ニューラルネットワークによる生徒の大地の変化に関する連想記憶モデル

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1 自己組織化マップを用いた生徒の観察 実験における記述内容の分析松原道男 An Analysis of Description in the Student's Observation and Experiment by Using Self-Organizing Maps Michio MATSUBARA Ⅰ 問題の所在理科学習において 子どもが自分の考えなどを表現する方法は 文章だけでなく描画法や概念地図法などが用いられている いろいろな表現方法を用いることは 教師にとっては子どもの考えをいろいろな観点からとらえることができるとともに 子どもにとっては自分の考えを明確にして自覚できるという点で意義があるといえる 1) 具体的な理科の学習においては 予想や結果 考察などの学習場面において いろいろな表現方法を併用してノートやワークシートに記入させることが多い この中で 文章による表現活動における子どもの実態および問題点については TIMSS の論述形式の課題などにおいて明らかにされている 松原 2 ) は TIMSS における論述形式課題に対する中学生の回答の分析を行い 正答率の低い問題は 論述形式であるためというより 理由の説明ができないことによると指摘している これについて 中山ら 3) がさらに分析を行い 子どもは課題文に含まれる言葉や名称を回答する傾向にあり 目に見えない自然の仕組みへの言及が少ないことを指摘している また 自然事象について 現象的説明はできるが その自然の仕組みにかかわる理論的知識にもとづいて説明することが困難であることを指摘している この原因として日本のカリキュラムにおいては モデルで考えることや 自ら結論を導出することが求められていないこ とをあげている 4) 一方 猿田 5) は 小学生の論述的課題について分析を行い 長所と短所をあわせて科学的に判断したり 物事を多面的に考えたりすることが苦手であることを指摘している さらに 猿田は 6) わが国の中学生の正答率が相対的に低いことの要因について 教師質問紙の科学的論述力に関する回答を分析している その結果 教師は解答のための理由を述べることを理科の重要な目標ととらえていないことや 科学を実世界の表現方法と認識している教師が少ないことを明らかにしている 以上のことから 子どもに対して根拠にもとづいた論理的表現の育成とともに それを教師が意識していくことやカリキュラムを検討していくことの必要性が指摘できる とくに子どもの記述における論理的な表現について改善を図るためには それを評価することが必要となる しかし 多肢選択や穴埋めを行う回答と異なり クラス全体の子どもの記述内容の評価は比較的困難である そこで 子どもの記述内容の分析方法を開発していくことが望まれる Ⅱ 研究の目的以上のことから 論理的 科学的な説明能力を身につけていくうえで 子どもの記述内容について評価していくことが重要であると考えられる とくに子どもの考えの実態を把握し 授 1

2 業実践や授業改善の情報を得るには クラス全体の傾向をとらえる必要がある しかし 一人一人の記述内容を分析し 傾向をつかむといった定性的分析では時間を要するといった問題点がある そこで 本研究においては クラス全体の子どもの記述内容の論理的 科学的側面について評価する方法を開発することを目的とした Ⅲ 方法 1. 記述内容の調査 (1) 調査対象調査対象は 石川県内の公立 A 中学校第 2 学年 1 クラス 21 人である (2) 調査内容記述内容は 電流 単元の 1 時間の授業においてワークシートに記述されたものを分析の対象とした ワークシートは 図 1 に示したとおりである この中の 予想 と わかったこと の記述内容の 2 つを分析した 予想 は 2 本のニクロム線を直列につないだ場合と並列につないだ場合の豆電球の明るさや電流の強さについて予想するものである わかったこと は 図 1 ワークシートの内容 その実験結果とわかったことについての記述である 2. 分析のためのソフトの開発方法記述内容について 文章そのものを直接解析するのは困難である そこで 文章を単語に分割し その単語の関係について分析する方法を考えた 詳しくは 次の手順で分析を行った 1 形態素解析のフリーソフトである 茶筌 を用いて 生徒の記述内容から単語を抽出した クラス全体の傾向をつかむため 表層語ではなく単語の基本形を抽出した これは 表層語を抽出すると同じ単語で活用が異なるものが抽出されるからである 21 で抽出した単語について 重複している単語を除いた これについては 抽出した全単語について Excelを用いて重複した単語を除くマクロを作成した 3Excel のシートの 行 に 2で抽出した単語を置き 文章ごとにその単語が記述されていればそれをカウントし その数を 列 に示すマクロを作成した 43 で作成したデータをもとに コホネン (Ko honen,t.) 7) の自己組織化マップを用いて分析するExcelのマクロを作成し 単語間の関連をマップに示すようにした 自己組織化マップを用いたのは 分類を可視的連続的に表現できるという利点だけでなく 分類能力においても優れていることが指摘されているからである 8) 3. 分析方法自己組織化マップにおける分析の妥当性について 次のように検討することを考えた まず 生徒の記述内容について 直接定性的に分析し クラス全体としてどのような記述内容が多いかを明らかにした 次に 自己組織化マップを用いて単語の関連を分析し クラス全体としてどのような記述内容の傾向にあるかを分析した 以上の定性的分析と自己組織化マップに 2

