スマート学習支援環境における可視化手法

会津大学

コンピュータ理工学部

上級准教授

コンピュータ理工学科

渡部有隆

2024年2月27日

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新技術の概要
情報やプログラミングの学習・教育を支援するオンラインの学習支援システムにおける可視化手法に関連

技術① 学習者の目標設定に応じた進捗状況を表示する技術

技術② プログラムを自動採点・評価する技術

スマート学習支援環境における可視化手法

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従来技術とその問題点（技術①）⚫ ダッシュボード：学習者が個人やグループの学習状況を俯瞰・分析する画面⚫ 様々な項目を網羅的に分類し可視化⚫ 他者との比較を重視→学習意欲や学習効率の向上には必ずしも繋がらない

Meng Xia, Min Xu, Chuan-en Lin, Ta Ying Cheng, Huamin Qu, Xiaojuan Ma, SeqDynamics: VisualAnalytics for Evaluating Online Problem-solving Dynamics, Computer Graphics Forum 39(3):511-522

3従来技術とその問題点（技術①）⚫ 従来のレーダーチャートでは，分類された複数の学習項目ごとにスコア等を可視化することができる⚫ しかし，学習すべき項目が多い場合などに，学習が後期段階に進むまで，すなわち学習の初期～中期段階では達成感を学習者に認識させづらいという課題がある
学習者A （上級者）

学習者B （中級者）

Aizu Online Judge, https://onlinejudge.u-aizu.ac.jp/

4新技術の特徴・従来技術との比較（技術①）⚫ 項目ごとに中間目標に対する進捗率を可視化する⚫ 中間目標の問題をセットしてその時点を移動可⚫ 現在値を移動しシミュレーション可

目標に対する進捗度で表示

現在値

最適パス・時期で問題を推薦

中間目標

最終目標

目標を自由に設定

最終目標に対するスコア（従来のチャート）活動履歴・提案データ
問題・項目・スコア・終了日時・提案日時

5実施例（技術①）⚫ プログラミング学習支援システム等のダッシュボードへ実装

6従来技術とその問題点（技術②）⚫ ベース技術：プログラムを自動採点するオンラインジャッジシステム⚫ 特徴：多様なレベル・分野の問題とオンラインジャッジシステムで反復演習が可能⚫ 特徴：標準入出力の形式のためプログラミング言語に依存しない⚫ 課題：判定は合否と時間・メモリ使用量のみで、プログラムの動作の詳細が伝わらない

プログラミング
採点結果詳細

問題文

実行結果
採点結果

テストケースAizu Online Judge, https://onlinejudge.u-aizu.ac.jp/

7従来技術とその問題点（技術②）⚫
⚫
⚫
⚫

類似技術：ロボットやシミュレータを用いたプログラミング学習サービス等
特徴：プログラミングでロボットを操作できる
課題：学習者が使用するプログラミング言語やフレームワークに制限がある
課題：大規模なデータを扱う性能評価には向いていない
フレームワーク

ブロックプログラミング

シミュレータ※典型的なサービスの画面イメージ8

新技術の特徴・従来技術との比較（技術②）⚫ ユーザプログラムの出力または動作を可視化した情報のフィードバックを，オンラインジャッジシステムの拡張によって実現する．
⚫ オンラインジャッジシステムのGraderが学習者プログラムと高度なシミュレータとの仲介を行う．
可視化ライブラリ

標準入出力

インタラクション
標準入出力

特徴点
提出

改善点

学習者コードジャッジ
入力

Grader
標準入力

標準入出力

••
•

合否
CPU時間
メモリ
採点結果

データプール
標準入出力

可視化情報・性能評価値

シミュレータ9

新技術の特徴・従来技術との比較（技術②）
特徴点
改善点

採点結果

テストケースごとの• 採点結果
• 入出力データ

問題依存の性能評価・
フィードバック
可視化情報10実施例（技術②）問題 2次元平面上の障害物，始点，終点が与えられる．矩形状のクローラロボットが始点から終点へ移動するための車輪の角速度の列を出力するプログラムを作成せよ．

