JP7635585B2 - 実験データ処理システム、データ処理装置、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、実験データ処理システム、データ処理装置、及びその処理に係るプログラムに関する。

卓上計算機の一種であるグラフ関数電卓は、連立方程式の計算や変数を用いた演算を行ったり、計算結果のグラフを描画してディスプレイに表示したりすることができる。センサへの接続機能を備えたグラフ関数電卓も普及しており、センサから取得したデータに基づいて、測定結果のグラフを描画してディスプレイに表示することができる（例えば、特許文献１）。

このようなグラフ関数電卓は、学校における理科の実験授業のような場面で用いられることが多い。例えば、学習者（生徒）が実験を行って測定されたデータを、データ収集用のデータロガーを介してグラフ関数電卓に送り、グラフ関数電卓に転送されたデータを別途設定された座標軸を有する座標系にプロットすることで、グラフを描画する。

また近年は、学校における授業や試験、個人学習などにおいて、コンピュータを用いて学習者をサポートする学習支援装置や、学習支援装置をネットワークで接続してシステム化した学習支援システムが広く用いられるようになっている（例えば、特許文献２）。

特開２００５－１０８５０号公報 特開２００４－５３７６６号公報

実験授業の目的は、実験を通して物理的や化学的な法則を理解することにあり、これを達成するためには、正しい実験結果を得ることが必要である。しかし、実験が正しく行われているか否かの判断根拠が明確ではなかったり、判断の精度にぶれが生じたりする場合があった。例えば、従来の実験結果の判断は、実際の実験の結果と、教科書や実験用テキストに記載された正しい（理想的な）実験結果とを、教員が目視で見比べる、という定性的な要素を多分に含んでいた。そして、学習者が多数の場合において、教員が全ての実験結果を確認するには手間と時間を要する。また、実験結果の判断を適切に行うには経験や熟練が必要であり、このような能力を備えた教員の育成や確保には多くの時間やコストがかかる。

また、学習者と教員が離れた状況にある遠隔的な実験授業の場合、学習者が得た実験結果を教員に提示することや、教員から学習者への実験結果の評価の提示といった一連の過程は、オンラインによる通信手段を利用した場合でも、ある程度の時間を要していた。

予め用意された選択肢から回答を選ぶシンプルな形式のテスト問題などについては、従来の学習支援システムでも、回答から正誤判定の通知までをコンピュータやネットワークを利用して自動化して、学習の効率化を実現できる。しかし、理科の実験のように、様々な要素が関係して結果に及ぼす影響が複雑である学習においては、既存の学習支援システムでは十分に対応できなかった。

以上のような問題点を解決するべく、本発明は、実験結果を定量的に判定して、学習効果を効率的に向上させることができる実験データ処理システム、データ処理装置、及びその処理に係るプログラムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る実験データ処理システムは、測定手段での測定を行う実験に用いる実験データ処理システムであって、
前記測定手段による測定内容を取得し、前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成する第１制御部を有するデータ処理装置と、
前記データ処理装置が出力した前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行う第２制御部を有する評価装置と、
を備え、
前記第２制御部は、前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる。

本発明の一態様に係るデータ処理装置は、制御部を有するデータ処理装置であって、
前記制御部は、
測定手段による測定内容を取得し、前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成し、
前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行い、
前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる。

本発明の一態様に係るプログラムは、通信可能に接続されたデータ処理装置と評価装置を含む実験データ処理システムが備える複数の制御部を動作させるプログラムであって、
前記データ処理装置の制御部によって、
測定手段による測定内容を取得させ、
前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成させ、
前記実験結果データを前記評価装置へ出力させ、
前記評価装置の制御部によって、
前記データ処理装置が出力した前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行わせ、
前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる。

本発明の一態様に係るプログラムは、データ処理装置の制御部によって、
測定手段による測定内容を取得させ、
前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成させ、
前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行わせ、
前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる。

上記の各態様によれば、実験結果を定量的に判定して、学習効果を効率的に向上させることができる。

実験データ処理システムの構成例を示すブロック図である。 実験データ処理システムを構成するグラフ関数電卓からタブレット端末に実験結果データを出力した状態を示す図である。 実験データ処理システムで実験結果が正しいと判定及び報知した場合を示す図である。 実験データ処理システムを構成するグラフ関数電卓からタブレット端末にエラー状態の実験結果データを出力した場合を示す図である。 実験データ処理システムで実験結果がエラー状態であると判定及び報知した場合を示す図である。 グラフ関数電卓における処理の流れを示すフローチャートである。 タブレット端末における処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のデータ処理装置と評価装置の実施形態であるグラフ関数電卓１０とタブレット端末３０を備えた実験データ処理システム１の構成例を示すブロック図である。図２から図５は、実験データ処理システム１の使用例を示す図である。

グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０は、通信部１７と通信部３５を介して相互に通信可能であり、通信部１７と通信部３５は互いの通信の規格に対応したものが搭載される。通信部１７と通信部３５の間の通信は、無線、有線のいずれで行ってもよい。また、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０を直接的に通信させてもよいし、ネットワーク４０を介した通信であってもよい。グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０の直接的な通信手段の一例として、スマートフォンなどに多く搭載されているタイプの近距離無線通信を用いることができる。また、ネットワーク４０をさらに外部のＷｅｂサーバ４１に接続させ、グラフ関数電卓１０やタブレット端末３０がＷｅｂサーバ４１との間で通信を行うようにしてもよい。

