Hệ Thống Hỗ Trợ Tra Cứu Kiến Thức Toán Trung Học Phổ Thông

• Tác giả: Nguyễn Duy Thanh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Nhơn
• Trường học: Học viện Bưu Chính Viễn Thông
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Ứng Dụng Hỗ Trợ Tra Cứu Kiến Thức Toán Trung Học Phổ Thông
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ SỞ TRI THỨC CHO HỆ THỐNG TRA CỨU KIẾN THỨC TOÁN TRUNG HỌC PHỔ THÔNG
• 2.1. Thu thập tri thức và phân loại
• 2.1.1. Quy trình thu thập cơ sở tri thức
• 2.1.2. Phân loại cơ sở tri thức
• 2.2. Mô hình hóa cơ sở tri thức
• 2.2.1. Mô hình biểu diễn tri thức cho thiết kế phân hệ tìm kiếm và truy vấn kiến thức
• 2.2.2. Đặc tả và tổ chức cơ sở tri thức
• 3. CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN TÌM KIẾM VÀ THUẬT GIẢI
• 3.1. Bài toán tìm kiếm theo từ khóa
• 3.1.1. Phát biểu bài toán
• 3.2. Bài toán tìm kiếm theo phân loại kiến thức
• 3.2.1. Phát biểu bài toán
• 3.3. Bài toán tìm kiếm theo quy ước đặc tả
• 3.3.1. Quy ước đặc tả đơn giản
• 3.3.2. Xử lý cú pháp quy ước
• 4. CHƯƠNG 4: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Phân tích xác định yêu cầu
• 4.2. Thiết kế hệ thống
• 4.2.1. Kiến trúc hệ thống hỗ trợ học tập Toán THPT
• 4.2.2. Thiết kế cơ sở tri thức
• 4.2.3. Thiết kế các module
• 4.3. Cài đặt triển khai thử nghiệm
• 4.3.1. Cài đặt hệ thống
• 4.3.2. Kết quả thử nghiệm
• 4.3.4. So sánh và đánh giá
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Hạn chế của đề tài
• 5.3. Hướng phát triển
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Hệ Thống Hỗ Trợ Tra Cứu Toán THPT Giới Thiệu

Toán học đóng vai trò then chốt trong chương trình giáo dục Việt Nam, đặc biệt ở cấp THPT. Nhu cầu học tập kiến thức toán THPT là rất lớn. Hiện nay, việc truyền đạt kiến thức chủ yếu dựa vào phương pháp truyền thống. Ứng dụng CNTT trong giáo dục là xu hướng tất yếu. Việc xây dựng một hệ thống hỗ trợ học tập toán THPT là cần thiết và phù hợp với chủ trương của Bộ Giáo dục. Hệ thống này cần cung cấp chức năng tìm kiếm, tra cứu theo phân loại, theo kiến thức liên quan, giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách hệ thống và hiệu quả hơn. Các hệ thống hiện tại như Violympic, WolframAlpha, Mathway, Symbolab còn nhiều hạn chế trong việc này.

1.1. Tầm Quan Trọng của Toán Học THPT và Nhu Cầu Hỗ Trợ

Toán học là môn học nền tảng, trang bị tư duy logic và khả năng giải quyết vấn đề. Việc nắm vững kiến thức toán THPT là yếu tố then chốt cho thành công trong học tập và sự nghiệp sau này. Nhu cầu hỗ trợ học tập toán hiệu quả, đặc biệt là khả năng tra cứu kiến thức toán nhanh chóng và chính xác, ngày càng trở nên cấp thiết. Theo [17], nhu cầu học tập kiến thức toán là rất lớn.

1.2. Các Hệ Thống Hỗ Trợ Học Toán THPT Hiện Tại Ưu và Nhược

Các hệ thống hiện tại như Violympic tập trung vào video bài giảng và đánh giá kiến thức. WolframAlpha, Mathway, Symbolab hỗ trợ giải bài tập tự động. Tuy nhiên, các hệ thống này chưa chú trọng vào việc tìm kiếm kiến thức toán theo phân loại, theo kiến thức liên quan, hoặc theo ngôn ngữ quy ước đơn giản. Điều này gây khó khăn cho học sinh trong việc hệ thống hóa và liên kết kiến thức.

