メタ思考プロセス解釈フレームワークに基づく分析支援システムの開発

メタ思考プロセス解釈フレームワークに基づく

分析支援システムの開発

Analysis Support System Based on an Interpretation Framework

of Metacognitive Thinking Processes

林佑樹

1

瀬田和久

1

池田満

2

Yuki Hayashi

1

, Kazuhisa Seta

1

, and Mitsuru Ikeda

2

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

_{北陸先端科学技術大学院大学}

_{知識科学系}

2

_{School of Knowledge Science, Japan Advanced Institute of Science and Technology}

Abstract: This study proposes a framework as a methodology to approach the implicit and chaotic

metacognitive processes. The developed framework provides a guidance to develop a system that interprets the users’ thinking processes based on their gazing events and externalized thinking control actions. In this paper, we develop an analysis system for the thinking processes that allows analysts to develop a set of interpretation representations to grasp a part of the users’ metacognitive monitoring and control processes. The study findings indicate the efficiency of the proposed gaze-thinking framework. This is shown through the provided examples of the set interpretation representations and the results of interpreted thinking processes.

1. はじめに

「考えていることを考える」というメタ認知的な 思考力を養い，頭の中に内在する思考を論理的に道 筋立てて説明できることは，我々の社会生活におい て必要不可欠なスキルとしてますます重要視されて いる[1]．一方で，メタ思考スキルを鍛えることは思 考の暗黙性が故に難しいことも知られており[2]，こ れを育む適切な教授法も確立されていない． この暗黙的かつ個人依存性の高いメタ思考プロセ スを分析し，知的支援へと将来的に繋げていく研究 遂行を実現するための一つの方法論として，メタ思 考プロセス解釈フレームワークを提唱している[3]． 本フレームワークでは，限定された思考タスクとそ の成果物との間に対応の取れたインタフェースを備 える思考外化アプリケーション上で観測される，“視 線行為”および，外在化された思考の見直し・修正 する行為（以後，“思考操作行為”）から，学習者の メタ思考プロセスの一端を捉えることができるとい う研究仮説に立脚している． 本稿では，フレームワークにおける思考タスク構 造に依存したメタ思考解釈の多様性を取り扱うため の解釈表現の表記フォーマットを整備する．さらに， 信念対立思考タスクに焦点を当てて開発を進めてい る「アイ思知」[4]を思考外化アプリケーションに位 置づけ，ここで計測される思考行為者の思考プロセ ス分析を支援するためのシステムを開発することに より，着想としてのメタ思考プロセス解釈フレーム ワーク上の一連の作業を実行し，暗黙的なメタ思考 プロセスの解明へと漸進できるシステム開発の実現 可能性に言及することを目的とする．

2. メタ思考プロセス解釈フレーム

ワーク

思考プロセスは，“ベースレベルの思考（以後，ベ ース思考）”と，ベース思考をモニタリング・コント ロールする思考を表す“メタレベルの思考（以後， メタ思考）”の二層から構成されるものとして捉えら れる[5]．この外界から観測不可能な思考プロセスを 仮説検証的に解釈していくための枠組みとして， 我々はメタ思考解釈フレームワークを提唱している． 思考タスクに依存するベース思考を表出可能な思考 外化アプリケーションを前提とすることで，アプリ ケーション上の“思考表現オブジェクトに対する視 人工知能学会研究会資料 SIG-ALST-B507-01

