Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính kỹ thuật đánh giá đa chỉ tiêu mờ và ứng dụng trong giáo dục

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRIỆU THỊ HỒNG THẮM KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ ĐA CHỈ TIÊU MỜ VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁO DỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN,[.]

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG TRIỆU THỊ HỒNG THẮM KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ ĐA CHỈ TIÊU MỜ VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁO DỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUN, 2017 ii BẢN CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân tơi, kết luận văn hồn tồn kết tự thân tơi tìm hiểu, nghiên cứu hướng dẫn giá o viên hướ ng dẫn PGS.TS Đặng Văn Đức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm tính pháp lý q trình nghiên cứu khoa học luận văn Thái Nguyên, ngày 08 tháng năm 2017 Học viên Triệu Thị Hồng Thắm iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS TS Đặng Văn Đức người tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ suốt trình làm luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - Đại học Thái Nguyên, thầy cô Viện Công nghệ thông tin truyền đạt kiến thức giúp đỡ suốt trình học Học viên xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trường THPT Lê Quý Đôn, Sở GD&ĐT tỉnh Quảng Ninh tạo điều kiện thuận lợi cho học viên tham gia khóa học q trình hồn thành luận văn Và học viên xin gửi lời cảm ơn tới đồng nghiệp, gia đình bạn bè người ủng hộ, động viên tạo điều kiện giúp đỡ để học viên có kết ngày hôm iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Đối tượng phạm vi nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu: 2.2 Phạm vi nghiên cứu: Hướng nghiên cứu đề tài Những nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đề tài CHƯƠNG I: 1.1 Lý thuyết mờ 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Khái niệm tập rõ tập mờ 1.1.3 Hàm thuộc 1.1.4 Một số đặc trưng tập mờ 11 1.1.5 Các phép toán tập mờ 11 1.1.6 Biến ngôn ngữ (Liguistic Variable) 12 1.2 Kỹ thuật tiến trình phân tích phân cấp AHP 13 1.2.1 Kỹ thuật phân tích đa tiêu MCA (Multi - Criteria Analysis) 13 1.2.2 Kỹ thuật xác định trọng số tiêu sử dụng thuật tốn AHP 15 1.3 Kỹ thuật tiến trình phân tích phân cấp mờ FAHP - Fuzzy Analytic Hierarchy Process 22 1.3.1 Số mờ tam giác giá trị mờ biến ngôn ngữ so sánh cặp 23 1.3.2 Tích hợp AHP lý thuyết tập mờ 25 1.3.3 Kỹ thuật phân tích mờ khoảng rộng 26 v 1.4 Giới thiệu toán giáo dục ứng dụng kỹ thuật FAHP 27 1.5 Tổng kết chương 30 CHƯƠNG II: 32 2.1 Đánh giá xếp hạng giáo viên FAHP 32 2.1.1 Khảo sát trạng cách đánh giá, xếp hạng giáo viên 32 2.1.2 Ứng dụng kĩ thuật đánh giá FAHP việc xếp hạng giáo viên 33 2.2 Lựa chọn trường học phù hợp cho trẻ em FAHP 43 2.3 Tổng kết chương 52 CHƯƠNG III: 53 3.1 Mô tả liệu thử nghiệm 53 3.2 Mơ hình hệ thống 61 3.3 Cài đặt thử nghiệm 61 3.4 Đánh giá kết thử nghiệm 65 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 68 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các tính chất phép toán tập hợp 12 Bảng 1.2: Các phép tốn với biến ngơn ngữ 13 Bảng 1.3: Thang điểm so sánh tiêu 19 