(57)【要約】【課題】目前の課題を添付資料にある手順に沿って問題解決への糸口を探る形式の研修を手助けする教育学習支援方法及び教育学習用サーバを提供する。【解決手段】この教育学習用サーバは、シミュレーションのモデル及び各操作手順や手段に対応したユーザ補助のデータを蓄積している学習支援知識データベースと、学習課題のモデル化やシミュレーションの計算を演算処理する数式処理数値演算モジュールと、シミュレーションモデルを学習で使うために必要な実験などのデータやシナリオを追加登録するためのシミュレーションモデルデータ追加登録手段と、学習者による課題追求的な学習活動の各ステップにおいて、作業を行う学習者を支援するエージェントとを備える。【選択図】　　　　図２
2004061550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シミュレーションモデルを格納した学習支援知識データベースを含むサーバ及び学習者用クライアントがネットワークを介して接続されている教育学習支援システムを利用して学習活動を支援する教育学習支援方法であって、
学習者に対して課題を提起する画面を表示するステップと、
学習者がどのような活動をしたらよいか認識するための画面を表示するステップと、
学習者がどのような情報が必要であるか認識するための画面を表示するステップと、
学習者が必要な情報を入手するステップと、
集めた情報が問題を解決するために適切か否かを判定するための画面を表示するステップと、
課題の因果関係を理解するための画面を表示するステップと、
シミュレーションのためのモデルを選択あるいは設定するステップと、
前記モデルに応じた環境変数及び／又はパラメータを画面に表示してその入力を促すステップと、
シミュレーションを実行するステップと、
前記シミュレーションの結果と事前の予想を対比して表示するステップとを備え、
学習の各ステップにおいて学習者に対して適切なアドバイスを行うための教育学習支援方法。
【請求項２】
シミュレーションのモデル及び各操作手順や手段に対応したユーザ補助のデータを蓄積している学習支援知識データベースと、学習課題のモデル化やシミュレーションの計算を演算処理する数式処理数値演算モジュールと、シミュレーションモデルを学習で使うために必要な実験などのデータやシナリオを追加登録するためのシミュレーションモデルデータ追加登録手段と、学習者による課題追求的な学習活動の各ステップにおいて、作業を行う学習者を支援するエージェントとを備える教育学習用サーバ。
【請求項３】
前記エージェントとして、課題提起画面、情報収集支援画面、分析支援画面及び評価支援画面の各データを記憶する画面データベースと、学習者による課題追求的な学習活動のステップがどの段階のものであるか判定して、それに対応する画面を前記画面データベースから読み出し、学習者の端末画面上に表示させる画面生成部とを備えることを特徴とする請求項２記載の教育学習用サーバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ネットワーク利用の教育学習支援方法及び教育学習用サーバに関する。さらに詳細には、本発明は、各種の学校、例えば小学校や中学校を初めとして、高校、短大、大学あるいは各種専門学校等において、学習者のパソコンをインターネットやイントラネットに接続し、シミュレーションを通じて課題追求的な学習を行うのに好適な教育学習支援方法及び教育学習用サーバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、いわゆる「課題追求的」な学習が強調されている。この課題追求的な学習というのは、自ら学び、自ら考える力を育成することを目指して、自ら問題を発見し解決する能力を育成し、体験的な学習、問題解決的な学習、調べ方や学び方の育成を図る学習、自ら調べ、まとめ、発表する活動等が活発に行われることを期待したものである。従来の座学講義形式よりも、目前の課題をある手順に沿って問題解決への糸口を探る形式の学習・研修の方がより教育効果があり、市場のニーズも高い。
【０００３】
このような教育の目指す方向が示されている中で、パソコン利用の教育支援システムないし学習支援システムは必ずしも十分発達しているとは言い難い状況である。特に、インターネット／イントラネットを活用した効果的な教育支援システムは少なかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、インターネット／イントラネットを手段とし、学校教育や企業内教育等において十分活用できる学習支援システムを教育現場に提供することである。
【０００５】
すなわち、学習目標を到達するための学習活動を支援するために、イントラネット／インターネット上で連続的かつ一連の学習活動を行うための手段／処理とそれぞれの手段／処理を結ぶインターフェースが実装されている教育学習支援方法及び教育学習用サーバを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は、シミュレーションモデルを格納した学習支援知識データベースを含むサーバ及び学習者用クライアントがネットワークを介して接続されている教育学習支援システムを利用して学習活動を支援する教育学習支援方法であって、