線行為／外化されたベース思考に対する思考操作行 為”と，頭の中で生じる“ベース思考を対象とした メタ認知モニタリング／コントロール行為”との間 に同型性を見出し，このメタ思考プロセスの一端を 分析者が与える「解釈表現」により捉えるられるの ではないかという着想に基づいている．本フレーム ワークでは，メタ思考活動を準えた視線行為・思考 操作行為を「準メタ認知的モニタリング・コントロ ール行為」として捉えている（詳細は[3]を参照）． 本研究が提唱するメタ思考プロセス解釈フレーム ワークの提供物及び，メタ思考プロセス分析に至る までに関与するステークホルダの作業内容との関係 を整理したものを表1 に示す．本フレームワークは， 思考プロセスを捉えるための作業段階の枠組みを与 え，この一連の作業を遂行するための素地となるベ ース思考表現オントロジー（(1), (2)）及び，解釈 表現フォーマット（(3)）を提供している．フレーム ワークに基づく具体的なカスタマイズ作業として， 「設計段階」，「開発段階」，「計測段階」，「分析段階」 の４つのフェーズを設けている．また，作業に関わ るステークホルダとして，メタ思考分析の行為者（分 析者），メタ思考分析に際して利用するシステム開発 者（開発者），そしてメタ思考の被分析者となる思考 の行為者（思考行為者）を想定している． 設計段階(A)：分析対象とする思考タスクに想定され るベース思考活動のアウトプット概念を分析者がオ ントロジーとして体系化する作業に該当する． 開発段階(B)：(A)で規定されたベース思考概念を， 予めオントロジーとして規定されている思考表現オ ブジェクト上に如何に対応させるかを分析者と開発 者間で議論し，検討に基づく思考表現オブジェクト 概念のインスタンスとして構成されるインタフェー スデザインを採る準メタ思考プロセス計測（思考外 化）アプリケーションを構築する． 開発段階(C)：(B)を通して計測される準メタ認知的 モニタリング・コントロール行為を，分析時に用い る解釈表現クラスに準ずるインスタンスとして設定 できるようにデザインされた思考分析支援システム を実装開発する作業に該当する． 計測段階(D)：(B)で構築した思考外化アプリケーシ ョンを通して思考行為者が思考タスクを実施する作 業である． 分析段階(E)：(D)で計測された思考行為者の準メタ 認知的モニタリング・コントロール行為情報に基づ き，(C)で開発した思考分析支援システム上に解釈表 現クラスのインスタンスを分析者が設定・適用し， これを洗練していくことによりメタ思考を仮説検証 的に捉えようとする段階である． 我々はこれまで，設計・開発段階(A)，(B)として Chen ら[6]が提案している信念対立思考を対象とし た思考外化ツール「思知」を参照し，思知のデザイ 表1：メタ思考プロセス解釈フレームワーク提供物及びステークホルダの作業内容 フレームワーク提供物 内容 参照作業 (1) ベース思考表現 オントロジー ベース思考活動の アウトプット概念 対象思考タスクに想定されるベース思考活動のアウトプット概念が規定されたオントロ ジー (A), (B), (C), (E) (2) 思考表現 オブジェクト概念 思考外化部品としての思考表現オブジェクトが規定されたオントロジー (B), (C), (E) (3) 解釈表現フォーマット 準メタ認知的モニタリング・コントロール行為からベース思考・メタ思考を行っている 区間に解釈を与える形式的な表記法 (C), (E) フェーズ カスタマイズ作業 ステークホルダ 内容 (A) 設計段階 (1)の具体化 分析者 思考外化アプリケーションで表現する対象思考タスクのベース思考活動のアウトプット 概念をオントロジーとして追加 (B) 開発段階 (1)→(2)への写像 及び具体化 分析者・開発者 (A)で具体化したベース思考概念と思考表現オブジェクト概念との対応を検討し，この思 考表現オブジェクト概念（クラス）のインスタンスがインタフェースに配備された準メタ 思考プロセス計測（思考外化）アプリケーションを開発 (C) (1), (2)に基づく (3)の具体化 開発者 (B)で開発した思考外化アプリケーションで計測される視線行為・思考操作行為を，準メ タ認知的モニタリング・コントロール行為と見なし，解釈表現クラスの具体的なインスタ ンスとして定義できる思考分析支援システムを開発 (D) 計測段階 _{― 思考行為者} (B)の思考外化アプリケーションを思考行為者が利用し，思考タスク過程の準メタ認知的 モニタリング・コントロール行為を計測 (E) 分析段階 (3)の適用 分析者 (C)の思考分析支援システムを用いて，(D)で計測された準メタ認知的モニタリング・コン トロール行為結果に解釈表現インスタンスを適用・洗練

ンを踏襲した思考外化アプリケーション「アイ思知」 を実装している[4]．本稿では，以降のカスタマイズ 作業の実現に求められるフレームワーク提供物とし ての解釈表現の表記フォーマットを3 章で説明し， (C)の思考分析支援システムを4 章で示す．また，計 測・分析段階(D)，(E)の適用事例を5 章で述べる．

3. 解釈表現フォーマット

本章では，思考タスク構造に依存した思考プロセ ス解釈を与えるための解釈表現記法について説明す る．解釈表現は，思考タスク構造に非依存な前処理 段階を経て，思考タスク構造依存な段階で処理され る． 前処理：思考産出過程に観測可能な表現オブジェク トに対する視線データ及び，思考操作行為の両者を 含むローデータを，単一区間毎に分割する処理であ る．規定された視線停留時間に基づくノイズ除去， 微小時間を空けて出現する同一の視線対象／操作対 象を，同一の準メタ認知的なモニタリング／コント ロール行為と見なすか否かを判断するための時間間 隔を設定することにより実現される． 思考タスク構造依存処理：前処理で区分された各々 のデータ区間に解釈表現を適用する処理である．解 釈表現には，低次レベルの解釈を与える解釈表現処 理と，この処理で付与される解釈を対象とした，メ タ思考を含む解釈を与える高次レベルの解釈表現処 理の二つの処理から構成される．

