| 研究課題/領域番号 |
19K12259
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| 研究機関 | 常葉大学 |
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研究代表者 |
山下 浩一 常葉大学, 経営学部, 准教授 (30340110)
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| 研究分担者 |
小西 達裕 静岡大学, 情報学部, 教授 (30234800)
小暮 悟 静岡大学, 情報学部, 准教授 (40359758)
野口 靖浩 静岡大学, 情報学部, 講師 (50536919)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 学習支援システム / プログラム視覚化システム / プログラミング教育 |
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| 研究実績の概要 |
（20-1） 我々がこれまでに構築してきたプログラム視覚化（PV）システムであるTEDViTは，教師が自身の説明意図に基づいて対象世界の描画を自由にカスタマイズできることと，対象世界とメモリイメージという抽象度の異なる二つの表現を同時に視覚化できることの二つの特徴を持つ。ここで，対象世界とはプログラムの処理対象を論理的データ構造として表現したものをいう。しかし，メモリイメージに関してはメモリ空間を平面的に視覚化するだけに留まっており，対象世界とメモリイメージを比較・観察する学習に対する支援が不十分であった。我々はメモリイメージにも教師によるカスタマイズが可能となるようTEDViTを拡張し，実授業に投入してその効果を評価した。評価結果からは，我々の拡張とそれを用いた実践授業に一定の学習効果があることが示唆された。（雑誌論文1: ICCE2020）
（20-2） また，TEDViTを投入する授業の授業形態の幅を広げるべく，プログラミング演習でよく見られる形態である「雛形提示型演習」に対応できるようTEDViTを拡張した。このシステムでは，教師が指定した箇所のみ学習者が任意のプログラムコードを入力することができ，入力されたコードの挙動を，教師の意図に基づいて視覚化することができる。研究成果（20-1）と同様，我々は拡張したTEDViTを実授業に投入し，テストによる理解度の評価とアンケートによる主観評価の双方からその効果を評価した。評価結果からは，学習者が自身で実装したプログラムコードの挙動をTEDViT上に視覚的に再現することによって，学習者がプログラムやアルゴリズムに関する理解をより深めていることが示唆された。その一方，学習者が想定外のコードを記述した際の視覚化が不十分であったり，システムの動作が不安定になったりするなどの問題点が明らかになった。（学会発表1）
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| 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
本研究の目的は，TEDViTを拡張し，広範なアルゴリズムを対象に，教師の意図を反映させた形式で，学習者自身のプログラムに基づくPVを生成できるようにしたシステムを構築することである。対象アルゴリズムの拡充を検討するにあたり，研究成果（20-1）はPVシステムの需要が高いであろう学習項目への対応を試みたものであり，本研究の目的の一つに合致した成果と言える。ポインタなど，挙動をメモリモデルに結び付けて理解する必要がある学習対象は，初学者が理解に躓きやすい対象の典型となっている。TEDViTの対象アルゴリズムの拡充において，PVシステムの需要が見込まれる学習対象に対応できたことは，一定の進捗を達成できたものと考えている。また，この成果はコンピュータ利用教育に関する歴史ある大規模な国際会議the 28th International Conference on Computers in Education （ICCE2020）に採択されており，国際的に高い評価を受けていると考えられる。
また研究成果（20-2）は，学習者自身のプログラムに基づくPVを，教師の意図を反映させた形式で生成する試みの一歩と捉えることができる。研究成果（20-2）では雛形を提示することで学習者が自由にプログラムを記述できる箇所に制約を課し，問題を単純化することによってその解決法を探るアプローチで研究課題に取り組んでいる。現時点ではこうした取り組みが持つ学習効果を確認する段階に留まっているが，この成果によって今後の研究の方向性や現状の問題点を明らかにすることができたと評価できる。
以上，対象アルゴリズムの拡充と学習者自身のコードを用いたPV生成の双方において進捗が認められることから，本研究は比較的順調に進展していると評価する。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度の二つの研究成果を発展させる形で，引き続きTEDViTが対応可能なプログラム，アルゴリズム，データ構造の拡充を進めるとともに，我々のシステムを導入する実授業における学習シナリオを検討し，必要な拡張をTEDViTに適用する。
TEDViTがPVに教師の意図を反映させる機能は，PVを生成するための描画ルールを教師が定義することによって実現されている。描画ルールは条件部と描画オブジェクト部からなり，プログラムの実行状態が指定された条件を満足したときに指定された描画オブジェクトを描画，削除，もしくは更新することによってPVが生成される。この仕様に基づいてPVを生成するにあたり，学習者自身のプログラムに基づくPVを教師の意図を反映させた形式で視覚化する際には，描画ルールの定義が著しく困難になるものと考えられる。研究成果（20-2）で明らかになった問題点の一つに，学習者が記述するプログラムコードとして教師が想定したものに不足が見られたときに，適切なPVが生成できないというものがある。学習者の様々なコードを想定して，そのすべてに対応できる描画ルールを定義することは著しくコストの高い作業と考えられ，このコストを削減する手法を検討する予定である。
また，TEDViTの学習効果をさらに向上させるため，TEDViTが生成するPVの表現能力の向上にも取り組みを進める。例えば，TEDViTが生成する描画オブジェクトは，プログラム実行過程におけるさまざまなデータに対して構造的な写像性を持っていない。データの大小関係はあくまでも表示される数値情報にしか反映されず，その大小関係がオブジェクトの大小関係に反映されたり，位置情報に反映されたりすることは想定していない。PVがこうした構造的な写像性を持つことがプログラム学習に及ぼす影響など，TEDViTの表現能力に関する調査・検討を進めたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究で構築を目指すシステムのベースとなるPVシステムであるTEDViTは，我々がこれまでに構築してきたコードリーディング支援システムLEPAをベースとして開発されたものである。当初の計画では，2019年度にシステムのプロトタイプ構築とその動作テストを行うためのノート型PCの購入を予定していたが，LEPA開発時の開発環境やさまざまな調査データの新環境への移行計画に遅れが生じたため，ノート型PCの購入計画に遅れが生じている。次年度使用額が生じたのは，このノート型PCの購入の遅れが主たる要因である。新しい開発環境への移行計画を早急に取りまとめ，早期に機材購入を遂行できるような購入計画を策定する予定である。
また，国内学会の研究会や国際会議がコロナ禍によって中止になったり，インターネット上の仮想空間での開催となったりして旅費の予算執行が困難な状況にあることも要因の一つである。旅費の執行については，学会開催時期のコロナウィルス蔓延状況に依存する部分が大きく，明確な見通しを立てることが困難な状況にある。同様に，学習支援システムの評価実験のために被験者を募集することも困難な状況が続いている。今後は謝金等の人件費や旅費や物品費の科目間流用を検討し，柔軟な予算執行の下で研究活動を円滑に進めていくことを計画している。
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