P1-05

生物のフィールドワーク型発見学習のための仮説の生成支援システム
Generalization Support System for Biological Hypothesis
in Discovery Learning Based on Fieldwork Activity
和田 拓也*1, 太田垣十也*2, 小尻 智子*3
Takuya WADA*1, Toya OTAGAKI*2, Tomoko KOJIRI*3*1
大阪府立大学大学院人間社会システム科学研究科*1
Graduate School of Humanities and Sustainable System Sciences, Osaka Prefecture University*2
東洋大学京北中学高等学校*2
Keihoku Junior and High School, Toyo’s Affiliated School*3
関西大学システム理工学部*3
Faculty of Engineering Science, Kansai University
Email: wada@ksm.kis.osakafu-u.ac.jp
あらまし：発見学習は観察，仮説の生成，検証を通じて，学習者が自身の観察結果に対して妥当な仮説を導出する学習方法である。しかし，仮説を生成するのみで検証を行わず，妥当な仮説を導出することができない学習者が存在する。本研究では，生物の種の特徴を発見するための発見学習を対象に，仮説の検証を促すシステムを構築し，その有効性を検証した。
キーワード：アクティブ・ラーニング，発見学習，生物，学習支援システム

1.

はじめに初等中等教育の自然科学の分野では，能動的な学習の一形態として，発見学習の試みがなされている。
発見学習は，問題に対し，学習者が観察を通して解答を得ようとする学習活動である。解答を導出するためには，仮説の生成と検証を繰り返して観察した事実の中から矛盾のない「妥当な仮説」を導出する必要がある。しかし，仮説を立てるだけで十分な検証をせず，妥当な仮説に至らない学習者も存在する。
観察から仮説の導出までの過程は暗黙的に行われることが多く，妥当な仮説の導出の支援はこれまであまりなされてこなかった。
発見学習の支援として，仮想学習環境の中での試行錯誤を支援する試みはある[1]。しかし，この手法は観察対象や対象に対する操作を制限した閉鎖的な空間を対象としており，現実世界での自由な発見学習には適さない。現実世界の発見学習の支援としては，あらかじめ定義したシナリオに基づいて学習者に観察すべき内容に結び付く質問を与えることで観察を促すものはある[2]。しかし，この手法では発見学習で導出すべき知識があらかじめ定義されている必要があり，問題に対して多様な解の発見を促すような発見学習には適さない。
本研究では，これまで暗黙的に行われてきた仮説の検証を陽に行わせることができれば，学習者自身で妥当な仮説の導出が可能となると考えた。そこで，生物における動物の特徴の発見を対象に，仮説に対して検証すべき内容を定義し，その活動を陽に行えるシステムを提案する。

2.

生物の発見学習支援の枠組み

2.1 対象とする仮説
本研究では，「キリンの長い首」や「アライグマの洗う仕草」など，動物固有の体のつくりや行動（以下，動物の特徴）を仮説として発見する学習を対象とする。個々の動物に固有の特徴は，他の動物は保持していない。また，動物の体のつくりは，生存に有利な行動を可能とするように進化をしたものが多いことから，固有の体のつくりには固有の行動がペアで存在する。これらの条件を満たす妥当な仮説を立てるためには，導出した仮説に対して，他の動物にはないこと（条件 1），ペアとなる体のつくり／行動があること（条件 2）を検証する必要がある。
2.2 仮説の生成支援システム
本研究では，学習者に自身が生成した仮説が条件1，2 を満たしているかを検証する活動を明示的に行わせるシステムを構築する。仮説の妥当性は，学習者が観察した内容に依存するため，明示的に検証させるには，観察内容が外化されている必要がある。
その上で，外化したものが条件 1，2 を満たすよう確認できればよい。そこで，本研究では観察結果を外化するためのインターフェースと，外化された内容に基づいて検証を明示的に行わせるインターフェースからなるシステムを構築する。
条件 1 を検証するためには他の動物の特徴と比較する必要がある。そこで，対象とする動物と他の動物の観察結果を並べて観察でき，観察結果の共通点／相違点を確認できるインターフェースを構築する。
また，システムにより，共通点／相違点を指摘する機能も構築する。条件 2 を検証するためには，自身の観察した体のつくりと行動の間の相関を考えることができればよい。そこで，体のつくりと行動を比較し，相関があるもの同士でペアを作成することのできるインターフェースを用意する。

3.

