情報処理学会 インタラクション 2019
IPSJ Interaction 2019

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インタラクティブなデジタル教科書の作成用ツール
HyperMind Builder の開発および評価
渡邉 洸1,a)

石丸 翔也2,b)

荒川 豊1,c)

概要：教育の情報化に伴い，日本では読書媒体が紙からデジタルへとシフトチェンジしてきている. 読書媒
体のデジタル化に伴い学習支援コンテンツは静的なものから動画や音声といった動的なものに変化していく流れである. しかし学習効率を高める上で，動画や音声の一方的な提供ではなく，読者の状態を理解し，読書媒体と学習者が相互にインタラクトしていくことが重要である. 本研究では，今後の ICT 教育の発展に伴い，一般化されていくデジタル教科書が読者と相互にインタラクションできるような教科書を作成するための GUI ツール：HyperMind Builder を開発した. これにより教育の専門家が学習者の読書による学習効果の高めるためのデジタル教科書の作成が可能になり，今後の教育分野の発展に繋がると考える.

1. はじめに

従来と同じ方法による読書・学習方法であれば，より大きな学習効果は生まれないと懸念している.

教育分野において読書は重要な役割を果たしている. 平

読書が及ぼす学力向上と媒体のデジタル化を踏まえ，今成 21 年の文部科学省の調査によると，集計対象となった後学習者（児童・生徒・学生）の読書量や学習効果を高めて児童生徒を 4 つの学力層に分類したところ，学力の高い児いくためには「媒体と読者が相互にインタラクションして童の方がより読書に対して肯定的であり，平日の読書時間いくこと」が重要だと考える. なぜなら読書に求めるものが多い傾向であることがわかった [1]. また，Ama らの研は個人によって趣向が異なるからである. 例えば，同じ文究によると児童に 1 ヶ月読書を行わせた結果，実施前と比章を読んだ際に一方のユーザはより文章に対して詳細な情較して国語力の向上が確認された [2]. 他にも，株式会社ベ報を求めるのに対し，もう一方は過去の知識や経験からそネッセホールディングスの調べによると，1 年 4 ヶ月におの文章を必要としない場合もある. こうした，「誰が」「何ける読書量と学力偏差値の変化を比較した結果，読書の多を」読むかによる提供すべき適切な情報量は変化する. しかった児童は平均で 1.9 ポイント向上したのに対し，読まかし，現在の紙媒体は，ユーザの特性や読書中の振る舞いなかった児童が 0.7 ポイント減少したことが報告されていを考慮することは出来ず，誰に対しても同じ静的な媒体とる [3]. このように学力向上に向けた読書量の増加は教育分なっている. 我々は，これからのデジタル教科書は，様々な野で重要課題となっている.

センサを用いてユーザの状態を推定することができ，個人

また日本では，平成 32 年から実施される新学習指導要領に応じて教科書がインタラクティブに振舞うことができ，（ICT 教育）に向けた読書媒体のデジタル化が進んでいる.

現在よりも読書時における没入感や興味が上がり，読書量特に平成 29 年 10 月に開催された中央教育審議会初等中等および学習効果の向上に繋がると考えている.

教育分科会にて，紙の教科書を主として使用しつつ，デジ現在，人間の行動認識技術の発展は著しく，リアルタイムタル教科書を併用することが法律で容認される流れとなっで読者の視線情報取得が容易になっている [5], [6]. こうした [4]. これにより政府はデジタル教科書の導入により，動た技術革新によって研究者の中ではよりユーザ依存でイン画・アニメーションや音声読み上げなど，従来の紙媒体でタラクティブな読書媒体を提供する方法が提案された [7]．

は行えなかった学習効果を期待している. しかし我々は，更には Text 2.0 [8] と呼ばれる HTML や JavaScript を用

従来の紙の教科書からデジタル教科書に移行したとしてもいたフレームワークが開発され，簡易にソフトウェア開発

12a)
b)
c)

奈良先端科学技術大学院大学
ドイツ人工知能研究センター (DFKI)
watanabe.ko.we2@is.naist.jp
shoya.ishimaru@dfki.de
ara@is.naist.jp© 2019 Information Processing Society of Japan

者が読者の注視位置情報をトリガーとしたインタラクティ
ブな文章の開発が可能になった. このように読書時の眼球情報を取得することによって教科書はユーザひとりひとりの興味に寄り添った媒体になっていくことが期待される．

778

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HyperMind Builder

HyperMind Reader

Part１：作成
Part２：利用
HyperMindBuilder
HyperMind Reader
図 1 システムの全体ワークフロー．Part1 にて教育関係者（教師・教育研究者・出版社）がインタラクティブ教科書を作成する．Part2 にて作成されたインタラクティブ教科書を目線情報（読者の注視箇所）を元にユーザ個人に応じた補足コンテンツの表示を行う.

