学習指導要領にもとづくコンテンツの体系化手法の研究

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人工知能学会研究会資料 SIG-SWO-038-03

学習指導要領にもとづくコンテンツの体系化手法の研究

A study about the Organization of Video Contents based on the

Educational Curriculum

浦川真

1

_宮崎勝

1

_山田一郎

1

_藤沢寛

1

Makoto Urakawa

1

, Masaru Miyazaki

1

, Ichiro Yamada

1

, Hiroshi Fujisawa

1

NHK 放送技術研究所

1

Science & Technology Research Laboratories NHK

Abstract:

We constructed the curriculum ontology which has the relation of brush-up and preparation between items of study. The connection of each items on the ontology are generated based on their new or existing words with utilizing the order of items of the curriculum published by the ministry. This ontology enables us to find the path of study for specific terms and to make videos aligned with study path. We provide the way of constructing ontology and structuring video contents.

1 はじめに

教育分野において、MOOC（Massive Online Open Course）といったオンライン学習サービスの普及や、学校教育における動画活用など、インターネット技術を活用した学習サービスが注目を集めている。さらに、画一的な学習順序に則るのではなく、学習者の理解や進捗に合わせた学習サービスなども必要性が謳われている。動画の活用については、NHK でも「NHK for School1_{」による動画クリップのインター} ネットでの公開に取り組んでいる。その他、電子教科書への動画埋め込みなど盛んになっている。学習サービスが拡充し、動画を始めとした教材コンテンツが増加する中、教師支援や学習支援などを目的にオントロジーを活用した研究が多くなされている[1]。また、埼玉県では、セマンティックコンピューティングの教育利用に関する研究として、オントロジーの教育利用を幅広く検証している[2]。本論文では、文部科学省が公開している学習指導要領から、各学習目標内の単語をもとに、学習指導順序知識を抽出し、オントロジーとして再利用可能な形で構築した。この学習順序オントロジーにより、指導要領の各学習目標を前提知識関係でつなげ、学習順序知識として利用する方法を提案する。また、学習順序に合わせた動画提供方法についても提示する。 1 http://www.nhk.or.jp/school/

2 学習指導要領

現行の学習指導要領は、小学校、中学校、高等学校に分けて文部科学省の Web サイト2_{にて公開され} ている。ただし、学習指導要領は、機械可読な形式ではなく、人が Web ブラウザを利用して読むための文章として html ファイルや PDF ファイルとして公開されている。実際、小学校と中学校の指導要領は html にて、高等学校の指導要領は PDF ファイルで公開されている。細胞に関する学習において、中学理科第 2 分野(3)(ア)(ア)の「生物と細胞」は、中学理科第 2 分野(5)(ア)(ア)の「細胞分裂と生物の成長」を学習する上で前提知識になる。しかし、「生物と細胞」と「細胞分裂と生物の成長」の間には「気象観測」といった内容が構成されているため、「生物と細胞」と「細胞分裂と生物の成長」の繋がりを把握することが難しい。本論文では、中学理科及び高校理科を対象に学習指導要領を手動で書き起し、指導要領内の各学習目標の前提知識関係の繋がりを単語の類似性と継承性により抽出し、学習順序オントロジーとして構築した。なお、本論文では、例えば、中学理科第 2 分野 (5)(ア)(ア)の「細胞分裂と生物の成長」といった学習指導要領の最小単位を学習目標と呼ぶこととする。 2 http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/youryou/1 356249.htm

