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Learning support using log data in card operation-based programming learning support system

Research Project

Project/Area Number 22K02815
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 09070:Educational technology-related
Research InstitutionHiroshima Institute of Technology

Principal Investigator

松本 慎平  広島工業大学, 情報学部, 教授 (30455183)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 加島 智子  近畿大学, 工学部, 准教授 (30581219)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywordsプログラミング / ラーニングアナリティクス / カード操作方式
Outline of Research at the Start

本研究では,カード操作方式によるプログラミング学習支援システムの学習ログの取得とその分析を行い,分析結果に基づき,モチベーションの向上や時間対学習効率の向上といった観点で有効となる学習プロセス可視化手法,フィードバック提示手法,これらを適切に機能させるためのUI(画面構成)の要件を明らかにする.具体的には,カード組み立てプロセスやコンパイラとの対話履歴を記録できるようにし,リアルタイムモニタリング機能による教授者支援機能や,教授者が意図した思考を促すためのフィードバック提示機能の開発を行う.

Outline of Annual Research Achievements

令和5年度においては,昨年度に構築したシステムを利用して,実験を行い操作ログを収集した.先行研究では,学習プロセスを数量的に評価するため,レーベンシュタイン距離の考え方を参考にし,学習状態の定量化手法が提案されていた.村上らは,学習プロセスを数量的に評価するため,学習者の回答欄に並べられたカード順列を定量化・可視化する方法を提案した.Morinagaらは,学習ログを村上らの手法で処理し,多変量解析可能な形式に変換する方法を提案した.その有用性を示すため多変量解析を適用し,学習者や問題の特徴がベクトルに表れていることを明らかにした.岩本らは,Morinaga らの手法を用いて分析を行った.その結果,プログラミングを理解できている群はそうでない群よりもカード操作回数が統計的に有意に少なく,カード操作回数と学習者の理解度には関係があることを確認した.岩本らの指摘を踏まえれると,理解が不十分な学習者のカードの操作回数が多いならば,その傾向が学習プロセスの可視化結果に見られると考えられる.しかし,このことは十分に明らかにされていない.
そこで令和5年度は,理解が十分ではない学習者が行う不適切な活動の検出・可視化に,レーベンシュタイン距離に基づく村上らの手法が有用かどうか調査することを目的とした.レーベンシュタイン距離の時系列変化を表すグラフを作成したとき,特徴として,時間と距離の2項目の値を用いた回帰直線の傾きが緩やかな場合,不適切な活動を行っている可能性が高いことを分析により確認できた.この結果を踏まえ,回帰直線の切片,傾きの値と,学習者が正誤診断した回数を入力として,多次元尺度法を生成した.その結果,多次元尺度法では,問題ごとの学習者の操作の傾向が視覚化できており,不適切な操作を行っていた学習者が集団とは離れて存在している様子を可視化できることを確認した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画していたとおり,レーベンシュタイン距離に基づく村上らの手法に着目し,学習ログの分析を達成した.今回,前年度までに実装したシステムが実際に利用可能であるかどうか検証を行うことができた.具体的には,1)提案システムを使って学習ログを適切に収集できるか,2)収集した学習ログから適切にラーニングアナリティクスを推進できるか,の2点の検証を十分に行うことができた.
今回,先行研究で提案されていたレーベンシュタイン距離の考え方に基づき,学習プロセスを量的に評価するための分析手法を適用した.レーベンシュタイン距離は,自然言語処理の中で文字列類似度評価に用いられる一般的な方法であり,ゴールまでの処理回数を数字で表したものである.本研究では,レーベンシュタイン距離と同様の考え方で,学習者の解答欄の状態(カード順列)を数量化した.すなわち,正解のカードの配置を距離0として考え,正解に近づくまでに必要なカードの操作回数をレーベンシュタイン距離と同様に評価した.
本年度においては,小規模な実験で得られた学習ログを用いて分析を行うに留まった.理想は,実際の講義などで実践利用を行い,学習ログを分析して,その結果を学習者や教授者にフィードバックすることである.また,ベイジアンネットワークを用いた分析についても取り組む必要がある.そのため,今回は「概ね順調に進展している」といった評価に留めることとした.

Strategy for Future Research Activity

令和6年度においては,ベイジアンネットワークによる潜在的因果関係の顕在的知識化を行いたいと考えている.学習課題ごとに,各学習者が正誤診断(あるいはコンパイル)した際の状態(回答欄のカード配置)の出現の有無を記録したデータ群をベイジアンネットワークの入力として与え,構造学習により確率的因果モデルを獲得する.これは組み立て過程で顕在化した思考の状態同士の関係を捉えたものと仮定できるので,外的な知識と対応付け考察したうえで,顕在データの因果関係の中から潜在的知識をIF-THEN形式で獲得する.この時,それぞれの知識が正解・不正解に寄与する感度も明らかになると考えられる.したがって,学習者が課題に取り組む際,カード操作過程とIF-THEN知識を照合することで,試行錯誤の質を評価し,教授者や学習者への提示ができるようになると考えている.