我々は，インタラクティブな教科書の学習効果より引きれ，また実験参加者の主観評価でも有益だったと報告され出していくには教育の専門家（先生，出版者，教育研究者）ている. ここからインタラクティブに読書を支援することの協力が必要だと考えている. なぜなら，学習者の効果的の重要さが分かる.

な学習プロセスや読書方法を研究しているからである. しかし，彼らが自分たちの考える学習効率の高めるインタラ

2.2 直感的な操作を行うための参考ツール

クティブな教科書を創造するにはソフトウェア開発者の協プログラミング知識のない人々が扱えるようなツールと力が必然である. このような場合，インタラクティブ教科してビジュアルプログラミング言語である Scratch [10] が書の開発に掛かる時間，手間，専門家とソフトウェア開発例として挙げられる. Scratch はプログラミングの思考プ者の間に起きるコミュニケーションロスが障壁となる.

ロセスやコンセプトを学ぶためのオープンソースの環境で本研究では，誰もがプログラミングスキルを持つ必要があり，視覚的なオブジェクト（矩形や円）でコーディングなく，インタラクティブな教科書を作成することのできるのプロセスを学ぶことができる. そのため，初心者の開発GUI（Graphical User Interface）インターフェースであるへの参入ハードルを下げ，誰にでもプログラミングを始めHyperMind Builder を提案する. このツールをきっかけに，るきっかけとして広く利用されている.

教育分野の専門家が読書量を増加させるためのアイデアを反映することのできるプラットフォームの提供になること2.3 Text2.0を期待する. 本論文では，開発にあたって参考にした関連研

Biedert らによって，インタラクティブな教科書作成す究，インタラクティブなデジタル教科書を学習者が利用するためのフレームワークが開発された. これは，デジタルるまでの全体ワークフロー，提案ツールである HyperMind化された文章（HTML）に対して，HTML タグ内にユー

Builder の詳細，ツールのユーザビリティ評価実験，評価ザの視線情報を発火要素として加えることでダイナミック結果とその考察，そして最後に今後の課題を示す.

HTML にすることのできるフレームワークである.

2. 関連研究

具 体 的 な 追 加 方 法 と し て は ，タ グ 内 に onFixation ，onGazeOver ，onRead など視線情報に基づくクラスと，ここでは，インタラクティブ教科書の重要性，直感的なその際に行うインタラクション（音楽・動画・画像の再生）操作を行うための参考ツール，先行研究である Text 2.0 [8]を指定することで動作を行う条件を定めれる. 視線情報のに関して下記で示す.

収集方法としては Tobii Pro などのアイトラッカを利用して目線を収集することで利用可能となっている．このよう

2.1 インタラクティブな教科書の重要性
Cheng らは，個人の読書速度や理解度向上を目的として，読書時の目線情報に基づく文章のグレイシェイディング手法を提案した [9]. 手法の詳細としては先生や読書の専門家にプログラマにとって簡易に視線情報を用いたインタラク
ティブなデジタル教科書が用意に作れる.

3. システム全体の流れなどから読書時の目線情報をあらかじめ模倣モデルとして

図 1 にインタラクティブ教科書を利用するまでの全体の収集し，読むべき箇所，タイミング，スピードを読者に模流れを示す. システムは大きく分けて 2 つのパートに分か倣させるものとなっている. 模倣の方法としては，読むべれる. １つ目は，それぞれのユーザに対して動的に変化する

き文章以外が薄い灰色の矩形で覆われているような形であ「インタラクティブな教科書を作成する部分：HyperMind

る. この手法により個人の書籍への理解度の向上が確認さBuilder [11]」，２つ目は作成された教科書を「読者の目線© 2019 Information Processing Society of Japan779

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2019/3/6ップドロ ローカル環境

グラッ

補助コンテンツ

ドラッ

グ

ドロップ

ド

図 2

HyperMind Builder の構成

ローカル環境補助コンテンツ

情報を元に動的に動かす部分：HyperMind Reader [12]」となっている.
画像をクリックして文章内に矩形指定

3.1 インタラクティブな教科書の作成
本研究で開発したツール：HyperMind Builder を利用し，インタラクティブ教科書を作成する. 作成された教科書はアイトラッカが使用可能な環境で利用される.