3.1 低次レベルの解釈表現記法

視線行為と思考操作行為データに低次レベルの解 釈PI_L を与える解釈表現フォーマットは，以下の(1) で表現される． 𝑙𝑟# 𝐴𝑐𝑡(𝑡𝑟𝑜)), 𝑃𝐼_𝐿 (1) lrxの第一引数Act は，前処理で区分される準メタ認 知的モニタリング行為（SMA）／コントロール行為 （SCA）の行為要素に該当する．各行為要素は，思 考タスクにおけるベース思考活動のアウトプット概 念（表1(1)）が対応する思考表現オブジェクト概念 （表1(2)）のインスタンスを表す troiを引数に取る

関数を表し，SMA の要素として GazeAt (troi)，SCA の要素としてKeypress (troi), Delete (troi), Press (troi)等 から構成されている．ここで同定された時区間に， 第二引数の低次レベルの解釈PI_L が付与される．

3.2 高次レベルの解釈表現記法

低次レベルの解釈を，高次レベルの解釈 HI_L と して持ち上げるための解釈表現フォーマットを(2) に示す． ℎ𝑟# 𝐶𝑜𝑛𝑑, 𝐻𝐼_𝐿 2 hrxの第一引数Cond は，マッチング条件を表す関数 群から構成される．表2 に引数に指定するための関 数群を示す．引数 L1, L2は低次／高次解釈表現結果 のラベルが付与されているデータ区間を表す．ALL (L1)は全ての L1を，BEFORE (L1, L2, t)は t ミリ秒以内 で L2より前に L1が現れている範囲が対象となる． OVERLAPS (L1, L2)は L1, L2の重畳区間を，DURING (L1, L2)は L2の区間にL1が包含されている区間を対 象とし，これらの関数に合致する区間にhrxの第二引 数で与える高次レベルの解釈 HI_L が付与されるこ とになる．

4. 思考分析支援システム

図 1 にフレームワーク開発段階(B)の実現例にあ たる思考外化アプリケーション「アイ思知」を示す． アイ思知では，自身の経験に基づく葛藤を内包した 信念対立構造[7]を乗り越える知識を構築すること を思考タスクとし，自身が下した判断の論理的な道 筋（「思考A」），別の判断の論理的な道筋（「思考 B」） 表2：条件として設定する関数群 Function Interpretation ALL (L1) all L1

BEFORE (L1, L2, t) L1 takes place before L2 within t msec.

OVERLAPS (L1, L2) L1 overlaps with L2

DURING (L1, L2) L1 during L2

の各々を，思考の最小単位を表現する“ステートメ ント”として言語化する．そして，思考 A，思考 B の道筋（信念）を形成する“指針”をステートメン トとして明示した上で，それらの間の信念対立を生 じさせる根源的理由を「葛藤」として表明し，その 葛藤を乗り越えるための解決案を「知識構築」する という一連の思考活動をトレーニングする教具とし て利用されることを前提としている．アイ思知にお ける準メタ認知的モニタリング・コントロール過程 を計測するために，インタフェースに配置された思 考表現オブジェクトに対する視線停留時間（視線行 為）及び，思考操作行為を記録する機能を持つ[4]． フレームワーク計測段階(C)の実現例として，アイ 思知が計測する視線行為・思考操作行為を，低次／ 高次レベルの解釈表現クラスのインスタンスとして 設定・出力することを可能とする思考分析支援シス テムを開発した．図2 にシステムのインタフェース を示す．本システムは大きく以下の３つのエリアと， 解釈結果を表示するための可視化画面から構成され ている． (1) 低次解釈処理エリア：本エリアでは，1. 注視時 間，2. 隣接して現れる同一の準メタ認知的行為（思 考エリアの注視，ステートメントオブジェクトの注 視，キー入力操作）の結合間隔時間，3. マウスによ るボタンクリックなど，瞬発的に観測されるコント ロール行為の時間間隔を設定できる（3 章の前処理 で利用）．アイ思知のログファイルを読込むことによ り，ローデータから各行為の時区間データが抽出さ れ，予めアイ思知用に規定された低次レベルの解釈 表現が各時区間に付与される．低次レベル解釈表現 の適用結果は，タイムライン可視化画面（図2 右下） に表示される．この画面は拡大縮小することができ， マウスオーバー対象データの内容をツールチップ表 示より確認できる． (2) 全体結果表示エリア：(1)のエリアで読み込まれ るログファイルに基づき，利用セッション全体を通 して，各思考エリアへの注視時間やキー入力操作な ど，どの程度の準メタ認知的モニタリング・コント ロール行為が発生していたかを総合表示するエリア である． (3) 高次解釈処理エリア：(1)で付与された低次レベ ル解釈表現の結果に対して，高次レベルの解釈表現 を設定し，メタ思考レベルに持ち上げた解釈結果を 解析するエリアである． 分析者は，新規に作成する解釈表現ラベルを（a） のテキストエリアに設定し，表2 に示される条件部 に設定する関数及び，引数となる低次／高次解釈表 現結果のラベルを（b）のコンボボックスより選択・ 図2：思考分析支援システムのインタフェース

