情報の科学に期待される
理念
日本大学文理学部
夜久竹夫
2010年6月27日
日本情報科教育学会第3回全国大会
パネル討論
1
1980年代の入試問題パターン例
3N + 1 問題の
collatz(N)
デフォルメ
N
問。下の流れ
図で
N = 6 の時の出
力を書け
No
N 奇数でN>1?
No
N 偶数か?
解 6, 3, 10, 5,
16, 8, 4, 2, 1
collatz(3N + 1)
collatz(N / 2)
STOP
2
1980年代の入試問題パターン例
collatz(N)
3N + 1 問題
問。下の流れ
図で
N = 6 の時の出
力を書け
解 6, 3, 10, 5,
16, 8, 4, 2, 1
N
No
N 奇数でN>1?
No
N 偶数か?
collatz(3N + 1
collatz(N / 2)
STOP
3
理念
~ 広義の計算
普遍概念
ビット列
対象
ビット列の世界
目標
ビット列の世界の法則の理解させ使いこ
なす力を身につけさせる
4
参考
ビット列を普遍概念
とする情報科の理念
夜久竹夫(日本大学) 杉田公生(東海大学)
土田賢省(東洋大学) 宮寺庸造(東京学芸大学)
2008年6月28日
第1回日本情報科教育学会
滋賀大学
5
1.はじめに
情報科の対象→デジタル化された情報&情報製品
世界共通に必要な情報教育→情報機器の利用法
←デジタルデバイドの回避
日本に必要な情報教育→情報製品の製作者の養
成を含む
6
背景1 日本の貿易(2007) (輸出入)
工業製品を売って、食料とエネルギー他を買う
良質の工業製品を作る必要←繁栄の維持
輸出(713B$) (約71兆円)
輸送機器
(177B$ 24.8%)
電気機器
(144B$ 20.2%)
一般機械
(141B$ 19.81%)
輸入(621B$) (約62兆円)
鉱物性燃料
(172B$ 27.69%)
電気機器
(79B$ 12.72%)
原料品
(48B$ 7.74%)
一般機械
(55B$ 8.9%)
食料品
(51B$ 8.26%)
[JETRO ドル建て貿易概況]
7
背景2 高複雑度情報製品の増加
コンピュータ(CPU) 1000万素子超
(以前)少数の超大型機→ (現在)多数のPC
プログラム
数百万行超
(以前)少数(銀行オンライン、SISなど)
→ (現在)多数(第3世代携帯電話、自動車な
ど)
→ 体系的知識無しでは作れない情報製品が増加
8
背景3 情報製品の総量増加
組み込みシステム
50兆円(製造業と重複)
製造業中の情報通信産業 62兆円(282万人)
情報通信産業
120兆円(放送まで含む) (情報通信白書)
ネットワーク
6450万ドメイン(2004)(全世界)
情報流通量 637Gbps (2006) → 121Tbps (2025)
IT機器電力国内総量比;5%(2004) -> このままだと20%超(2025)
(総合科学技術会議)
日本・産業生産額
日本・製造業生産額
915兆円 5207万人(2004)
255兆円 994万人(2004)
→ 原理と仕組みについて多数の人が知っている必要。大学専門学科(1
学年1.5万人程度では不十分)
9
情報製品の量
~情報通信産業の規模~
注意 IT産業は売り上げを下げる働き=原料不要
10
背景4 情報製品の特徴
ソフトウェア
日本の工業製品の中核(全体を制御)→外国依存にした
ら工業製品の中心が抜ける(一部では価格の半分以上
と言われる)(組み込みソフト)
社会の基盤: 電子政府、電子商取引など
知識だけで作れる→輸入の必要は無い
→情報製品はモノ作りの中核のひとつ
→自前(国内)で作る必要がある
情報技術立国←強力なコンセプトにもとづく教育が必要
11
起きている事
1.産業設備・技術の情報空間への移転
店舗→サイト
2.産業設備・技術の情報空間側での発展
携帯電話の発達→ソフトウェア増大
自動車の発達→ソフトウェア増大
工作機械→ソフトウェア増大
12
問題点と動機
1.社会の要請(使える人と作れる人の養成)に十分には応え
ていない
2.利用者教育という考えが主流 →
利用者教育のままでは科学技術立国が不可能→
産業の衰退を招く
3.他分野との境界が不明確で混乱している→境界領域に分
散していく傾向がある。
独自のコンセプト(方法論)が普及していない事が影響
13
この研究の目的
1.対象と概念を明確化する
2.概念を体系化する
3.他学科との関係と境界を明示する
14
この研究の成果
1.対象と概念の明確化
対象→ビット列の世界(デジタル情報と情報機器)
概念→ビット列を普遍概念とする(ビット列演算と現実界
との対応関係)
2.概念の体系化
コンピュータ、アルゴリズム、ネットワーク、メディアがある
。それらはビット列の高次概念
3.他分野との境界
数学との境界:数学→数値・図形;情報科→ビット列
理科との境界:理科→物質的実現手段;情報科→ビット
列の性質
文学・芸術との境界:文学・芸術→内容;情報科→入れ
物
15
2 準備:他国の情報教
育カリキュラム例
16
表1上 アメリカ ACM K12(2002)
内容 (コンピュータ・アルゴリズム基本、 応用、 ソフト開発、 CS・SE
・CEトピックス)・・・ CS重視
特徴 中等教育・高等教育が同一学会
http://csta.acm.org/Curriculum/sub/k12final1022.pdf
17
ACM K12
L1.