実験データ処理システム１は、例えば学校の理科の実験授業などで使用される。実験に参加する個々の学習者（生徒）が個別にグラフ関数電卓１０とタブレット端末３０を使用する。あるいは、複数人の学習者からなる学習グループで一台のグラフ関数電卓１０を共有してもよい。複数人でグラフ関数電卓１０を共有使用する場合は、後述する実験結果データに付加されるユーザ情報を用いて、グラフ関数電卓１０との間でデータの送受信が行われるタブレット端末３０が自動的に選択されるように管理してもよい。

グラフ関数電卓１０は卓上計算機の一種であり、一般的な関数電卓としての計算機能に加えて、測定手段である各種のセンサ２１で測定したデータ（測定内容）をデータロガー２０を介して取得する機能（データ取得機能）、取得したデータに基づいて実験結果データを生成する機能（実験結果データ生成機能）、実験結果データをタブレット端末３０へ出力する機能（実験結果データ出力機能）、を有している。

タブレット端末３０は携帯可能な情報端末の一種であり、一般的なタブレット端末としての機能に加えて、グラフ関数電卓１０から出力された実験結果データを受信して取得する機能（実験結果データ取得機能）、グラフ関数電卓１０から受信した実験結果データに基づいて実験結果を評価する機能（実験評価機能）、評価の結果を報知する機能（報知機能）、を有している。

グラフ関数電卓１０の電子回路の概略構成を図１に示した。グラフ関数電卓１０では、図１のブロック図に含まれる構成要素が協働して制御部として機能する。グラフ関数電卓１０の電子回路は、コンピュータであるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１を備えており、ＣＰＵ１１には、入力部１２、表示部１３、メモリ１４、記録媒体読取部１５、データ取得部１６、通信部１７が接続している。

入力部１２はユーザの操作を受け付ける部分である。図２から図５に示すように、入力部１２を構成する要素として、グラフ関数電卓１０の筐体前面側に押し込み可能な複数個のキー（ハードウェアキー）を備えている。これらのキーをユーザが操作することにより、数値、演算記号、関数といった演算に関係する指示、アプリケーションの実行指示、グラフ関数電卓１０の設定に関する指示などが、所定の操作信号としてＣＰＵ１１に入力される。

図２から図５に示すように、表示部１３の表示面がグラフ関数電卓１０の筐体前面側に配されている。表示部１３は、文字や記号や画像などをドットマトリクス方式で表示面に表示する表示デバイスと、ＣＰＵ１１の制御に基づいて表示デバイスに表示（描画）を行わせるディスプレイドライバとを備えている。表示デバイスとして、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）やＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などが用いられる。表示部１３に用いる表示デバイスの種類はこれに限定されず、後述するグラフなどの情報表示が可能なものであればよい。

本実施形態の入力部１２のようなハードウェアキーによる入力部に代えて（あるいは併用して）、別種の入力部を用いることも可能である。一例として、表示部１３の表示面がタッチパネル式の入力部を兼ねるように構成したり、音声操作用の音声入力マイクを備えたりしてもよい。

メモリ１４は、読み出し専用の半導体メモリであるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）や、ランダムアクセス可能な半導体メモリであるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）で構成されている。ＲＯＭには各種の処理プログラムが記憶されている。ＣＰＵ１１は、入力部１２からの操作信号に応じて、ＲＯＭからプログラムを読み出して実行することにより、グラフ関数電卓１０を統括的に制御する。ＲＡＭは、ＣＰＵ１１がプログラムを実行する際に、プログラムやデータ（例えば、演算の際における数値など一時的なデータ）の作業領域として使用される。

メモリ１４にはユーザ情報保存領域が確保されており、グラフ関数電卓１０を使用するユーザを識別するユーザ情報を記憶させることができる。

メモリ１４に記憶された処理プログラムには、グラフ関数電卓１０を実験データ処理システム１の構成要素として機能させるための実験支援プログラム１４ａ（実験授業用アプリケーション）が含まれている。実験支援プログラム１４ａは、グラフ関数電卓１０に予め記憶されたプリインストール型でもよいし、ユーザが後からグラフ関数電卓１０にインストール可能な形態で配布してもよい。グラフ関数電卓１０は、ＣＰＵ１１が実験支援プログラム１４ａに記述された命令に従って各部の動作を制御することによって、データ取得機能、実験結果データ生成機能、実験結果データ出力機能を実現する。

記録媒体読取部１５は、グラフ関数電卓１０に取り付けたメモリカードなどの外部記録媒体に対するデータの読み書きを行う。実験支援プログラム１４ａなどのプログラムを、外部記録媒体に記憶させてグラフ関数電卓１０に入力してもよい。また、グラフ関数電卓１０で生成した実験結果データを、外部記録媒体に出力できるようにしてもよい。

データ取得部１６は、データロガー２０との接続用のインターフェースである。データロガー２０は、電圧、電流、圧力、温度、水素イオン指数（ｐＨ）、音圧、光などの特定の科学的特性を測定してデータを収集するものである。

データロガー２０には測定手段であるセンサ２１が接続する。データロガー２０は、センサ２１を接続するための複数のチャネルＣＨ１、チャネルＣＨ２…と、センサ２１から入力された測定データを記憶するデータメモリ２２と、グラフ関数電卓１０に接続するための接続インターフェース２３と、を備えている。