Bảng 1.4: Chỉ số ngẫu nhiên RI 22 Bảng 1.5: Biến ngôn ngữ giá trị mờ biến ngôn ngữ so sánh cặp 24 Bảng 2.1: Chuyển đổi thuật ngữ sang số mờ (5 mức) 35 Bảng 2.2: Giá trị thành phần Mi điểm rõ tương ứng 36 Bảng 2.3: Các tiêu chí giải pháp thay cho Fuzzy AHP 37 Bảng 2.4: Giá trị mờ ma trận định cho xếp hạng tiêu chí 38 Bảng 2.5: Số chuyển đổi mờ tam giác 45 Bảng 2.6: Tổng hợp mờ tiêu chí đánh giá 45 Bảng 2.7: Ma trận đánh giá mờ mục tiêu 45 Bảng 2.8: Ma trận đánh giá mờ Chuẩn hóa mục tiêu 46 Bảng 2.9: Ma trận tiêu chuẩn phụ C1 46 Bảng 2.10: Ma trận tiêu chuẩn phụ C2 46 Bảng 2.11: Ma trận tiêu chuẩn phụ C3 47 Bảng 2.12: Ma trận tiêu chuẩn phụ C4 47 Bảng 2.13: Ma trận tiêu chuẩn phụ C5 47 Bảng 2.14: Ma trận thay C11 48 Bảng 2.15: Các kết đạt 51 Bảng 2.16: Bảng xếp hạng giải pháp thay 51 Bảng 3.1: Các tiêu đánh giá - xếp hạng giáo viên trường THPT Lê Quý Đôn 55 Bảng 3.2: Ví dụ tiêu đánh giá với GV tổ Toán - Tin 56 Bảng 3.3: Giá trị mờ ma trận định cho xếp hạng tiêu chí 57 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hàm thuộc tam giác Hình 1.2: Hàm thuộc hình thang Hình 1.3: Hàm thuộc hình L 10 Hình 1.4: Hàm thuộc hình Sin 10 Hình 1.5: Mơ hình phân cấp thứ bậc AHP 17 Hình 1.6: Ví dụ mơ hình phân cấp thứ bậc AHP 17 Hình 1.7: Số mờ tam giác 23 Hình 1.8: Số mờ tương ứng biến ngơn ngữ 24 Hình 1.9: Độ đo khả 𝑉𝑆𝑖 ≥ 𝑆𝑗 27 Hình 1.10: Mơ hình tích hợp FAHP ứng dụng giáo dục 31 Hình 2.1: Mơ hình mờ hóa theo hình tam giác 34 Hình 2.2: Thứ bậc đánh giá xếp hạng giáo viên [7] 37 Hình 2.3: Hệ thống lựa chọn trường phù hợp cho trẻ em 44 Hình 3.1: Giao diện chương trình 61 Hình 3.2: Giao diện giới thiệu chung 62 Hình 3.3: Giao diện Nhập liệu 63 Hình 3.4: Giao diện chức Sắp xêp - Đánh giá 64 Hình 3.5: Giao diện In báo cáo 65 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Hiện giáo dục coi phương tiện cần thiết cho việc tạo phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao, góp phần phục vụ nâng cao dân trí đời sống người Chính vậy, để đánh giá hiệu hoạt động giáo dục giúp cho việc xây dựng kế hoạch phát triển đảm bảo chất lượng giáo viên trình học tập giảng dạy cách hiệu góp phần vào việc quản lý nhân cách khoa học Đây dạng toán định đa tiêu thực tế ứng dụng ngành giáo dục Có nhiều phương pháp để giải tốn chủ yếu dựa vào đánh giá tập hợp giải pháp thay số tiêu để đưa định tốn Đó nhiệm vụ khó khăn q trình phân tích dường cung cấp cách định lượng liệu thích hợp cách hiệu cho việc đánh giá Năm 1977 1994, Saaty đề xuất kỹ thuật phân tích thứ bậc (AHP) cách tiếp cận đa tiêu, giải pháp kỹ thuật hỗ trợ xác định trọng số mục tiêu Tuy nhiên mơ hồ không chắn người đánh giá, nên kết đánh giá chưa đủ chưa xác để đưa định, khắc phục hạn chế AHP có nhiều nghiên cứu đề xuất giải pháp kết hợp hai kỹ thuật AHP logic mờ (FAHP) so sánh cặp cho phép mơ tả xác trình định Trong ngành giáo dục, vấn đề đánh giá xếp hạng giáo viên, đánh giá tiêu chí lựa chọn trường phù hợp cho trẻ em toán định đa tiêu đặc trưng nhằm mục đích tối ưu hóa cho công tác đánh giá hiệu công việc phục vụ cho cơng tác quản lý nhân góp phần điều chỉnh cơng tác quản lý, từ xây dựng kế hoạch phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao Đây lý tơi chọn đề tài "Kỹ thuật đánh giá