誤りの可視化を用いた構造構築学習
支援システムについての検討
A Study on Support System for Learning by Structuring with Error Visualization
東本 崇仁
1Takahito Tomoto
1 1東京工芸大学工学部
1
Faculty of Engineering, Tokyo Polytechnic University
Abstract: It is important to construct models about a domain for understanding the domain. In previous works, we developed a learning support system for learning by structuring of knowledge structure with concept map. The system required learners to construct layered concept map and provide error visualization based on the concept map. In this research, we expand the error visualization based on several concept and link which are used in Ontology engineering. In particular, this paper show various famous errors when the ontology is described and study error visualization for the errors.
1. はじめに
学習者にある領域をモデル化させることで，その 領域の理解の促進につながることが知られている [1]．著者らを初め，学習者に領域をモデル化させる ことで，領域の理解を促す研究は少なくなく，その ためにコンセプトマップ等の様々な外化ツールが存 在する．コンセプトマップは学校教育の場でも実践 的に使われている有用なツールであるが，多くの場 合構築後の修正まで十分な支援を行えていない．コ ンセプトマップの提唱者である Novak ら[2]は作成し たコンセプトマップを修正する活動の重要性を指摘 しており，単にコンセプトマップを作成させるだけ でなく，いかに修正させるかが重要な課題となる． しかし，学校教育などの教授者と学習者が一対多の 関係では個々の学習者の解を診断し，個別にフィー ドバックを返すことは容易ではない．また，自身の 概念を変容させるためには，自身の現状の状態を生 産性が低いと学習者自身が認識する必要があり[3]， 単にフィードバックを返すのではなく，学習者自身 が誤りへと自発的に気づく仕組みが重要となる． 著者らはこれまでコンセプトマップを用いて階層 構造を構築させる学習を学習者に行わせ，それを診 断し，誤っている場合は誤りの可視化フィードバッ クを与える研究を行ってきた．誤りの可視化は，学 習者の解答を否定せず，肯定するとどのようなおか しなことが発生するかを目に見える形で表現する手 法である．本稿では，オントロジー工学に基づく知 見を元に，階層構造における構成要素以外の構成要 素を含んだ構造における誤りの可視化の実現につい て検討する．2. 先行研究
本章では，学習者に領域をモデル化させることに よる学習における診断やフィードバックに関する研 究について紹介する． Hirashima et al.[4]は，kit-build 方式によるコンセプ トマップ構築を提案している．教授者が作成したコ ンセプトマップをゴールマップと呼称し，ゴールマ ップをノードとリンクという部品（kit）に分解し， これを学習者に構造化させる学習を提案している． 本方式では，ゴールマップで用いられていたノード とリンクを用いて学習者がマップを構築するため， ゴールマップにおける部品と学習者の構築したマッ プにおける部品は同一であることが保障されている． そのため，必ず学習者の間違いは構造化の間違いの みとなる．平嶋らは，教師や他の学習者のマップと 重畳することによるフィードバック[4]や，ノードと リンクの関係性に基づいた誤りの種類を提示するフ ィードバック[5][6]を提案している．