Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bài thi TOEIC (Test of English for International Communication) do Viện Khảo thí Giáo dục Hoa Kỳ (ETS) nghiên cứu và phát triển, được tổ chức chính thức tại Việt Nam từ năm 2000 thông qua đại diện IIG Việt Nam. Đây là chuẩn đánh giá năng lực tiếng Anh phổ biến được nhiều trường đại học sử dụng làm chuẩn đầu ra và các doanh nghiệp dùng làm tiêu chí tuyển dụng. Trong cấu trúc bài thi, hai kỹ năng Đọc hiểu (Reading) và Nghe hiểu (Listening) được áp dụng rộng rãi nhất. Phần đọc hiểu đòi hỏi người học phải rèn luyện vốn từ vựng đa ngành và hệ thống ngữ pháp phức tạp. Tuy nhiên, nguồn đề thi chuẩn bị hạn chế do chính sách bảo mật của đơn vị tổ chức thi (không cho phép mang đề thi ra ngoài), các tài liệu luyện thi mẫu tại các trung tâm thường bị giới hạn về số lượng, và chi phí mua đề thi thử chính thức tương đối cao (khoảng 400.000 đồng cho 3 đề thi thử). Ngoài ra, người học có nhu cầu ôn tập tập trung theo từng dạng ngữ pháp hoặc chủ đề từ vựng cụ thể thường khó tìm được nguồn đề phân hóa phù hợp.

Đề tài đặt mục tiêu thiết kế và xây dựng một hệ thống tạo sinh đề thi tiếng Anh chuẩn hóa phần đọc hiểu TOEIC (bao gồm văn bản đọc, câu hỏi, các phương án lựa chọn và đáp án) dựa trên chủ đề hoặc đoạn văn do người dùng cung cấp. Hệ thống được triển khai trên nền tảng giao diện web, tích hợp các mô hình ngôn ngữ lớn (LLM) mã nguồn mở kết hợp kỹ thuật thiết kế lời nhắc (Prompt Engineering), có khả năng vận hành độc lập trên máy tính cá nhân mà không phụ thuộc vào các giao diện lập trình ứng dụng (API) trả phí từ bên ngoài.

Văn bản xác định 7 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Chuẩn bị dữ liệu bao gồm các bộ đề thi TOEIC thực tế.
  2. Tìm hiểu và nghiên cứu cấu trúc chuẩn của đề thi TOEIC.
  3. Nghiên cứu các mô hình ngôn ngữ lớn và phương pháp triển khai cục bộ trên máy tính cá nhân.
  4. Viết chương trình bằng ngôn ngữ Python để xây dựng hệ thống.
  5. Khảo sát, thực nghiệm và lựa chọn mô hình ngôn ngữ phù hợp.
  6. Thiết kế và tối ưu hóa các mẫu lời nhắc (Prompt) theo từng phần thi.
  7. Tổng kết, đánh giá và báo cáo kết quả đạt được.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc đề thi TOEIC chuẩn IIG; công nghệ trí tuệ nhân tạo tạo sinh (Generative AI); các mô hình ngôn ngữ lớn mã nguồn mở; kỹ thuật tạo prompt; ngôn ngữ lập trình Python và các thư viện hỗ trợ.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi tạo sinh 100 câu hỏi phần Đọc hiểu (Reading) thuộc Phần 5, Phần 6 và Phần 7 của bài thi TOEIC; chỉ sử dụng các mô hình AI mã nguồn mở có khả năng chạy trên phần cứng cục bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống dựa trên các nền tảng lý thuyết về bài thi TOEIC và xử lý ngôn ngữ tự nhiên:

  • Cấu trúc bài thi TOEIC Reading: Gồm 100 câu hỏi với thời gian làm bài 75 phút, phân bổ qua ba phần:
    • Phần 5 (Incomplete Sentences): 30 câu điền từ/cụm từ vào chỗ trống, kiểm tra 14 chủ điểm ngữ pháp cốt lõi.
    • Phần 6 (Text Completion): 16 câu hoàn thành đoạn văn, kết hợp giữa ngữ pháp và ngữ cảnh đoạn văn.
    • Phần 7 (Reading Comprehension): Đọc hiểu đơn đoạn và đa đoạn văn (email, thông báo, bài báo), kiểm tra 6 nhóm dạng câu hỏi từ thông tin tổng quát đến suy luận và tìm vị trí câu.
  • Lý thuyết xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) và Mô hình ngôn ngữ lớn (LLM):
    • Quá trình phát triển từ hệ thống dựa trên quy tắc (Rule-based), NLP thống kê, mạng nơ-ron hồi quy (RNN, LSTM), mạng tích chập (CNN) đến kiến trúc Transformer (cơ chế Self-Attention theo bài báo "Attention is All You Need" của Google, 2017).
    • Quy trình tiền xử lý văn bản: Tokenization (BytePairEncoding), mã hóa vị trí (Absolute Positional Embeddings qua hàm Sin và Cosin).
    • Phân loại kiến trúc: Encoder-only (tiêu biểu là BERT với cơ chế Masked Language Modeling), Decoder-only (tiêu biểu là dòng GPT, LLaMA, Phi-3 với Autoregressive Language Modeling theo hàm mất mát log-likelihood), và Encoder-Decoder.
    • Kỹ thuật tinh chỉnh mô hình: Supervised Fine-Tuning (SFT), Instruction Tuning (phương pháp Self-Instruct), Direct Preference Optimization (DPO).
    • Chiến lược giải mã (Decoding): Tìm kiếm tham lam (Greedy Search), tìm kiếm dải (Beam Search), lấy mẫu Top-k (Top-k Sampling) kết hợp tham số nhiệt độ (Temperature).
  • Kỹ thuật Prompting: Nghiên cứu và áp dụng Zero-Shot Prompting, Few-Shot Prompting, và Chain-of-Thought (CoT) Prompting để dẫn dắt mô hình suy luận đa bước.
  • Các mô hình ngôn ngữ lớn khảo sát:
    • LLaMA 3 (Meta): Phiên bản 8B và 70B, bộ từ vựng 128K token, cửa sổ ngữ cảnh 8K, áp dụng cơ chế Grouped-Query Attention (GQA).
    • Mixtral 8x7B (Mistral AI): Kiến trúc Mixture of Experts (MoE) gồm 8 mạng chuyên gia, tổng 46,7 tỷ tham số, kích hoạt 12,9 tỷ tham số cho mỗi token thông qua mạng định tuyến (router network).
    • Phi-3-medium (Microsoft): Mô hình Decoder-only 14 tỷ tham số (14B), 40 lớp, 40 head, kích thước vector nhúng 5120, từ vựng 32064 token, được huấn luyện qua SFT và DPO.
  • Kỹ thuật Multi-Agent, Độ tương đồng Cosin và RAG: Mô hình hóa sự tương tác giữa các tác tử (Agent conversation và Group chat); tính toán khoảng cách vector ngữ nghĩa bằng Cosine Similarity; nguyên lý Retrieval-Augmented Generation (RAG) để giảm thiểu hiện tượng ảo giác (hallucination).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo kiến trúc module hóa nhằm xử lý độc lập từng phần của đề thi TOEIC Reading, chạy trên môi trường cục bộ:

[Khối Ngữ pháp TOEIC] ---> [Khối Tạo sinh (Part 5, 6, 7)] ---> [Khối Hậu xử lý] ---> [Giao diện Web UI]

1. Khối ngữ pháp TOEIC

Lưu trữ và phân loại các quy tắc ngôn ngữ cho từng phần thi:

  • Phần 5 và Phần 6 (14 chủ điểm ngữ pháp): Các thì (Tenses), To-infinitive (To verb), Phân từ (Participles), Câu bị động (Passive voice), Tính từ (Adjectives), Trạng từ (Adverbs), Giới từ (Prepositions), Đại từ (Pronouns), Đại từ quan hệ (Relative pronouns), Động từ nguyên mẫu (Bare infinitives), Danh động từ (Gerunds), Hòa hợp chủ vị (Subject-Verb agreement), Câu so sánh (Comparisons), Danh từ (Nouns).
  • Phần 7 (6 dạng câu hỏi đọc hiểu):
    1. Loại 1: Câu hỏi thông tin tổng quát / mục đích chính của văn bản.
    2. Loại 2: Câu hỏi chi tiết, lý do hoặc tình huống cụ thể.
    3. Loại 3: Câu hỏi xác minh thông tin có hoặc không có trong bài (True/False/Not Mentioned).
    4. Loại 4: Câu hỏi suy luận ngữ cảnh (Inference).
    5. Loại 5: Câu hỏi từ vựng trong ngữ cảnh (Vocabulary in context).
    6. Loại 6: Câu hỏi chọn vị trí điền câu thích hợp ([1], [2], [3], [4]).