đa tiêu mờ ứng dụng giáo dục" Với mục tiêu nghiên cứu kỹ thuật đánh giá đa tiêu mờ ứng dụng việc đánh giá xếp hạng giáo viên, đánh giá lựa chọn trường học phù hợp với trẻ em góp phần vào đánh giá phát triển ngành giáo dục thành phố Cẩm Phả tỉnh Quảng Ninh 2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu: Lý thuyết tập mờ, kỹ thuật phân tích phân cấp AHP, kỹ thuật phân tích phân cấp mờ FAHP, kỹ thuật đánh giá đa tiêu mờ ứng dụng giáo dục 2.2 Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng kỹ thuật đánh giá đa tiêu mờ ngành giáo dục thành phố Cẩm Phả tỉnh Quảng Ninh Cụ thể: đánh giá tiêu để chọn trường học phù hợp cho học sinh vấn đề đánh giá xếp hạng giáo viên Hướng nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu kỹ thuật phân tích phân cấp đa tiêu mờ (FAHP), quy trình đánh giá xếp hạng giáo viêntrong ngành giáo dục, quy trình đánh giá tiêu lựa chọn trường phù hợp cho trẻ em - Kết hợp nghiên cứu với thử nghiệm giúp việc nghiên cứu hướng, có tính thuyết phục cao Những nội dung nghiên cứu Ngồi phần mở đầu trình bày lý chọn đề tài phần kết luận trình bày kết đạt hướng nghiên cứu luận văn, nội dung nghiên cứu trình bày chi tiết chương sau: - Chương 1: Tổng quan lý thuyết mờ, vấn đề kỹ thuật đánh giá đa tiêu (AHP, FAHP) khả ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa tiêu FAHP giáo dục - Chương Trình bày số tốn giáo dục ứng dụng kỹ thuật đánh giá đa tiêu mờ FAHP Cụ thể với hai toán: + Lựa chọn trường học phù hợp cho trẻ em + Đánh giá xếp hạng giáo viên 3 - Chương Trình bày việc xây dựng chương trình thử nghiệm Bao gồm: Mơ tả liệu, mơ hình hệ thống, cài đặt thử nghiệm đánh giá kết thử nghiệm Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa tổng hợp: Kế thừa tổng hợp lý thuyết kỹ thuật đánh giá đa tiêu lý thuyết mờ, tìm hiểu tài liệu sốbài tốn giáo dục ứng dụng kỹ thuật FAHP Từ mơ hình hóa liệu, xây dựng hệ thống, cài đặt thử nghiệmvà đánh giá kết - Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến chuyên gia, giáo viên hướng dẫn vấn đề nghiên cứu để có điều chỉnh kịp thời đảm bảo tiến độ thực mục tiêu nghiên cứu luận văn - Phương pháp thu thập xử lý liệu tài liệu có - Phương pháp thực nghiệm, điều tra thực địa: điều tra thực tế kiểm chứng kết nghiên cứu Ý nghĩa khoa học đề tài - Đưa quy trình sử dụng phương pháp đánh giá đa tiêu FAHP công tác giáo dục - Ý nghĩa thực tiễn đề tài: xác lập sở khoa học đề xuất phương án lựa chọn trường học phù hợp với trẻ em phương án đánh giá xếp hạng giáo viên thành phố Cẩm Phả tỉnh Quảng Ninh 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ ĐA CHỈ TIÊU VÀ LÝ THUYẾT MỜ Chương trình bày sở lý thuyết áp dụng giải toán phát triển ứng dụng hỗ trợ lựa chọn trường học cho trẻ em đánh giá giáo viên phổ thông Các kiến thức liên quan lý thuyết mờ kỹ thuật đánh giá đa tiêu Cuối chương phát biểu toán cần giải luận văn đánh giá giáo viên trường THPT Lê Quý Đôn, Quảng Ninh 1.1 Lý thuyết mờ 1.1.1 Giới thiệu chung Như biết, logic tốn học đóng vai trị quan trọng suy luận khoa học suy luận đời sống hàng ngày Các suy luận logic ứng dụng ngày khoa học kỹ thuật suy luận - sai dựa hai chữ số thập phân "1" "0", gọi logic nguyên thủy hay logic rõ [1][6] Tuy nhiên, cách suy luận gặp phải