494 人 工 知 能 30 巻 4 号（2015 年 7 月）
1． は じ め に
高等学校での理科学習（主に物理，化学）では，実験 を伴う学習が重要視されている．実験での試行錯誤を通 じて，原理や法則性，物質の性質などを分析し考察して いく学習を進めていくことが望まれている．一方で，学 習者が実験を進めながら学習を行っていくうえで，いく つか問題となる点が考えられる．特に化学分野の実験で は，実験器具操作方法や実験手順の複雑さが，実験を伴 う学習の代表的な問題としてあげられる．比較的簡単な 無機化学定性実験として知られる炎色反応による金属分 析でさえ，教科書などの記述にある“炎色反応が青緑色 を示す金属は何か”という実験を行うためにも教科書に は記述されていない前提知識が存在する [西山 00]．また， 中学，高等学校や大学で実施される化学実験においては， 中毒事故や薬傷，火傷などの危険性も指摘されている． もちろん，実験手順や器具に関する理解を行うことが学 習目的である場合は，このような手順や危険性について も考慮する場合，化学反応などを体験的に学習する際に， 事前に獲得しておく知識が多様なものとなり，学習を進 める前に多くの時間が必要となる．この問題の回避方法 として，教育用ビデオの閲覧や簡単なシミュレーション 映像の表示なども考えられるが，著者らはより実際の実 験に近い形で仮想環境内で実験を行える学習支援手法の 研究を進めてきた． 実験環境をコンピュータ上の仮想環 境として実現することで，危険性の排除や実験結果の正 誤判定などを容易に実現できる．また，実際の実験のよ うに，器具操作や試薬，水溶液の変更などの手順を行う ことができる一方で，教科書などでは明に示されていな い手順を省略することで，学習者は実験での試行錯誤の みに集中できる環境づくりを目指している．さらに，実 際に自分が手を動かして行う実験体験に近づけるため， 学習者は実験器具の代わりとなるマーカを用いて実験操 作を行い，仮想環境は，このマーカに対応する実験器具 や化学反応を重畳表示することで構築する手法の実現可 能性も検討してきた．以下，研究の一例を述べていく．2．拡張現実型無機化学仮想学習環境
これまでに著者らが仮想環境下で行える実験を伴う学 習支援手法の一例として，拡張現実型無機化学仮想実験 環境 [岡本 15] の外観を図 1 に示す．システムは，計算 機環境のほかにディスプレイ，USB カメラ，マーカか ら構成される．USB カメラで撮影した映像内のマーカ が認識され，対応する実験器具の CG を重畳表示するこ とで仮想環境を構築し，ディスプレイに表示して学習者 へフィードバックする．学習者は USB カメラの撮影範 囲内に実験で使用するマーカを配置し，マーカ同士を近 づけることで，水溶液への試薬の投入や白金線へ水溶液 をつける，白金線を炎の中に入れるなどの実験操作を実 現できる．図 2 に仮想実験の一例として，炎色反応実験 実行時の仮想環境を示す．学習者は，図のように手元の 映像に実験器具や化学反応の CG が重畳表示された仮想 環境内の化学反応を確認しながら学習を進めていく． この仮想環境を使った検証実験で，35 種類の沈殿反 応に関する学習を数日間に分けて行ったところ，4 名の 被験者全員が対応する全設問に解答可能になったことが 確認できた．また，被験者の一部は，解答時にマーカを 操作するように手を動かしながら思い出している行為が 見られた．被験者自身も“実験で行ったように手を動か すことで実験反応のイメージが出てくることがある”と仮想環境での体験に基づく学習支援
Learning Support Based on Experience in Virtual Environment
岡本 勝
広島市立大学大学院情報科学研究科Masaru Okamoto Graduate School of Information Sciences, Hiroshima City University.
[email protected], http://www.lake.info.hiroshima-cu.ac.jp/
Keywords:
virtual reality （VR），augmented reality （AR），experience based learning, inorganic chemistry learning. 「学習科学と学習工学のフロンティア─私の“学習”研究─（後編）」495 仮想環境での体験に基づく学習支援 述べており，実際に学習者が体験した実験に伴った形で の記憶を行える可能性が見られた．
3．おわりに：将来への展望
本稿では仮想環境下での実験を通じて化学反応に関す る学習を進めていこうとする学習支援システムの紹介を 行い，仮想的な体験での学習可能性を示してきた． 前章で述べたシステムでは仮想環境で実験を進めなが ら，与えられた課題や自分が決めた課題に対して学習を 進めていくだけであるが，学習者がどの反応について理 解しているかをシステムが推定し，あまり理解していな い反応について重点的に学習を進めるよう，提示設問を システム側が学習者に適応させる手法の研究も実施して いる [Okamoto 14]．現状では，学習者の実験中の試行 数や実験中の停滞時間などのみを対象に推定を行ってい るが，反応間の理解度の類似性などを詳細にモデル化し ていくことで，より適切な問題提示を目指している．さ らに，近年ではヘッドマウントディスプレイ（HMD） の開発，普及が進んでおり，低価格かつ実用レベルの製 品もいくつか発表されてきている．本稿で述べたシステ ムでは，仮想環境はあくまでもディスプレイ上に表示さ れていたが，学習者が装着した HMD に仮想環境を表示 することで，実際に目の前に仮想環境が存在しているよ うな実在性を高めた学習環境の開発も行っている [ 石村 15]（図 3 参照）．図中のシステムではスマートフォンを ビューワに装着した HMD を用いており，撮影，仮想環 境構築，学習者への提示をスマートフォンのみで実現可 能であるため，ポータビリティの向上を図ることもでき ている．このように，学習に必要な情報の強調や学習上 必須ではない実験作業の省略など，現実では不可能だが 体験を伴う学習に適している環境の実現を行っていきな がら，より実際の実験に近い仮想環境での実験の実現も 目指していく予定である．◇ 参 考 文 献 ◇
[石村 15] 石村 司，岡本 勝，松原行宏：拡張現実マーカを用い た無機化学学習支援システムケーブルレス HMD を用いた AR 型無機化学学習支援環境，人工知能学会研究会資料，SIG-ALST-B403, pp. 36-39（2015） [西山 00] 西山隆造，安楽豊満：はじめての化学実験，オーム社 （2000）[Okamoto 14] Okamoto, M., Sumida, R. and Matsubara, Y.: Probabilistic question selection approach for AR-based inorganic chemistry learning support system, Proc. 22nd Int.
Conf. on Computers in Education, pp. 367-372（2014） [岡本 15] 岡本 勝，隅田竜矢，松原行宏：拡張現実マーカを用い た無機化学学習支援システム，信学論，Vol. J98-D, No. 1, pp. 83-93（2015） 2015年 6 月 15 日 受理