L2.
L3.
L4.
ワープロ: インターネット: エクセル
アルゴリズム; プログラミング; WEBデザイン
プログラム設計
プロジェクト; WEBプログラミング: 出版: CG
18
表1下 UNESCO-IFIP ICT
内容 情報リテラシー+応用+総合+開発他
(2002)
http://unesdoc.unesco.org/images/0012/001295/129538e.pdf
19
IFIP ICT カリキュラム
A. ICT Lit, ワープロ,表,DB,プレゼン,
インターネット,倫理
B. Appl. of ICT in Subject Areas 数学,言語など
との関連データベース設計,グラフィックス・音楽,
応用問題
C. 総合問題
D. ICT Specialization プログラミング・
ビジネス情報システム・プロコン・プロマネ
20
3.情報科のコンセプト
情報科の目標: ビット列世界の法則を知り使いこ
なせるようになる事(作る事を含む)
ITに関わる概念(コンピュータ・アルゴリズム、ネッ
トワーク、デジタルメディアなど):全てビット列世界
の高次概念 → 強調
ITに関わる全てを同一概念の下に体系的に理解さ
せる
21
3.1 情報科の対象と
目標
22
対象と目標
対象 デジタル情報。ビット列で表された情報を基本
##ニ#x#�羌�ェソ%U&ヘ#�###opendo
基本対象
基本操作
到達目標 高次概念
コンピュータ
ビット列
ビット列世界
ビット列上の の法則を理 デジタルメ
ディア
操作
解し活用
ネットワー
ク
23
ビット列世界
コンピュータ
ネットワーク
デジタルマルチメディア
情報システム
(情報科)
物質世界
物質とエネルギー
(物理・化学・・・・)
抽象世界
代数
幾何
解析
(数学)
記号世界
語学
文学
(国語・英語・・・
各教科の対象
24
情報科の世界観
ビット列世界
コンピュータ
ネットワーク
デジタルマルチメディア
情報システム
抽象世界
代数
幾何
解析
(数学)
(情報科)
実世
物質世界
物質とエネルギー
(物理・化学・・・・)
界
記号世界
語学
文学
(国語・英語・・・
各教科の対象
25
3.2 情報科の構造
(1)各項目間の関係
項目=コンピュータ、デジタルマルチメディア, ネットワーク
項目名
コンピュータ
ビット列との関係
提唱者
Turing-Neumann, 1936論理回路からなる
1945
ビット演算を実現
Shannonn, 1936
プロトコル、ビット列の伝送路 Cerf-Kahn
��xg�############\ニ########
#臥#####™………™………™…………………………………
論理回路
ネットワーク
デジタルマルチメ
ビット列で情報を表現
ディア
Shannon, 1948
コンピュータ、デジタルマルチメディア、ネットワークはビット列の高次概念
26
情報科概念体系図(概観)
27
表2.情報科学・技術の構造
コンピュータ
1000万
スイッチング素子
機
械
語
アルゴリズム
ネットワーク
1000万行
~100万行
マルチメディア
文字、数値、
記号、画像
40億B
論理回路
グラフ構造、2進数、論理値、文字列
ビット列演算
ビット列
0
1
1
1
0
0
28
各細目分野のコンセプト
細目分野の基 細目分野の
細目分野
高次概念の例
本概念
理解項目
コンピュー
コンピュータの5
ビット演算
速度・素子数
タ
大要素
アルゴリズムの基 計算時間・メ
情報処理 本・反復と分岐
ソート,サーチ
モリー使用量
ネットワー プロトコルとアド
暗号,セキュリテ
安全性・速度
ク
レス
ィ
マルチメ
ディア
ビット列表現
表現・サイズ データ構造
29
4 基本知識~担当教
員の知識~
30
情報空間の構造
x
計算可能な問題の全体
X
プログラ
ムP1とP
2は同じ
計算をす
るか?
