プログラムの挙動の視覚化に教師の意図を反映するシステムの開発と評価
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19K12259
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 62030:Learning support system-related
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| Research Institution | Tokoha University |
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Principal Investigator |
山下 浩一 常葉大学, 経営学部, 教授 (30340110)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小西 達裕 静岡大学, 情報学部, 教授 (30234800)
小暮 悟 静岡大学, 情報学部, 教授 (40359758)
野口 靖浩 静岡大学, 情報学部, 准教授 (50536919)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 学習支援システム / プログラム視覚化システム / プログラミング教育 / 視覚化 / 教材開発 / オーサリングシステム |
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| Outline of Research at the Start |
プログラムの挙動の視覚化(PV; Program Visualization)を提供する既存システムの多くは，定められた視覚化方針でしかPVを生成できず，このことが授業へのPVシステム導入を妨げている。申請者らが先行研究で構築したPVシステムはこの問題を解消するシステムであったが，教師の提供したプログラムしか視覚化できず，また動的データ構造を視覚化できなかった。本研究では学習者が記述したプログラムと，動的データ構造を用いたプログラムを対象に，教師の説明意図を表現するための形式的手法を構築する。また，構築した形式表現を解釈してPVを生成するシステムを実装し，実授業に導入してその効果を評価する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
（23-1） 我々がこれまでに構築してきたプログラム視覚化（Program Visualization; PV）システムであるTEDViTは，教師が自身の説明意図に基づいて対象世界の描画を自由に生成できる特徴を持つ。ここで，対象世界とはプログラムの処理対象を論理的データ構造として表現したものをいう。プログラムの処理対象の世界は，対象世界と具体的メモリイメージの二つの方法で同時に視覚化されており，抽象度の異なる二つの世界を対比しながら観察することで学習者のプログラム理解を支援する。しかしその一方，処理対象の世界に対する具体的な操作の手順を表すプログラムコードについては，カスタマイズの対象外で抽象度の異なる視覚化を提供する手段を持っていなかった。そこで我々は，具体的な処理手順を表すプログラムコードに加え，プログラムコードよりも抽象度の高いアルゴリズムを表現するPADを描画し，段階的にPADの抽象度を変化させながらプログラムのふるまいを視覚化できるシステムを構築した。ここで言うPADの抽象度とは，チャンキングするプログラムコードのブロックの大きさのことであり，より大きなブロックをチャンキングしたものは抽象度が高く，小さなブロックをチャンキングしたものは抽象度が低いものと捉えられる。構築したシステムを実授業に投入して学習者のプログラム理解度を評価したところ，TEDViTと比較したときの本システムの優位性は示唆されなかったが，本システムを利用した学習によって学習者がプログラムに対する理解を深めている様子が示唆された。授業後に実施したアンケート結果からは，多くの学習者がTEDViTに比較して本システムに好意的な印象を持つ結果が得られた。（雑誌論文1）
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題の目的は，TEDViTを拡張し，広範なアルゴリズムを対象に，教師の意図を反映させた形式で，学習者自身のプログラムに基づくPVを生成できるようにしたシステムを構築することである。研究成果（23-1）は，TEDViTの生成するPVの表現の幅を広げることによって，システムを投入可能な授業や学習形態の拡充をねらった試みに位置づけられる。本研究成果では，PVとして描画すべき対象として，論理的データ構造の世界だけでなくプログラムコードについても教師の意図に基づいて抽象度の異なる描画を可能とする機能が必要であるという観点を示すことができた。こうした点から，本成果は研究の幅に広がりを持たせる研究成果であったと評価できる。また，本成果はコンピュータ利用教育に関する歴史ある大規模な国際会議the 31st International Conference on Computers in Education （ICCE2023）に採択されており，国際的に高い評価を受けていると考えられる。
以上，PVの表現の拡充において進捗が認められるが，研究の幅に広がりが生じて新たに対応すべき観点が示されたことから，本研究はやや遅れていると評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究成果を発展させる形で，引き続きTEDViTが対応可能なプログラム，アルゴリズム，データ構造の拡充を進めるとともに，我々のシステムを導入する実授業における学習シナリオを検討し，必要な拡張をTEDViTに適用する。
これまで，主としてTEDViTが生成する視覚化の拡充や，教師によるPV定義のためのコスト削減について研究を進めてきているが，TEDViTは一般的なPVシステムと同様，学習者とPVの間のインタラクションを提供する機能が不十分であることが問題となっている。学習者エンゲージメントの観点からは十分な学習効果が発揮される学習環境が構築できていないため，システムを投入する実授業の選択肢が非常に乏しく，大規模な評価実験の実施が困難であった。そこで我々はTEDViTを拡張し，プログラムコードの一部をブランクにして，PVを観察しながらブランクに当てはまるコードを解答させるなどの機能を持つシステムの構築を計画している。このような問題を提示してそれに解答させることは，学習者にPVの観察以外の新たな学習タスクを与えることを意味しており，従って学習者エンゲージメントの向上が期待できる。また，学習者自身の解答に応じたPVを提示することは，コルブの学習サイクルの構成を支援し，学習効果を高めることに寄与するものと考えられる。
こうした拡張を通じてシステムを投入する実授業に幅を持たせ，情報系学生だけでなく文科系学生をも被験者とした評価実験を実現したいと考えている。多様な学生を実験参加者として募集することには困難を伴うため，実現可能性は不透明ではあるが，システムの効果を多様な観点から評価したいと考えている。
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Report
(5 results)
Research Products
(12 results)