―9―

プロトタイプシステム

教育システム情報学会 JSiSE2019
第44回全国大会 2019/9/11-9/13"#
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図１ システムのインターフェース
プロトタイプ・システムを構築した。本システム
力者にはまず観察インターフェースを使用しながらでは，観察インターフェース，体のつくり－行動比動物を自由に観察してもらい，仮説を導出してもら較インターフェース，動物間比較インターフェースった。その後，①体のつくり－行動比較インターフ
ェースを使用して自身の仮説を検証して仮説を導出で構成される。
してもらった。最後に②動物間比較インターフェー
観察インターフェースは，観察して気づいた体のスを使用して自身の仮説を検証して仮説を導出してつくりや行動を記録する画面である。体のつくりやもらった。①と②では，動物は観察して良いとした。
行動には包含関係が存在するものがある。このイン協力者が仮説を検証した場合，自身の仮説に対しターフェースでは，観察した体のつくりや行動を，て，「正しい／疑わしい／誤っている」のいずれかをそれらの包含関係とともに記録できる。また，体の判断することとなる。
「正しい」と判断した場合は特形状や行動の様子についても，体のつくりや行動をに仮説に変化はないが，「疑わしい／誤っている」と修飾する語として付与できるようにした。
判断した場合は，自身の仮説の棄却や，仮説の妥当図１(a)に条件 2 を検証するために用いる，体のつ性を確認することを理由とした観察が起こる。①，
くり－行動比較インターフェースを示す。体のつく②において，協力者が自身の仮説を棄却する，もしりは特徴比較エリアの上半分に示す青色のノードでくは仮説を検証する理由で観察する活動が見られた表現される。リンクは包含関係を表しており，画面場合，検証を行ったとみなす。の上が親で下が子の木構造で表現されている。一方，
1 回以上検証した人数は①，②ともに 4 人であり，行動は特徴比較エリアの下半分に示すオレンジ色のあまり多くはなかった。また，棄却された仮説も合ノードで表現される。リンクは包含関係を表してお計 3 つと少なかったが，これらの棄却された仮説はり，下が親で上が子の木構造として描かれている。
全て条件 1 または条件 2 を満たしておらず，固有の体のつくりや行動を修飾する語は紫色のノードで表特徴でないものであった。このことは，提案システ現し，修飾されるノードとリンクで接続されている。
ムが誤った仮説を正しく棄却することに一定の効果
これら全てのノードのうち，対応関係にある 2 つのがある可能性を示唆している。一方，①で 6 人，②ノードを選択して関係追加ボタンを押すとノード間
では 8 人の協力者が新たな仮説を生成していた。こに対応関係を表す黄色のリンクが付与される。のことは，これらのインターフェースが新たな仮説
図１(b)に条件 1 を検証するための動物間比較インが生成に作用した可能性を示唆している。インターターフェースを示す。動物比較エリアの上段と下段
フェースによる仮説の生成促進の効果については今に 2 体の動物の体のつくりと行動，修飾語およびそ後検証していきたい。
れらの関係を表示することができる。比較対象選択
ボックスで，比較する動物の選択が可能である。選
5. おわりに択された 2 体の動物のノードは，共通点は赤色で，本研究では，発見学習の仮説の妥当性の検証を促相違点は青色で縁取られる。これらの色の相違から，すための支援システムを構築した。評価実験の結果，仮説としたノードの妥当性を検証できる。
本システムの一部の機能が仮説の検証促進に有効で4. 評価実験あることが示唆された。
提案システムが検証を促進できるかを評価するた
参考文献(1)
高橋勇ら：”科学実験を題材としたマイクロワールド
め，大学生の実験協力者 13 名を対象に実験を行なっ型今日しくシステムにおけるプランニングとプランた。本実験ではライオンの固有の特徴の発見を課題認識を利用したアドバイス生成”，人工知能学会論文とする発見学習を実施した。動物園等で観察する代誌, Vol. 16, No. 1, pp. 63-73 (2001)
わりに，ライオンに加え比較用の観察対象も含めた(2) 大杉隆文ら：“動物園における自発的な観察の促進を10 匹の動物の動画（各 1～2 時間程度）を用意し，目的とした園内回遊行動のデザイン”, 情報処理学会
これらを見ることで各動物を観察してもらった。協論文誌, Vol. 58, No. 11, pp. 1765-1775 (2017)― 10 ―