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2.1 学習順序知識の抽出

学習指導要領は、各学習目標で何を学ぶかを記述している。例えば、上述の、中学理科第 2 分野 (3)(ア)(ア)の「生物と細胞」では「生物の組織などの観察を行い，生物の体が細胞からできていること及び植物と動物の細胞のつくりの特徴を見いだすこと。」、中学理科第 2 分野(5)(ア)(ア)の「細胞分裂と生物の成長」では、「体細胞分裂の観察を行い，その過程を確かめるとともに，細胞の分裂を生物の成長と関連付けてとらえること。」と記述されている。学習指導要領では、学ぶことが順番に記述されているため、後で習う内容には、先に習う内容には無い新たな単語が出現する。本論文では、学習指導要領の各学習目標を、新しく出現した名詞（新出語）と、前にも使われていた名詞（既出語）に分けて関連性を計算する。例えば、中学理科第 2 分野(3)(ア)(ア)の「生物と細胞」の新出語は「動物」、「細胞」であり、既出語は「体」、「つくり」、「植物」、「組織」、「生物」である。一方、中学理科第 2 分野(5)(ア)(ア)の「細胞分裂と生物の成長」の新出語は、「細胞分裂」、「染色体」、「体細胞」、「複製」、「分裂」、「成長」であり、既出語は「細胞」、「過程」、「体」、「生物」となる。学習目標毎に新しい単語が出現する学習指導要領においては、従来の、単語の一致を基準とした文間の類似度を計算する手法では、「生物と細胞」と「細胞分裂と生物の成長」といった連続して学習すべき学習目標間の関連度が低くなってしまう。そこで、新たな基準として、ある学習目標の新出語と、別の学習目標の全単語の類似度を「類似性」と定義し、ある学習目標の新出語が、別の学習目標の既出語に出現することを新出語の「継承性」と定義した。この新出語の「類似性」と「継承性」を加算することで、学習目標同士の関連度を計算した。なお、各学習目標は、指導要領内での記載順を持っているため、この関連度は順序性を持つことになる。本論文では、学習目標間の関連度を順序付き関連度と呼ぶ。図 2 に、類似性と継承性について概要図を示す。まず、中学理科第 1・2 分野といった特定の指導要領の各学習目標を、記述されている順に、その学習目標で初めて新出した単語を新出語、既に使われた単語が出現した場合は既出語として抽出しておく。その上で、学習目標同士の順序付き関連度を求める。図 1 の例では、学習目標 X が学習目標 Y より前に構成されている例を示す。学習目標 X の新出語 W1・ W2・W3 と、学習目標 Y の全単語 W0・W3・W4・ W5 の類似性と、学習目標 X の新出語 W1・W2・W3 の中で、学習目標 Y の既出語に使用されている割合である継承性を求める。「類似性」スコアの計算では、ALAGIN フォーラム3_{で公開されている文脈類似語データベースを利} 用した。このデータベースでは、100 万語の単語に対して、約 1 億ページの Web 文書上で文脈を手掛かりとしたクラスタリング処理（2000 クラス）を行うことにより、単語が 2000 次元のベクトルで表現されている（wx 及び wy）。類似性スコアを、このベクトルのコサイン類似度（式(1)）の総和により計算した（式(2)）。継承性スコアは、学習目標 X の新出単語数を m、学習目標 Y の既出語に継承した単語数を s とし式(3)により求めた。式(3)の q は、新出単語の学習目標内での出現回数であり、学習目標内で頻出する単語が継承されている場合、継承性のスコアが高くなる。順序付き関連度を O(X,Y)として求めた。 (1) (2) (3) (4) ※学習目標 X の新出語 ※学習目標 Y の全単語 wx= , wy= 図 1 新出単語の類似性と継承性の概要今回、中学理科の「第 1 分野」「第 2 分野」、高等学校理科の「科学と人間生活」、「物理基礎」、「物理」、「化学基礎」、「化学」、「生物基礎」、「生物」、「地学基礎」、「地学」の順に、232 全ての学習目標を統合した。統合した学習目標リストと、学習目標内容から形態素解析により自動抽出した名詞（新出語・既出語）の例を表 1 に示す。全学習目標に対して、学 3 https://alaginrc.nict.go.jp/ W1 W2 W3 W0 W4 W5 W3 W0 学習目標X 新出語既出語類似性継承性 W1 W2 _W3 W0 W4 W5 _W3 W0 ※学習目標Xより学習目標Y方が後に出現する場合 Xの新出語とYの全単語の類似度の総和をスコア化 Xの新出語のうち、Yの既出語に継承している割合をスコア化学習目標Y 学習目標X 学習目標Y