ローカル環境補助コンテンツ

3.2 インタラクティブな教科書の利用
Shoya らによって開発された HyperMind Reader [12] に

図 3 HyperMind Builder の利用手順

よって，HyperMind Builder で作成されたインタラクティブ教科書を利用できるようになる. 補助コンテンツを表示する流れとしては，読者の注視時間が閾値よりも長い場合にコンテンツを表示する仕様になっている. 補助コンテンツの埋め込み手順に関しては，4 章にて詳細を示す. この仕様は様々なセンサやアルゴリズムを組み込むことによって，将来的には表示に様々なルール（興味，理解度，認知負荷など）に応じた表示方法にすることも可能ある.

4. 提案システム：HyperMind Builder
本研究は，教育者向けにプログラミングスキル不要で，インタラクティブ教科書を作成できるようにすることである.
つまり，直感的なインタラクションのみでインタラクティブ教科書の作成を可能とするような GUI ツール：HyperMind

Builder の開発を目指した. ツールは ELECTRON*1 を用いて開発したデスクトップアプリケーションとなっている.
*1

https://electronjs.org/© 2019 Information Processing Society of Japan

4.1 HyperMind Builder の構成
図 2 に HyperMind Builder の構成および作成手順を示す. ツール画面は大きく分けて 3 コラムに分かれている.
中央のコラムはリッチテキストエディタとなっており，デジタル教科書を直接貼り付けて文章を書き加えたり，フォントスタイルを編集することが可能になっている. 両サイドのコラムはコンテンツコンテナとなっている. コンテン
ツコンテナは補助コンテンツを置くためのコラムとなっている. コンテンツコンテナを左右両側に用意することで，補助コンテンツを文章のどの部分にでも配置できるため，直感的な操作になることを期待した.

4.2 HyperMind Builder の利用手順
図 3 にシステムの利用手順を示す. エディタ内の文章に関連する補助コンテンツを教育関係者がローカルから GUIにドラッグドロップで配置する. 補助コンテンツの配置780

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後，補助コンテンツをクリックし，作成者はエディタの文

formance，E ：Eﬀort，F ：Frustration）. 評価指標は 1 - 11章に矩形範囲指定を行う. その後，選択した補助コンテン（中央値 6）の 11 段階で評価を行なった.

ツと矩形範囲は紐づけられる. インタラクティブ教科書の5.2.1 評価尺度に関して作成後，ファイルは HTML 形式で出力され，HyperMindMD （精神的な要求）は，どのくらい作業に対して精神Reader [12] で読み込むことで視線情報を元に動的にイン的・知覚的な活動が求められたかを示している. 判定基準

タラクトする教科書となる. このように，我々のシステムとしては，タスクの求める要求が多いことや内容が複雑には文章の編集，補助コンテンツのドラッグドロップ，文章感じた場合は負荷が大きい方を選択する.と補助コンテンツを紐付けるためのクリックイベントのPD （身体的な要求）はどのくらい身体的な活動を要しみを扱い，プログラミングを不要とした直感的なツールとたかを示している. 判定基準としては，タスクに求められなった.

る活動量が多く感じた場合は負荷が大きい方を選択する.

5. 評価実験
本研究は，Text 2.0 [8] の発展であるため，有用性の評価ではなく，開発した GUI のユーザビリティの評価を行なった. 以下に実験環境と評価指標を示す.

TD （時間的な要求）はタスクの進行具合や進行速度に関して時間的圧迫感を感じたかを示している. 判定基準としては，時間に追われ急いで作業を行なった場合は負荷が大きい方を選択する.

