気電子工学科教授，現在に至る。数値解

析，計算機応用工学に関する研究に従事。工学博

士。計測自動制御学会，日本シミュレーション学

会，日本 AEM学会，電子情報通信学会，情報処理学会会員。

古 川 健 司 （非会員） 1980 年 6月 23日生。2003 年 3月佐

賀大学理工学部電気電子工学科卒業。同年 4月同

大学大学院博士前期課程進学。2005 年 3 月同大

学大学院博士前期課程修了。同年 4月富士通テン

（株）入社，現在に至る。在学中は，インターネッ

トを援用した電気回路学習支援システムの開発に

従事。

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