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2017 年度 実施状況報告書

プログラム読解学習のための学習教材の自動生成方式と学習者の技能定量化手法の提案

研究課題

研究課題/領域番号 16K01147
研究機関広島工業大学

研究代表者

松本 慎平  広島工業大学, 情報学部, 准教授 (30455183)

研究分担者 加島 智子  近畿大学, 工学部, 講師 (30581219)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワードプログラミング / 読解 / 視線分析 / データ構造 / マルコフ過程 / データ依存グラフ
研究実績の概要

これまでの研究により,プログラミング読解過程の眼球運動に基づく分析が進められている.視線運動を用いた先行研究では,定量分析をする上では視線分布を用いた分析が用いられている.これに対し,本研究では,読解過程の要因の特定を可能にするため,プログラムの各行をどのような順序で読んでいるかに注目する.そのため,本研究では視線の運動パターンに基づき,プログラム中に存在する構造と比較し,プログラム読解の分析可能性を調べることを目的とする.様々な要素が含まれるソースコードでは読解過程の詳細な分析が困難である.したがって,本研究では,まずは代入演算と算術演算のみでプログラムを構成し,構造としてデータ依存関係だけに単純化したプログラムを実験課題に設定する.その上で,そのようなプログラムに対して,視線追跡から得られたデータに基づき視線の運動パターンを獲得する.視線の推移を評価するため,確率で表した単純マルコフ過程モデルを構築する.単純マルコフ過程モデルのノード間の推移確率とデータ依存関係の有無を比較することで,視線の運動パターンに基づいたプログラム読解過程の分析可能性について調査する.

本年度の成果として,具体的には,まず,プログラミング読解過程中の視線運動を取得し,視線の推移の特徴が現れるモデル化手法を提案した.そして,プログラム構造に基づき,プログラミング読解過程中の視線運動を解析するための実験プロトコルを設計した.本論文では,代入文のみで構成される3行のプログラムで生成可能な4パターンのデータ依存関係をもつソースコードを実験課題とし,被験者データを取得し分析を行った.その結果,プログラム読解固有の振る舞いとして,各パターンのデータ依存関係の影響を確認することができた.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究の最終目的は,1.データ依存関係,制御依存関係といったプログラム構造の観点から,プログラムの知識・技能とプログラム構造とを対応付けるフレームワークの提案,2.プログラムを特徴付ける各パラメータに基づきプログラム読解学習教材としてのソースコードを自動生成する機能の実装, 3.プログラミング読解過程中の眼球運動を取得し,視線の推移を隠れマルコフモデルを中心とした確率モデルで記述するための手法の提案,4.確率モデルとプログラム構造との構成的差違を定量的に評価し,知識・技能の習得度を定義するための手法の提案,5.知識・技能の程度に応じてプログラム読解学習教材を提示可能な学習者適応の学習支援システムの開発,である.
前年度までに,自学学習環境として利用可能なプログラミング読解学習支援システムの基礎が開発された.読解学習支援システムは従来から開発を進めてきたものであるが,2017年度の取り組みにより,データ依存関係に限定した物ではあるが,読解教材を自動的に生成するためのロジックを実装した.これにより,データ依存関係を把握しながら効率良く読解する力の獲得を目指した学習,また,データ依存関係に応じて,視線運動の調査を進めることができるようになった.生成方法として,まず隣接行列を使用してデータ依存グラフを表す.これを入力として与えることにより,データ依存グラフに従ってプログラムを生成できるようになった.
他,被験者の視線の動きがデータ依存構造に沿ったものであることを明らかにするため,大学生を被験者として実験を行った.3行のソースコード読解を課題として実験を行った結果,プログラム読解固有の振る舞いとして,各パターンのデータ依存関係の影響を確認することができた.
以上のことから,おおむね順調に進展していると評価する.