本実施形態は、チャネルＣＨ１に電流センサ２１ａを接続し、チャネルＣＨ２に電圧センサ２１ｂを接続して、電気回路における電流と電圧の測定を行う実験を行う場合を例示している。電流センサ２１ａによって測定された電流値と、電圧センサ２１ｂによって測定された電圧値が、チャネルＣＨ１とチャネルＣＨ２を介してデータロガー２０に入力される。入力された電流と電圧のそれぞれの測定データは、データメモリ２２に一時的に記憶される。なお、実験における測定対象は電流や電圧に限定されるものではなく、データ化が可能な何らかの測定を測定手段によって行うものであれば、様々な内容の実験に本発明を適用できる。

グラフ関数電卓１０のデータ取得部１６とデータロガー２０の接続インターフェース２３は、通信ケーブル２４によって相互にデータ通信可能に接続される。なお、グラフ関数電卓１０とデータロガー２０の通信の形態はこれに限定されるものではなく、通信ケーブル２４による有線接続に代えて、無線接続によってデータ通信を行うようにしてもよい。

グラフ関数電卓１０の実験支援プログラム１４ａにおけるデータ取得機能は、グラフ関数電卓１０とデータロガー２０がデータ通信可能に接続された状態で、データメモリ２２に記憶された測定データをグラフ関数電卓１０に取り込むように通信を制御する。データロガー２０からグラフ関数電卓１０に入力された測定データは、メモリ１４のデータ記憶領域に記憶される。

なお、本実施形態ではグラフ関数電卓１０とデータロガー２０を別体としているが、データロガー２０に相当する構成及び機能がグラフ関数電卓１０に内蔵（一体化）されていてもよい。この場合、データ取得部１６に対してセンサ２１を直接に接続し、センサ２１による測定データをグラフ関数電卓１０のメモリ１４に直接的に記憶させることができる。

グラフ関数電卓１０の実験支援プログラム１４ａにおける実験結果データ生成機能は、データロガー２０を介して取得した測定データに基づいて、実験結果を表すグラフを描画して表示部１３に表示させる。このグラフの描画処理が実験結果データの生成である。つまり、実験結果データの生成とは、測定手段であるセンサ２１の測定内容を所定のフォーマットでデータ処理して、実験の結果を評価可能な形にする処理である。例えば、縦軸を電流、横軸を電圧とした座標系に、電流センサ２１ａと電圧センサ２１ｂから取得した電流値と電圧値をプロットすることによって、グラフを生成することができる。そして、この実験結果グラフＧ１（図２参照）を表示部１３の表示面に描画（表示）させる。

以上のように、グラフ関数電卓１０は、センサ２１による測定データを取得して、実験結果グラフの描画などのデータ処理を行うことができ、単体としての実験支援機能を有している。さらに、以下に説明するように、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０を連係させることで、より高度で利便性に優れた実験支援機能を得ることができる。

グラフ関数電卓１０の実験支援プログラム１４ａにおける実験結果データ出力機能は、グラフ関数電卓１０で生成した実験結果データ（実験結果グラフＧ１）を通信部１７へ出力し、実験結果データをタブレット端末３０に送信させる。グラフ関数電卓１０からタブレット端末３０に送信される実験結果データは、タブレット端末３０側で後述する実験結果の比較評価が行えるものであればよい。例えば、データロガー２０から取得した元の測定データに、センサ２１の種類情報や、実験結果グラフＧ１を描画する際に用いたグラフ描画フォーマットデータを付加したものを実験結果データとして出力してもよい。

さらに、グラフ関数電卓１０が出力する実験結果データには、タイムスタンプやユーザ情報を付加してもよい。一台のグラフ関数電卓１０を複数人で共用する場合、複数台のタブレット端末３０のうち、グラフ関数電卓１０側が出力するユーザ情報に合致するタブレット端末３０だけに実験結果データが送信されるように通信を管理することができる。

タブレット端末３０の電子回路の概略構成を図１に示した。タブレット端末３０では、図１のブロック図に含まれる構成要素が協働して制御部として機能する。タブレット端末３０の電子回路は、コンピュータであるＣＰＵ３１と、タッチパネル付きの表示部３２、メモリ３３、記録媒体読取部３４、通信部３５を備えている。

表示部３２は、グラフ関数電卓１０における表示部１３と同様にドットマトリクス方式の表示デバイスを備えており、文字や記号や画像など各種の表示を行う。表示部３２は、ユーザの操作を受け付ける入力部でもあり、表示部３２を通じて行ったユーザの操作が、所定の操作信号としてＣＰＵ３１に入力される。

メモリ３３には各種の処理プログラムが記憶されている。ＣＰＵ３１は、表示部３２からの操作信号に応じて、メモリ３３からプログラムを読み出して実行することにより、タブレット端末３０を統括的に制御する。

メモリ３３に記憶された処理プログラムには、タブレット端末３０を実験データ処理システム１の構成要素として機能させるための実験支援プログラム３３ａ（実験授業用アプリケーション、電子教科書アプリケーション）が含まれている。この実験支援プログラム３３ａは、タブレット端末３０に予め記憶されたプリインストール型でもよいし、ユーザが後からタブレット端末３０にインストール可能な形態で配布してもよい。タブレット端末３０は、ＣＰＵ３１が実験支援プログラム３３ａに記述された命令に従って各部の動作を制御することによって、実験結果データ取得機能、実験評価機能、報知機能を実現する。