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習目標同士の類似性及び継承性により、その順序付き関連度を計算した。表 1 では、各学習目標に対して予習関係となる学習目標の例を示している。本論文では、0.6 以上の学習目標を予習候補とした。表 1 統合した学習目標リスト（抜粋）学習目標 No 学習目標名とその内容新出語（例）既出語（例）導出元の指導要領 1 光の反射・屈折。光の反射や屈折の実験を行い，光が水やガラスなどの物質の境界面で反射，屈折するときの規則性を見いだすこと。全反射も扱うこと。また，光の屈折で入射角と屈折角の定性的な関係にも触れること。光反射屈折・中学理科第 1 分野（1）身近な物理現象ア光と音（ア）光の屈折・反射 2 凸レンズの働き。凸レンズの働きについての実験を行い，物体の位置と像の位置及び像の大きさの関係を見いだすこと。光源の位置と像の位置，像の大きさの定性的な関係を調べること。その際，実像と虚像を扱うこと。凸レンズ実像虚像・中学理科第 1 分野（1）身近な物理現象ア光と音（イ）凸レンズの働き（略）（略）（略）（略）（略） 48 生物と細胞。生物の組織などの観察を行い，生物の体が細胞からできていること及び植物と動物の細胞のつくりの特徴を見いだすこと。細胞動物植物生物・中学理科第 2 分野（3）動物の生活と生物の変遷ア生物と細胞（ア）生物と細胞 49 生命を維持する働き。消化や呼吸，血液の循環についての観察，実験を行い，動物の体が必要な物質を取り入れ運搬している仕組みを観察，実験の結果と関連付けてとらえること。また，不要となった物質を排出する仕組みがあることについて理解すること。各器官の働きを中心に扱うこと。「消化」については，代表的な消化酵素の働きを取り上げること。また，摂取された食物が消化によって小腸の壁から吸収される物質になることにも触れること。「呼吸」については，細胞の呼吸にも触れること。「血液の循環」に関連して・・・酵素吸収循環消化小腸肝臓腎臓細胞動物呼吸体・中学理科第 2 分野（3）動物の生活と生物の変遷ア動物の体のつくりと働き（ア）生命を維持する働き（略）（略）（略）（略）（略） 232 膨張する宇宙。現代の宇宙像の概要を理解すること。ビッグバンの証拠や宇宙の年齢も扱うこと。宇宙像ビッグバン・高校理科地学（4）宇宙の構造ウ銀河と宇宙（イ）膨張する宇宙表 2 学習目標同士の関連度計算結果（抜粋）学習目標 No 学習目標名とその内容スコア学習目標 No（予習）学習目標名とその内容（予習） 48 生物と細胞。生物の組織などの観察を行い，生物の体が細胞から・・・ 2.31 49 生命を維持する働き。消化や呼吸，血液の循環についての観察・・・ 1.84 59 細胞分裂と生物の成長。体細胞分裂の観察を・・・ 1.79 172 生体物質と細胞。細胞の内部構造と・・・ 49 生命を維持する働き。消化や呼吸，血液の循環についての観察・・・ 0.75 161 細胞とエネルギー。生命活動に必要なエネルギーと代謝について理解すること。 0.73 50 刺激と反応。動物が外界の刺激に適切に反応している様子の観察を行い・・・ 50 刺激と反応。動物が外界の刺激に適切に反応している様子の観察を行い・・・ 1.46 187 刺激の受容と反応。外界の刺激を受容し，・・・ 0.92 188 動物の行動。刺激に対する反応としての動物個体の行動について理解すること。

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本計算により得られた順序付き関連度をもとに、各学習目標を前提知識関係でつなぐ必要がある。そこで、指導要領の最後に出現する学習目標から探索することで、前に学習すべき別の学習目標と関連付け各学習目標の前提知識関係を作成する。表 1 を例にとると、学習目標 No.188 と学習目標 No.187 には、学習目標 No.50 が前提知識として関連付けられる。さらに、学習目標 No.50 には学習目標 No.49 が、学習目標 No.49 には学習目標 No.48 が、それぞれ前提知識として関連付けられる。前提知識候補が複数あった場合は、より学習目標 No が近い、つまりより近い位置に記載されている学習目標を採用した。図 2 に、学習目標 No181（遺伝子と染色体）から学習目標 No.188（動物の行動）までの学習目標から、学習目標同士の順序付き関連度をもとに前提知識となる学習目標を探索した結果を示す。図 2 探索した学習目標同士の繋がり