今後の研究の推進方策

これまでの実験結果より,学習者がソースコードを読解する際の視線の特徴をデータ依存関係構造の観点から示すことができた.今後は,プログラムを適切に理解できる学習者に対して,データ依存関係の影響が視線に表れ,その程度を量的に評価可能であることを明らかにする.予備実験によると,限られたサンプル数に基づいたものであり網羅的ではないものの,プログラムを適切に理解できない学習者に対して,データ依存関係とは異なる行へ目が移ってしまい誤答する学習者や,求められているデータ依存関係を全て把握しきれず誤答する学習者が存在することを示唆する結果を得ている.母数を増やし,このことを統計的に確かにすることが,今後の研究推進課題となる.

これまでに得た知見を踏まえると,プログラムの依存関係を適切に把握して標準的に読めているかといった判断ができるようになると考えられる.たとえば,データ依存関係を意識させるような教授法構築や,得られた知見を応用した学習支援システムの開発が期待される.データ依存関係が読解パターンに表出する点から,学習者はデータ依存関係を手掛かりとしてソースコードを読解していると考えられる.よって,西松らが示したスライス箇所のハイライト機能を提示することで,プログラム読解を支援する教育・実現化ツールの開発が期待される.また,データ依存関係を読解から追跡することの必要性を確認できたため,プログラミングを不得手とする学習者層を対象として,「不得手の契機となっている原因」や「理解を妨げている要因」を,視線追跡から得た読解過程をもとに推察可能であると考えられる.たとえば,学習者の理解が不十分な場合,視線運動を取得し,その視線運動から読解過程の特徴を明らかにし,理解が不十分である原因をデータ構造の観点から説明できれば,学習者の読解過程の特徴にもとづく新たなプログラミング指導法の設計が期待される.

次年度使用額が生じた理由

(理由)
本年度,当初計画よりもシステム開発が順調に進んだため,人件費・謝金を計画よりも低く抑えることができた.それにより,次年度使用額として残額が生じた.
(使用計画)
使用計画として,より研究成果を発展させるため,残額分,人件費・謝金として活用する予定である.

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Difficulty Estimation of Knowledge Elements in Source Codes for Reading-Based Programming Learning by Using Neural Test Theory2018

    • 著者名/発表者名
      Shimpei Matsumoto, Shuichi Yamagishi, and Tomoko Kashima
    • 雑誌名

      Proc. of The First IEEE International Symposium on Artificial Intelligence for ASEAN Development

      巻: - ページ: pp.39-44

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Relationship Analysis between Puzzle-Like Programming Game and Achievement Result After Learning the Basic of Programming2018

    • 著者名/発表者名
      Shimpei Matsumoto, Shuichi Yamagishi and Tomoko Kashima
    • 雑誌名

      Proceedings of the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2018

      巻: 1 ページ: pp.168-171

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Survey of Analyzing Understanding Process of Programming by Using Eye Tracking2018

    • 著者名/発表者名
      Shimpei Matsumoto, Shuichi Yamagishi, Tomoko Kashima, Yusuke Hayashi, and Tsukasa Hirashima
    • 雑誌名

      Proceedings of The Twenty-Second International Symposium on Artificial Life and Robotics 2018

      巻: - ページ: pp.116-120

    • 査読あり
  • [学会発表] Difficulty Estimation of Knowledge Elements in Source Codes for Reading-Based Programming Learning by Using Neural Test Theory2018

    • 著者名/発表者名
      Shimpei Matsumoto
    • 学会等名
      The First IEEE International Symposium on Artificial Intelligence for ASEAN Development
    • 国際学会
  • [学会発表] Relationship Analysis between Puzzle-Like Programming Game and Achievement Result After Learning the Basic of Programming2018

    • 著者名/発表者名
      Shimpei Matsumoto
    • 学会等名
      the International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] A Survey of Analyzing Understanding Process of Programming by Using Eye Tracking2018

    • 著者名/発表者名
      Shimpei Matsumoto
    • 学会等名
      The Twenty-Second International Symposium on Artificial Life and Robotics 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] ソースコード読解学習のための視線分析に関する研究2018