学習者に対して課題を提起する画面を表示するステップと、
学習者がどのような活動をしたらよいか認識するための画面を表示するステップと、
学習者がどのような情報が必要であるか認識するための画面を表示するステップと、
学習者が必要な情報を入手するステップと、
集めた情報が問題を解決するために適切か否かを判定するための画面を表示するステップと、
課題の因果関係を理解するための画面を表示するステップと、
シミュレーションのためのモデルを選択あるいは設定するステップと、
前記モデルに応じた環境変数及び／又はパラメータを画面に表示してその入力を促すステップと、
シミュレーションを実行するステップと、
前記シミュレーションの結果と事前の予想を対比して表示するステップとを備えるものである。
【０００７】
この発明に係る教育学習用サーバは、シミュレーションのモデル及び各操作手順や手段に対応したユーザ補助のデータを蓄積している学習支援知識データベースと、学習課題のモデル化やシミュレーションの計算を演算処理する数式処理数値演算モジュールと、シミュレーションモデルを学習で使うために必要な実験などのデータやシナリオを追加登録するためのシミュレーションモデルデータ追加登録手段と、学習者による課題追求的な学習活動の各ステップにおいて、作業を行う学習者を支援するエージェントとを備えるものである。
【０００８】
好ましくは、前記エージェントとして、課題提起画面、情報収集支援画面、分析支援画面及び評価支援画面の各データを記憶する画面データベースと、学習者による課題追求的な学習活動のステップがどの段階のものであるか判定して、それに対応する画面を前記画面データベースから読み出し、学習者の端末画面上に表示させる画面生成部とを備える。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係るシステム／方法は、いわゆる「課題追求的」な学習活動を支援するためのエージェント（装置／方法／プログラム）に関するものである。この課題追求的な学習というのは、自ら学び、自ら考える力を育成することを目指して、自ら問題を発見し解決する能力を育成し、体験的な学習、問題解決的な学習、調べ方や学び方の育成を図る学習、自ら調べ、まとめ、発表する活動等が活発に行われることを期待したものである。課題追求的な学習を円滑に進めるため、本発明の実施の形態に係るエージェントは、学習の各ステップにおいて学習者に対して適切なアドバイスを行う。シミュレーションにより検証を行う場合、その環境変数やパラメータの入力／設定についてもアドバイスを行う。
【００１０】
図１にエージェントの概念を示す。図１のエージェント１２の文字・画像・映像等の表示手段としてＷＷＷブラウザを用いている。エージェント１２は、図１のステップ１〜１０の情報教育モデルを用いて作業を行う学習者を支援する仕組みである。前記各ステップの操作についてユーザ補助を行うものである。図１において、問題提起１〜評価１０は、学習者による課題追求的な学習活動の各ステップである。これらステップのそれぞれにおいて、エージェント１２は学習者に対して適切なアドバイスを行う。そのためのものとして学習支援知識データベース１１を備える。学習支援知識データベース１１はインターネットに接続され、ＷＷＷサーバから各種情報を収集してデータを追加・更新することができる。
【００１１】
前記ステップのうち、モデル化６、シミュレーション８、実行９のステップはシミュレーションによる学習を行うためである。課題追求的な学習、特に理科のように実験を伴う教科において、予想、実験、結果、評価というステップを踏むにあたりコンピュータシミュレーションを取り入れると良い。シミュレーションに際してその環境変数の生成やパラメータ入力を支援するためのものが数式処理・数値演算モジュール１３である。シミュレーションのモデルを追加するためのものとしてシミュレーションモデルデータ追加登録手段１４を備える。これは新たなシミュレーションのモデルを学習支援知識データベース１１に追加するためのものである。
【００１２】
図２は発明の実施の形態に係るシステムの全体構成を示す図である。サーバ１００及びこれにアクセスする学習者用クライアント１０１ａ〜１０１ｃがインターネット／イントラネット１０２を介して接続されている。各クライアントはＷＷＷブラウザによりサーバ１００あるいは他のサーバのコンテンツにアクセスできる。
【００１３】
サーバ１００は、図１に示す学習支援知識データベース１１、数式処理数値演算モジュール１３及びシミュレーションモデルデータ追加登録手段１４を含む。学習支援知識データベース１１は、各操作手順や手段に対応したユーザ補助のデータを蓄積しているデータベースである。シミュレーションの対象分野（教科・課題）に応じて、ユーザ補助のためのデータを追加・登録・削除ができる。数式処理数値演算モジュール１３は、学習課題のモデル化やシミュレーションの計算を演算処理するためのモジュールである。シミュレーションモデルデータ追加登録手段１４は、このシミュレーションモデルを学習で使うために必要な実験などのデータやシナリオ（モデル）を追加登録するための手段である。