hạn chế giải toán phức tạp và/hoặc có liệu đầu vào khơng chắn khơng tin cậy Vì vậy, lý thuyết mờ đời nhằm giải toán điều kiện mà tham số bất định - Ví dụ 1: Đánh giá thành tích học sinh học tập Nếu em học sinh A có điểm số tổng kết cuối học kỳ 7.9, em học sinh đạt loại học lực Khá Theo Quy chế đánh giá, xếp loạihọc sinh trung học sở học sinh trung học phổ thông hành Bộ GD&ĐT Việt Nam; học sinh có điểm từ 8.0 trở lên xếp loại Giỏi, từ 6.5 đến 7.9 xếp loại Khá từ 5.0 đến 6.4 xếp loại Trung bình Trong trường hợp này, học sinh A xếp loại Khá tiệm cận đạt loại Giỏi Nếu so sánh với học sinh B có điểm tổng kết cuối học kỳ 6.5 đạt loại Khá học sinh A, nhiên lực học sinh A B khác hồn tồn học sinh B tiệm cận với Trung bình Chính vậy, lý thuyết mờ ứng dụng để đánh giá học sinh học tập để đảm bảo tính cơng xét duyệt học bổng hoạt động bầu chọn khác cho học sinh 5 - Ví dụ 2: Giả sử bên phòng học, đèn bật (trạng thái "1") mơi trường bên phịng học sáng Ngược lại, mơi trường bên ngồi phịng học tối (trạng thái "0") Tuy nhiên, người đứng cửa vào phịng mơi trường sáng hay tối? Do đó, có trạng thái mờ tồn trạng thái sáng tối Lý thuyết mờ công bố Giáo sư Lotfi A.Zadeh, trường Đại học California, Berkeley, thông qua báo Tập hợp Mờ tạp chí Thơng tin Điều khiển, năm 1965 Kể từ đó, lý thuyết mờ nhận ý thu hút nhiều học giả giới nghiên cứu, phát triển ứng dụng lĩnh vực như: khoa học máy tính, trí tuệ nhân tạo, y khoa, kỹ thuật điều khiển, robotics, lý thuyết định, khoa học quản lý, vận trù học, tài Khái niệm lý thuyết tập mờ cho phép xử lý: - Những phạm trù có đường biên xác định ( "trung tâm thành phố" hay "ngoại ô thành phố", "Giỏi", "Tốt", "Khá", "Trung bình" ) - Những tình trung gian tất khơng có (“ thi đỗ”, "Xuất sắc với Khá", "Khá với Trung bình") - Việc chuyển nhích dần từ tính chất sang tính chất khác (từ “gần” tới “xa” , "Chưa đạt" tới "Đạt") - Những giá trị gần ( “khoảng 100km”) Lý thuyết mờ theo trình tự phát minh Mỹ, xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh Châu Âu ứng dụng thực tiễn Nhật Bản Những 1980, công ty Nhật Bản tiên phong việc ứng dụng lý thuyết mờ Fuji Electric ứng dụng lý thuyết mờ nhà máy xử lý nước, công ty Hitachi ứng dụng lý thuyết mờ điều khiển hệ thống xe điện ngầm, công ty Mitsubishi ứng dụng lý thuyết mờ điều khiển xe giới Omrom ứng dụng tự động trình sản xuất Lý thuyết mờ ngày tiếp tục phát triển kết hợp nghiên cứu với Mạng Thần kinh (Neural Network) thuật tốn di truyền (Genetics Algorithm) gọi Tính toán mềm (Soft Computing), mở bước phát triển ứng dụng giải toán phức tạp Tính tốn mềm nhằm giải tốn cho phép khơng xác, tính bất định, gần xấp xỉ Không ứng dụng khoa học công nghệ điều khiển thiết bị điện tử gia dụng, xử lý tín hiệu, cơng nghệ y sinh, cơng nghệ thơng tin, trí tuệ nhân tạo Lý thuyết mờ ứng dụng toán định kinh doanh quản lý Ví dụ: - Quản trị tài chính: Đánh giá xếp hạng số tín dụng cá nhân hay tổ chức dựa tham số nhân học - Quản trị tồn kho: Hoạch định vật tư tồn kho mờ dựa tham số mơ hình tồn kho EOQ, EPL - Quản trị sản xuất: Điều độ hoạt động sản xuất mờ - Quản trị nhân sự: Đánh giá lựa chọn ứng viên vào vị trí tổ chức - Quản trị dự án: Hoạch định theo sơ đồ Gantt tính tốn thời gian khỏi đầu kết thúc dự