2. Khối tạo sinh và quy trình kiểm định

Mỗi phần thi được quản lý bởi một module tạo sinh chuyên biệt:

  • Module tạo sinh Phần 5: Gồm hai công đoạn nối tiếp:
    • Tạo câu hỏi: Dựa trên prompt chứa quy tắc ngữ pháp được chọn, sinh ra câu chưa hoàn chỉnh cùng 4 phương án (A, B, C, D) và xác định đáp án đúng.
    • Kiểm định 2 bước:
      • Bước 1: Thay thế đáp án đúng vào chỗ trống để mô hình LLM thẩm định tính chính xác ngữ pháp và ngữ nghĩa.
      • Bước 2: Lần lượt thay thế 3 phương án nhiễu vào chỗ trống để đảm bảo các phương án này hoàn toàn sai trong ngữ cảnh câu hỏi, tránh lỗi đa đáp án.
  • Module tạo sinh Phần 6 và Phần 7: Tiếp nhận đoạn văn bản đầu vào (do người dùng cung cấp hoặc sinh theo chủ đề), phân tích ngữ cảnh, sau đó tạo sinh các chỗ trống (Part 6) hoặc bộ câu hỏi đọc hiểu theo đúng 6 phân loại chuẩn (Part 7).

3. Giao diện người dùng

Giao diện ứng dụng được chia thành hai phân hệ chính:

  • Giao diện tạo đề: Cho phép người dùng lựa chọn cấu hình câu hỏi theo từng nhóm ngữ pháp (Part 5: câu 1-10, 11-20, 21-30), nhập đoạn văn bản cho Part 6/Part 7, và theo dõi quá trình tạo đề tự động.
  • Giao diện thi thử: Cung cấp môi trường làm bài trực quan mô phỏng bài thi thật, hỗ trợ người học chọn đáp án, đếm thời gian làm bài và tự động chấm điểm, hiển thị kết quả sau khi hoàn thành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương Tên chương trong văn bản Nội dung chính và phát hiện cốt lõi
Chương 1 Tổng quan Trình bày bối cảnh ra đời của chứng chỉ TOEIC tại Việt Nam thông qua IIG; phân tích rào cản chi phí luyện thi và nhu cầu cá nhân hóa đề thi; xác định mục tiêu thiết kế hệ thống tạo đề đọc hiểu độc lập sử dụng AI tạo sinh; nêu rõ 7 nhiệm vụ, 4 giới hạn và bố cục toàn văn đồ án.
Chương 2 Cơ sở lý thuyết Hệ thống hóa cấu trúc 3 phần đọc hiểu TOEIC (Part 5, 6, 7); tổng thuật lịch sử phát triển của NLP; phân tích sâu kiến trúc Transformer (Encoder, Decoder, cơ chế Attention, Positional Encoding); phân tích nguyên lý huấn luyện (Autoregressive, Masked LM, SFT, Instruction Tuning); trình bày các chiến lược giải mã và kỹ thuật Prompting (Zero-shot, Few-shot, CoT); so sánh kiến trúc các mô hình LLaMA 3, Mixtral 8x7B, Phi-3; giải thích nguyên lý Multi-Agent, khoảng cách Cosin và kiến trúc RAG.
Chương 3 Thiết kế hệ thống Xây dựng sơ đồ khối tổng quát và chức năng các thành phần; chuẩn hóa cơ sở dữ liệu 14 chủ điểm ngữ pháp và 6 dạng câu hỏi đọc hiểu; thiết kế chi tiết khối tạo sinh cho từng Part; mô tả quy trình kiểm định 2 bước đối với câu hỏi trắc nghiệm; xây dựng sơ đồ xử lý của các module và thiết kế toàn bộ giao diện tạo đề, giao diện thi thử.
Chương 4 Kết quả thực nghiệm Trình bày tiêu chí đánh giá và thiết lập môi trường thử nghiệm trên phần cứng GPU chuyên dụng (A100 40GB); tiến hành thực nghiệm so sánh hiệu năng các mô hình LLM trên chuẩn MMLU; thực nghiệm đánh giá chất lượng đề thi do hệ thống tạo ra thông qua thẩm định chuyên môn của giáo viên và đối sánh điểm số làm bài của sinh viên giữa đề AI và đề thi thật từ IIG.
Chương 5 Kết luận và hướng phát triển Tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành (xây dựng thành công hệ thống tạo đề TOEIC Reading chuẩn hóa, chạy local); chỉ ra các hạn chế tồn tại; đề xuất các định hướng mở rộng hệ thống cho các kỹ năng khác và tối ưu hóa tài nguyên phần cứng.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm lựa chọn mô hình