特に後者のフィ ードバックでは，学習者の作成したコンセプトマッ 人工知能学会研究会資料 SIG-ALST-B502-04プを診断した上で提示している．これらのフィード バックはコンセプトマップのノードやリンクの意味 を考慮せずに，構造の情報のみから生成できるため， 非常に汎用性が高い．しかし，本来関係 C で接続す るべきであったノード A とノード B を，関係 D で 接続した学習者に対し，関係 C と D の意味の違いに は言及しておらず，何故学習者がそのような誤りを 犯したのかも判断することはできない． 柏原らの研究[7]では，コンセプトマップにおける 重要な箇所や誤り箇所を学習者自身に気づかせるた めに擬似力覚に着目している．マップを作る際の操 作において，操作自体に何らかの感覚的刺激を与え ることで，マップを作る際のノードやリンクの違い に気づかせることができると考え，タブレットメデ ィアとの親和性の高い擬似力覚を採用した．学習者 は重要な箇所や誤り箇所については，マップ作成時 の操作において擬似力覚を呈示し，違和感を与える ことで，自らの気づきを支援している．しかしなが ら，本研究における誤りへの気づきもやはり，構造 の誤りであり，リンクの意味の誤りなどは対象とし ていない． 著者らは，コンセプトマップを用いて生物領域に おける階層構造を学習者に構築させ，誤っている場 合は学習者の解答に基づいた誤りの可視化を行う支 援システムを開発した[8]．先の二つの研究では，正 解となるマップさえ用意できればどのような構造も 対象とできたのに対し，本研究では扱える構造は階 層構造のみであり，かつ扱えるリンクは，上位と下 位の概念の関係を表す Is-a リンクと，ある概念に属 性を与える Attribute-of リンクの二種類だけである． 本制約のもと，学習者が作成した Is-a リンクと Attribute-of リンクで構成される階層構造における最 下位の具体物であるインスタンスにどのような属性 が継承されるかを診断し，正解のマップにおけるイ ンスタンスが持つ属性との比較による診断を行って いる．したがって，本診断ではノード間を接続する リンクの正誤情報だけでなく，あるノード間をリン クで接続することがどのような意味をもつのかまで 診断しているといえる．本研究では，各属性に対し て，その属性に対応する振る舞いを記述しており， インスタンスに不適切な属性が付与された場合，あ るいは適切な属性が不足している場合は誤った振る 舞いを行うように設計されている（図１）．また，本 誤りの可視化は生物の領域を対象としており，植物 のライフサイクルごとに可視化に決定した描画を行 っている（図２）． 図 1.属性の違いに基づく誤りの可視化の例 図 2．植物のライフサイクルと可視化内容 本システムにより，Is-a リンクと Attribute-of リン クの違いや，階層構造における継承や弁別の関係の 学習の支援を行っている．ただし，本制約のもとで の誤りの可視化であること，インスタンスのみを可 視化の対象としているため抽象概念が持つ属性の誤 りは可視化できないことなどが課題としてあげられ た． 新井らは，抽象概念が持つ属性の誤りの可視化を 目的とし，オブジェクト指向プログラミングにおけ るクラス設計と，ソースコードの非効率性に基づい た誤りの可視化を行うシステムを開発した[9]．オブ ジェクト指向プログラミングにおいては適切なクラ ス設計を行うことが望まれる．たとえば，乗用車ク ラスやトラッククラスの上位概念として車クラスを 用意するなどである．この際，車クラスにハンドル やアクセルなどの操作を記述することで，下位のク ラスへの継承が行える．新井らはこのようなオブジ ェクト指向プログラミングの構造に着目し，抽象概 念に属性がついていない状態を，オブジェクト指向 プログラミングにおける上位クラスに適切なメソッ ドや変数がついてない状態として可視化を行った． これにより，インスタンスについている属性に差が なくても，上位のクラスにおける差異をソースコー ドの形で表現した． 本研究では，著者らが今まで行ってきた研究の発
展形として，オントロジー工学からの知見を元に， 階層構造の構成要素以外の構成要素に関する誤りと， その可視化について検討する．
3. オントロジー工学