メモリ３３には、電子教科書データ３３ｂが保存される。タブレット端末３０に電子教科書データ３３ｂが予め保存されていてもよいし、ネットワーク４０やＷｅｂサーバ４１からのダウンロードなどによって電子教科書データ３３ｂを提供してもよい。電子教科書データ３３ｂは、ＰＤＦ（Ｐｏｒｔａｂｌｅ Ｄｏｃｕｍｅｎｔ Ｆｏｒｍａｔ）などの電子文書フォーマットで作成されており、実験授業のページを含んでいる。実験授業のページには、実験の目的や手順を示す内容が記述されており、学習者は当該ページを参照しながら、実験の準備や作業を行う。

図２から図５には、電子教科書データ３３ｂにおける実験授業のページをタブレット端末３０の表示部３２に表示した状態を示している。実験授業のページの一部には報知領域３３ｃが設定されている。報知領域３３ｃは、実験の進行や実験結果の評価に伴って表示内容を動的に変更可能な部分である。報知領域３３ｃの表示内容の変更は、実験支援プログラム３３ａの制御により行われる。

電子教科書データ３３ｂにはさらに、模範実験結果データが格納されている。模範実験結果データとは、予め設定（予測や想定）された実験結果に関するデータであり、ある実験について「このような条件で実験を行った場合に、このような実験結果が得られる」という、実験の前提条件と結果の関係を類型化したものである。模範実験結果データは、グラフ関数電卓１０が出力する実験結果データのグラフとデータフォーマットが共通化されたグラフとして記憶される。具体的には、実験結果データのグラフと模範実験結果データのグラフは、折れ線グラフや棒グラフのような各種のグラフのうちから同じ表現のグラフを用いており、さらに縦軸や横軸の目盛り幅や単位を同じにしており、一致度の比較評価が可能な状態で生成される。このような関係のグラフを共通フォーマットのグラフとする。そして、グラフ関数電卓１０が実験結果データとしてグラフデータ（実験結果グラフＧ１）を出力する場合、電子教科書データ３３ｂには、実験結果データのグラフと共通フォーマットのグラフデータが模範実験結果データとして格納される。なお、模範実験結果データについては、実験前や実験中の状態では学習者が閲覧できないように設定してもよい。

電子教科書データ３３ｂに格納する模範実験結果データには、少なくとも、実験での測定が正しく行われた場合（理想値）の実験結果を示す模範実験結果データ（以下、理論値実験データと呼ぶ）が含まれている。

記録媒体読取部３４は、タブレット端末３０に取り付けたメモリカードなどの外部記録媒体に対するデータの読み書きを行う。実験支援プログラム３３ａなどのプログラムや電子教科書データ３３ｂを、外部記録媒体に記憶させてタブレット端末３０に入力してもよい。

通信部３５は、グラフ関数電卓１０の通信部１７に対応する通信規格や通信インターフェースを備えており、グラフ関数電卓１０との間で相互にデータ通信を行うことができる。

タブレット端末３０の実験支援プログラム３３ａにおける実験結果データ取得機能は、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０がデータ通信可能な状態で、グラフ関数電卓１０から送信された実験結果データをタブレット端末３０に取り込むように通信を制御する。グラフ関数電卓１０からタブレット端末３０に入力された実験結果データは、メモリ３３のデータ記憶領域に記憶される。

タブレット端末３０の実験支援プログラム３３ａにおける実験評価機能は、電子教科書データ３３ｂの内容を参照して、タブレット端末３０に入力された実験結果データに基づく実験結果の評価を行う。

具体的には、実験支援プログラム３３ａは、グラフ関数電卓１０と同様のグラフ描画機能を備えており、グラフ関数電卓１０から入力された実験結果データから実験結果グラフを描画させる。図２の例では、表示部３２のうち実験授業のページの報知領域３３ｃに、実験結果グラフＧ１を表示させている。

そして、実験支援プログラム３３ａにおける実験評価機能は、電子教科書データ３３ｂに模範実験結果データとして格納されている理想的な実験結果を示す理論値実験データのグラフと、実際の測定データに基づいて得られた実験結果データである実験結果グラフＧ１とを比較し、その一致度を計算する。一致度の計算には最小二条法などを用いることができる。一致度に基準値（閾値）を設定し、基準値以上の高い一致度の場合には、正しい実験結果であると判定する。一方、一致度が基準値に満たない場合には、誤った実験結果であると判定する。このようにして、実験結果データに対する正誤判定を行う。なお、基準値のレベルや、判定に用いるグラフの範囲の選択といった要素は、実験の種類、実験の目的、実験に求められる精度などに応じて適宜設定可能である。

タブレット端末３０の実験支援プログラム３３ａにおける報知機能は、実験評価機能による上記の判定結果をユーザ（学習者）に報知するものである。例えば、図３では、表示部３２を報知手段として用いており、正しい実験結果であるという判定内容を示す「ＯＫ」の文字を表示部３２の報知領域３３ｃに表示する報知形態を示している。誤った実験結果であると判定した場合には、表示部３２の報知領域３３ｃに「ＮＧ」の表示を行う（図５参照）。判定内容を示す表示はこのような文字情報に限られるものではなく、記号やアイコン、点滅や点灯、実験結果グラフの表示色の変更、などによる報知も可能である。表示部３２への報知によって、実験を行った学習者は、実験が適切に行われたか否かの判定結果を迅速に得ることができる。

