2018 Fiscal Year Research-status Report
タンジブルな数学教材の操作を再現するシステムの構築と学習者の思考過程の分析
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18K02872
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| Research Institution | Toho University |
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Principal Investigator |
金子 真隆 東邦大学, 薬学部, 教授 (90311000)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高遠 節夫 東邦大学, 理学部, 訪問教授 (30163223)
北本 卓也 山口大学, 教育学部, 教授 (30241780)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 動的幾何 / CindyJS / mobile learning / 操作ログの自動取得 / 操作ログの解析 / 対話分析 / 行動分析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，動的幾何システムCinderellaによる描画出力をhtml形式に変換し，一般的なブラウザ上で複雑な数学的モデルの操作を可能にするシステムであるCindyJSの教育利用に関連し，学習者による操作ログを自動的に取得・再生するシステムを構築すると同時に，ログデータから一定の特徴量を抽出して学習者の思考経過を追跡し，それに基づいた教授方略の確立を目指すものである．2018年度の実績の概要は以下の通りである．
（１）操作ログ自動取得システムの構築
学習管理システムとして広く用いられているMoodle上でCindyJSによるコンテンツを操作するためのプラグインをすでに構築してあったが，CindyJSでの操作ログが内部ストーレージに蓄積されることをもとに，これをMoodleに送信し，タイムスタンプをつけてcsv形式で出力できるようなプラグインを新たに構築した．これまでは，操作経過を分析するために，画面録画を行動分析ソフトに取り込んで時系列的にコーディングする手続きをとっていたが，このプラグインを利用することにより，作業を大幅に簡易化できると同時に，より詳細な情報を含んだデータを大量に取得できる枠組みを確立することができた．
（２）実験授業で取得した操作ログの分析と思考過程の追跡
関数の多項式近似に関するコンテンツを作成し，大学１年生３人一組で操作させた際のログを分析した．その結果，操作プロセス全体を時系列的に区分し，区分内における低次の項の操作比率がグループの操作方略を特徴付けるシグナルとなりうる可能性が示唆された．これを検証するために，操作時における被験者の言語的・非言語的行動をテキスト化し，テキストマイニングの手法を用いて時系列的な特徴を可視化した上で操作ログと対照した．結果として，上記の操作比率が，大域的近似に対する指向性を反映したものであることをほぼ裏付けることができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2018年度中の早い段階で操作ログの自動取得システムを構築した上で，実験授業に投入する予定であったが，プラグインの完成が年度末までずれこみ，2018年度の実験授業におけるログの解析は，従来行っていた画面録画を行動分析ソフトに取り込んでコーディングする形にとどまってしまい，取得できるデータ量に限界があった．また，操作経過を再生するシステムについても，2018年度中に構築したいと考えていたが，その前提となるCindyJSにおけるアニメーション機能が完全には構築されておらず，まだかなりの時間を要する状況である．
取得した操作ログの解析についても，それ単独による思考過程の追跡は予想以上に難しく，グループ学習の形で操作させた際の，メンバー間の会話やジェスチャーによる意思表示といった，言語的・非言語的な行動の分析を併せて行わざるを得ないことがわかってきた．特に発言に関する時系列的な推移をデータ化するためには，現状では録画録音から手作業で書き起こす作業が避けられないが，これは労力的・時間的負担が非常に大きく，作業の遅れを招く一因となっている．さらに，複数の学習者の発話を分析する際に，従来のようなICレコーダーによる録音記録を用いたのでは，どの発話がどの学習者によるものなのか，判定が易しくない場合があり，これも解析に手間取る一因となっている．
さらに，ここまで得られた実験結果をもとに，英文の論文を作成して海外の雑誌に発表することを試みているが，先行研究に関する調査を進める中で，本研究と比較対照しうるような，inquiry-based learningの時系列的な学習データの分析を行っているものがほとんどないことがわかった．このため，本研究の必要性や．研究方法の妥当性を主張するために．非常に大量の文献調査が求められる状況になってしまい，これに膨大な時間と労力が要求される事態になってしまっている．
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| Strategy for Future Research Activity |
CindyJS単体で操作経過の再生をするためには，CindyJSのアニメーション機能が完全なものとなることが必要だが，これができるまでは，暫定的にCinderella上で再生する方法を検討したいと考えている．
操作ログを取得して，より手軽にその分析を進められる基盤は確立された形となるので，今後はより多くの被験者を対象としてより多くの種類のコンテンツを用いた実験授業を実施し，多項式近似の場合とは別の種類の特徴量の抽出を目指したい．
操作ログデータと対照すべき音声データの取得については，発話者の識別が容易に行える優れたシステムを電気通信大学の江木啓訓准教授のグループが開発されており，日本教育工学会のSIG活動を通じて研究協力をいただける関係を築けたので，このシステムの支援を受けながら，少しでも多くの事例で分析を行いたいと考えている．
本研究が目指す最終形は，学習者の操作状況を教授者が見て判断し，適時に適切な教育的介入を行える環境を作ることであるが，そのためには操作ログから思考過程を一定の精度で推定できるためのモデル化が必要で，コンテンツに応じて学習者の操作ログが一定量確保されていることが前提である．今後，少しでも多くのテーマでこれを行えるようにしたい．
さらに，個人で操作した場合と比べ，グループで操作させた場合は，操作プロセスの時間的な推移が非常に複雑になることがわかってきており，これは現在世界的に研究が進んでいるComputer-Supported Collaborative Learining（CSCL）のひとつの典型的事例として位置付けられる．この複雑さの原因が，学習者間のコミュニケーションというsocialなファクターに起因することは否定できないので，CSCLの最新の理論的進展をチェックしながら，我々なりに理論的な枠組みを提示できればと考えている．
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| Causes of Carryover |
CindyJSの操作ログを取得して蓄積するためのMoodleサーバーについて，予想に反して安価に管理委託を行うことができた．また，外国出張のための旅費についても，想定以下に抑えることができた．さらに，購入を予定していたiPadの一部についても，他予算によって手当てすることができた．次年度使用額は主に以上のような要因から発生したものである．
使用計画として，新たな課題となりつつある音声データの取得について，発話者の特定が可能となるように指向性の高い録音マイクを用いることを予定しており，機能性に関する十分な検討を行った上で，できるだけ多くの機材を当該助成金により購入して実験に用いたいと考えている．
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