【００１４】
さらに、図１のエージェント１２として機能する学習活動支援画面生成部１１０（エージェント１２の一実施態様）及びその画面を生成するための画面データベース１１１を含む。学習活動支援画面生成部１１０は、学習者による課題追求的な学習活動のステップがどの段階のものであるか判定して、それに対応する画面を前記画面データベースから読み出し、学習者の端末画面上に表示させる。例えば、学習のステップは図１の１〜１０の順番で進むから、学習者のステップの実行状況を監視することにより、学習ステップを判定することができる。学習活動支援画面生成部１１０は視覚的に動作するが、これに代えて／これとともに音声を出力するようなものであってもよい。学習活動支援画面生成部１１０による画面は学習者用クライアント１０１の画面に表示される（あるいは、画面に必要なデータやプログラムが送信され、学習者用クライアント１０１の画面上に必要な情報が表示される）。
【００１５】
学習活動支援画面生成部１１０は、画面データベース１１１の内容に基づき画面を生成する。画面データベース１１１には、図１の各ステップに対応する画面のデータがそれぞれ格納されている。
【００１６】
本教育システムで用いる教材データ（画面データ）は、ファイルの形で管理されている。教材として用いる全ての説明や問題その他の情報は、教材データ自身のファイル中に書き込まれている。あるいは、複数のファイルに分けてパス名やポインタで管理される。パス名とは、システム上でファイルを探すための道筋を示すものである。教材データの中で例えば説明Ａに該当する部分に、説明Ａが記述されているファイルのパス名を書いておき、教育の実行中に説明Ａが要求されるとパス名を経由して説明Ａのファイルが参照され、教材データ中に説明Ａが記述されている場合と同様に利用が可能となる。この方法では、教材データの一部として使用される説明や問題は、教材データファイルとは別のファイルに記述してあり、教材データファイルにはそれらのファイルへのパス名やポインタが書き込まれている。これにより、説明や問題を教材データと独立させ、説明や問題のみの更新を容易にすることが可能である。
【００１７】
画面データベース１１１の一例を示す。
ポインタあるいは検索キーとして教科名「物理１」及びタイトル「力学的エネルギー保存の法則」。これらの一部又は全部を用いて学習者に提示される情報が選択される。「力学的エネルギー保存の法則」を学習する場合、これを入力することにより以下のような画面が表示される。
課題提起画面１１１ａのデータ「目的：ふりこのおもりがもつ力学的エネルギーが最高点と最下点でどんな関係にあるかを調べる。」「力学的エネルギーとはなんだろう？　ふりこの速度とエネルギーの関係は？　ふりこの位置（高さ）とエネルギーの関係は？」
情報収集支援画面１１１ｂのデータ：「力学的エネルギーの説明：ＵＲＬ１、ふりこの性質の説明：ＵＲＬ２、ふりこの実験の説明：ＵＲＬ３」
分析支援画面１１１ｃのデータ：「予測：おもりを放す高さやおもりの質量と、糸が切れてから水平にとぶ距離とはどんな関係にあるか、予想を立てよう。」学習者の予想をグラフなどの形のデータで受け取る。さらに、学習支援知識データベース１１からモデルを検索するためのキー、環境変数とパラメータの設定例。モデルとしてふりこを選択した場合、ふりこの質量、ふりこの長さ、ふりこの振り幅（初期値）、重力加速度などが環境変数とパラメータとなる。
評価支援画面１１１ｄのデータ：シミュレーション結果に重ねる正解データ
【００１８】
この発明の実施の形態では、例えば教育システムにおいて、サーバあるいは当該サーバからプログラム及び／又はデータをダウンロードしたパーソナルコンピュータやワークステーションの画面上で、ある操作を指示すると、シミュレータがその操作のシミュレーションを行い、蓄積されたデータの中から操作結果にあたるデータを取り出し、それを画面上に表示することによって教育を実行する。
【００１９】
すなわち、学習者があるモデルをシミュレーションの対象として選ぶと、学習支援知識データベースから対応するモデルが読み出され、このモデルに基づきシミュレーションを実行する。実行に際して数式処理数値演算モジュールの助けを借りて必要な計算を行う。
【００２０】
図３のフローチャートに基づき学習の各ステップにおいて行うサーバの処理を説明する。
【００２１】
Ｓ１：学習者自身が問題（課題）提起するように画面を表示する。学習者はユーザ補助の画面を見ながら問題（課題）を提起する。例えば、「目的：ふりこのおもりがもつ力学的エネルギーが最高点と最下点でどんな関係にあるかを調べる。」という画面が表示される。
【００２２】
Ｓ２：学習者自身がどのような活動をしたらよいか認識するように画面を表示する。どのような活動をしたら良いか学習者はユーザ補助の画面を見ながら確認する。例えば「力学的エネルギーとはなんだろう？　ふりこの速度とエネルギーの関係は？　ふりこの位置（高さ）とエネルギーの関係は？」という画面が表示される。
