Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chuyển đổi số và ứng dụng công nghệ thông tin (CNTT) trong giáo dục, việc phát triển các hệ thống hỗ trợ học tập ngày càng trở nên cấp thiết. Theo chỉ thị 58-CT/TW và Quyết định số 411/QĐ-TTg, đẩy mạnh ứng dụng CNTT trong giáo dục là một trong những mục tiêu chiến lược quốc gia đến năm 2030. Toán học, đặc biệt là kiến thức Toán Trung học Phổ thông (THPT), giữ vai trò quan trọng trong chương trình giáo dục Việt Nam với nhu cầu học tập rất lớn. Tuy nhiên, các hệ thống hiện có như Violympic, WolframAlpha, Mathway, Symbolab chủ yếu tập trung vào giải bài tập tự động hoặc cung cấp video bài giảng, chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu tìm kiếm kiến thức theo phân loại hoặc theo quy ước đặc thù trong miền tri thức Toán THPT.

Luận văn thạc sĩ “Ứng dụng hỗ trợ tra cứu kiến thức toán trung học phổ thông” hướng tới xây dựng một mô hình biểu diễn tri thức theo cách tiếp cận ontology, nhằm phát triển hệ thống hỗ trợ tra cứu kiến thức Toán THPT với các chức năng tìm kiếm theo từ khóa, phân loại kiến thức và theo quy ước đặc tả đơn giản. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi chương trình Toán THPT tại Việt Nam, với việc thu thập dữ liệu từ sách giáo khoa, đề thi, giáo viên và học sinh 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, góp phần nâng cao hiệu quả học tập và giảng dạy môn Toán THPT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình biểu diễn tri thức trong lĩnh vực Công nghệ tri thức và Trí tuệ nhân tạo, cụ thể:

  • Mô hình COKB (Computational Objects Knowledge Base): Đây là mô hình biểu diễn tri thức phức tạp, bao gồm các thành phần như khái niệm, quan hệ, toán tử, hàm, quy tắc, bài tập và phương pháp giải. Luận văn hiệu chỉnh thành mô hình COKB_SIMPLE để phù hợp với miền tri thức Toán THPT, tập trung vào biểu diễn các thành phần cần thiết cho việc tra cứu kiến thức.

  • Ontology và các phương pháp biểu diễn tri thức: Luận văn vận dụng cách tiếp cận ontology để tổ chức và phân loại tri thức Toán THPT, bao gồm các thành phần như khái niệm, quan hệ phân cấp (IS_A), quan hệ hai ngôi, chủ đề, bài tập, phương pháp giải, từ khóa và cây chương mục (C-TREE).

  • Các thuật toán suy luận và tìm kiếm: Nghiên cứu các loại suy luận như suy diễn diễn dịch, quy nạp và tương tự để thiết kế các thuật giải tìm kiếm theo từ khóa, phân loại kiến thức và theo quy ước đặc tả đơn giản.

Các khái niệm chính bao gồm: khái niệm (Concept), quan hệ (Relation), bài tập (Problem), phương pháp giải (Method), từ khóa (Keyword), cây chương mục (Chapter Tree), và các quy tắc, công thức, định lý trong Toán THPT.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Thu thập dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ sách giáo khoa Toán THPT lớp 10, 11, 12, sách luyện thi, đề thi tốt nghiệp THPT các năm, ý kiến chuyên gia là giáo viên Toán THPT, và các mẫu câu truy vấn thực tế từ học sinh Trường THPT Tây Ninh.

  • Phân loại và mô hình hóa tri thức: Tri thức được phân loại thành các thành phần như khái niệm, quan hệ, bài tập, phương pháp giải, từ khóa, chủ đề và cây chương mục. Mô hình biểu diễn tri thức KB_HM được xây dựng dựa trên mô hình COKB_SIMPLE, kết hợp với cấu trúc cây chương mục và hệ thống từ khóa.

  • Thiết kế thuật giải: Thuật giải tìm kiếm theo từ khóa, phân loại kiến thức và theo quy ước đặc tả đơn giản được thiết kế dựa trên mô hình KB_HM, đảm bảo khả năng truy vấn hiệu quả và chính xác.

  • Xây dựng ứng dụng: Ứng dụng hỗ trợ tra cứu kiến thức Toán THPT được phát triển dựa trên mô hình và thuật giải đã thiết kế, triển khai thử nghiệm tại Trường THPT Tây Ninh.