本章では以降の章で登場するオントロジー工学に おける用語について，本誌に必要な範囲で簡単に説 明する． 基本概念： 文脈に独立して定義できる概念である．たとえ ば，人，犬，自転車など． ロール概念： 文脈に依存して定義される役割に関する概念 である．たとえば，教師ロール，盲導犬ロール， 通勤用自転車ロールなど． 属性リンク(attribute-of リンク a/o リンク)： 概念がもつ属性を記述するリンクである．属性 は属性値を持つ点が他の概念と異なる．たとえ ば，重さ，長さ，足の数など． 全体―部分リンク(part-of リンク p/o リンク)： （全体）概念がもつ部分を記述するリンクであ る．たとえば，自転車の概念を全体とした場合， 車輪，ハンドルなどが部分となる． 一般―特殊リンク(is-a リンク： 前述の「is-a」リンクに相当する．本リンクで接 続された概念において，一般概念から特殊概念 に構成要素（属性や部分）が継承される．ほ乳 類と人の関係が一般―特殊リンクで繋がれる 関係である． 抽象―具体リンク(instance of リンク)： 概念と対応するインスタンスを記述するリン ク．インスタンスとは実在する具体物である． たとえば，人を抽象概念だとした場合，東本崇 仁という実在がインスタンスとなる． クラス制約： 部分や属性に関する制約である．たとえば，重 さは実数というクラスに制約され，足の数は整 数クラスに制約される．4. オントロジー構築時における典型
的な誤り
本章ではオントロジー構築入門[10]にて紹介され ているオントロジーを構築する際に観察された典型 的なエラーとその問題点について一部紹介する．な お，扱う例は一部改変している．4.1 基本概念とロールの混同
本来，ロールである概念を基本概念としてとらえ る誤りが存在する．たとえば，「人」クラスの特殊ク ラスとして「教師」クラスを接続する誤りなどが存 在する．教師は人の役割（ロール）であり，基本概 念ではないため，このような関係づけは誤りである．4.2 上位―下位概念と部分概念の混同
「部分」である概念をある一般概念の特殊概念と する誤りである．たとえば，「こたつ」と「こたつの 足」は全体―部分の関係にあるが，一般―特殊の関 係にはない．4.3 属性と他の概念の混同
「属性」を「基本概念」と一般―特殊リンクで結 ぶ誤りである．「属性」は，ものの物理量などの，も のに付随する性質を表し，「属性値」をとることがで きる．したがって，属性以外の他の概念と一般―特 殊リンクで結ばれることはない．4.4 サブクラスの概念同士の重なり
ある概念を特殊化したときにできるクラスをサブ クラスと呼ぶ．同じ概念を特殊化してできた複数の サブクラスにおいて弁別が行えていない誤りがこれ に該当する．たとえば，「料理」のサブクラスとして， 「日本料理」「中華料理」「家庭料理」を用意した場 合，家庭で作った日本料理をどちらのクラスに分類 するか判断できない．4.5 概念の構成の誤り
概念の「部分」の定義時に，不適切な定義を行う ことで，本来その概念が持ちえない要素をも辞して しまう誤りである．たとえば，「お金」を「硬貨」と 「紙幣」で定義し，「硬貨」を「1 円」「10 円」など の実際に流通する貨幣で定義した状態で，「商品」の 構成要素として，「お金」をクラス制約とする「価格」 を定義したとする．この場合，あらゆる「商品」の 構成要素として「1 円」「10 円」などの「硬貨」が存 在することになってしまう．4.6 上位―下位概念の一貫性の誤り
一般―特殊リンクで接続される概念間では，上位から下位に構成要素を継承できる必要があるが，同 様の構成要素でないものを接続した場合は誤りであ る．たとえば，「接客」と「電話応対」を一般―特殊 リンクで接続し，「電話応対」と「もしもし」を一般 ―特殊リンクで接続した場合，接客と電話応対はと もに「行為」であるため，「接客」を特殊化したもの が「電話応対」となり得る．しかし，「もしもし」は 行為でないため，「電話応対」を特殊化しても「もし もし」にはならない． 以上が，オントロジー構築時に観測される典型的 な誤りの一例である．
5. 診断と誤りの可視化