II. Thách Thức Xây Dựng Hệ Thống Tra Cứu Kiến Thức Toán THPT

Để xây dựng một hệ thống tra cứu kiến thức toán THPT thông minh, cần có một cơ sở tri thức phù hợp. Các thành phần tri thức phải được biểu diễn đầy đủ và liên kết với nhau. Hiện nay có nhiều phương pháp biểu diễn tri thức như logic hình thức, mạng ngữ nghĩa, hệ luật dẫn, Ontology. Tuy nhiên, các giải pháp này còn nhiều vấn đề chưa phù hợp cho việc biểu diễn tri thức đáp ứng các chức năng tìm kiếm và truy vấn kiến thức theo phạm vi phân loại: khái niệm, định nghĩa, tính chất, định lý, công thức, bài tập, phương pháp giải.

2.1. Yêu Cầu về Cơ Sở Tri Thức cho Hệ Thống Tra Cứu Toán

Cơ sở tri thức cần biểu diễn đầy đủ các thành phần tri thức toán học như khái niệm, định nghĩa, tính chất, định lý, công thức, bài tập, phương pháp giải. Các thành phần này phải được liên kết với nhau thông qua các mối quan hệ rõ ràng. Điều này cho phép hệ thống tra cứu kiến thức toán một cách hiệu quả và cung cấp thông tin liên quan.

2.2. Hạn Chế của Các Phương Pháp Biểu Diễn Tri Thức Hiện Tại

Các phương pháp biểu diễn tri thức hiện tại như logic hình thức, mạng ngữ nghĩa, hệ luật dẫn, Ontology có những ưu điểm riêng. Tuy nhiên, chúng còn nhiều hạn chế trong việc biểu diễn tri thức toán học một cách đầy đủ và phù hợp cho việc tra cứu kiến thức theo nhiều tiêu chí khác nhau. Cần có một phương pháp biểu diễn tri thức chuyên biệt cho miền tri thức toán THPT.

2.3. Bài Toán Đặt Ra Biểu Diễn Tri Thức Toán THPT Hiệu Quả

Việc đưa ra một phương pháp biểu diễn tri thức có thể biểu diễn được miền tri thức Toán THPT để đảm bảo giải quyết các lớp vấn đề tìm kiếm, tra cứu và truy vấn kiến thức là một nhiệm vụ quan trọng. Kết quả nghiên cứu sẽ được vận dụng và xây dựng ứng dụng hỗ trợ tra cứu kiến thức Toán Trung học phổ thông phục vụ nhu cầu học tập của học sinh cấp THPT.

III. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Biểu Diễn Tri Thức Toán THPT

Luận văn tập trung vào việc xây dựng một mô hình biểu diễn tri thức cho tri thức toán THPT theo cách tiếp cận ontology. Mô hình này phải đáp ứng các yêu cầu về tra cứu kiến thức như: tra cứu kiến thức theo từ khóa, tra cứu kiến thức theo phân loại kiến thức, tra cứu kiến thức theo một số quy ước đơn giản. Các thuật giải tương ứng cho từng lớp vấn đề này cũng được nghiên cứu và đề xuất. Ứng dụng tra cứu kiến thức toán THPT được phát triển dựa trên mô hình này.

3.1. Tiếp Cận Ontology trong Biểu Diễn Tri Thức Toán THPT

Ontology là một phương pháp biểu diễn tri thức mạnh mẽ, cho phép mô tả các khái niệm, thuộc tính và mối quan hệ giữa chúng. Việc sử dụng ontology trong biểu diễn tri thức toán THPT giúp hệ thống tra cứu kiến thức một cách thông minh và hiệu quả hơn. Các thành phần tri thức được tổ chức một cách có cấu trúc và dễ dàng truy vấn.

3.2. Các Lớp Bài Toán Tra Cứu Kiến Thức Toán THPT

Luận văn đề xuất các lớp bài toán cơ bản của tra cứu kiến thức toán, bao gồm: tìm kiếm theo từ khóa, tìm kiếm theo phân loại, và tra cứu theo ngôn ngữ quy ước đơn giản. Mỗi lớp bài toán có một thuật giải riêng, được thiết kế để tận dụng tối đa thông tin trong cơ sở tri thức.