2.2 学習順序知識の RDF 化

2.1 で抽出した学習順序及び、文部科学省が公開している学習指導要領をもとに、学習順序オントロジーを手動で構築した。オントロジーダイアグラムを図 3 に示す。本論文では、本オントロジーのドメインとして cur(http://cur.nhk.or.jp)を定義したが、研究用として構築したため公開はしていない。本オントロジーのコンセプトは、学習順序を決定する際に利用可能であることと、NHK が保有する映像コンテンツの体系化にあるため、指導要領の各学習目標をオントロジーの中心に配置した。学習目標のクラスを「cur:ItemOfStudy」で表し、当該クラスのインスタンスが指導要領における学習目標となる。さらに、「cur:hasBrushUp」プロパティにより復習学習目標と繋がったり、「cur:hasKeyword」プロパティや「cur:hasNewKeyword」プロパティにより、新出及び既出単語とのトリプルを形成する。学習指導要領自体に階層構造があり、各学習目標は指導要領を構成する最小単位である。そのため、学習目標が属する指導項目を「cur:TopicOfStudy」クラスとして定義した。また、各指導項目が学習される「学校」「学年」、「教科」「分野」もそれぞれクラスとして定義した。図 4 に、具体的なインスタンス例を示す。図 3 学習順序オントロジー図 4 学習順序オントロジーのインスタンス例

3 学習順序オントロジーの活用

本項では、構築した学習順序オントロジーの活用例として、学習パスの可視化及び映像コンテンツの体系化について紹介する。 48 59 49 50 60 61 生物と細胞生命を維持する働き _{刺激と反応} 細胞分裂と生物の成長生物の殖え方遺伝の規則性と遺伝子 181 減数分裂と受精 161 細胞とエネルギー 162 163 180 遺伝情報とＤＮＡ遺伝情報の分配遺伝子と染色体 40 配偶子形成と受精 182 配偶子形成と受精・胚発生 185 184 186 細胞の分化と形態形成植物の器官の分化 187 188 刺激の受容と反応動物の行動 183 初期発生の過程生物の観察単元 No 単元名 rdfs:domain rdfs:domain rdfs:range rdfs:range rdfs:domain rdfs:range xsd:decimal rdfs:subPropertyOf rdf:datatype rdfs:domain rdfs:domain cur:ItemOfStudy cur:Keyword クラス cur:hasItemNumber プロパティ cur:hasKeyword cur:hasNewKeyword 外部クラス／プロパティ cur:hasBrushUp cur:TopicOfStudy cur:hasGoal cur:hasItem cur:hasSubTopic rdfs:domain rdfs:range rdfs:domain cur:FieldOfSubject cur:Subject cur:StageOfSchool cur:Year rdfs:domain rdfs:range cur:TaughtAtField rdfs:range cur:TaughtAtStage cur:TaughtAtYear xsd:literal rdf:datatype cur:TaughtAtSubject rdfs:range cur:IsPreparationOf rdfs:domain rdfs:domain rdfs:range rdfs:range Owl:InverseOf ObjectTypeProperty Instance Literal DataTypeProperty cur:Item00011 hasItemNumber 48 身近な生物の殖え方を観察し，有性生殖と・・・ cur:K00009 生物生物の殖え方 rdfs:label rdfs:label cur:hasKeyword cur:K00010 細胞 rdfs:label cur:K00020 cur:hasNewKeyword 有性生殖 rdfs:label cur:Item00005 cur:Item00004 cur:hasBrusUp hasGoal cur:ItemOfStudy cur:Keyword cur:hasItem cur:Topic0022 生物の成長と殖え方 rdfs:label cur:Topic005 cur:hasSubTopic 生命の連続性身近な生物についての観察，実験を通して，生物の成長と殖え方，遺伝・・・ hasGoal cur:TopicOfStudy cur:Filed001 第2分野 cur:TaughtAtField rdfs:type rdfs:type rdfs:type _rdfs:type cur:Subject001 cur:TaughtAtSubject 理科 cur:Stage001 cur:TaughtAtStage 中学 cur:StageOfSchool cur:Subject cur:FieldOfSubject rdfs:type rdfs:type rdfs:type Class cur:hasKeyword