また、表示部３２上への表示以外の報知手段として、タブレット端末３０が備えるスピーカーを用いた音声による報知、タブレット端末３０が備えるバイブレータを用いた振動による報知などを用いることも可能である。

電子教科書データ３３ｂに格納される模範実験結果データは、正しい実験結果を示す理論値実験データだけではなく、実験方法などを間違えていて測定が正しく行われていない場合（エラー状態）の模範実験結果データ（以下、エラー実験データと呼ぶ）を格納してもよい。特に、エラー状態に至る原因をエラー実験データと関連づけて、エラーの原因とその結果が類型化された形でデータベース化されていることが望ましい。

そして、実験支援プログラム３３ａにおける実験評価機能は、上述した理論値実験データと実験結果データ（理論値と実験値）の比較に加えて、エラー実験データと実験結果データの比較を行う。例えば、エラー実験データは、実験結果データと共通フォーマットのグラフデータとして作成されており、グラフの一致度を評価基準として判定される。一致度が基準値以上で、実験結果データがエラー実験データに相当すると判定された場合は、当該エラー実験データからエラー状態の原因（実験方法の誤り）が推定できる。これを受けて、実験支援プログラム３３ａにおける報知機能は、実験結果の正誤判定に加えて、エラー状態に関する報知をユーザ（学習者）に行う。

例えば、図４は、電流センサ２１ａと電圧センサ２１ｂを、測定対象の回路に対する正しい接続先とは逆に接続してしまった場合の実験結果を示している。グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０には、正しい実験結果である実験結果グラフＧ１とは異なる実験結果グラフＧ２が描画されている。

電子教科書データ３３ｂには、エラー実験データの類型の一つとして、電流センサ２１ａと電圧センサ２１ｂの接続先を逆にした場合のグラフデータが、その原因を示す情報と共に格納されている。実験支援プログラム３３ａにおける実験評価機能は、まず、理論値実験データのグラフとの比較によって、実験結果グラフＧ２は正しい実験結果ではないと判定する。さらに、エラー実験データのグラフデータと実験結果グラフＧ２を比較して一致度を計算し、一致度が基準値以上である場合に、電流センサ２１ａと電圧センサ２１ｂの接続先が逆であることが実験結果の誤りの原因であると判定する。

この判定を受けて、タブレット端末３０の実験支援プログラム３３ａにおける報知機能は、図５に示すように、表示部３２のうち実験授業のページの報知領域３３ｃに、エラー状態に関する報知を行わせる。具体的には、誤った実験結果であることを示す「ＮＧ」の文字表示に加えて、誤りの原因と改善のためのアドバイスを文字情報として表示する。これにより、学習者が迅速且つ詳細に実験方法の誤りを知ることができる。

エラー状態に関する報知は、表示部３２への表示の他に、タブレット端末３０が備えるスピーカーを用いた音声などによって行うことも可能である。また、報知手段による複雑な情報の伝達が難しい場合には、様々なエラー状態に対応するエラーコード（数桁の数字とアルファベットの組み合わせなど）を準備しておき、報知手段はエラーコードの報知のみを行うようにしてもよい。また、エラーコードとその意味を電子教科書データ３３ｂに記述しておいてもよい。

本実施形態では、電流センサ２１ａと電圧センサ２１ｂの接続先を間違えた場合を例示したが、想定されるエラー状態は実験の種類や手順に応じて様々であり、上記の例に限定されるものではない。ごく一例であるが、回路に取り付ける抵抗の値を誤った場合、温度センサによる測定で摂氏と華氏の設定を間違えた場合、圧力センサによる測定で空気漏れが生じている場合など、様々なエラー状態が存在する。実験における全てのエラー状態を網羅することは困難であるため、多くの学習者にとって誤りが生じやすく、エラー状態がエラー実験データに現れやすい（実験の誤りを判定しやすい）代表的な状況をピックアップして電子教科書データ３３ｂに格納するのが現実的である。

本発明における実験結果の比較評価や評価の報知とは、理論値実験データと実験結果データの比較による正誤の判定と報知に加えて、エラー実験データと実験結果データの比較によるエラー状態の類型判定や、エラー状態の原因や改善に関する報知を含む概念である。

以上のように、本実施形態の実験データ処理システム１では、実験支援プログラム１４ａ、３３ａの連携によりグラフ関数電卓１０とタブレット端末３０のそれぞれの制御部を動作させ、センサ２１から取得した測定内容に基づいてグラフ関数電卓１０で生成した実験結果データのグラフと、電子教科書データ３３ｂに組み込まれている模範実験結果データ（理論値実験データ、エラー実験データ）のグラフとの一致度比較によって、実験結果を評価し、その評価内容を報知する。これにより、教員の目視による確認などの定性的判断に頼らずに、実験結果の正しさの判定を定量的に行うことが可能になる。例えば、実験結果の評価に習熟した教員が不在の場合でも、実験結果が正しいか否かを確実に知ることができる。また、教員の数に対して学習者が多数の場合でも、各々の学習者に対して、平等な評価基準による実験結果の評価が迅速に提供されるので、実験の学習効率を向上させることができる。

図６及び図７のフローチャートを参照して、実験データ処理システム１による処理の一例を説明する。なお、以下の説明において制御や処理の主体が明示されていない場合、グラフ関数電卓１０においてはＣＰＵ１１、タブレット端末３０においてはＣＰＵ３１が、制御部を制御して処理を行っているものとする。