  • Phân tích và đánh giá: Kết quả thử nghiệm được so sánh với các hệ thống hiện có, thu thập phản hồi từ giáo viên và học sinh để đánh giá hiệu quả và tính ứng dụng của hệ thống.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng trăm mẫu câu truy vấn từ học sinh và dữ liệu tri thức từ nhiều nguồn sách giáo khoa và đề thi, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình biểu diễn tri thức KB_HM hiệu quả: Mô hình KB_HM với 5 thành phần chính (COKB_SIMPLE, C-TREE, TOPIC, KW, R_LINK) đã biểu diễn đầy đủ các thành phần tri thức Toán THPT, bao gồm hơn 100 khái niệm, 50 quan hệ phân cấp, 30 chủ đề, và hàng trăm bài tập cùng phương pháp giải. Mô hình này đáp ứng tốt yêu cầu tìm kiếm và truy vấn kiến thức theo nhiều phân loại.

  2. Thuật giải tìm kiếm đa dạng và chính xác: Thuật giải tìm kiếm theo từ khóa, phân loại kiến thức và quy ước đặc tả đơn giản đã được thiết kế và triển khai thành công. Kết quả thử nghiệm cho thấy tỷ lệ trả về kết quả chính xác đạt khoảng 85%, cao hơn 15% so với một số hệ thống hiện có như Violympic và Symbolab.

  3. Ứng dụng hỗ trợ tra cứu được đánh giá tích cực: Ứng dụng được triển khai thử nghiệm tại Trường THPT Tây Ninh với hơn 200 học sinh và 10 giáo viên tham gia. Khoảng 90% người dùng đánh giá hệ thống giúp cải thiện hiệu quả học tập và giảng dạy, đặc biệt trong việc tìm kiếm kiến thức theo phân loại và truy vấn nâng cao.

  4. Khả năng mở rộng và cập nhật tri thức: Hệ thống cho phép giáo viên cập nhật, thêm mới hoặc chỉnh sửa cơ sở tri thức một cách linh hoạt, giúp duy trì tính cập nhật và phù hợp với chương trình học.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng mô hình biểu diễn tri thức theo cách tiếp cận ontology, kết hợp với các thuật giải tìm kiếm đa dạng, là giải pháp hiệu quả để xây dựng hệ thống hỗ trợ tra cứu kiến thức Toán THPT. So với các hệ thống hiện có, hệ thống nghiên cứu không chỉ tập trung vào giải bài tập mà còn hỗ trợ tìm kiếm kiến thức theo phân loại và truy vấn nâng cao, giúp người học có cái nhìn hệ thống và sâu sắc hơn về kiến thức.

Nguyên nhân thành công đến từ việc thu thập và phân loại tri thức kỹ lưỡng, xây dựng mô hình biểu diễn tri thức phù hợp với đặc thù miền tri thức Toán THPT, đồng thời thiết kế thuật giải tìm kiếm tối ưu dựa trên mô hình này. Việc thử nghiệm thực tế tại Trường THPT Tây Ninh cũng góp phần khẳng định tính khả thi và hiệu quả của hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh tỷ lệ chính xác tìm kiếm giữa hệ thống nghiên cứu và các hệ thống hiện có, cũng như bảng thống kê phản hồi người dùng về mức độ hài lòng và hiệu quả sử dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển thêm các chức năng truy vấn nâng cao: Mở rộng ngôn ngữ truy vấn để hỗ trợ các câu hỏi phức tạp hơn, giúp người dùng diễn đạt chính xác hơn nhu cầu tìm kiếm kiến thức. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm phát triển phần mềm và chuyên gia giáo dục phối hợp thực hiện.

  2. Tích hợp hệ thống với các nền tảng học tập trực tuyến: Kết nối ứng dụng với các hệ thống học trực tuyến phổ biến để tăng tính tiện lợi và khả năng tiếp cận cho học sinh và giáo viên. Thời gian triển khai khoảng 9 tháng, do đơn vị phát triển phần mềm và nhà trường phối hợp.

  3. Đào tạo và hướng dẫn sử dụng cho giáo viên và học sinh: Tổ chức các buổi tập huấn, hướng dẫn sử dụng hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng trong giảng dạy và học tập. Thời gian thực hiện liên tục trong năm học, do nhà trường và các chuyên gia CNTT phối hợp.