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2023 2022

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 2 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] 学習ログデータからの特異性の検出と情報構造に基づく意味的分析による学習課題の再検討 -単文統合型作問学習支援システムモンサクンの実践データを事例として-2023

    • Author(s)
      松本慎平, 岩井健吾, 前田一誠, 山元翔, 林雄介, 平嶋宗
    • Journal Title

      教育システム情報学会誌

      Volume: 40 Pages: 203-208

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Proposal of a Learning Process Visualization Method for Learning Tasks with Toggles of Card Operation-Based Programming Learning Support System2023

    • Author(s)
      Taiki Okuhira, Hiroshi Shigematsu, Shimpei Matsumoto
    • Journal Title

      Proc. of 2023 14th IIAI International Congress on Advanced Applied Informatics (IIAI-AAI)

      Volume: 2023 Pages: 136-141

    • DOI

      10.1109/iiai-aai59060.2023.00036

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ソースコードの共同編集およびバージョン管理を活用した同期型コミュニケーションツールによるリモートペアプログラミングの実践2023

    • Author(s)
      松本 慎平 , 前田 暉正 , 神垣 太持
    • Journal Title

      情報処理学会論文誌教育とコンピュータ(TCE)

      Volume: 9(1) Pages: 65-74

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of a Diagnostic Tool to Verify the Adequacy of Multiple-Choice Fill-in-the-Blank Programming Learning Tasks and the Appropriateness of Their Difficulty Level2022

    • Author(s)
      Hiroshi Shigematsu, Akifumi Ohno, Shimpei Matsumoto
    • Journal Title

      Information Engineering Express

      Volume: 8 Issue: 2 Pages: 1

    • DOI

      10.52731/iee.v8.i2.623

    • ISSN
      2185-9884, 2185-9892
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Development of Learning Support System with Problem Posing of Fill-in-the-Blank Questions2022

    • Author(s)
      Hiroshi Shigematsu, Shimpei Matsumoto
    • Journal Title

      Proceedings of 2022 11th International Congress on Advanced Applied Informatics

      Volume: IIAI-AAI 2022 Pages: 174-177

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] An Applicability Study on Refactoring Principles in Reading-Based Programming Learning2022

    • Author(s)
      Terumasa Maeta, Shimpei Matsumoto
    • Journal Title

      Proceedings of 2022 11th International Congress on Advanced Applied Informatics

      Volume: IIAI-AAI 2022 Pages: 264-267

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Combination of statistical analysis and symbolic interpretation2023

    • Author(s)
      Shimpei Matsumoto
    • Organizer
      Guest lecturer of Data Mining, Computer Science Faculty, Universitas Brawijaya
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] カード操作方式によるプログラミング学習支援における初期カード配置が学習効果に与える影響の分析2022

    • Author(s)
      奥平泰基, 重松大志, 松本慎平
    • Organizer
      第24回 IEEE Hiroshima Student Symposium
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 空欄補填問題によるプログラミング初学者における正誤判定機能の学習効果への影響の調査2022

    • Author(s)
      重松大志, 奥平泰基, 松本慎平
    • Organizer
      第24回 IEEE Hiroshima Student Symposium
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] カード操作方式に基づくプログラミング学習支援システムにおけるカード順列フィードバック機能の改善2022

    • Author(s)
      重本悠貴, 重松大志, 松本慎平
    • Organizer
      教育システム情報学会2022年度学生研究発表会講演論文集
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] C言語のエラーメッセージの出現頻度に基づいた学習支援の検討2022

    • Author(s)
      森重嘉優,井上大地,松本慎平
    • Organizer
      教育システム情報学会2022年度学生研究発表会講演論文集
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      2022 Research-status Report
  • [Presentation] カード操作方式におけるプログラミング学習支援システムにおける学習プロセスの分析 ― レーベンシュタイン距離の考え方を用いた不適切な活動の検出 ―2022

    • Author(s)
      神崎悠衣,重松大志,松本慎平
    • Organizer
      教育システム情報学会2022年度学生研究発表会講演論文集
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 空欄補填によるCプログラミング学習課題のWebシステムの開発 ― 空欄の形式が学習効果に与える影響の分析 ―2022

    • Author(s)
      坂手柊斗,重松大志,洲濱拓弥,松本慎平
    • Organizer
      教育システム情報学会2022年度学生研究発表会講演論文集
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] カード操作方式によるプログラミング学習支援システムにおける初期カード配置の学習効果への影響の調査2022

    • Author(s)
      奥平泰基, 重松大志, 前田暉正, 松本慎平
    • Organizer
      令和4年度(第73回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 空欄補填によるCプログラミング学習課題の作問学習支援システムの開発及びログ分析2022

    • Author(s)
      重松大志,松本慎平
    • Organizer
      2022年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 多言語のプログラミング学習支援システムの開発2022

    • Author(s)
      谷山明日希, 重松大志, 松本慎平
    • Organizer
      第47回教育システム情報学会全国大会講演論文集
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Development of Programming Learning Support Systems to Enhance Evidence-based Education2022

    • Author(s)
      Shimpei Matsumoto
    • Organizer
      2nd International Symposium on Applied Informatics and Innovations
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] カード操作方式によるプログラミング学習支援システムにおけるトグルを含む学習課題の学習プロセス可視化手法の提案2022

    • Author(s)
      奥平泰基, 重松大志, 松本慎平
    • Organizer
      第90回情報システム研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 空欄補填問題によるプログラミング学習課題の適切性及び難易度検証システムによる分析2022

    • Author(s)
      重松大志, 松本慎平
    • Organizer
      第90回情報システム研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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