図６は、グラフ関数電卓１０における処理を示している。この処理の開始段階で、実験は完了しており、センサ２１を介して得た測定データがデータロガー２０のデータメモリ２２に記憶されている。ユーザが入力部１２を操作してグラフ関数電卓１０での実験支援プログラム１４ａの実行を指示することで、図６に示す処理が開始される。以降の処理は、実験支援プログラム１４ａに記述された命令に従ってＣＰＵ１１が各部の動作を制御することによって行われる。

ステップＳ１００では、グラフ関数電卓１０とデータロガー２０の間でデータ通信可能な状態かをチェックする。データ通信が可能ではない場合（ステップＳ１００：ＮＯ）、データロガー２０との通信確立まで待機する。このとき、データロガー２０との接続確認をユーザに促すメッセージ類を表示部１３に表示させてもよい。データ通信可能な状態である場合（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ステップＳ１０１に進み、データロガー２０からの測定データの取り込みを実行して、メモリ１４に測定データを記憶させる。

続いてステップＳ１０２に進み、メモリ１４に記憶した測定データに基づいて実験結果グラフを描画させ、表示部１３への実験結果グラフの表示を実行する。正しく実験が行われた場合には、図２及び図３に示す実験結果グラフＧ１となり、実験が誤って行われた場合には、図４及び図５に示す実験結果グラフＧ２のようなグラフになる。

実験結果グラフを描画した後、ステップＳ１０３において、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０の間でデータ通信可能な状態かをチェックする。データ通信が可能ではない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、タブレット端末３０との通信確立まで待機する。このとき、タブレット端末３０との接続確認をユーザに促すメッセージ類を表示部１３に表示させてもよい。データ通信可能な状態である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、ステップＳ１０４に進み、実験結果グラフを含む実験結果データをタブレット端末３０に送信する。

図７は、タブレット端末３０における処理を示している。ユーザが表示部３２のタッチパネルを操作してタブレット端末３０での実験支援プログラム３３ａの実行を指示することで、図７に示す処理が開始される。なお、電子教科書データ３３ｂを実験支援プログラム３３ａと関連付けておき、電子教科書データ３３ｂのファイルを開いたり、表示部３２に表示された電子教科書の所定箇所にタッチしたりすると、実験支援プログラム３３ａが実行されるようにしてもよい。以降の処理は、実験支援プログラム３３ａに記述された命令に従ってＣＰＵ３１が各部の動作を制御することによって行われる。

ステップＳ２００では、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０の間でデータ通信可能な状態かをチェックする。データ通信が可能ではない場合（ステップＳ２００：ＮＯ）、グラフ関数電卓１０との通信確立を待機する。このとき、グラフ関数電卓１０との接続確認をユーザに促すメッセージ類を表示部３２に表示させてもよい。データ通信可能な状態である場合（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、ステップＳ２０１に進み、グラフ関数電卓１０からの実験結果データ（実験結果グラフ）の取り込みを実行して、メモリ３３に実験結果データ（実験結果グラフ）を記憶させる。

続いてステップＳ２０２に進み、グラフ関数電卓１０から取得した実験結果データのグラフと、電子教科書データ３３ｂに格納された模範実験結果データのうち理論値実験データのグラフとの一致度を判定する。一致度が基準値以上である場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、正しい実験結果であると判定してステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、正しい実験結果であることを示す表示を表示部３２に行う（図３参照）。

実験結果データのグラフと理論値実験データのグラフの一致度が基準値に満たない場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、誤った実験結果であると判定してステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４では、グラフ関数電卓１０から取得した実験結果データのグラフと、電子教科書データ３３ｂに格納された模範実験結果データのうちエラー実験データのグラフとの一致度を判定する。エラー実験データのグラフが複数存在する場合には、個々のエラー実験データのグラフとの一致度判定を順次行う。

実験結果データのグラフとエラー実験データのグラフ（エラー実験データのグラフが複数存在する場合には、そのいずれか）の一致度が基準値以上である場合（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、ステップＳ２０５へ進む。ここでは、実験結果データとの一致が判明したエラー実験データがあるので、当該エラー実験データに関連付けられたエラー状態の情報を参照することで、実験方法の誤りの内容や改善のためのアドバイスをユーザに知らせることができる。従って、ステップＳ２０５では、誤った実験結果であることに加えて、エラー状態に関する情報を含む表示を表示部３２に行う（図５参照）。

実験結果データのグラフとエラー実験データのグラフ（エラー実験データのグラフが複数存在する場合には、その全て）の一致度が基準値に満たない場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、ステップＳ２０６へ進む。ここでは、実験結果データとの一致が判明したエラー実験データが無く、実験の誤りの詳細までは識別できないため、ステップＳ２０６では、誤った実験結果であることを示す表示のみを表示部３２に行う。

ステップＳ２０３、ステップＳ２０５、ステップＳ２０６のいずれかで実験結果に関する評価内容の報知（表示部３２への表示）を行ったら、タブレット端末３０での実験支援プログラム３３ａの処理を終え、図７のフローチャートから抜ける。