設定できる．ここでは，思知に依存した任意機能と して，引数対象が思考ステートメントである場合に は，そのステートメントに付与された思知タグ，根 拠対象の思知タグ，ステートメントID を指定するこ とができる．設定された解釈表現は（c）のエリアで 確認でき，ここで追加された解釈表現は（d）の解釈 表現リストに追加表示される．このリストには(1)で 処理される低次レベルの解釈表現を含めた一覧が表 示されており，新規に設定された解釈表現は，（b） で指定する関数の引数として新たに利用できる．一 連の解釈表現を設定した後に，適用ボタンを押下す ることにより，（e）のエリアに解釈表現に該当する 時区間データが抽出され，その結果がタイムライン 可視化画面（図4（5.2 節で説明））に解釈表現毎に区 分されて表示される． 以上，思考分析支援システムの(1)〜(3)のエリア とタイムライン可視化画面を通して，アイ思知が計 測する信念対立思考を考える思考行為者の準メタ認 知的モニタリング／コントロール行為に解釈を与え， その結果を視覚的に把握し，高次レベルの解釈の積 み上げを可能とする処理が実現される．

5. 思考プロセスの解釈例

5.1 対象とするデータ

フレームワーク計測段階(D)の実施例として，[8] の看護思考法育成プログラムを機会とし，看護現場 で抱える信念対立を題材にアイ思知に記述された看 護師の成果物（ケース）に対する添削者のデータを 収集している．添削の状況では，成果物を添削する という目的において，視線として現れる添削物に対 する準メタ認知的モニタリング行為を中心に行うこ とが想定され，キー操作として現れる準メタ認知的 コントロール行為は添削行為と近似して考えられる． 添削者は，信念対立を契機とした知識創造を志向 するために最も重要な思考スキルの一つである，葛 藤に至る筋道立った論理構造となっているかを評価 するという添削方針のもとで添削を実施しており， 現在，添削者２名による看護師14 名の成果物に対す る添削データが26 件存在する．

5.2 解釈表現の適用結果

フレームワーク分析段階(E)の事例として，図3 に 低次レベルの解釈表現を適用したケース添削結果の タイムライン可視化画面の一部を掲載する．この例 では，表3 に示される 3 種の低次解釈表現を適用し ている．タイムラインでは，① 4 つの思考の理解 （lr1），② 葛藤思考内容の理解（lr2：思考A の指針 エリア，思考B の指針エリア，葛藤テキストボック ス），③ キーボードにより任意のステートメントテ キストが編集された区間（lr3）が示されている．①， ②のタイムライン可視化結果より，添削者は決して 混沌とした視線移動ではなく，思考エリア各々に対 してある程度の時間をかけ，看護師が記述した思考 を把握・修正している様子を読み取ることができる． 図4 に高次レベルの解釈表現を適用したタイムラ イン結果を示す．この事例では，表4 に示される 4 種の高次解釈表現を図3 のケースに適用している． 図4(i)は，添削者が思考 A と思考 B を比較している 区間を高次解釈表現 hr1により抽出したタイムライ ンを表す．本表現の条件部では，表3 の低次解釈表 現結果lr1（思考の理解）より思考A 及び思考 B が 図4：高次レベルの解釈表現適用結果例 図3：低次レベルの解釈表現適用結果例