P （作業成績）は目標に対してどの程度自分が実現できたか，満足したかを示している. 判定基準としては与えら

5.1 実験環境
20 - 29 歳の大学生 10 名（男性 7 名，女性 3 名）を対象れたタスクに対して，ほとんど再現ができなかった場合は負荷が大きい方を選択する.に実験を行なった. 対象者の選択基準としては，Text 2.0

E （努力）は，要求されたタスクにどのくらい強く取組やインタラクティブ教科書の概念を知らない人を対象にしんだかを示している. 判定基準としては作業を行う際に自た. これにより作成に必要な事前知識がない人の評価結果

分なりに工夫を多く強いられた場合は負荷が大きい方を選を得られるため，より操作は直感的か，また分かりにくい択する.

部分がどこであるかを調査することができると考えた.
タスクは 2 人 1 組みのペアで行なった. 内容としては大F（不満）は，タスクを行なっている際に，イライラ，ストレス感，満足やリラックスを感じたかを示している. 判

きく分けて下記の 3 つとなっている.

定基準としてはタスク時にイライラを感じていた場合は負( 1 ) GUI を用いたインタラクティブ文章の作成

荷が大きい方を選択する.

( 2 ) ツールに関するアンケートに答える

5.2.2 評価尺度の重み付け評価( 3 ) ペアの実験参加者によって作成された文章を読む

6 つの評価尺度から得た個人が体感したツール利用時の( 4 ) 文章に関連する選択問題を解答する

タスクで生じた負荷は，重み付け評価を行うことで評価す

実験開始前にツールの使い方とタスク説明を行なった.

る. 具体的には xi を各要素 (x1 ＝ MD，x2 ＝ PD，x3 ＝

本実験では，GUI の使いやすさの調査を軸に置き，有用TD，x4 ＝ P，x5 ＝ E，x6 ＝ F) とした際に，例えば各要性の評価には軸を置いていないため，創造性を確かめるよ

素の重みを Xi とした時，個人における MD にかかる重みうなタスクであるサンプル文章や補助コンテンツ（動画やぞれ種類の異なる資料を用意する形を採用した. またサンは，i=1 の時であるため以下の数式となる.
x1
X1 = ∑6i=1 xi

プル文章に関連する選択問題を各種用意することで作成者その他の 5 つの評価尺度も同様の計算式で算出する. このの文章への理解度や取り組み度合いの向上を図った. サン

重み付け評価は各被験者ごとの要素の負荷の大小順位を求

プル文章の正答率は本研究において有用性の評価が目的でめるのに用いる. つまり，6 つの要素の内，より重みの大はないため評価対象としない. 今回の実験の評価としてア

きかったものが，各実験参加者にとってツールやタスクにンケートを収集した.

改善してほしいと感じている要素となっている.

5.2 アンケート 1：NASA-TLX に関して

5.3 アンケート 2：ユーザビリティに関する質問

画像）の検索は独自に任せず，事前に各ペアに対してそれ(1)

NASA-TLX [13] はタスク時に掛かる作業負荷の要因を本実験では，(1) システムの使いやすさはどうでしたか？

可視化するために開発された評価手法である. 評価尺度は(2) システムに必要な追加機能はありますか？の計 2 問の6 つあり，Mental Demand，Physical Demand，Temporal

自由記述形式の質問を用意した. (1) の質問の目的としてDemand，Performance，Eﬀort，Frustration となっている.

は，ユーザビリティに関して NASA-TLX で得た結果を深以降 6 つの評価尺度を略称で示す（MD：Mental Demand，掘りする目的で質問をした. (2) の質問は使いやすさに対

PD：Physical Demand，TD：Temporal Demand，P：Per-

して，どのような機能が不足しているかを実際にツールを© 2019 Information Processing Society of Japan781

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する. 本実験では参加者は 5.4 ± 2.1 個の学習補助コンテンツを文章に追加していた.

6.1 NASA-TLX の回答結果
図 4 は NASA-TLX の実験結果を示している. 図 4 の結果から正規化を行なったものが図 5 となっている. 評価には図 5 に重点をおく. 図 5 の見方としては各参加者の軸（縦軸）において，より重みの大きい要素がツール利用時に参加者が負荷を感じていたものとなっている. 例として，参加者 7 や 9 は 6 つの負荷要素のうち，P に最も負荷を感じていたことになる. ここから今回開発したツールにおいて P の改良が求められる. その他，各参加者でも比較すると全体を通して MD, E, TD も改善の余地があり，反対に現状のツールにおいて PD は負荷が低かったといえる.

