A Comprehensive Study on Mutual Teaching in a Hybrid Cooperative Learning Environment with Coexisting Learners and AI

• Project/Area Number: 23K28200
• Project/Area Number (Other): 23H03510 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 62030:Learning support system-related
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 林 勇吾 立命館大学, 総合心理学部, 教授 (60437085)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2027: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2026: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2024: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
• Keywords: 知的学習支援システム / 協調学習支援 / 教育用会話エージェント / 相互教授 / リカレンス分析 / コンセプトマップ / 認知アーキテクチャ / ACT-R / 協同学習 / 遠隔学習 / 認知モデル

Outline of Research at the Start

本研究では，遠隔での協同学習場面を想定し，学習者による相互教授による学びの深化を支援する方法を認知科学的に検討する．ここでは，まず学習者の説明活動を通じた知識構築過程をモデル化する．そして，仮想的な学友として知識習得を行う複数のエージェントが混在する対話環境を構築し，そこに学習者のアウェアネスを喚起するインタフェースを導入することで，オンライン上での相互教授を促進するシステムを開発する．また，学習のロバスト性を最大化する最適な支援方法を実験的に検討し，システムを改良していく．

Outline of Annual Research Achievements

2024年度は，当初の予定通りに(1)学習者の相互教授による知識構築とインタラクションのモデル構築と(2)異なる役割を持つ複数の会話エージェントの開発,さらには，(3)オンライン学習環境での学習者-AIが混在する協同学習支援システムの開発まで進めた．(1)については，前年度に続き，(a)クロスリカレンス分析を用いたインタラクションのモデル化や(b)認知アーキテクチャのACT-Rを用いた知識生成プロセスのモデル化を進めた．(a)は，トップジャーナルであるInternational Journal of Artificial Intelligence in Educationに掲載された．(b)は認知モデリングに関する主要会議22nd International Conference of Cognitive Modeling (ICCM2024)で口頭発表を行った．(2)は，前年度から開発を行ってきた認知モデルを搭載した会話の開発を進めた．具体的には，ACT-Rを用いて構築した概念モデルを搭載した知識生成エージェントと大規模言語モデルを用いた生成AIによるPedagogical Conversational Agentを搭載した2種類のエージェントを開発した．(3)については，上記の(2)で開発した2体のエージェントを学習支援システムに実装．その有用性に関する成果は，CSCL(Computer-Supported Collaborative Learning)のトップカンファレンス，17th International Conference on Computer-Supported Collaborative Learning(CSCL2024) International Society of Learning Sciencesにフルペーパーで採択され，口頭発表を行った．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

当初の予定では，(1)学習者の相互教授による知識構築とインタラクションのモデル構築と(2)異なる役割を持つ複数の会話エージェントの開発することであった．(1)に関しては，トップジャーナルである査読雑誌論文International Journal of Artificial Intelligence in Educationに掲載された．また今年度は，翌年度に予定していた(3)オンライン学習環境での学習者-AIが混在する協同学習支援システムの開発まで進めることができた．

Strategy for Future Research Activity

次年度は，計画に即して，異なる役割を持つ複数の会話エージェントの開発の続きを行うとともに，オンライン学習環境での学習者-AIが混在する協同学習支援システムの評価実験を行う予定である．そして，これらの検討を通じてシステムのアップデートを行い，その成果をInternational Conference on Computer-Supported Collaborative Learning(CSCL2025) International Society of Learning SciencesやInternational Conference on Artificial Intelligence in Education(AIED2025)に投稿する．

Research Products

• [Journal Article] Modeling Synchronization for Detecting Collaborative Learning Process Using a Pedagogical Conversational Agent: Investigation Using Recurrent Indicators of Gaze, Language, and Facial Expression (2024)
  • Author(s): Hayashi, Y.
  • Journal Title: International Journal of Artificial Intelligence in Education Volume: 34 Pages: 1206-1247
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Estimation of ICAP States Based on Interaction Data During Collaborative Learning (2024)
  • Author(s): Ohmoto, Y., Shimojo, S., Morita, J., Hayashi, Y.
  • Journal Title: Journal of Educational Data Mining Volume: 16 Pages: 149-176
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] How Working Memory Influences Knowledge Reconstruction in CollaborativeLearning: Investigation Using Human Experimentation and ACT-R Simulation (2024)
  • Author(s): Shimojo, S., Hayashi, Y.
  • Organizer: 22nd International Conference of Cognitive Modeling (ICCM2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Designing learner-centered collaborative learning by incorporating AI-based teacher/learner agents with a cognitive model (2024)
  • Author(s): Hayashi, Y. Shimojo, S. Kawamura, T.
  • Organizer: Proceedings of the 32nd International Conference on Computers in Education. Asia-Pacific Society for Computers in Education (ICCE2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Learning with a Scripted AI Tutor or a Virtual AI Learner: Experimental Investigation of Collaborative Learning Using CoCot (2024)
  • Author(s): Hayashi, Y. Shimojo, S. Kawamura, T.
  • Organizer: 17th International Conference on Computer-Supported Collaborative Learning(CSCL2024) International Society of Learning Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Using Real-Time Gaze Feedback and Interventions to Facilitate Coordinative Behavior: An Investigation with Recurrent Analysis (2023)
  • Author(s): Hayashi, Y.
  • Organizer: 16th International Conference on Computer-Supported Collaborative Learning(CSCL2023) International Society of Learning Sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] CoCot：コンセプトマップを用いた協同学習の学習支援システム (2023)
  • Author(s): 林勇吾・下條志厳・河村竜幸
  • Organizer: 電子情報通信学会ヒューマンコミュニケーショングループ(HCG)シンポジウム2023
• [Patent(Industrial Property Rights)] 支援システム、コンピュータ実装方法、及び、コンピュータプログラム (2024)
  • Inventor(s): 林勇吾
  • Industrial Property Rights Holder: 林勇吾
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2024-121451
  • Filing Date: 2024