3 おける結果の比較から 自己組織化マップによる分析の妥当性を検証することにした Ⅳ 開発したソフト 1. 単語の抽出とデータセット電熱線の直列つなぎについての生徒の予想と並列つなぎについての予想に分けて データを作成することにした 同じく わかったこと について 電熱線の直列つなぎと並列つなぎに分けてデータを作成した この直列つなぎと並列つなぎの予想 および直列つなぎと並列つな ぎのわかったことの 4 つそれぞれについて 生徒が記入したすべての文章を対象に 茶筌 を用いて単語の基本形および品詞を抽出した ( 図 2 参照 ) この段階で単語は重複している この出力された単語を データ 1 とする この データ 1 について Excel を用いて 品詞の 1 記号 2 助詞 3 助動詞 4 接続詞 5 未知語 6 フィラーと 茶筌 の文末記号 EOS の単語を削除し このデータを データ 2 とする データ 2 について重複している単語を除き 各単語とその単語の度数を出力するマクロを作成した ( 図 3 参照 ) この出力結果を データ 3 とする この データ 3 について 全文章の出現頻度が 1 以下のものを削除して 図 2 茶筌 の出力例 ( 一部 ) 図 4 各文章に含まれる単語数の処理 図 3 重複単語の処理 3

4 Excel の行に配置した ( 図 4 参照 ) データ 3 と データ 1 をもとに各文章に含まれる単語をカウントして この数を文章ごとに列に配置するマクロを作成した ( 図 4 参照 ) この出力結果を データ 4 とする 2. 自己組織化マップによる分析自己組織化マップ作成の Excel シートを図 5 に示した データ 4 をシートにセットし 単語数 には データ 4 の単語数を入力する データ数 は データ 4 の列数を入力する 最大値 は データ 4 の最大値を入力する 訓練回数 は 自己組織化マップ作成のための演算の繰り返し数を入力する 任意でよいが 今回は 10,000 程度とした 学習率 は 自己組織化においては一般的に 0.2 から 0.5 の値が用いられる 変更の幅 は演算にあたっての任意のセルの位置に対して結合強度を変更する幅を入力する 今回は のセルに単語を配置するので 3 から 8 くらいまでが妥当と考えられる 実行を押すと 現訓練数 に 訓練回数 になるまでカウントが表示され 演算経過が示される 演算が終了するとデータの下に 後に述べる図 6 から図 9 に示したようなマップが出力される 近くに分布した単語どうしは 関連して記述されているととらえることができる 図 5 自己組織化マップ作成シート Ⅴ 結果および考察 1. 記述内容の定性的分析結果および考察生徒の記述内容についてまとめたのが 表 1 から表 4 である まず 直列つなぎの予想について 暗くなると考える生徒が半数を超える 抵抗が大きくなる 流れにくくなる といった考えが多い また 変化がない という生徒もおり 理由は 電流の流れ や 速さ が変わらないというものである 表 2 より並列つなぎについての予想では 暗くなるという生徒が半数ほどおり 流れにくくなる 弱まる 抵抗が大きくなる といった考えである 次に変化なしといった生表 1 直列つなぎの予想 ( 人 ) 暗くなる人数計抵抗が大きくなる 5 流れにくくなる 2 電圧が弱まる 1 12 スピードや強さが弱くなる 1 根拠なし 3 変化なし 人数 計 電流の流れは同じ 3 一定の速さ 2 そのままの強さ 1 7 電気量に変化なし 1 記入なし 人数 計 言葉による記入なし 2 2 表 2 並列つなぎの予想 ( 人 ) 暗くなる 人数 計 枝分かれして流れにくい 2 強さが弱まる 2 抵抗が 2 倍 1 電圧が半分 1 10 無駄な電気を使う 1 距離が増える 1 根拠なし 2 変化なし 人数 計 半分になって元に戻る 2 電池の並列と同じ 2 5 平等に電気が流れる 1 明るくなる 人数 計 通り道が 2つでまとめて多く 3 なる2 倍になる 4 根拠なし不十分 1 記入なし 人数 計 言葉による記入なし 2 2 4