【００２３】
Ｓ３：学習者が、どのような情報が必要であるか認識するように画面を表示する。例えば「力学的エネルギーの説明：ＵＲＬ１、ふりこの性質の説明：ＵＲＬ２、ふりこの実験の説明：ＵＲＬ３」という画面が表示される。
【００２４】
Ｓ４：必要な情報を学習支援データベースやインターネットを介してＷＷＷ上から入手する。学習者はユーザ補助の画面を見ながら必要な情報を学習支援データベースやインターネットを介してＷＷＷ上から入手する。例えば、表示されたＵＲＬ１〜ＵＲＬ３で示されるサーバにアクセスする。
【００２５】
Ｓ５：集めた情報が問題を解決するために適切か否かを判定するための画面を表示する。学習者はユーザ補助の画面を参考にしながら適否を決める。例えば課題で提示された「力学的エネルギー、ふりこの速度とエネルギー、ふりこの位置（高さ）とエネルギー」という単語／語句をキーワードとして情報を整理するように指示する画面が表示される。
【００２６】
Ｓ６：問題の因果関係を理解するための画面を表示する。情報を分析・収集し、調査を行った情報をもとに、対象とする問題の性質や傾向を把握し、その問題の周辺に存在する因果関係を理解する。例えば「ふりこの速度とエネルギーの関係は？　ふりこの位置（高さ）とエネルギーの関係は？」という画面が表示される。
【００２７】
Ｓ７：モデルを選択あるいは設定する。例えば、「予測：おもりを放す高さやおもりの質量と、糸が切れてから水平にとぶ距離とはどんな関係にあるか、予想を立てよう。」という表示がされ、学習支援知識データベース１１からモデルを検索するためのキー、環境変数とパラメータの設定例などが表示される。表示された情報に基づきデータベース１１を検索し，最適なモデルを選択する。モデルとは、現実の状態をコンピュータで処理するために、数値的、図形的に表現したものである。ここでは、多様な事象（社会システム、生態システム、物理システムなど）のモデルを想定する。
【００２８】
Ｓ８：モデルに応じた環境変数を画面に表示してその入力を促す。環境変数とは環境の変化に伴って変わる情報である。ここでは、モデル化した数式に当てはまる数値を指す。多様な事象をモデル化して取り扱う場合は、広い意味でアプリケーションのさまざまな設定値を指すこともあれば、プログラムの関数呼び出しに指定する引数を指すこともある。
【００２９】
Ｓ９：シミュレーションを実行する。シミュレーションとは、情報を数値化し、数式を利用して解答を予測するための手法である。ここでは、環境そのものをモデル化したＶＲによるシミュレーションを想定している。
【００３０】
Ｓ１０：シミュレーション結果と事前の予想を対比して表示する。
Ｓ１０の表示を受けて、学習者は、実行したシミュレーションの結果を評価し、「問題の提起」からはじまる一連の学習活動を総括する。シミュレーションの結果が当初予想したものと異なる場合は、もう一度「問題の提起」に戻り、同様の手順で学習活動を行う。
【００３１】
この発明の実施の形態のシステムは、企業内教育研修等においても広くその効果が期待できると考えられる。また、本発明はインターネットの活用を前提としているので遠隔地学習にも有効である。
【００３２】
この発明の実施の形態のシステムは、目前の課題を添付資料にある手順に沿って問題解決への糸口を探る形式の研修を手助けするものであり、教育効果が高く、かつ、市場のニーズも高いものである。しかも、イントラネット・インターネットを手段とし、学校教育や企業内教育等において十分活用できる学習支援システムである。
【００３３】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。
【００３４】
また、本明細書において、手段とは必ずしも物理的手段を意味するものではなく、各手段の機能が、ソフトウェアによって実現される場合も包含する。さらに、一つの手段の機能が、二つ以上の物理的手段により実現されても、若しくは、二つ以上の手段の機能が、一つの物理的手段により実現されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る、シミュレーションを活用して問題解決を行うための情報教育モデルの説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るシステムの全体構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る方法の処理フローチャートである。
【符号の説明】
１１　学習支援知識データベース
１３　数式処理数値演算モジュール
１４　シミュレーションモデルデータ追加登録手段
１００　サーバ
１０１　学習者用クライアント
１０２　インターネット／イントラネット
１１０　学習活動支援画面生成部
１１１　画面データベース
【図１】
2004061550.tif 000003
【図２】
2004061550.tif 000004
【図３】
2004061550.tif 000005