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3.1 学習パスの可視化

既存の学習指導要領では、2 項で述べたように、「生物と細胞」と「細胞分裂と生物の成長」の間には「気象観測」が構成され、特定の内容への理解を継続して深めるようには並んではいない。一方、本稿にて構築したオントロジーは、各学習目標が持つ新出単語と既出単語に則り、予習・復習関係を表している。例えば、図 5 に示す SPARQL クエリにより、「細胞」を最初に学ぶ学習目標からの、予習パスを取得することが可能である。図 5 中の①②③は、クエリとその取得対象となるトリプルの関連を示している。図 5 「細胞」を学ぶパスを取得する SPARQL 図 5 の SPARQL クエリにより得られた結果を表 3 に示す。表に示す通り、学習目標 No.48 からの学習パスを取得できている。その可視化の例を図 6 に示す。図 6 から、「細胞分裂」に関して学習するパスを把握できる。表 3 クエリにより得られた学習目標の組み合わせ図 6 クエリにより得られた結果の可視化例

3.2 映像コンテンツの体系化

学習順序オントロジーを活用することにより、順序性を考慮した映像コンテンツ提示が可能になる。図 7 に、ある 2 つの映像コンテンツがあった場合に、どちらのコンテンツを先に提示するべきかを、 SPARQL クエリによりオントロジーから取得する流れを示す。映像コンテンツには、動画だけでなく、その内容を示すテキストが付与されているものとし、事前に形態素解析等によりテキストからキーワードを抽出する。その上で、両コンテンツがどの学習目標に紐づくかを下記 SPARQL により取得する（図 7 の①）。図 8 は、図 7 の①でコンテンツ A の学習目標を取得するためのクエリである。結果として、学習目標 49 の「生物と細胞」と学習目標 59 の「細胞分裂と生物の成長」を取得できる。一方、コンテンツ B は、学習目標 61「遺伝の規則性と遺伝子」や学習目標 162「遺伝情報と DNA」、学習目標 163「遺伝情報の分配」を取得できる。得られた学習目標情報をもとに、両コンテンツの提示順を、オントロジーにおける学習目標の位置に着目し、予習スコアを計算し決定する。学習順序オントロジーには、学習目標同士の予習及び復習となる繋がりを cur:hasBrushUp として定義している。両コンテンツで取得された学習目標同士の cur:hasBrushUp の出現回数の総和を比較し、多い方が相手を復習として定義している度合が強いと考え、後で提示するコンテンツとして決定した（図 7 の②）。図 9 は、図 7 の②で予習スコアを計算するためのクエリ例であり、コンテンツ B の学習目標 59 とコンテンツ A の学習目標 49 が復習関係にあるため、1 としてカウントしている。学習目標同士のカウントの総和により、コンテンツ B から見たコンテンツ A の復習スコアは 6 で、その一方でコンテンツ A から見たコンテンツ B の復習スコアは 1 であるため、コンテンツ A を先に提示すべきであることが分かる。 cur:hasBrushUp cur:hasBrushUp cur:hasNewKeyword 細胞 Rdfs:label ？End ？Start ？Path1/？Path2 ① ① ② ② ③ ③ No 学習目標 No 学習目標（予習） 59 細胞分裂と生物の成長 60 生物の殖え方 60 生物の殖え方 61 遺伝の規則性と遺伝子 61 遺伝の規則性と遺伝子 162 遺伝情報とDNA 162 遺伝情報とDNA 163 遺伝情報の分配 163 遺伝情報の分配 164 遺伝情報とタンパク質の合成 163 遺伝情報の分配 180 減数分裂と受精 61 遺伝の規則性と遺伝子 181 遺伝子と染色体 180 減数分裂と受精 182 配偶子形成と受精 60 生物の殖え方 183 初期発生の過程 183 初期発生の過程 184 細胞の分化と形態形成 184 細胞の分化と形態形成 185 配偶子形成と受精・胚発生 184 細胞の分化と形態形成 186 植物の器官の分化 59 60 61 細胞分裂と生物の成長生物の殖え方遺伝の規則性と遺伝子 181 減数分裂と受精 162 163 180 遺伝情報とＤＮＡ遺伝情報の分配遺伝子と染色体配偶子形成と受精 182 配偶子形成と受精・胚発生 185 184 186 細胞の分化と形態形成植物の器官の分化 183 初期発生の過程学習目標 No 単元名

