2017 Fiscal Year Annual Research Report
「問題を捉える視点」の習得を促進する問題演習システムの設計・開発と効果の検証
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17H01839
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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) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 知的学習支援システム / 科学教育 / 問題演習 / 説明生成 / 知識工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者らはこれまでに物理問題をその対象系のモデルに基づいて特徴付ける枠組みであるマイクロワールドグラフを提案し，これを用いて学習状況に合わせて問題を適応的に系列化し，かつ問題間の差分を説明する機能を持つ学習支援システムを実現しており，教育現場での試験的利用を通して，それが領域の深い理解を促進するとの知見を得ている．しかし，これまでの研究は個々の解法や原理の習得には適しているものの問題を捉える視点（定式化の方法）を選択する能力の習得に関しては不十分なものであった．問題をどう定式化するかによって同じ問題であっても利用可能な解法や原理が変わるため，この視点を選択する能力はきわめて重要となる．本研究では，（１）「問題を捉える視点の選択能力の習得」に必要となる複雑な問題系列を取り扱えるようシステム機能の拡張を行うと共に，（２）実験用教材を効率的に作成するための支援ツールを開発して検証実験の基盤を整備する．さらに（３）現場での実験的・試験的利用を通した評価と，（４）データに基づく「問題を捉える視点」に関する認知的モデルの構築をも目指している．
平成29年度は，上記（１）を実施した．すなわち「問題を捉える視点の理解」を達成するために必要な，より複雑な問題間の関係を扱えるよう説明生成器の拡張を行った．従来の説明生成器が局所的な探索に基づいて問題間の差分を抽出していたのに対し，構造写像エンジン（類推における「構造写像理論」の実装）を用いて大域的な探索を行うことで，複雑な問題を含む系列においても効果的な説明が生成可能となった．検証用データを用いて予備実験を実施したところ，生成された十数例の説明はすべて妥当であることが示された．
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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
本研究では，（１）「問題を捉える視点の選択能力の習得」に必要となる複雑な問題系列を取り扱えるようなシステム機能の拡張，（２）実験用教材を効率的に作成するための支援ツールの開発，（３）現場での実験的・試験的利用を通した評価，および（４）データに基づく「問題を捉える視点」に関する認知的モデルの構築，を計画している．このうち平成29年度は（１）を計画していたが，複雑な問題間の差分を抽出可能な説明生成器の実装および検証は，上記の通り順調に完了した．加えて，平成30年度に予定している支援ツール構築のための準備作業，すなわち説明生成に必要な問題記述を支援する際の基盤となる，物理系における典型的な「部分構造・近似手段・仮定と適用原理・生起する物理現象」のパターンを記述・蓄積したデータベース構築についても既に試作を開始している．これらのことから，本研究はおおむね順調に進捗していると言うことができる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，問題間の差分の説明生成に必要な問題記述を支援するためのオーサリングツールを開発・評価する．説明生成には問題のモデル導出過程の記述が不可欠であるが，これを非専門家が作成することは現状では難しい．同記述には現象や原理，およびその前提条件間の排他性に関する詳細な注釈が付けられており，これは研究代表者らの提案による「制約の意味論」に基づいて行われる．制約の意味論は，モデル化における仮定や境界条件，その上で生起し得る物理現象に関する知識を体系化したものであり，それらを構造的・機能的観点から詳細化した領域独立な概念階層を持つ．しかし先行研究における試験運用では，教材作成に関する困難が物理教師のみならず情報技術者（知識工学の非専門家）からも指摘された．そしてその原因は，抽象的な概念構造を実際の問題記述へ具体化することの難しさにあることが判明した．そこで本研究では，制約の意味論が提供する共通語彙を用いて，物理系における典型的な「部分構造・近似手段・仮定と適用原理・生起する物理現象」のパターンを記述・蓄積したデータベースを構築し，各パターン（モデル片と呼ぶ）を「部品」として用いる組立て方式によって問題記述を行えるツールを開発し，非専門家による問題作成を可能とする．
ツールの設計は，制約の意味論の開発者である堀口（研究代表者）と平嶋（同分担者）が，物理系のモデルをモデル片から自動合成する技術（合成モデリングと呼ばれる）の先駆者であるForbus教授（同協力者）の協力を得ながら行う．実装作業は堀口と堀口が雇用する大学院生一名が担当する．ツールの有用性の検証は，東本（同分担者）と今井（同協力者）による試験的利用を経た後，大学生を被験者とする教材作成実験を実施して行う．
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