カードの並べ替えを通じてソートアルゴリズムを体験的に学ぶインタラクティブ教材CardAlgoの開発と評価

情報処理学会

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タイトル別名
  • CardAlgo: An Interactive Educational Tool for Experiential Learning of Sorting Algorithms through Card Arrangement

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説明

本研究では，カードの並べ替えを通じてデータ構造も含めたソートアルゴリズムやその効率の違いを体験的に学ぶことができるインタラクティブ教材「CardAlgo」の開発と，高等学校における授業実践を行った．CardAlgoは，アニメーション再生機能，演習機能，アルゴリズム比較機能から構成される．アニメーション再生機能では，カードがソートされる動きを観察して，アルゴリズムを推測する活動が実施できる．演習機能では，カードをドラッグアンドドロップで動かすことで，アルゴリズムをシミュレートする活動が実施できる．その際，操作は即時に正誤判定され，誤った操作を行うと自動的に巻き戻るリアルタイムフィードバックが与えられる．アルゴリズム比較機能では，より多くの要素が並べ替えられるアニメーションを観察し，比較回数や交換回数を具体的な指標としてアルゴリズムの効率の違いについて考察する活動が実施できる．高等学校の授業でCardAlgoを用いた教育実践を行った結果，多くの生徒が学習したソートアルゴリズム（バブルソート，選択ソート，ヒープソート）を手作業で実行できる技能を身に着けたことが分かった．また，生徒が回答したアンケートの分析から，効率や複雑さなどの観点でアルゴリズムを比較できたことが確認できた．

In this study, we propose CardAlgo, an interactive educational tool that facilitates experiential learning of sorting algorithms, including data structures, and their efficiencies through card rearrangement. The proposed tool is comprised of animation, practice, and algorithm comparison functions. The animation function allows students to observe the sorting motion of cards and guess the algorithms. In the exercise function, students can simulate algorithms by dragging and dropping cards, where their actions are automatically judged as correct or incorrect, and incorrect actions trigger real-time feedback with automatic rewinding. The algorithm comparison function enables students to observe animations sorting more elements and consider the differences in algorithm efficiency using concrete metrics like the number of comparisons and swaps. The results of the educational practice in high schools with CardAlgo showed that CardAlgo helps students understand sorting algorithms: bubble sort, selection sort, and heap sort. Additionally, analysis of student questionnaires revealed that they could compare algorithms from perspectives such as efficiency and complexity.

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