5 表 3 直列つなぎでわかったこと 現象 人数 理由 根拠 人数 暗くなる 9 抵抗が大きくなる 11 電流が弱くなる 9 電圧が弱まる 1 記入なし 5 スピードが弱まる 1 記入なし 8 表 4 並列つなぎでわかったこと 現象 人数 理由 根拠 人数 明るくなる 15 抵抗が小さくなる 7 電流が強くなる 10 電流の通り道が多くなる 4 記入なし 2 同じ強さの電流が分かれて集まる 3 記入なし 10 徒も 4 分の 1 ほどおり 分かれても元に戻る 表 5 根拠についての記述結果 ( 人 ) 記述内容 直列つ並列つなぎなぎ 現象から根拠の記述 8 5 根拠から現象の記述 4 5 現象のみ記述 4 7 根拠のみ記述 1 1 現象と根拠の対応不十分 0 2 記入なし 4 1 といった考えである 明るくなるという考えは 2 割程度であり 通り道が多くなる というものである 表 3 より直列つなぎでわかったことについては 半数の生徒が抵抗が大きくなるという理由や根拠を書いている 理由や根拠の記入のない生徒も 4 割近くいる 表 4 より並列つなぎでわかったことについては 抵抗が小さくなる 通り道が多くなる といった理由や根拠の記入が多くみられるが 理由や根拠の記入のない生徒も半数近くいる 表 5 は 現象と根拠の記述関係について示した表である 現象から根拠 を記述する例としては 豆電球が暗くなる 抵抗が大きい などがあげられる 根拠から現象 を記述する例としては 抵抗が大きくなったから暗くなった などがあげられる 直列つなぎ 並列つなぎとも 現象と根拠を記述している生徒は 半数程度である 現象のみや記述のない生徒も 多いといえる 2. 自己組織化マップの結果および考察自己組織化マップの結果については 図 6から図 9に示した その際 文章全体での出現頻度が6 以上の単語を網掛けで示した セルで仕切りが示されているところは 二重線 太線 さらに太い線の順で 近くに単語が配置していても隔たりがあることを示している 図 6より 直列つなぎの予想においては 全体として単語が分散している その中で つなげる と 暗い がやや近くにあり 関連して記述されていると考えられる また 電気 の近くに 変わる や 大きい 抵抗 があり 関連して記述されていると考えられる 図 7は 並列つなぎの予想についてであるが これも単語が分散している その中で 枝分かれ つなげる 暗い が近くにあり 関連して記述されていると考えられる また やや隔たりがあって 明るい といった相反する単語がある さらに 電流 の近くには少数であるが 半分 といった単語がある 図 8は 直列つなぎでわかったことについての記述であるが 抵抗 と 大きい がやや近くにあり関連して記述されていると考えられる また つなげる の近くに 暗い さらに 電流 の近くに 弱い といった単語がある 単語の関連から科学的に正しい記述であると考えられるが それぞれの記述内容は 分散しており それぞれの関連はやや弱いといえる 図 9は並列つなぎでわかったことについてであるが 単語が分散している つなげる の近くに 明るい があり 電流 とやや離れて 強い の単語がある また 抵抗 の近くに 小さい の単語がある 単語の関連から科学的に正しい記述であると考えられるが それぞれの記述内容は分散しており 直列つなぎの結果よりもさらに関連は弱いといえる 5