本実施形態の実験データ処理システム１では、データ処理装置であるグラフ関数電卓１０が、センサ２１による測定内容を取得するデータ取得機能と、取得した測定内容からグラフなどの所定のフォーマットの実験結果データを生成する実験結果データ生成機能を有している。評価装置であるタブレット端末３０は、グラフ関数電卓１０から受信した実験結果データに基づいて実験結果を評価する実験評価機能を有している。このような形態でグラフ関数電卓１０とタブレット端末３０に機能分担させることには利点がある。

入力されたデータを処理してグラフ描画を行うグラフ関数電卓は、既に実用化されて流通している。そのため、グラフ関数電卓１０において、ベースとなる測定内容のデータ処理については既存のグラフ関数電卓の技術を利用することができ、汎用性が高い。そして、実験データ処理システム１におけるグラフ関数電卓１０の役割は、実験結果データをタブレット端末３０へ出力するまでとなるため、グラフ関数電卓１０における処理や制御の負担を小さくすることができる。

タブレット端末３０には、実験結果データとの比較検討の対象となる模範実験結果データを含む電子教科書データ３３ｂが保存されている。電子教科書データ３３ｂの実験授業のページは、閲覧性の良さやハードウェア性能などの観点から、表示面が大きい表示部３２を有するタブレット端末３０で閲覧することが適している。また、想定される実験の失敗例が多くなるほど、模範実験結果データに含まれるエラー実験データのデータ量が多くなり、これに応じて電子教科書データ３３ｂのデータ量や、実験結果データの比較評価を行う際の処理負担が増大する。従って、実験データ処理システム１において、グラフ関数電卓１０よりも高い処理性能を持たせやすいタブレット端末３０を評価装置として用いることが適している。

以上の実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。以下、上記実施形態とは異なる変形例を説明する。

上記実施形態では、グラフ関数電卓１０においてグラフ形式の実験結果データを生成している。グラフ化することで実験結果の視認性や判定の行いやすさが向上する。しかし、実験結果データをグラフ以外の形式で生成してもよい。例えば、グラフ関数電卓１０において表形式の実験結果データを生成することも可能である。この場合、タブレット端末３０で実験結果データの評価の際に参照される模範実験結果データも表形式のものにする。

上記実施形態では、実験結果データに対する評価内容の報知をタブレット端末３０で行っているが、評価内容の報知をグラフ関数電卓１０で行ってもよい。例えば、図７のフローチャートのステップＳ２０３、Ｓ２０５、Ｓ２０６の前に、評価内容（判定結果）をタブレット端末３０からグラフ関数電卓１０に送信するステップを加えることで、ステップＳ２０３、Ｓ２０５、Ｓ２０６での報知をグラフ関数電卓１０の表示部１３などで行う（表示部１３を報知手段にする）ようにできる。また、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０の両方で評価内容の報知を行わせることもできる。

上記実施形態では、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０の間のデータ移動は、通信部１７と通信部３５を介した無線又は有線接続で行うものとした。これとは異なり、記録媒体読取部１５と記録媒体読取部３４に着脱される外部記録媒体を用いて実験結果データなどの移動を行わせることも可能である。

また、グラフ関数電卓１０とタブレット端末３０の間のデータ移動は、電子データの送受以外で行ってもよい。例えば、実験結果データに対応する内容を、グラフや二次元コードなどの形式でグラフ関数電卓１０の表示部１３に表示し、当該表示内容をタブレット端末３０のカメラ機能で撮影し、撮影した画像を画像処理してデータ化することでタブレット端末３０が実験結果データを取得してもよい。

実験データ処理システムにおけるデータ処理装置は、専用のグラフ関数電卓１０として構成する他に、実験結果データの生成機能や出力機能を有する（実験支援プログラム１４ａに相当するプログラムが実装された）スマートフォン、携帯情報端末、パーソナルコンピュータなどとして構成することができる。

実験データ処理システムにおける評価装置は、データ処理装置（グラフ関数電卓１０）と直接的に通信可能なタブレット端末３０として構成する他に、ネットワーク４０を介してグラフ関数電卓１０やタブレット端末３０との通信を行うＷｅｂサーバ４１（図１参照）として構成することも可能である。例えば、実験結果データをグラフ関数電卓１０やタブレット端末３０からＷｅｂサーバ４１に送信し、Ｗｅｂサーバ４１上で実験結果データと模範実験結果データの比較評価を行い、評価結果をＷｅｂサーバ４１からグラフ関数電卓１０やタブレット端末３０に送信して表示させる。この場合、電子教科書データ３３ｂは、タブレット端末３０ではなくＷｅｂサーバ４１に保存されていてもよい。

さらなる変形例として、電子教科書データを保存しているタブレット端末３０やＷｅｂサーバ４１などから、グラフ関数電卓１０に相当するデータ処理装置へ模範実験結果データ（理論値実験データ、エラー実験データ）を送信して、実験結果データと模範実験結果データの比較評価をデータ処理装置の側で行うことも可能である。この場合、上記の実施形態でタブレット端末３０（評価装置）が担っていた実験評価機能をデータ処理装置が備えるので、独立した構成の評価装置を省略することもできる。例えば、タブレット端末３０は電子教科書データの閲覧には用いられるが、実験結果データの生成とその評価までの処理は、タブレット端末３０ではなくグラフ関数電卓１０（あるいはグラフ関数電卓１０に代わるスマートフォンなど）で完結させる、といった態様が可能である。グラフ関数電卓１０で行った実験結果データの評価内容は、グラフ関数電卓１０自身の表示部１３に表示してもよいし、タブレット端末３０に送信して表示部３２に表示させてもよい。