本研究では，適切なオントロジーそのものを作り 上げることではなく，オントロジー工学における考 え方が，初学者である学習者に対しても領域を整理 する考え方として有効であろうと考え，オントロジ ー工学における構成要素を取り入れようとする試み である．そこで，現状では，学習者には先行研究[4-9]と同様に正解となるマップをあらかじめ構築し， そのマップと，学習者のマップを比較することで診 断を行うことを想定している．学習者に与えるもの は，構築を要求するノードすべてと，構築に必要な リンクの種類（一般―特殊リンク，属性リンク，全 体―部分リンク，抽象―具体リンク），およびロール やクラス制約の設定項目を与える．ただし，kit-build のように利用可能なリンクの本数には制約を設けず， 概念間の関係は 4 種類のリンクやロール，クラス制 約を用いては自由に定義できるものとする．先行研 究[4-7]ではリンクの意味を診断に含めないことで， 正解となるマップにおいて，用いるノードやリンク について制限はなく，また汎用的な診断を行えてい たが，本研究では用いることができるリンクについ ては，3 章で紹介した 4 種類のリンクのみとなる． ただし，クラス制約とロールも意識することになる ため，学習者が考える必要がある関係性は少なくは ない．また，典型的な例に見るように混同しやすい ものが多いため，十分に診断とフィードバックの対 象とする価値があるものであると考える．先行研究 [8,9]との差は，リンクの種類が増えたことと，ロー ルとクラス制約について考える必要ができたことで ある． 正解マップを用意する場合，4 章で述べた典型的 な誤りの導出は比較的容易であると考える．以降で は，各誤りに対する可視化の方法について検討する．5.1 基本概念とロールの混同
基本概念は文脈に独立であり，ロールは文脈に依 存する．そのため，文脈が変わった場合，ロールは 消失する可能性がある． 図 3. 基本概念とロール概念の混同の例 図 3 はインスタンス「田中太郎」が「教師ロール」 をプレイするという前提で，オントロジーを構築し た場合の正しい構造と典型的な誤りの構造の一例で ある(説明の簡略化のために a/o リンクと p/o リンク の違いについては記載していない)．この際，田中太 郎が教師を辞めた場合，play のリンクが消滅する． これによる田中太郎を構成する要素の違いをまとめ たものが表１である． 表 1. 混同時の構成要素の差異 誤り 正解 Play 時 Play 時 ・足 ・年齢 ・年収 ・足 ・年齢 ・年収 非 Play 時 非 Play 時 NONE ・足 ・年齢 表 1 よりわかるように，「田中太郎」が「教師」を 続ける場合は構成要素に差は出ない．このため，混 同しやすいといえる．しかし，教師を辞めた場合， 同時に人間でなくなるため，人間を構成する種々の 要素も消滅することなる． 誤りの可視化では，ある特定の文脈において正し く見えても，文脈は変化しうるものであり，変化し た場合に成立しなくなるということを可視化する． 人 教師 足 年齢 年収 田中太郎 play Is-a 教師 play 田中太郎 Given 典型的な誤り例 人 教師 足 年齢 年収 田中太郎 play Instance-of 正解例 人 教師ロールたとえば，先行研究[8]で用いたようなライフサイク ルにより，可視化の文脈を変えることで誤りへの気 づきを促せられると考える．非 Play 時（就業前，退 職後）と Play 時（就業中）というライフサイクルを 用意し，各概念に対応する可視化を行うことで，正 しい関係では田中太郎は常に人間でいられるが，誤 りの例では就職前や退職後には田中太郎は人間でな くなるという可視化を行えると考える．
5.2 上位―下位概念と部分概念の混同
ある概念 A と概念 B が一般―特殊リンクで結ば れた場合，上位概念の有する要素は下位概念に継承 される．一方，全体―部分関係では継承は発生しな い．そこで，あらかじめ特定の概念における性質を 既知とし，その既知の性質の継承により，本来部分 が所有しない性質を持たせることができると考える． 図 4 上位―下位概念と部分概念の混同の例 図 4 は「こたつ」を例にした典型的な誤りと正解 の例である．あらかじめ「こたつ」概念に「ヒータ ー」という部分をあらかじめ定義しておくことで， 表 2 のような構成要素の差が出る．誤り時は「こた つの足」も「ヒーター」という部分を持つこととな り，誤りを可視化できると考える． 表 2. 混同時の構成要素の差異 誤り 正解 こたつ こたつ ・ヒーター ・ヒーター ・こたつの足 こたつの足 こたつの足 ・ヒーター NONE5.3 属性と他の概念の混同
5.2 と同様に継承を用いて，「重さ」などの属性に 「ヒーター」を継承させる．さらに，「重さ」を属性 としてもつ他の基本概念に対して，「ヒーター」を保 持させることで誤りを可視化が可能であると考える．5.4 サブクラスの概念同士の重なり