  4. Cập nhật và mở rộng cơ sở tri thức thường xuyên: Thiết lập quy trình cập nhật tri thức mới, bổ sung bài tập, phương pháp giải và các chủ đề mới theo chương trình giáo dục. Thời gian thực hiện định kỳ hàng quý, do giáo viên và nhóm quản trị hệ thống đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Giáo viên Toán THPT: Luận văn cung cấp mô hình và công cụ hỗ trợ tra cứu kiến thức, giúp giáo viên dễ dàng cập nhật, tìm kiếm và giảng dạy kiến thức một cách hệ thống và hiệu quả.

  2. Học sinh THPT: Ứng dụng hỗ trợ học sinh tra cứu kiến thức theo nhiều cách, từ tìm kiếm đơn giản đến truy vấn nâng cao, giúp nâng cao khả năng tự học và hiểu sâu kiến thức Toán.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển phần mềm giáo dục: Cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình biểu diễn tri thức và thuật giải tìm kiếm, là tài liệu tham khảo quý giá cho các dự án phát triển hệ thống hỗ trợ học tập thông minh.

  4. Cơ quan quản lý giáo dục: Giúp hiểu rõ hơn về ứng dụng CNTT trong giáo dục, từ đó có thể xây dựng chính sách, định hướng phát triển các hệ thống hỗ trợ học tập phù hợp với xu thế chuyển đổi số.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống hỗ trợ tìm kiếm kiến thức Toán THPT theo những cách nào?
    Hệ thống hỗ trợ tìm kiếm theo từ khóa, phân loại kiến thức (như khái niệm, định lý, bài tập), và theo quy ước đặc tả đơn giản giúp người dùng diễn đạt yêu cầu tìm kiếm chi tiết hơn.

  2. Mô hình biểu diễn tri thức KB_HM có điểm gì nổi bật?
    KB_HM kết hợp mô hình COKB_SIMPLE với cây chương mục, từ khóa và các mối liên kết, cho phép biểu diễn đầy đủ và linh hoạt các thành phần tri thức Toán THPT phục vụ tra cứu và truy vấn hiệu quả.

  3. Ứng dụng đã được thử nghiệm ở đâu và kết quả ra sao?
    Ứng dụng được triển khai thử nghiệm tại Trường THPT Tây Ninh với hơn 200 học sinh và 10 giáo viên, nhận được phản hồi tích cực với tỷ lệ hài lòng khoảng 90%.

  4. Hệ thống có hỗ trợ cập nhật tri thức mới không?
    Có, hệ thống cho phép giáo viên quản trị cơ sở tri thức, cập nhật, thêm mới hoặc chỉnh sửa nội dung để đảm bảo tính cập nhật và phù hợp với chương trình học.

  5. Làm thế nào để mở rộng hệ thống cho các môn học khác?
    Dựa trên mô hình biểu diễn tri thức và kiến trúc hiện tại, có thể điều chỉnh và mở rộng mô hình ontology, thu thập tri thức chuyên ngành tương ứng để phát triển hệ thống cho các môn học khác.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình biểu diễn tri thức KB_HM phù hợp với miền tri thức Toán THPT, bao gồm các thành phần khái niệm, quan hệ, bài tập, phương pháp giải, từ khóa và cây chương mục.
  • Thiết kế và triển khai các thuật giải tìm kiếm theo từ khóa, phân loại kiến thức và quy ước đặc tả đơn giản, đạt hiệu quả tìm kiếm chính xác khoảng 85%.
  • Phát triển ứng dụng hỗ trợ tra cứu kiến thức Toán THPT, thử nghiệm thực tế tại Trường THPT Tây Ninh với phản hồi tích cực từ giáo viên và học sinh.
  • Đề xuất các giải pháp mở rộng chức năng, tích hợp hệ thống và đào tạo người dùng nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng trong giáo dục.
  • Kế hoạch tiếp theo bao gồm phát triển ngôn ngữ truy vấn nâng cao, mở rộng cơ sở tri thức và tích hợp với các nền tảng học tập trực tuyến, nhằm phục vụ tốt hơn nhu cầu học tập và giảng dạy Toán THPT.

Mời quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu để góp phần nâng cao chất lượng giáo dục Toán Trung học Phổ thông trong thời đại số.