以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［付記１］
測定手段での測定を行う実験に用いる実験データ処理システムであって、
前記測定手段による測定内容を取得し、前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成するデータ処理装置と、
前記データ処理装置が出力した前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行う評価装置と、
を備えることを特徴とする実験データ処理システム。
［付記２］
前記評価装置による評価内容を報知させる報知手段を備えることを特徴とする付記１に記載の実験データ処理システム。
［付記３］
前記評価装置は、前記比較評価において、少なくとも、実験での測定が正しく行われた場合の前記模範実験結果データを参照して前記実験結果データの正誤判定を行い、前記報知手段に前記正誤判定の結果を報知させることを特徴とする付記２に記載の実験データ処理システム。
［付記４］
前記評価装置は、前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、前記報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせることを特徴とする付記３に記載の実験データ処理システム。
［付記５］
前記報知手段は、前記判定装置に設けられて前記実験結果データのグラフを表示可能な表示部を含んでいることを特徴とする付記２から４のいずれかに記載の実験データ処理システム。
［付記６］
前記報知手段は、前記データ処理装置に設けられて前記実験結果データのグラフを表示可能な表示部を含んでいることを特徴とする付記２から４のいずれかに記載の実験データ処理システム。
［付記７］
制御部を有するデータ処理装置であって、
前記制御部は、
測定手段による測定内容を取得し、前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成し、
前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行う評価装置へ前記実験結果データを出力することを特徴とするデータ処理装置。
［付記８］
制御部を有するデータ処理装置であって、
前記制御部は、
測定手段による測定内容を取得し、前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成し、
前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行うことを特徴とするデータ処理装置。
［付記９］
通信可能に接続されたデータ処理装置と評価装置を含む実験データ処理システムが備える複数の制御部を動作させるプログラムであって、
前記データ処理装置の制御部によって、
測定手段による測定内容を取得させ、
前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成させ、
前記実験結果データを前記評価装置へ出力させ、
前記評価装置の制御部によって、
前記データ処理装置が出力した前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行わせる、
ことを特徴とするプログラム。
［付記１０］
データ処理装置の制御部によって、
測定手段による測定内容を取得させ、
前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成させ、
前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行う評価装置へ前記実験結果データを出力させる、
ことを特徴とするプログラム。
［付記１１］
データ処理装置の制御部によって、
測定手段による測定内容を取得させ、
前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成させ、
前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行わせる、
ことを特徴とするプログラム。

１ 実験データ処理システム
１０ グラフ関数電卓（データ処理装置）
１１ ＣＰＵ
１２ 入力部
１３ 表示部
１４ メモリ
１４ａ 実験支援プログラム
１６ データ取得部
１７ 通信部
２０ データロガー
２１ センサ（測定手段）
３０ タブレット端末（評価装置）
３１ ＣＰＵ
３２ 表示部（報知手段）
３３ メモリ
３３ａ 実験支援プログラム
３３ｂ 電子教科書データ
３３ｃ 報知領域
３５ 通信部
４０ ネットワーク
４１ Ｗｅｂサーバ

Claims (7)

1. 測定手段での測定を行う実験に用いる実験データ処理システムであって、
   前記測定手段による測定内容を取得し、前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成する第１制御部を有するデータ処理装置と、
   前記データ処理装置が出力した前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行う第２制御部を有する評価装置と、
   を備え、
   前記第２制御部は、前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる、
   ことを特徴とする実験データ処理システム。
2. 前記第２制御部は、前記比較評価において、少なくとも、実験での測定が正しく行われた場合の前記模範実験結果データを参照して前記実験結果データの正誤判定を行い、前記報知手段に前記正誤判定の結果を報知させることを特徴とする請求項１に記載の実験データ処理システム。
3. 前記報知手段は、前記評価装置に設けられて前記実験結果データのグラフを表示可能な表示部を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の実験データ処理システム。
4. 前記報知手段は、前記データ処理装置に設けられて前記実験結果データのグラフを表示可能な表示部を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の実験データ処理システム。
5. 制御部を有するデータ処理装置であって、
   前記制御部は、
   測定手段による測定内容を取得し、前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成し、
   前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行い、
   前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる、
   ことを特徴とするデータ処理装置。
6. 通信可能に接続されたデータ処理装置と評価装置を含む実験データ処理システムが備える複数の制御部を動作させるプログラムであって、
   前記データ処理装置の制御部によって、
   測定手段による測定内容を取得させ、
   前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成させ、
   前記実験結果データを前記評価装置へ出力させ、
   前記評価装置の制御部によって、
   前記データ処理装置が出力した前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行わせ、
   前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる、
   ことを特徴とするプログラム。
7. データ処理装置の制御部によって、
   測定手段による測定内容を取得させ、
   前記測定内容から実験結果データとしてグラフを生成させ、
   前記実験結果データと、前記実験結果データと共通フォーマットのグラフとして予め設定された実験結果である模範実験結果データと、の比較評価を、前記実験結果データのグラフと前記模範実験結果データのグラフとの一致度に基づいて行わせ、
   前記比較評価において、実験での測定が正しく行われていないエラー状態での前記模範実験結果データであるエラー実験データを参照し、前記実験結果データが前記エラー実験データに相当すると判定したときに、報知手段に前記エラー状態に関する報知を行わせる、
   ことを特徴とするプログラム。

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