これは厳密には構造の設計の甘さであり，何かの 概念を他の概念と混同しているわけではないため， 誤りの可視化の対象外とする．5.5 概念の構成の誤り
これも 5.2 と似た誤りの可視化で対応可能である． 「お金」クラスは基本概念として記述されており， その下位概念である「1 円」や「10 円」はインスタ ンス化可能である．したがって，1 円や 10 円をイン スタンス化し，あらゆる「商品」のインスタンスに 対してもこれが同時に描画され，構成要素となって いることを可視化することで，誤りの可視化を行え ると考える．5.6 上位下位概念の一貫性の誤り
「接客」や「挨拶」は行為であるが，「いらっしゃ いませ」は発生する言葉であるため，一貫性に問題 がある．このとき，「接客」と「挨拶」を「人の行う 行為」として可視化し，「いらっしゃいませ」を「人 を伴わない言葉」として可視化することで差異に気 づかせることが可能であると考える．たとえば，「接 客」を可視化し，レジなどで接客をしている従業員 を描画する．次に「挨拶」を可視化し，レジなどで 挨拶をしている従業員を描画する．最後に「いらっ しゃいませ」を可視化し，レジなどに従業員がおら ず「いらっしゃいませ」の言葉のみを描画する．こ の 3 段階のイベントの描画により，学習者は誤りに 気づける想定される．このような一貫性の誤りにつ いては，一貫性を可視化するために複数の関係した 場面を可視化することが重要であると考える． ただし，本誤りに関しては診断が難しい．前述ま での「混同」については主に「関係性」の誤りであ る．したがって，4 種類のリンクの種類の違いまたは ロールやクラス設計の差分として診断可能であった． しかしながら，本誤りは「ノードの意味」の誤りで ある．本誤りの診断には，各ノードの意味について の情報が必要である．たとえば，各ノードに対して 品詞の情報を持たせることで本誤りの診断は行える． さらに品詞に関する可視化の情報を与えることがで きれば誤りの可視化を行うことは可能である．本誤 りの可視化は５．５までの誤りの可視化とは異なる こたつ Is-a こたつの足 こたつ p/o ヒーター Given 典型的な誤り例 正解例 こたつ p/o こたつの足手法が必要であるため，どのように処理すべきかは 今後の課題としたい．
6. おわりに
本稿では，従来の知識構造の外化とフィードバッ クに関する研究についてまとめ，著者らが今まで行 ってきた研究の位置づけを行った．著者らが今まで 目指してきたものは正解と学習者のマップの構造の 差を得てそれに基づいてフィードバックを与えるだ けでなく，リンクの意味の違い（より厳密に定義す るならリンクの種類の違い）までを含めた診断を行 い，フィードバックを与えるシステムであった． 本稿では，今後の発展のために，オントロジー工 学における記述を参考に，4 章で記述した典型的な 誤りとそれに対する誤りの可視化の方針について検 討を行った．いくつかの事例において，どのように リンクの意味の差分を得ることができ，それをどの ように可視化できそうであるかの検討を行った．し かしながら，これを計算機的に処理する方法の検討 までは行えていない．オントロジー工学においては， オントロジーの記述には 3 レベル存在するとされて おり[11]，振る舞いのシミュレートにはレベル 3 の タスクオントロジー[12]を記述する必要がある．ま た，定量的ではなく定性的なシミュレーションを行 うための強力なツールとして定性プロセス理論[13] が存在する．しかしながら，本研究では網羅的かつ 妥当で，一般性の高いタスクオントロジーではなく， 学習活動を促すために必要な情報の記述ができれば 十分であると考えており，今後学習者への活動促進 という範囲でこれを検討する必要がある． また，適切なオントロジーを構築することは研究 者であっても決して容易ではない．そのため，学習 者にどこまでの知識構造を記述させるかについては 今後詳細化していく必要がある．さらに，著者らは これまで中学校などの初等・中等教育機関を対象と していたが，本稿で提案した枠組みでは複雑すぎる と予想されるため，今後は本質的に何を理解させる 必要があるかという観点から一層の整理を行う必要 がある．謝辞
本研究の一部は科研費・基盤研究（C）（10508435） の助成による．参考文献
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