31
知識
プログラミング +
普通免許 → 計算可能性の概念と実例
先週免許 → 計算可能性の定義
+計算不可能な例題の証明
32
5.おわりに
情報科カリキュラムの運営
「情報の科学」 運営への期待
• ビット列に直接関わる項目の重視
• 境界分野の比率削減
• 情報科学の比率増加(→専門教科情報に接近)
• プログラミングの取り込み
33
Thank You
34
5.おわりに
まとめ 情報科のコンセプトの明示
今後
共通教科「情報」でも情報科学に焦点を当てて運
用する必要
35
細目分野
36
情報世界の実情
情報世界:文学作品、芸術作品などと同様人間が作
ったもの
(cf. 自然界や数学の世界:元から存在)
人工物
自然界
情報世界
言語世界
・・・
物質
数値・図形
情報世界の規模(量・種類・大きさ・複雑さ):日本語
全体や英語全体などに匹敵する規模
デジタル
情報世界
50年
日本語文字世界
1500年
漢字世界
4000年
情報科の成立→独自のコンセプトを明示する必要
37
情報科学の発展
アルゴリズムの発見(Eukleides, )
電話の発明(Bell, )
タイプライタとカメラの発明
論理回路とビットの関係 (Shannon, 1936)
チューリング機械の発見 (A. M. Turing, 1936)
プログラム内臓方式コンピュータの発明 (J. von Neumann,
1945)
コンパイラ言語の発明 (G. Hopper, 1951, A-Oコンパイラ ->
COBOL)
ネットワーク<パケット通信方式> (Paul Baran, 1962)
マルチメディア表現の発明 (C. E. Shannon, 1948)
38
情報科の問題点
情報科への期待←情報製品の利用者増&情報製品の開発
載せる情報の教育と技能教育の比重が高い
5000人居るはず・しかし専門家はわずか
(メディア部門→メディア系・数値プログラム→数学・ワープロ→国
語)
本来の情報科教育が出来ない→情報Bの低修得率
このままだと境界領域に分解の恐れ→正当な位置づけと強力なコ
ンセプト確立が必要
技術立国が成り立っているうちに情報立国をじつげんさせる必要
39
代数学
幾何学
解析学
数
図形
量
方程式
変形
変化
40
教科の例 数学
ギリシャ時代に学問として成立
アルゴリズムを生んだ
計算の理論を発見したTuring は数学者
コンピュータを発明したノイマンは数学者
ビット列の有用性を提唱したシャノンも数学者
41
文献
http://www.rand.org/about/history/b
aran.list.html
A. M. Turing, On Computable Numbers , with an
Application to the Entscheidungsproblem , in:
Proceedings of The London Mathematical Society
, Second Series , Volume 42 , pp. 230-265
42
ソフトウェア産業(2003)
規模(平成17年)
従業員数
57万人
売上合計
14.6兆円
[経済産業省「特定サービス産業実態調査」、「情報
サービス産業維新」]
輸出入統計
[JEITA、「ソフトウェア輸出入統計調査 2000年実績
」]
輸入
918,860百万円
輸出
8,981百万円
→単体としての輸出は殆ど無い。生産ソフトウェア
の多くは国内で利用
43
情報製品の量~産業規模~
HTTP://www.johotsusintokei.soumu.go.jp/whitepaper/ja
/h16/html/G2101000.html
44
普通教科情報(現行)
情報A 主:情報活用の実践力(リテラシー)
情報B 主:情報の科学的理解(情報の科学)
情報C 主:情報社会に参画する態度(情報と倫理
)
注.プログラミングは除かれている
45
次期普通教科情報
重視した点
・「情報活用の実践力,情報の科学的理解,情報社会に参画
する態度」をより一層重視
・情報活用の実践力の確実な定着
・情報に関する倫理的態度と安全に配慮する態度や規範意
識の育成
科目構成の改定
・「社会と情報」:情報化の進む社会に積極的に参画することが
できる能力・態度の育成
・「情報の科学」:情報にかかわる知識や技術を科学的な見方・
考え方で理解,科学的思考力・判断力等を養う
46
次期専門教科情報
教科の目標
・情報の各分野における応用的・発展的な知識・技術や職業
倫理等を身に付けた人材を育成する
科目構成の改定
・現行11科目→13科目に変更
・新科目構成:
情報産業と社会,課題研究,情報の表現と管理,
情報と問題解決,情報テクノロジー,
アルゴリズムとプログラム,ネットワークシステム,
データベース,情報システムの開発,情報デザイン,
情報メディア,メディアの編集と表現,情報コンテンツの開発
47
隣接分野との境界
心理
社会
言語世界
語学
文学
日本語
表現
メディア
画像
アニメ
映画
絵画
復元
ビット列世界
自然界
数学
シミュレーション数値
コンピュータ
図形
アルゴリズム
メディア
ネットワーク
表現
物理
化学
生物
地学
社会
経済
政治
実現
物性、電子工学
48
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第2講 - 夜久竹夫研究室