Nghiên cứu tiến hành khảo sát và đánh giá ba mô hình ngôn ngữ lớn nguồn mở tiêu biểu dựa trên tiêu chuẩn đánh giá MMLU (Massive Multitask Language Understanding gồm 57 lĩnh vực) và thời gian thực thi:

Tiêu chí đánh giá Phi-3-medium LLaMA 3 (70B) Mixtral 8x7B
Số lượng tham số 14 tỷ (14B) 70 tỷ (70B) 46,7 tỷ (kích hoạt 12,9B/token)
Khả năng hiểu (MMLU) Gần tương đương LLaMA 3 70B Đạt mức cao nhất trong nhóm Thấp hơn đáng kể so với Phi-3
Thời gian thực thi / Suy luận Nhanh, tối ưu trên máy local Chậm, đòi hỏi tài nguyên rất lớn Tốc độ trung bình
Tính phù hợp triển khai Tối ưu nhất cho hệ thống Yêu cầu phần cứng vượt mức cá nhân Hiệu suất ngôn ngữ chưa tối ưu

Kết quả thực nghiệm khẳng định mô hình Phi-3-medium mang lại hiệu quả tối ưu nhất về sự cân bằng giữa chất lượng tạo sinh văn bản, khả năng bám sát cấu trúc đề thi TOEIC và tốc độ xử lý cục bộ.

2. Kết quả đánh giá chất lượng đề thi

  • Đánh giá chuyên môn: Đề thi sinh ra từ hệ thống được kiểm định dựa trên các chủ điểm ngữ pháp chính, đảm bảo tính chuẩn xác về mặt cấu trúc câu, độ hợp lý của các phương án gây nhiễu và tính duy nhất của đáp án.
  • Thực nghiệm trên người học: Khóa luận tiến hành đo lường điểm số thực tế của sinh viên khi làm bài thi do hệ thống AI tạo ra so với bài thi chuẩn từ IIG Việt Nam. Kết quả cho thấy sự tương quan chặt chẽ về số lượng câu đúng và mức độ phân hóa trình độ người học giữa hai nguồn đề.

3. Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng thành công quy trình tự động hóa việc tạo đề thi đọc hiểu TOEIC 100 câu bằng mô hình ngôn ngữ lớn chạy cục bộ, không tốn chi phí duy trì API.
  • Đề xuất và triển khai quy trình kiểm định logic câu hỏi trắc nghiệm 2 bước (kiểm tra đáp án đúng và xác thực tính sai của các phương án nhiễu), giải quyết triệt để lỗi sinh câu hỏi có nhiều đáp án đúng.
  • Hệ thống hóa chi tiết 14 cấu trúc ngữ pháp và 6 dạng câu hỏi đọc hiểu thành các khuôn mẫu prompt chuẩn cho LLM.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi đề tài mới chỉ giới hạn ở 100 câu phần Đọc hiểu (Reading), chưa hỗ trợ các phần Nghe hiểu (Listening), Nói (Speaking) và Viết (Writing).
    • Báo cáo đồ án còn một số lỗi dịch thuật thuật ngữ và chất lượng hiển thị của một số hình ảnh minh họa chưa đồng đều (được ghi nhận trong phiếu nhận xét của giảng viên hướng dẫn với tỷ lệ trùng lắp báo cáo là 26%).
    • Quá trình chạy mô hình LLM trên máy tính cá nhân vẫn đòi hỏi cấu hình phần cứng có bộ nhớ GPU nhất định để duy trì tốc độ suy luận ổn định.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng hệ thống sang việc tạo sinh dữ liệu âm thanh và câu hỏi cho phần thi Nghe hiểu (TOEIC Listening).
    • Tối ưu hóa mô hình thông qua các kỹ thuật lượng tử hóa (Quantization) sâu hơn để giảm thiểu yêu cầu phần cứng, cho phép chạy mượt mà trên các dòng máy tính phổ thông.
    • Tích hợp thêm tính năng giải thích chi tiết đáp án và phân tích lỗi sai tự động cho người học trong giao diện thi thử.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Máy tính, Khoa học Máy tính, Công nghệ Thông tin: Tham khảo phương pháp triển khai các mô hình ngôn ngữ lớn nguồn mở (như Phi-3, LLaMA, Mixtral) trên môi trường cục bộ; kỹ thuật Prompt Engineering nâng cao (CoT, Few-shot) phục vụ các bài toán xử lý văn bản phức tạp.
  • Nhà phát triển ứng dụng Công nghệ Giáo dục (EdTech): Cung cấp kiến trúc tham chiếu cho bài toán tự động sinh đề thi trắc nghiệm ngoại ngữ, quy trình thiết kế module kiểm định tính đúng đắn của phương án lựa chọn và xây dựng giao diện luyện thi trực tuyến.
  • Người nghiên cứu về bài thi TOEIC: Nắm bắt khung chuẩn hóa 14 chủ điểm ngữ pháp và 6 dạng câu hỏi đọc hiểu được mô hình hóa cho trí tuệ nhân tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao tác giả lựa chọn mô hình Phi-3-medium thay vì LLaMA 3 70B hay Mixtral 8x7B?
Trả lời: Dù LLaMA 3 70B có kích thước lớn và hiệu năng cao, nhưng mô hình này đòi hỏi tài nguyên phần cứng vượt quá khả năng chạy độc lập trên máy tính cá nhân. Mixtral 8x7B có kích thước 46,7B tham số nhưng điểm hiểu ngôn ngữ MMLU thấp hơn. Phi-3-medium (14B tham số) đạt điểm MMLU tiệm cận LLaMA 3 70B, thời gian suy luận nhanh và đáp ứng tốt tiêu chí chạy cục bộ không cần API.

2. Quy trình kiểm định câu hỏi Phần 5 của hệ thống hoạt động như thế nào để tránh lỗi sai sót?
Trả lời: Quy trình kiểm định gồm 2 bước: Bước 1 đưa đáp án đúng vào câu hỏi để LLM xác nhận tính đúng đắn ngữ pháp/ngữ nghĩa; Bước 2 lần lượt đưa từng phương án sai (distractors) vào chỗ trống để mô hình kiểm tra, đảm bảo không có phương án nào khác có thể trở thành đáp án đúng thứ hai.

3. Khối ngữ pháp TOEIC trong hệ thống bao gồm những thành phần cụ thể nào?
Trả lời: Khối ngữ pháp lưu trữ 14 chủ điểm ngữ pháp dành cho Phần 5 và Phần 6 (các thì, to verb, phân từ, câu bị động, tính từ, trạng từ, giới từ, đại từ, đại từ quan hệ, động từ nguyên mẫu, danh động từ, chia số ít/nhiều, so sánh, danh từ) và 6 nhóm dạng câu hỏi đọc hiểu dành cho Phần 7.

4. Môi trường phần cứng nào đã được sử dụng để thực hiện các thử nghiệm trong đồ án?
Trả lời: Đồ án sử dụng môi trường thử nghiệm với cấu hình GPU chuyên dụng NVIDIA A100 40GB để chạy đối sánh hiệu năng các mô hình ngôn ngữ lớn và đo lường thời gian thực thi.


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Tấn Tài (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu và ứng dụng thành công mô hình ngôn ngữ lớn mã nguồn mở Phi-3-medium để xây dựng hệ thống tự động tạo sinh đề thi TOEIC Reading 100 câu. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa 14 chủ điểm ngữ pháp, 6 dạng câu hỏi đọc hiểu và quy trình kiểm định câu hỏi 2 bước, hệ thống đã tạo ra các bộ đề có cấu trúc chuẩn hóa, đảm bảo tính logic và duy nhất của đáp án. Ứng dụng vận hành độc lập trên môi trường máy tính cục bộ qua giao diện web hoàn chỉnh, mở ra giải pháp chi phí thấp và linh hoạt cho nhu cầu ôn luyện tiếng Anh theo chứng chỉ quốc tế.