3.3. Thuật Giải cho Bài Toán Tra Cứu Kiến Thức Toán THPT

Các thuật giải được thiết kế để giải quyết các lớp vấn đề liên quan đến tra cứu kiến thức toán. Ví dụ, thuật giải tìm kiếm theo từ khóa sử dụng các kỹ thuật xử lý ngôn ngữ tự nhiên để xác định các khái niệm liên quan đến từ khóa và trả về kết quả phù hợp. Thuật giải tìm kiếm theo phân loại sử dụng cấu trúc ontology để tìm kiếm các khái niệm thuộc một phân loại nhất định.

IV. Ứng Dụng Hệ Thống Hỗ Trợ Tra Cứu Kiến Thức Toán THPT

Dựa trên mô hình biểu diễn tri thức và các thuật giải đã được nghiên cứu, một ứng dụng hỗ trợ tra cứu kiến thức toán THPT đã được xây dựng. Ứng dụng này cung cấp các chức năng tìm kiếm kiến thức theo từ khóa, theo phân loại kiến thức, và theo một số quy ước đặc tả đơn giản. Ứng dụng được thiết kế để hỗ trợ cả học sinh và giáo viên trong việc học tập và giảng dạy toán.

4.1. Chức Năng của Hệ Thống Tra Cứu Toán THPT

Hệ thống cung cấp các chức năng chính sau: tìm kiếm kiến thức theo từ khóa, tìm kiếm theo phân loại kiến thức, tìm kiếm theo quy ước đặc tả đơn giản, và cập nhật tri thức (dành cho giáo viên). Các chức năng này được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của cả học sinh và giáo viên.

4.2. Giao Diện Người Dùng Thân Thiện và Dễ Sử Dụng

Giao diện người dùng được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng, giúp người dùng dễ dàng tra cứu kiến thức toán một cách nhanh chóng và hiệu quả. Các chức năng được bố trí một cách logic và trực quan, giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm thông tin cần thiết.

4.3. Triển Khai Thử Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Quả Hệ Thống

Ứng dụng đã được triển khai thử nghiệm tại Trường THPT Tây Ninh. Kết quả thử nghiệm cho thấy ứng dụng nhận được phản hồi tích cực từ giáo viên và học sinh. Ứng dụng giúp học sinh tra cứu kiến thức toán một cách dễ dàng và hiệu quả hơn, đồng thời giúp giáo viên cập nhật và quản lý tri thức một cách hiệu quả.

V. Kết Quả và Hướng Phát Triển Hệ Thống Tra Cứu Toán THPT

Luận văn đã xây dựng được một mô hình biểu diễn tri thức cho tri thức toán THPT, đề xuất các thuật giải cho các lớp bài toán tra cứu kiến thức, và xây dựng một ứng dụng hỗ trợ tra cứu kiến thức toán THPT. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế cần khắc phục và nhiều hướng phát triển tiềm năng. Việc mở rộng cơ sở tri thức, cải thiện thuật giải, và tích hợp thêm các chức năng mới là những hướng đi quan trọng.

5.1. Những Kết Quả Đạt Được trong Nghiên Cứu

Luận văn đã đạt được những kết quả quan trọng, bao gồm: xây dựng mô hình biểu diễn tri thức cho toán THPT, đề xuất thuật giải cho các lớp bài toán tra cứu kiến thức, và xây dựng ứng dụng hỗ trợ tra cứu kiến thức toán. Các kết quả này đóng góp vào việc phát triển các hệ thống hỗ trợ học tập toán hiệu quả hơn.

5.2. Hạn Chế và Những Vấn Đề Cần Khắc Phục

Hệ thống vẫn còn một số hạn chế, bao gồm: cơ sở tri thức còn hạn chế, thuật giải chưa tối ưu, và thiếu một số chức năng quan trọng. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để khắc phục những hạn chế này.

5.3. Hướng Phát Triển Tiềm Năng cho Hệ Thống Tra Cứu Toán

Có nhiều hướng phát triển tiềm năng cho hệ thống, bao gồm: mở rộng cơ sở tri thức, cải thiện thuật giải, tích hợp thêm các chức năng mới (ví dụ: giải bài tập tự động, đánh giá kiến thức), và hỗ trợ đa ngôn ngữ. Việc phát triển hệ thống theo những hướng này sẽ giúp hệ thống trở nên hữu ích và hiệu quả hơn.