経験的モデリング

経験的モデリングとは、モデル化されたシステムの数学的に記述可能な関係ではなく、 経験的観察に基づいたあらゆる種類の（コンピュータ）モデリングを指します。

経験的モデリングは、観察と実験によってモデルを作成する活動の総称です。経験的モデリング (頭文字は大文字で、EM と略されることが多い) は、特定の原則に従ってモデルが構築される特定の種類の経験的モデリングを指します。これらの原則がコンピューターなしでモデル構築にどの程度適用できるかは興味深い問題ですが (以下で再度取り上げます)、経験的モデリングをまずコンピューターベースと見なす十分な理由が少なくとも 2 つあります。経験的モデリングの原則を十分に活用することに関して、コンピューター技術が変革的な影響を与えてきたことは間違いありません。さらに、経験的モデリングの概念は、モデル構築におけるコンピューターの役割についての考えと密接に関連しています。

経験的モデルは、単純な意味論的原理に基づいて動作します。つまり、作成者は、モデルの動作とその参照先の動作の間に密接な対応関係があることを確認します。この対応関係の作成は、さまざまな意味で「経験的」である可能性があります。試行錯誤のプロセスを伴う場合もあれば、解析式への計算による近似に基づく場合もあり、 「なぜ機能するのか」についての洞察が得られない ブラックボックス関係として導き出される場合もあります。

経験的モデリングは、ウィリアム・ジェームズの急進的経験主義の主要原理に基づいています。この原理では、すべての知識は経験によって与えられたつながりに根ざしていると仮定しています。経験的モデリングは、モデルとその参照先との対応関係を、その派生が経験によって与えられたつながりにまで遡れるように作り上げることを目指しています。経験の中でつながりを作ることは、本質的に個人的な人間の活動であり、スキルを必要とし、状況に大きく依存します。このようなつながりの例には、思考の流れの中で身近な対象を識別すること、自然言語の単語をそれが指す対象に関連付けること、スプレッドシートの行と列を特定の科目の特定の学生の試験結果として潜在的に解釈することなどがあります。

経験的モデリングでは、構築のプロセスは漸進的なもので、その中間製品は、実際のやり取りや観察を通じて、意図した（時には新たに出現する）指示対象の側面を呼び起こす人工物です。このようにして呼び起こされたつながりには独特の性質があります。本質的に個人的かつ経験的な性質を持ち、モデル作成者の指示対象に関する経験と理解が深まるにつれて、弱められ、洗練され、強化される可能性があるという点で暫定的です。マイケル・ファラデーの電磁気学の実験的調査で人工物が果たした役割についての説明でデイビッド・グッディングが確立した前例に従い、経験的モデリング プロセスの中間製品は「解釈」と表現されます。グッディングの説明は、解釈の作成が、概念的洞察（ファラデーの研究が電磁気学理論に与えた貢献を参照）や実用的な製品（ファラデーの電動モーターの発明を参照）につながる意味形成活動をどのようにサポートできるかを強力に示しています。

経験的モデリング フレームワークで解釈を行う際に関連するアクティビティを図 1 に示します。

図の中央にある目のアイコンは、解釈とその指示対象の現在の発展状態に対する作成者の観察を表しています。目から発せられる 2 つの矢印は、作成者の心の中で確立された、解釈とその指示対象との間の経験で与えられたつながりを表しています。このつながりは、構築中の解釈とその出現する指示対象との実験的な相互作用を通じて作り上げられます。本物の実験と同様に、作成者が実行できる相互作用の範囲は想像を絶するほど広範囲です。作成者の裁量で、解釈を特徴付ける相互作用は、作成者の経験で与えられたつながりを尊重するものです。経験的モデリング プロセスが展開するにつれて、解釈、指示対象、作成者の理解、作成者の関与のコンテキストは、次のように共進化します。

• 解釈によって得られるインタラクティブな体験が強化されます。
• 参照対象を特徴付けるインタラクティブな体験が洗練される。
• 解釈とその指示対象との特徴的な相互作用のレパートリーが拡大される。
• 解釈とその指示対象との特徴的な相互作用に対する文脈的制約が特定されます。