án mờ - Quản trị marketing: Định giá bán cho sản phẩm có thay đổi sách gia đối thủ cạnh tranh - Quản lý chất lượng: Kiểm soát chất lượng mờ - Quản lý giáo dục: Đánh giá lực học viên - Quản trị sở liệu kinh doanh: Truy vấn khai thác liệu mờ khách hàng, sản phẩm - Quản trị đổi mới: Lựa chọn dự án nghiên cứu phát triển sản phẩm cho tương lai điều kiện hữu hạn doanh nghiệp - Thương mại điện tử: Đánh giá xếp hạng website thương mại điện tử Trong ngành giáo dục: ứng dụng đánh giá tiêu lựa chọn trường học phù hợp với trẻ em theo nhu cầu đại đa số bậc phụ huynh cho em học; Bên cạnh việc đánh giá xếp hạng giáo viên theo lực làm việc quan tâm trọng Các tiêu để đánh giá hai tốn mơ hồ khó xác định, chí cịn thay đổi theo thời gian, theo nhu cầu Chính vậy, lý thuyết mờ làm mờ hóa tham số theo ý kiến chuyên gia tiêu sau đánh giá xếp hạng thơng qua thuật toán Kết sau trả vấn đề đánh giá định lựa chọn phù hợp Lý thuyết mờ nhằm mơ hình hóa tốn học biến ngơn ngữ khơng rõ ràng chuyển đổi toán mờ thành rõ Các thuật giải mờ xử lý biến đổi liệu mờ đầu vào thành trạng thái rõ Trên sở đó, định công tác quản lý đưa cách tối ưu Nội dung trình bày vấn đề lý thuyết mờ (logic mờ), kỹ thuật tiến trình phân tích phân cấp AHP, FAHP liên quan đến chủ đề nghiên cứu luận văn, vấn đề tham khảo tài liệu [1][5,6] 1.1.2 Khái niệm tập rõ tập mờ 1.1.2.1 Tập rõ ( Crips set) Trong lý thuyết tập hợp cổ điển, quan hệ thành viên phẩn tử tập hợp đánh giá theo kiểu nhị phân cách rõ ràng: phần tử x tham chiếu X chắn thuộc tập A chắn không thuộc tập A Ta gán cho phần tử giá trị phần tử chắn thuộc tập A giá trị phần tử chắn không thuộc tập A Để biểu diễn tập hợp A tập X, ta dùng hàm thuộc A(x), với: 1 x  A 0 x  A  A ( x)   (1.1) A(x) nhận hai giá trị “1” “0” 1.1.2.2 Tập mờ ( Fuzzy set) Một tập mờ A không gian X xác định hàm thuộc sau: A: X0,1 A(x) giá trị thành viên x A Không gian X tập rõ Nếu không gian định nghĩa tập hợp rời rạc xác định giá trị X ={x1, x2, …, xn} tập mờ A X biểu diễn sau: 𝑛 𝜇𝐴 (𝑥1 ) 𝜇𝐴 (𝑥2 ) 𝜇𝐴 (𝑥𝑛 ) 𝜇𝐴 (𝑥𝑖 ) 𝐴= + + … + =∑ 𝑥1 𝑥2 𝑥𝑛 𝑥𝑖 (1.2) 𝑖=1 A(xi)/xi giá trị tham gia tới tập mờ A X Ký hiệu “/” gọi chia, hàm  “+” tập hợp nối khoản mục Nếu không gian tập vô hạn, không đếm X = {x1, x2, …} tập mờ A X biểu diễn: 𝐴=∫ 𝑋 𝜇𝐴 (𝑥) 𝑥 (1.3) Ký pháp “  ” khơng liên quan đến tích phân mà có nghĩa với phần tử x miền X (X miền không đếm được) gán với độ thuộc x vào tập mờ A 8 1.1.3 Hàm thuộc Lựa chọn hàm thuộc hợp lệ cho tập mờ nội dung quan trọng logic mờ Lựa chọn hàm thuộc trách nhiệm người sử dụng để có hàm thuộc diễn tả tốt cho khái niệm mờ mơ hình hóa Các tiêu chí sau hợp lệ cho tất hàm thuộc: - Hàm thuộc phải hàm có giá trị thực khoảng [0,1] - Các giá trị hàm thuộc tâm tập hợp - Hàm thuộc suy biến có khoảng cách thích hợp từ tâm đến ranh giới - Các điểm có giá trị 0,5 ( điểm cắt ngang) ranh giới tập rõ, vận dụng việc phân lớp rõ ranh giới phân lớp miêu tả điểm cắt ngang Có hai kiểu hàm thuộc hàm thuộc tuyến tính hàm thuộc hình sin 1.1.3.1 Hàm thuộc tuyến tính Hàm thuộc tuyến tính có tham số xác định hình dạng hàm Bằng việc lựa chọn giá trị thích hợp a,b,c, d tạo hàm hình dạng khác a) Hàm thuộc tam giác Hàm thuộc tam giác với tham số cận a, cận b giá trị đỉnh tam giác m với a