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図 7 映像コンテンツの順序を取得する流れ図 8 学習目標を取得するためのクエリ図 9 予習スコアを計算するためのクエリ

4 他の研究との関連

本研究では、学習目標内の新出語に着目しているため、専門用語もしくは重要単語ベースの学習順序と言える。そのため、学習する生徒向けサービスに利用できる。例えば、高校理科において「遺伝子と DNA」を学習している際の復習として中学理科の「遺伝の規則性と遺伝子」を学び直すことがサービスモデルとして想定できる。一方、オントロジーを教育分野に適用する研究としては、教師向けの授業デザインに応用する研究がなされている[4]。この研究と本研究は教育への観点が違うため、オントロジーの特徴を活かして融合することで、新たなオントロジーモデルも考えられる。BBC における学習指導要領オントロジー活用[3]は、Web ページを体系的に構成するための取り組みである。BBC のオントロジーでも学習目標毎にトピックキーワードを定義しているが、学習目標同士をつなぐための共通語として利用するにとどまっている。

4 まとめ

本研究では、学習指導要領の各学習目標の新出語の類似性と継承性に着目し、学習順序オントロジーを構築した。また、学習順序オントロジー及び SPARQL クエリを活用することで、中学校や高等学校をまたいだ学習パスの形成や、映像コンテンツの順序を持たせた提示ができることを示した。課題としては、類似性と継承性から得られる学習目標関係の評価と、オントロジーから得られる学習パスが、実際の教育現場で有用かどうかの検証が必要である。また、教育コンテンツ以外についても、本研究で得られた順序性提示が適用できるか検証していく。

参考文献

[１] 田代久美, 富樫敦, 寺島賢紀: e-Learning における学習支援システムに関する研究, 電子情報通信学会技術研究報告. ET, 教育工学 105(488), pp.43-46,（2005） [２] http://www.center.spec.ed.jp/d/h22/347_H22_kenkyu_Se mantic_computing.pdf

[３] Dong Liu., Eleni Mikroyannidi., Robert Lee.: Semantic Web Technologies Supporting the BBC Knowledge & Learning Beta Online Pages, Publication Source, CEUR Workshop, (2014) [４] 林雄介, 笹井俊信, 溝口理一郎: オントロジー工学的モデリングによる学習指導案からの経験的知識抽出に向けて , 人工知能学会全国大会論文集 25, No.1H1-3IN,（2011）コンテンツB「遺伝と遺伝子」コンテンツA「細胞分裂と成長」細胞胚核受精卵細胞分裂細胞遺伝情報 DNA らせん構造細胞周期 48 59 _{オントロジー}学習順序 48 61 162 163

１

6

①これらの単語を持つ単元を抽出 ①これらの単語を持つ単元を抽出 ②相手が予習になるかを計算 ②相手が予習になるかを計算 ③予習スコアの比較 先に学ぶ後に学ぶ SPARQL-A SPARQL-B SPARQL-A SPARQL-B 183 分配 SELECT DISTINCT * WHERE {

?Item cur:hasNewKeyword / rdfs:label ?NewKeyword. FILTER

(?NewKeyword IN(“細胞”^^rdfs:Literal,“胚”^^rdfs:Literal,“核”^^rdfs:Literal,“受精卵 "^^rdfs:Literal,"細胞分裂"^^rdfs:Literal))

?Item rdfs:label ?label_Item. ?Item cur:hasItemNumber ?Num_Item. }

SELECT COUNT(*) WHERE {

?Item1 cur:hasBrushUp* ?Item2. ?Item1 cur:hasItemNumber ?Item1_No. ?Item2 cur:hasItemNumber ?Item2_No. FILTER(?Item1_No=“162"^^xsd:decimal) FILTER(?Item2_No="48"^^xsd:decimal) }