2018 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, 准教授 (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 / 構造写像エンジン |
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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30年度は上記(2) を実施した．すなわち「問題の知識記述を支援するためのオーサリングツール」を開発・評価した．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．そこで，研究代表者らが提案した，物理のモデル導出過程に関わる概念体系「制約の意味論」に基づく支援機能を持つオーサリングツールを開発した．大学生を被験者とする使用実験を実施したところ，検証用に用意した問題十数例のほぼすべてにおいて，特別の困難なく問題記述を行うことができ，本ツールの有用性が示された．
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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
平成30年度は，(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・評価を実施した．本ツールは，非専門家による問題作成を可能とするため，説明生成に必要な問題のモデル導出過程の記述を支援するものである．モデル導出過程の記述には現象や原理，およびその前提条件（仮定や境界条件）の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が提案した「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．
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た．オーサは本ツールにおいて，GUIによって部品を選択・連結し，具体化に必要な情報をダイアログから入力することによってモデル記述を進め，ヒント等も随時参照することができる．研究代表者および分担者による動作検証を経て，大学生を被験者とする使用実験を実施したところ，検証用に用意した問題十数例のほぼすべてにおいて，特別の困難なく問題記述を行うことができ，本ツールの有用性が示された．また，平成31年度（令和2年度）に予定している，記述された問題群を組織化するためのオーサリングツールの基本設計にもすでに着手している．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31年度（令和元年度）は，問題群から学習目的に適した問題系列を自動生成するために必要な，問題群の組織化のためのオーサリングツールを開発・評価する．
研究代表者らは，問題群をそれらの差分に基づいて組織的に記述する枠組みであるマイクロワールドグラフ（GMW）を提案した．問題系列において隣接する問題同士は，何らかの意味で教育的に有用な「類似性」を持つ必要があるが，GMWではそのような問題間に予めリンクを付けておき，適切なリンクの選択を繰り返すことで一定の学習目標を達成し得る問題系列を生成する．現在はこのリンク付けを人手で行っているが，多数の問題から二つの問題を選定し，それらのモデル導出過程の差分を同定して教育的有用性を判断することは，非専門家にはきわめて困難である．
そこで本研究では，次の方法で支援を行う対話方式の支援ツールを開発する．(1) 所与の問題群からオーサが選んだ一つの問題を起点とし，(2) その問題と他のすべての問題との類似度を計算し，閾値内の各問題について起点との差分の説明を生成する（平成29年度に開発した説明生成器を用いる）．(3) オーサは説明を参照して教育的に有用と判断した問題と起点との間にリンクを付ける．(4) リンク付けされた各問題を新たな起点として(1)～(3)を繰り返す．類似度の計算では，モデル導出過程の注目する部分（問題の表面的特徴や構造的特徴等）を様々に選ぶことで，複数の観点からの比較を実現する．
ツールの設計は，前年度に引き続き堀口と平嶋がForbus教授の協力を得ながら行う．どのような類似性が有用かについては，構造写像理論の提案者であるGentner教授の協力を得ながら検討する．実装作業は堀口と堀口が雇用する大学院生が担当する．ツールの有用性の検証は，東本と今井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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