6.2 ユーザビリティに関する質問の回答結果
1 つ目の質問「システムの使いやすさはどうでしたか？」に対し，「インタラクティブな文章を体感するまでコンセプトの理解が難しかった」ことや「ドラッグとドロップ機能が分かりにかった」という意見を得た. 一方で，「直感的な操作で使いやすいツールだった」ことや「ツールによる作成工程は直截的で簡単」との意見も得られた.
NASA-TLX の実験結果. 各色三角のプロット点は参加者を示

2 つ目の質問「システムに必要な追加機能はありますしている. 青色四角のプロット点は全ての参加者データの平均か？」に対し，「画像の調整機能があると嬉しい」や「画像値と分散を示している.の表示パターンを選択したい」という意見があった. ここ

Weight

図 40.5から，今後の機能追加としては作成者が意図する方法 (注0.4

うな表示形式の選択機能の実装が求められる.

0.3

6.3 評価結果の考察

視時間，興味，認知負荷等の選択) で読者に表示できるよ

0.2

NASA-TLX と自由記述の質問の結果から，P が最も改良すべき要素であると分かった. P はユーザが「どのくら0.10.0

図 5

い理想通りタスクを終えられたか？自分の成果に満足して

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Participant
Mental Demand
Performance
Physical Demand
EffortTemporal Demand
Frustration

NASA-TLX の評価尺度の重み付け評価結果. 各被験者ごとに重みの大きい評価尺度がタスク時に負荷を最も感じた要素となっている.

いるか？」を示しており，インタラクティブな文章を思い通り作成できなかったことを示している. この理由を考察するにあたり，図 5 において最も P の負荷が大きかった
実験参加者 7 と 9 の自由記述の回答に着目した. その結果，参加者 7 は必要な機能に関して「コンセプトの概念を詳しく説明するページが欲しい」という回答をしていた. ここから，今回のインタラクティブな教科書の概念の詳細な説明が必要だと考える. すなわち，コンセプトの詳細を説明し，インタラクティブ教科書の普及，ツールの利用回数を利用した参加者に聞くことで有力なフィードバックを得る増やすことで解決すると考える. 一方で参加者 9 からは改ことを期待した.

善のための有用な意見は得られなかった.

6. 実験結果と考察

7. 結論と今後の展開

タスクを終えた参加者のツールに対する「使いやすさ」

本研究では，教育関係者向けに，学習者の読書量や学習や「負荷」を主観評価で評価し，今後の課題について調査効果を高める可能性のあるインタラクティブ教科書を作成© 2019 Information Processing Society of Japan782

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参考文献[1]
視線情報に基づき演奏動画を流す

[2]

[3]

図 6

インタラクティブ教科書の楽譜への応用例. 楽譜を注視位置に[4]合わせて演奏動画を流し理解を支援する.

[5]

ソースコードの実行結果を表示

[6]

[7]
図 7

インタラクティブ教科書のプログラミングへの応用例. 注視しているコードの実行結果を表示していくことでプログラミン
グの初心者の学習効率を向上させる.

[8]するためのツールである，HyperMind Builder を提案した.
ユーザビリティ調査の評価結果から，ツールの使いやすさと操作性の課題は解決できた.

HyperMind Builder は，数学や英語といった主要教科だ[9]

けでなく，芸術や情報などの様々な科目で利用可能である．

HyperMind Builder を用いて，図 6 に示すように目線に応じて演奏例の再生したり，図 7 のように，プログラムの[10]ソースコードとその実行結果を目線情報に基づき支援していくアプローチは，初学者にとって上達のイメージをつかむための手助けとなると考えられる．
今後の展開としては，実際に教育者にツールを利用してもらい，学習者の読書時の没入感や興味を向上することが[11]

できる教科書の作成と研究を行う. 作成と研究を通じて最終的には，読書量や学習効率の向上，エンタテイメント性の向上によるアクティブラーニングに繋げていく. ツールの課題としては，どのように教育者に概念を伝え，教育分野に浸透させていくのかを考える必要がある.

[12]

謝辞
本研究の一部は，JST CREST「経験サプリメントによる行動変容と創造的協働」(JPMJCR16E1) の支援により実施した. ここに記して謝意を示す.

© 2019 Information Processing Society of Japan

[13]

文部科学省. 読書活動と学力・学習状況調査の関係に関する調査研究. http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/
chousa/shotou/045/shiryo/atta
ch/__icsFiles/
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