採点 ユーザプログラムの出力データにより，フィールド上のロボットの動きをシミュレーションし，その軌道や衝突を可視化する． （ロボットシミュレータと連携可）
ロボットの軌道を確認（障害物に衝突する不具合）

ロボットの軌道を確認（視点から終点への移動に成功）

性能評価項目✔ 移動距離✔ 回転角度✔ 安全・安定性✔ etc.
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実施例（技術②）
問題 ロボットが迷路を解くプログラムを作成せよ．ただし，マップは与えられない．プログラ
ムは，システムに問い合わせることで，進行方向の壁の位置を特定できる．
採点 ユーザプログラムと通信することにより，障害物の情報を提供しつつ，ロボットの移動をシミュレーションし，既知のマスの状態と移動経路を可視化する．

様々なテストケースで試行

マップの状態と起動を確認

様々なアルゴリズムを試行

性能評価項目✔ 移動距離✔ 問い合わせ回数✔ 探索空間の狭さ✔ etc.

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想定される用途（技術①）⚫ カテゴリ化・時系列化された数値・状態の可視化⚫ 計画の進度にかかわらず，達成感を利用者に認識させることができる
より一般化可能想定される用途•••

教育支援システム– プログラミング・ICT / 学習管理システム / 受験勉強（科目別進捗） …
ゲーム– キャラクタ育成 / スキル可視化 …
その他アプリケーション– 進捗管理システム / 健康志向サービス / シミュレータ …
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想定される用途（技術②）⚫ Graderが、学習者プログラムとシミュレータを連携させながら実行・採点を行い、さらにその実行結果や性能評価に関する可視化情報をフィードバックできる。
⚫ 学習者のプログラムは、プログラミング言語に依存することなくシミュレータ等の高度なシステムと連携することが可能となり、これを実現する様々な課題を出題できるようになる。

想定される用途••

プログラミング教育を支援するサービス・オンラインジャッジシステム– ロボット / プログラミング / アルゴリズム / データサイエンス …
ソフトウェア工学– 性能評価 / ソフトウェアテスト / ロボット …

14実用化に向けた課題
技術①• 実装可能・プロトタイプを開発済み• 時系列データの効率的な管理・更新・検索• 利用者によるユーザビリティ評価

技術②• 実装可能・プロトタイプを開発済み• 様々な実用的な問題（課題・教材）の開発• 利用者によるユーザビリティ評価

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企業への期待技術①⚫ 教育分野に限らず、ゲーム、医療・健康サービス、ソフトウェア開発ツール等を開発する企業のシステムに、本技術が導入できる可能性がある。

技術②⚫ ロボットを用いたプログラミング学習システム、オンラインジャッジシステム、開発環境、性能評価システム等を開発する企業のシステムに、本技術が導入できる可能性がある。

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本技術に関する知的財産権
技術①
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•
•

発明の名称：学習進捗表示システム及び学習進捗表示プログラム
出願番号： 特願2023-099161
出願人：
公立大学法人会津大学
発明者：
渡部 有隆

技術②
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•
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発明の名称：プログラム採点システム及びプログラム採点方法
出願番号： 特願2023-107217
出願人：
公立大学法人会津大学
発明者：
渡部 有隆、成瀬 継太郎
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謝辞
技術②の研究は「令和４年度「国際研究教育拠点推進事業（新産業創出等研究開発基本計画に基づくロボット・ドローンに係る先行研究事業）」で行ったものです18お問い合わせ先

会津大学
産学官連携コーディネーター 石橋 史朗
ＴＥＬ ０２４２－３７－２７７６
ＦＡＸ ０２４２－３７－２７７８
e-mail ubic-adm@ubic-u-aizu.jp

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