経験的モデリングでは、解釈と指示対象の間の経験に基づく接続の作成と維持は、観測可能物、依存性、およびエージェンシーという 3 つの主要な概念に基づいています。解釈とその指示対象の両方において、作成者は観測可能物を、さまざまな値を取ることができ、その現在の値によって現在の状態が決定されるエンティティとして識別します。解釈および指示対象との状態変更の相互作用はすべて、観測可能物の値の変更として考えられます。1 つの観測可能物の値の変更は、別の観測可能物の値の変更に直接起因する場合があります。その場合、これらの値は依存性によってリンクされます。観測可能物の値の変更はエージェントに起因しますが、その中で最も重要なのは解釈の作成者です。観測可能物の値の変更が同時に発生することが観察される場合、これは異なるエージェントによる同時アクション、または依存性を介した単一のエージェントのアクションから派生した観測可能物の同時変更として解釈できます。解釈と指示対象の間に経験で与えられたつながりを作り出すために、作成者は、その観察可能物、依存性、および行為主体が指示対象で観察されるものと密接に対応するような方法で解釈を構築します。この目的のために、作成者は、指示対象の観察可能物と行為主体の行動に、解釈内で適切な経験的対応物を与えることができる適切な方法を考案する必要があります。

図 1 に示すセマンティック フレームワークは、スプレッドシートでの作業で採用されるフレームワークに似ています。スプレッドシートでは、現在グリッドに表示されている状態は、外部の参照対象と組み合わせて体験された場合にのみ意味を持ちます。この設定では、セルは観測可能オブジェクトとして機能し、その定義によって依存関係が指定され、セルの値または定義を変更することでエージェンシーが実行されます。コンストラルを作成する際、作成者は、各関連エージェントが人間のエージェントであるかのようにエージェンシーを投影し、その観点から観測可能オブジェクトと依存関係を識別することで、各関連エージェントの役割を探ります。エージェンシーを自動化することで、マクロをスプレッドシートと組み合わせて使用​​して動作を表現できるのとほぼ同じように、コンストラルを使用して動作を指定できます。このように、アニメーション化されたコンストラルは、中間状態が意味を持ち、作成者による監査に耐えるプログラムのような動作をエミュレートできます。

解釈を行うためのコンピュータ環境の開発は、過去 30 年間にわたって研究され続けてきました。実装されているこのような環境のさまざまなバリエーションは、共通の原則に基づいています。現在、観測可能オブジェクトを結び付けている依存関係のネットワークは、定義のファミリーとして記録されます。意味的には、このような定義はスプレッドシートのセルの定義に似ており、右側の観測可能オブジェクトの値の変更は、概念的に分割できない方法で左側の観測可能オブジェクトの値を変更するように伝播します。これらのネットワークの依存関係は非循環ですが、再構成も可能です。つまり、観測可能オブジェクトを再定義すると、依存関係の構造を変更する新しい定義が導入されることがあります。環境に組み込まれている観測可能オブジェクトには、スカラー、ジオメトリ、画面表示要素が含まれます。これらは、マルチレベル リスト構造を使用して詳細化できます。依存関係は通常、比較的単純な関数式を使用して観測可能オブジェクトの値を他の観測可能オブジェクトの値に関連付ける定義によって表されます。このような機能は通常、単純な手続き型コードの断片で表現されますが、コンストラクショナルを作成する環境の最新のバリアントでは、依存関係を適切にコンテキスト化された定義のファミリーで表現することもできます。作成者は、既存の観測可能オブジェクトを再定義するか、新しい観測可能オブジェクトを制限のない方法で導入することで、コンストラクショナルと対話できます。このような対話は、コンストラクショナルの段階的な開発を通知する実験活動において重要な役割を果たします。トリガーされたアクションを導入して、状態変更を自動化できます。これらは、観測可能オブジェクトの値の指定された変更に応じて再定義を実行します。