6 長い 思う 0 0 さ なる 暗い 0 0 にくい 流れる 電熱 明るい 0 0 電球, 豆 0 0 線 本 つな げる ため 通る 0 道筋 0 流れ 0 あまり, 変化 0 倍 電流 方 変わる スピード, 強い とき 電気 0 よう 0 する 0 0 分 大きい, 抵抗 図 6 直列つなぎ 予想 の自己組織化マップ なる 強い の 伝わ 0 0 る 電流 0 0 半分 0 0 速い 電熱 理由 0 0 流れ 0 0 その 0 線 る 思う 0 0 さ 0 0 弱い 0 ある 0 倍 分かれる にくい 0 よう つ 電気 つな ぎ 明るい 0 通る 0 道 0 いる 並列, 変化 暗い 0 つく, 長い 0 0 つなぐ とき する 同じ 0 0 枝分 本 かれ つな変げる 0 方 0 わる 0 豆, 電 球 図 7 並列つなぎ 予想 の自己組織化マップ以上の結果から 実験前においては とくに並列つなぎについては 科学的な考えとは異なる考えをもっていることがわかるが 実験後においては 科学的に正しい考えになっていることがわかる しかし どちらのつなぎ方においても 実験結果からわかったことについては抵抗と電流の強さ さらに豆電球の明るさなど それぞれの関連についての記述は弱く とくに並列つなぎにおいてはそれが顕著であるといえる とき 本 つなげる 暗い 比 べる 大き 長い 0 0 い 0 0 電球, さ 豆 思う 線 強い 抵抗 道 なる 倍 通る 0 弱い 0 電流 図 8 直列つなぎ わかったこと の自己組織化マップ 線, 電比強い 熱 0 0 べる 小さ抵抗 0 0 い 0 0 とき いる つなぐ さ 倍 分かれる 長い 0 0 思う 約 電流 本 流 電気 0 0 れる 通る, 道 電球, 豆 なる 通り 多い 0 0 道 枝分かれ 方 明る い つな げる する 0 0 図 9 並列つなぎ わかったとこと の自己組織化マップ 3. 自己組織化マップの妥当性の検討定性的な分析結果と自己組織化マップの結果を比較すると たとえば 直列つなぎの予想において 抵抗が大きく暗くなる という記述が多いが 自己組織化マップにおいても 大きい と 抵抗 が近くに配置されている 同様に 並列つなぎの予想 直列つなぎと並列つなぎのわかったことについても 定性的に分析した結果と自己組織化マップで示された単語の 6

7 関連には一致が認められる また 定性的な分析において現象と根拠の関連を書いている生徒は半数と少なかった このことについて 自己組織化マップでは 図 9 の並列つなぎでみられるように 電流 抵抗 明るい などの単語の関連にはお互いに距離があり 現象を示す単語 ( たとえば 明るい ) と根拠を示す単語 ( たとえば 抵抗 ) の関係性が十分でないことが示されている 以上のことから 自己組織化マップの分析における単語の関連性の結果は 生徒の記述した内容の定性的な分析結果と一致していると考えられる このことから 本研究における自己組織化マップによる生徒の記述内容の分析には 妥当性が認められると思われる 今後 文章の構文についても考慮したデータから自己組織化マップを作成すれば さらに詳細な分析が可能になると考えられ 検討課題としてあげられる 参考文献 1) リチャード ホワイト リチャード ガンストン : 子どもの学びを探る 1995 東洋館出版社 2) 松原静郎 : 中学校理科における指導法の改 善への提言 理科の教育 Vol.48 No ) 中山迅 猿田祐嗣 : 学習方法からの新教育課程への提言 -TIMSS の論述形式課題に対する日本の児童 生徒の回答分析から - 日本科学教育学会年会論文集 ) 中山迅 大塲裕子 猿田祐嗣 : 科学理論と現象を関係付ける力を育てる教育課程の必要性 - 酸化 燃焼に関する TIMSS 理科の論述形式課題に対する回答分析から - 科学教育研究 Vol.28 No ) 猿田祐嗣 : 小学校理科における指導法の改善への提言 理科の教育 Vol.48 No ) 猿田祐嗣 : 科学的論述力と指導法との関連について - 国際数学 理科教育動向調査 (TI MSS) の国際比較データから - 日本科学教育学会年会論文集 )T. コホネン : 自己組織化マップ シュプリンガー フェアラーク東京 8) 徳高平蔵他監修 : 自己組織化マップ応用事例集 SOM による可視化情報処理 海文堂 7

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