指定されている．このタイムラインより，添削者は セッションの前半部と後半部で思考 A と思考 B を 比較している（メタ認知的モニタリングしている） ことを読み取れる（図4 点線枠内）．図 4(ii), (iii)は， 表4 の高次解釈表現 hr2, hr3を適用した結果である． これらの解釈表現は，信念対立を成す指針ステート メントの理解プロセス区間（hr2），修正区間（hr3）を それぞれ抽出することを目的としている．図4(iv)は， 高次解釈表現hr4にhr2とhr3の解釈結果を条件部に 指定することによるメタ認知的思考プロセス区間の 抽出例である．ここでは，信念対立思考タスクにお いて重要な，葛藤に至る筋道立った指針を吟味して いる区間を解釈表現から導出することを目的に，指 針ステートメントの修正方針を検討し，修正に至る 区間が抽出されている． ここで示した例のように，ある思考タスクを題材 とした視線—思考フレームワークに基づくアプリケ ーションを構築し，アプリケーションのコンポーネ ントに対応付けられた表現オブジェクトに対する視 線行為と思考操作行為に解釈表現を適用することに より，メタ認知的思考プロセスの一端を浮き彫りに できる． 検出された解釈区間は分析者が設定した解釈表現 に依存するものであり，外界から捉えられない思考 の暗黙性が故に解釈結果が真に正しいものであるか どうかを判断することはできない．この限界を前提 に置きながらも，分析者は各々の解釈表現を明示的 に設定することで，どのようなメタ認知的思考プロ セスを，どのような準メタ認知的モニタリング・コ ントロール行為からアプローチを試みているかを， 本フレームワークを基礎として比較・共有すること が可能となる．

6. まとめと今後の課題

本研究では，外部観測することのできないメタ認 知的な思考の一端を捉えるための方法論として提唱 しているメタ思考プロセス解釈フレームワークを概 説し，フレームワークに基づくシステム開発事例と して，信念対立思考を題材とした思考分析支援シス テムを開発した．また，解釈表現フォーマットに基 づき，思考プロセスの一端を観測できたことにより， どのようなタスクに伴う思考を，どのような準メタ 認知的モニタリング・コントロール行為から解釈し ようと試みるか仮説検証的に知見を積み上げること に本フレームワークが寄与する可能性を示した．

謝辞

本研究の一部は，(財)電気通信普及財団研究調査助成およ び，JSPS 科研費 JP26870588, JP17K18017 の助成による．

参考文献

[1] Griffin, P., McGaw, B., Care, E.（編），三宅なほみ（監 訳）, “21 世紀型スキル 学びと評価の新たなかた ち”, 益川弘如，望月俊男（編訳），北大路書房， 2014. [2] Rana, D., & Upton, D., “Thinking, Reasoning and Problem Solving,” Psychology for nurses. Routledge, pp.51-58, 2013.

[3] Hayashi, Y., et al.: Ontology-based Systemization Approach to Capture Meta-level Thinking Processes from Gaze Behaviors. In Proceedings of 24th International Conference on Computers in Education, 70–75, 2016. [4] Hayashi, Y., et al.: Gaze-aware Thinking Training

Environment to Analyze Internal Self-conversation Process. In Proceedings of 18th International Conference on Human-Computer Interaction, Lecture Notes in Computer Science, Part II, Vol. 9735, 115–125, 2016. [5] Hacker, D. J., et al.: Writing is applied metacognition.

Handbook of metacognition in education, 154-172, 2009. [6] Chen, W., et al., “Sizhi: Self-dialogue Training through Reflective Case-Writing for Medical Service Education,” In Proc. of Workshop on Skill Analysis, Learning or Teaching of Skills, Learning Environments or Training Environments for Skills, pp.551–558, 2011.

[7] 京極真，“医療関係者のための信念対立解明アプロ ーチ―コミュニケーション・スキル入門”，誠信書房， 2011.

[8] Kanou, H., et al., “A Method of Sharing the Intention of Reviewing in Writing-Training for Nurses,” In Proc. of the 21st International Conference on Computers in Education (ICCE2013), pp. 983–989, 2013.

表4：高次レベルの解釈表現例

High-level Interpretation Representation hr1 ((BEFORE (lr1.思考 A, lr1.思考 B, 5000) OR

BEFORE (lr1.思考 B, lr1.思考 A, 5000)), “思考 A と思考 B の比較”) hr2(ALL (lr2.policy), “指針の理解”) hr3 (ALL (lr3.policy), “指針の修正”) hr4 (BEFORE (hr2, hr3, 5000), “葛藤に至る指針の吟味”) 表3：低次レベルの解釈表現例

Low-level Interpretation Representation lr1 (GazeAt(思考エリア[all]), “思考の理解”)

lr2 (GazeAt(葛藤エリア[all]), “葛藤の理解”)