初等力学における力の因果関係理解を支援する方法に関する研究

支持理解基本力学中力因果关系的方法研究

• 批准号: 08680235
• 负责人: 竹内 章
• 金额: $ 0.51万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 1996
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1996 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08680235/
• 关键词: CAI; ITS; 知的教育支援; 発見学習支援; 力学学習; 実験学習

物理の学習においては、物理現象を支配している基本法則を理解して、その法則をさまざまな系に応用できる能力を身につけることが必要である。基本法則のより深い理解を得るためには、単に規則を丸暗記するのではなく、実験を通して学習者自らが規則性を発見する学習が望ましい。また応用能力は多くの事例に対して法則の適用を繰り返すことによって得られる経験的な知識であると考えられており、獲得には訓練が必要である。本研究では、初等力学を対象として、基本法則の発見学習支援と、系に働く力の因果構成を理解する能力の獲得を支援する学習支援システムについて研究を行った。力学の学習支援を行うには、支援システムが与えられた系に働く力の発生原因、力間の関係を認識する必要がある。このために、力学系が与えられたときに、系を構成する部品と系に働く力間の関係を表現する因果関係モデルと呼ぶネットワーク構造を提案し、その生成方法を明らかにした。基本法則の学習にあっては、シミュレータを用いた実験を行いながら、観測値を表に書き込み、観察、予測、確認を通して独立変数と従属変数間にある規則性を発見する環境を用意した。この一連のプロセスの中で学習者の行動をモニターし、学習者が行き詰まった場合には助言を与えることで、目標へと誘導する。この方法に基づく学習支援システムの有効性を確認するために、中学校物理のバネを対象にして実際の実験装置を用いて学習する場合との比較学習実験を行い、システムの有効性を確認した。応用能力の獲得支援については、グラフィック・インタフェース上に図示された力のベクトルから学習者の力に対する認識をモデル化して理解因果関係モデルと同様の構造で表現し、システムが生成した正しい因果関係モデルと比較することで学習者の誤りの原因を同定し、治療手段を決定する方法を明らかにした。

在学习物理学时，有必要了解支配物理现象的基本定律，并获得将这些定律应用到各种系统的能力。为了更深入地理解基本规律，学习者需要通过实验自己发现规律，而不是简单地死记硬背。此外，应用能力被认为是通过在许多情况下重复应用法律而获得的经验知识，并且需要培训才能获得它。在这项研究中，我们对基础力学的学习支持系统进行了研究，该系统支持发现基本定律并获得理解作用在系统上的力的因果结构的能力。为了支持力学的学习，支持系统有必要识别作用在给定系统上的力的原因以及力之间的关系。为此，我们提出了一种称为因果关系模型的网络结构，该模型表达了给定动态系统时组成系统的各部分之间的关​​系以及作用在系统上的力，并阐明了如何生成它。在学习基本规律时，我们准备了一个使用模拟器进行实验的环境，将观测值记录在表格中，通过观察、预测和确认发现自变量和因变量之间的规律性。在这一系列过程中，学习者的行为受到监控，如果学习者遇到困难，就会给出建议来引导学习者实现目标。为了验证基于该方法的学习支持系统的有效性，我们利用实际实验装置对初中物理中的弹簧进行了对比学习实验，验证了该系统的有效性。为了支持应用能力的获得，学习者对力的感知是根据图形界面上所示的力向量建模的，以类似于理解因果关系模型的结构表达，并创建系统生成的正确因果关系模型。通过与结果的比较，我们找出了学习者错误的原因，并明确了确定处理方法的方法。

项目成果

武村博典: "因果関係モデルを用いた学習者の理解支援に関する研究" 人工知能学会研究会資料. SIG-IES9503. 1-8 (1996)

Hironori Takemura：“使用因果关系模型支持学习者理解的研究”人工智能研究小组的材料 SIG-IES9503 (1996)。