図 1 では、解釈が作成される媒体として「コンピュータ」を特定することは、誤解を招く可能性があります。コンピュータという用語は、強力な計算デバイスを指すだけではありません。解釈を行う際に主に重視されるのは、他のテクノロジーやデバイスと組み合わせて使用​​することでコンピュータが可能にする、相互作用と知覚化の豊富な潜在的範囲です。経験的モデリングを開発する主な動機は、コンピュータのこれら 2 つの補完的な役割を統合したコンピューティングの満足のいく説明を提供することです。ジェームズとデューイが論理と経験に基づく行為主体性に関する観点を調和させようとした原則は、この統合を達成する上で重要な役割を果たします。

図 1 に暗示されているコンピュータの二重の役割は、現代のコンピューティング アプリケーションに広く関連しています。これに基づいて、経験的モデリングは、コンピューティングのより広い視点の基盤を提供するものと考えることができます。この観点は、教育技術、コンピュータ支援設計、ソフトウェア開発などのトピックに関する経験的モデリングの多数の出版物に反映されています。解釈を行うことは、シーモア パパートが考案した構成主義をサポートし、ブルーノ ラトゥールが特定した「構成」の保証を満たすのに適した手法としても提案されています。

チューリングマシンは、計算装置としてのコンピュータの役割の理論的基礎を提供します。つまり、それは「ルールに従う心」をモデル化したものと考えることができます。これまでの経験的モデリングの実際の応用は、解釈を行うことが、コンピュータが豊かな経験を調整する上で果たすことができる補足的な役割をサポートするのに適していることを示唆しています。特に、ジェームズとデューイの実用的な哲学的立場に沿って、解釈を行うことは、計算ルールを適用できない状況で人間の経験に偶発的な説明を提供することで、説明の役割を果たすことができます。この点で、解釈を行うことは、「状況を理解する心」をモデル化したものと考えることができます。

チューリング マシンが、コンピュータの存在とは無関係に価値があるアルゴリズムの性質を理解するための概念的なツールであるのと同様に、経験的モデリングの原則と概念は、コンピュータの使用に特に言及することなく、意味付けについて考えるためのフレームワークとして一般的な関連性を持つ可能性があります。ウィリアム ジェームズの人間の経験の分析が経験的モデリングの概念に与えた貢献は、この証拠と見なすことができます。このことから、経験的モデリングの原則は、コンピュータ ベースではないさまざまな経験的モデリングを分析するための適切な方法である可能性があります。たとえば、電子スプレッドシートとのやり取りに適用される観測可能量、依存関係、エージェンシーの観点からの分析は、それらより前の手動スプレッドシートにも適切であると考えられます。

経験的モデリングは、1980 年代初頭から Meurig Beynon 氏とウォーリック大学のコンピュータ サイエンスにおける経験的モデリング研究グループによって開拓されてきました。

1995 年頃から、観察と実験におけるモデリング プロセスの経験的根拠を反映するために、この作業では「経験的モデリング」(EM) という用語が採用されています。観察可能、依存性、エージェンシーという中心概念をサポートする専用ソフトウェアは、1980 年代後半から継続的に開発されてきました (主に研究学生が主導)。

EM の原理とツールは、授業、プロジェクト作業、研究論文の中で何百人もの学生によって使用され、開発されてきました。学部および修士課程のモジュール「実証モデリング入門」は、Meurig Beynon と Steve Russ (この記事の著者) が退職する 2013-14 年まで、長年にわたって教えられてきました。大規模な Web サイト [1] には、査読済みの出版物や会議の議事録の膨大なコレクションを含む研究および教育資料が掲載されています。

「解釈」という用語は、2000 年代初頭から、EM ツールで作成された工芸品や模型を指すために使用されています。この用語は、1800 年代にファラデーが電磁気学を調査し、最初の電気モーターを作ったときに、ファラデーの頭の中に形成され、ノートに記録された、新しい暫定的なアイデアを説明するために、デイビッド グッディングが著書「実験と意味の創造」(1990 年) で使用した用語を改変したものです。

EMに関連する主な実践活動である「解釈の作成」は、Erasmus+プロジェクトCONSTRUIT!（2014-2017）[2]の主題でした。

• マルチエージェントシステム

1. http://www.dcs.warwick.ac.uk/modelling/ 実証モデリング研究グループ
2. https://warwick.ac.uk/fac/sci/dcs/research/em/welcome/ 構成してください!プロジェクトの Web ページ