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日本ソフトウェア科学会第36回大会発表資料「帰納的プログラミングの初等教育の試み」西澤勇輝

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2019年8月28日の日本ソフトウェア科学会第36会大会での発表資料です。
6月8日の「DeepCon」にて小学生に機械学習の体験をしてもらう試みを行った際に用いた「ものまね算」および「火星語翻訳機」の説明と、実施結果をまとめました。

Published in: Technology
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日本ソフトウェア科学会第36回大会発表資料「帰納的プログラミングの初等教育の試み」西澤勇輝

  1. 1. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 帰納的プログラミングの初等教育の試み Preferred Networks, Inc. 西澤 勇輝,丸山 宏
  2. 2. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 目次  演繹的プログラミングと帰納的プログラミング  帰納的プログラミングの初等教育の必要性と課題  「ものまね算」を用いた機械学習の説明  「火星語翻訳機」を用いた機械学習の体験  DeepCon実施報告  今後について 2
  3. 3. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 演繹的プログラミングと帰納的プログラミング 演繹的/帰納的プログラミングの比較 [1](丸山, 2017)  演繹的プログラミング(ルールベースプログラミング) ⁃ 要求仕様の定義から、先験的知識に基づいてモデル化する (例: 摂氏と華氏の変換 F = 1.8 x C + 32)  帰納的プログラミング(例示的プログラミング) ⁃ 入出力の例を作り、機械学習アルゴリズムの適用によって モデル化を帰納的に行う (例: 摂氏と華氏の対応データを大量に用意し、関係を求める) 3 [1] 丸山宏. "機械学習工学に向けて." 日本ソフトウェア科学会第 34 回大会 (2017 年度) 講演論文集. 日本ソフトウェア科学会 (2017) 仕様 結果 プログラミング 演繹的 帰納的
  4. 4. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 帰納的プログラミングの初等教育の必要性  「プログラミング教育」はほとんどの場合、演繹的プログラミングを指す ⁃ 文部科学省有識者会議(2016年): プログラミング的思考 ⁃ Scratch [2]、Viscuit [3]といったビジュアル的プログラミングを教える教材は多い  それだけで良いのか? 自分が意図する一連の活動を実現するために、どのような動きの組み合わせが必要であり、 一つ一つの動きに対応した記号を、どのように組み合わせたらいいのか、 記号の組み合わせをどのように改善していけば、より意図した活動に近づくのか、 といったことを論理的に考えていく力 4 [2] https://scratch.mit.edu/ [3] https://www.viscuit.com/
  5. 5. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 帰納的プログラミングの初等教育の必要性 これからの社会では帰納的プログラミングの占める割合が大きくなる (Software 2.0 [4])  プログラミング教育と実際に使われている技術の乖離が招く影響 ⁃ 身の回りの技術のブラックボックス化 ⁃ 最新の技術を使うハードルが高い  実際には、子ども自身が演繹的/帰納的プログラミングのいずれの選択肢も 知った上で、選択できるようになることが望ましい ⁃ 帰納的プログラミングのほうが楽に解ける課題は多い(例: 身の回りの物体認識) 5 [4] Andrej Karpathy, “Software 2.0” https://medium.com/@karpathy/software-2-0-a64152b37c35
  6. 6. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 帰納的プログラミングの初等教育の課題  帰納的プログラミングという概念は難しい  初等教育向けの教材はあまりない ⁃ Chainer Tutorial: PFNが出した機械学習教材。線形代数の基礎から学べる。 大学生向け ⁃ Quick, Draw!: Googleの手書きイラスト認識ゲーム。「すごい!」に留まる ⁃ Scratchで使えるAI拡張ブロック: 動画から画像の分類器を作れる。  我々が求めているものに最も近い。とはいえ、応用に偏っている。  もっと機械学習の特徴を捉えやすい学習教材を作れないか? 6
  7. 7. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 帰納的プログラミング教育のためのキーワード 機械学習の本質的な概念を理解するためのキーワード  ものまね算 ⁃ 機械学習の言い換え  火星語翻訳機 ⁃ 文字認識タスクを通した機械学習の一連のプロセスの理解 7
  8. 8. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 ものまね算  機械学習は、何らかの理想的な関数を近似するモデルを訓練する = 理想的な関数の「ものまね」をさせている  機械学習はものまねである と伝えることで、 子どもにイメージと親近感を持たせる 8
  9. 9. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 数字認識というタスク  「ものまね算」の実社会への応用例として、数字認識タスクを考える ⁃ 子どもにとって身近であり、使い道が想像しやすい  数字認識タスクを行わせることで、ものまね算を体験 ⁃ データセットの作成 → 訓練 → 認識  ただの数字認識だと ⁃ 認識できて当然だと思ってしまう ⁃ 事前に学習しておくことが可能なため、 本当に自分のデータが使われたのか分からない 9 MNIST Dataset
  10. 10. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 火星語翻訳機  自分で考えた「火星語の数字」のデータセットを作り、 その場で認識器を訓練する 10 データセット 作成 取り込み & 訓練
  11. 11. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 火星語翻訳機  取り込み部分: ARマーカーを利用し、撮影すると画像処理によりデータが取り込まれる  認識部分: 訓練時間がおおよそ60秒になるような 軽量のネットワーク(Conv x 2 + FC)  認識結果: 分かりやすいように 棒グラフによって表示 ⁃ どれが似ているかが分かる 11
  12. 12. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 DeepCon実施報告  弊社カフェテリアにて6/8に実施した 子ども向けディープラーニングイベント「DeepCon」にて使用  「ものまね算講義」→「火星語」→「ロボットプログラミング」 →「未来の仕事の講義」の構成(灰色は今回の発表では触れない) 12
  13. 13. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 DeepCon実施報告: アンケート結果(子ども用) 参加者全員35人の回答 全体的に高い満足度が得られた 100% 「楽しかった」 ※ 複数回答可で 「楽しかったものに丸をつけてください」 13
  14. 14. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 DeepCon実施報告: アンケート結果(保護者用) 保護者からも高い満足度 14
  15. 15. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 DeepCon実施報告: 結果  今回は実施報告という形で、「ものまね算」というキーワードの効果を厳密に測 定したものではない  子どもは「ディープラーニングについて分かった」と回答しており、 「ものまね算」および「火星語翻訳機」は理解の助けとなったことが伺える  点線で書いてみる、複数の文字を並べて書いてみるなど、色々な実験 (Adversarial Attack)を試みる子もおり、メッセージが伝わっていると感じた 15
  16. 16. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 みらいの学びコンソーシアム(みらプロ)への教材提供  今回のものまね算の教材を提供予定 動画教材 演繹的プログラミング教材 帰納的プログラミング教材 16 https://mirapro.miraino-manabi.jp/lp_pfn.html
  17. 17. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 まとめ  帰納的プログラミングが今後社会で大きな役割を持つようになるだろう ⁃ 子ども自身が演繹的/帰納的プログラミングのいずれの選択肢も知った上で、選択できる ようになることが望ましい  帰納的プログラミングの概念を伝えるために、「ものまね算」「火星語認識器」 を利用する  DeepConでは子どもから高い満足度が得られた  みらプロにおいても教材提供を行う予定 17
  18. 18. 2019/8/28 日本ソフトウェア科学会第36回大会 Copyright © 2014- Preferred Networks All Right Reserved.

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