    • 著者名/発表者名
      平野拓真
    • 学会等名
      日本経営システム学会イノベーション指向データ分析研究部会
  • [学会発表] 大学生のためのC言語エディタの開発2018

    • 著者名/発表者名
      買田康介
    • 学会等名
      2017年度教育システム情報学会学生研究発表会(中国地区)
  • [学会発表] ゲームプログラミングによる物理学習支援システムの開発2018

    • 著者名/発表者名
      水島冬馬
    • 学会等名
      2017年度教育システム情報学会学生研究発表会(中国地区)
  • [学会発表] ソースコード読解学習のためのデータ構造に基づいた問題生成に関する研究2018

    • 著者名/発表者名
      赤瀬直也
    • 学会等名
      2017年度教育システム情報学会学生研究発表会(中国地区)
  • [学会発表] カード操作方式によるプログラミング学習システムの学習効果2018

    • 著者名/発表者名
      村上瑠香
    • 学会等名
      2017年度教育システム情報学会学生研究発表会(中国地区)
  • [学会発表] セキュアコーディング学習支援システムの開発2018

    • 著者名/発表者名
      森田浩平
    • 学会等名
      2017年度教育システム情報学会学生研究発表会(中国地区)
  • [学会発表] カード操作に基づくアルゴリズムの思考に焦点を当てたプログラミング学習システムの実践2017

    • 著者名/発表者名
      松本慎平
    • 学会等名
      平成29年度(第68回)電気・情報関連学会中国支部連合大会
  • [学会発表] セキュアコーディングを学習させるためのオンラインコンパイラの開発2017

    • 著者名/発表者名
      森田浩平
    • 学会等名
      第42回教育システム情報学会全国大会
  • [学会発表] カードを並べ替えることによるプログラミング学習システムを用いた講義実践及び付加機能の検討2017

    • 著者名/発表者名
      森永笑子
    • 学会等名
      第42回教育システム情報学会全国大会
  • [学会発表] 大学でのプログラミング教育のためのオンラインコンパイラの学習ログ及び学習過程の分析機能の検討2017

    • 著者名/発表者名
      大下昌紀
    • 学会等名
      第42回教育システム情報学会全国大会
  • [学会発表] カード組み立て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ゲーム提示機能の開発2017

    • 著者名/発表者名
      岩本朋也
    • 学会等名
      第42回教育システム情報学会全国大会
  • [学会発表] アルゴリズム体験ゲームとプログラミング学習後の成績の関係分析2017

    • 著者名/発表者名
      松本慎平
    • 学会等名
      第42回教育システム情報学会全国大会
  • [学会発表] プログラミング学習のための情報システム2017

    • 著者名/発表者名
      松本慎平
    • 学会等名
      一般社団法人教育システム情報学会中国支部研究発表会講演論文集
    • 招待講演
  • [学会発表] 部分間の関係を考えるプログラミング学習システムの作問方式の設計2017

    • 著者名/発表者名
      森永笑子
    • 学会等名
      2017 IEEE SMC Hiroshima Chapter 若手研究会
  • [学会発表] 出題者の意図を推測することを狙いとしたゲーム開発に基づくプログラミング学習システムの設計2017

    • 著者名/発表者名
      岩本朋也
    • 学会等名
      2017 IEEE SMC Hiroshima Chapter 若手研究会
  • [学会発表] プログラミング学習用オンラインコンパイラの機能設計2017

    • 著者名/発表者名
      大下昌紀
    • 学会等名
      2017 IEEE SMC Hiroshima Chapter 若手研究会
  • [学会発表] 学習者による思考及び操作を中心としたプログラミング学習支援システムの設計と開発2017

    • 著者名/発表者名
      松本 慎平
    • 学会等名
      JSAI2017 2017年度 人工知能学会全国大会(第31回)

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公開日: 2018-12-17  

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