2017 Fiscal Year Research-status Report
思考実験型モデリング学習環境の支援機能拡充と学習効果測定法の開発
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16K12558
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
堀口 知也 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (00294257)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平嶋 宗 広島大学, 工学研究科, 教授 (10238355)
東本 崇仁 東京工芸大学, 工学部, 助教 (10508435)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | モデリング学習環境 / 誤りの可視化 / シナリオ変更 / 知的学習支援 / 定性推論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
モデリング学習環境において，誤り顕在化のためのシナリオ変更機能の実装・検証を行った．先行研究において，誤ったモデルの振る舞いが定性的には正しい振る舞いと弁別できない場合，シミュレーションや説明が効果を持たない例が見られた．例えば熱平衡系のモデル作成課題において，「熱量」を用いず，温度差から生じる「流れ」が直接温度に影響を与えるというモデル（「熱量」と「温度」が未分化）を作成する学習者が多く存在した．この場合，高温側と低温側の温度は中間値に近づき定性的には正しいモデルの振る舞いとの差がなく，シミュレーションから誤りに気づくことが困難となる．このとき，シナリオつまり物理的状況を変更することで，モデル中の誤りを顕在化することができる場合がある．例えば一方の物体が融解する状況にすると，「潜熱」の概念（熱量が増減しても温度が変化しない）が必要となるため，熱量と温度を区別しなければ定性的に正しい振る舞いをするモデルとはならない．そこで，これまでの学習シナリオを再整理し，類似の状況でありながら異なるモデルを必要とするものにグループ化しておき，適宜シナリオを変更してモデルの誤りを顕在化する機能を実装した．類似の状況やモデルを蓄積・検索するための機構は，我々の先行研究で開発された「マイクロワールドグラフ」（物理状況及びモデルの索引付けの枠組み）を利用した．
平成29年度前半に機能設計・実装を完了し，動作確認を経て同年度後半に検証実験を実施した．その結果，同機能の支援を得てモデリング学習を行った被験者は，モデルの誤りがそのままでは顕在化されないときにもそれを顕在化するシナリオを与えられ，元の誤りに気づくことが示された．但しその効果は一定の前提知識を持つ学習者に限られ，そうでない学習者にはシナリオ変更は必ずしも効果的でないことも示され，今後学習者に適応した支援を行う際の基礎的知見が得られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度の目標であった，「シナリオ変更による誤りの顕在化」を行う機能の設計・実装が順調に完了し，動作試験において，当初予定したモデリング課題のすべてにおいて問題なく稼働することを確認した．また，同機能の評価実験を実施し，その有用性を確認すると共に，学習者に適応した支援を行うための基礎となる知見を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，思考実験型学習における学習効果の測定法の開発を行う．先行研究で実施した学習実験では，事後アンケートの結果等から，本環境における活動が学習者の興味や積極性を大きく促進したことが確認されたが，通常の問題解決課題を用いたプレ・ポストテストの間では顕著な成績上昇が見られなかった．これは，本環境の学習効果が，ときに解法パターンの暗記等で対処できる通常の問題解決課題の成績には表れ難い，概念レベルでの理解を促進するものであるからであると考えられる．そこで，これまでに得られた学習ログを分析してそのような学習効果を測定する数種類のテスト法（物理系の分類課題，振る舞い予測課題等）を開発し，大学生および中学生を対象とした試験的利用を通してその妥当性・有用性を検証する．テストの開発は堀口（研究代表者）および平嶋（研究分担者）が，Forbus教授およびGentner教授（研究協力者，米Northwestern大）の協力を得ながら行い，教育実践の経験豊富な東本（研究分担者）と今井（研究協力者）が実施を担当し，結果を研究班全員で分析・検討する．
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| Causes of Carryover |
研究計画時に申請した予算額に対して交付額が減額されたこと，および研究の進捗状況により，予定していた国内出張（研究打ち合わせ）2件を取りやめたことが主たる理由である．
繰り越し分については，平成30年度における国内出張（研究打ち合わせ）のために使用予定である．
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