XÂY DỰNG MÔ HÌNH BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ HỆ HỖ TRỢ GIẢI MỘT SỐ LỚP BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KHOA HỌC MÁY TÍNH  BÁO CÁO THU HOẠCH MÔN HỌC BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ HỆ HỖ TRỢ GIẢI MỘT SỐ LỚP BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ TRONG CHƯƠNG TRÌNH THPT Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Đỗ Văn Nhơn Sinh viên thực hiện : Đỗ Thị Nhung - CH1101117 TP. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2013 2 LỜI MỞ ĐẦU  Công nghệ thông tinđược ra đời và phát triển từ những năm nữa cuối của thế kỉ XX. Và đến nay đã gặt hái được rất nhiều thành tựu vượt bậc, khả năng áp dụng rộng khắp vào tất các các ngành kinh tế, xã hội khác nhau và làm thay đổi không ít lối sống, cách suy nghĩ của con người hiện đại. Tuy nhiên, nhu cầu của con người ngày càng cao, họ không chỉ cần những thiết bị Công nghệ thông tin làm việc theo mệnh lệnh được lập trình sẵn, hỗ trợ tính toán cơ bản hay lưu trữ dữ liệu và tìm kiếm thông thường. Họ cần những thiết bị máy tính thông minh hơn, giúp họ tìm ra lời giải những bài toán khó, gợi ý cho họ trong giải quyết các vấn đề phức tạp v.v… Trước nhu cầu mới, ngành Khoa học máy tính nói chung và lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo nói riêng nhận vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu tìm ra các giải pháp tiên tiến giúp làm ra những phần mềm và thiết bị máy tính đáp ứng nhu cầu trên. Chúng phải có khả năng tự động xử lý thông tin, xử lý tri thức, suy luận tính toán và điều khiển phức tạp. Một số ứng dụng trong lĩnh vực này có thể kể đến như: các hệ tự động lập luận và chứng minh định lý;các hệ chuyên gia; các hệ hiểu và xử lý ngôn ngữ tự nhiên; máy học và khai khoáng dữ liệu; robotics v.v… Để xây dựng được 1 hệ thống thông minh, việc đầu tiên là phải tìm ra 1 mô hình biểu diễn tri thức, đưa tri thức ở dạng tự nhiên thành dạng mà máy tính có thể lưu trữ và xử lý được, cùng với 1 bộ máy suy diễn, tìm kiếm tri thức trên mô hình đó. Từ những năm cuối thế kỉ trước, người ta đã tìm và liệt kê ra được 4 phương pháp chính để lưu trữ và xử lý tri thức như sau : - Biểu diễn logic như phương pháp diễn diễn tri thức theo vị từ cấp 1. - Biểu diễn tri thức thủ tục như phương pháp biểu diễn tri thức dạng hệ luật dẫn. - Biểu diễn tri thức dạng mạng ngữ nghĩa. - Biểu diễn tri thức theo cấu trúc các frames và object. 3 Dựa trên việc nghiên cứu và kết hợp các phương pháp trên cùng với một số cải tiến, tác giả Đỗ Văn Nhơn đã đề xuất ra mô hình các đối tượng tính toán C- Object vào năm 1997. Từ ngày được công bố, C-Object đã được phát triển, mở rộng thành các mô hình như: mô hình mạng các đối tượng tính toán COKB, mô hình mạng các đối tượng tính toán mở rộng ECOKB. Từ những kết quả trên, rất nhiều nghiên cứu ứng dụng được ra đời nhằm giải quyết các vấn đề liên quan tới biểu diễn tri thức và suy luận tìm lời giải cho bài toán ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: toán đại số tuyến tính, vật lý điện 1 chiều, hình học giải tính 2 chiều/ 3 chiều v.v… Kết quả của những nghiên cứu ứng dụng từ mô hình COKB ở trên đã phần nào chứng minh được khả năng áp dụng của mô hình này vào lĩnh vực phát triển các công cụ hỗ trợ học tập thông minh. Tuy nhiên số lượng ứng dụng vẫn chưa nhiều và mức độ đem lại hiệu quả thực tế vẫn chưa cao, các nghiên cứu đã có vẫn thiên về môn Toán học và Vật lý hơn. Hơn nữa, Hóa học cũng là một bộ môn quan trọng trong chương trình Phổ thông nhưng vẫn chưa có nghiên cứu chính thức nào về biểu diễn tri thức và hệ hỗ trợ giải bài tập cho Hóa học. Nhu cầu của học sinh hiện nay về 1 hệ hỗ trợ học tập thông minh tương đối cao, các phần mềm này nếu hoạt động tốt sẽ giúp học sinh tiếp thu kiến thức nhanh hơn, bằng một cách thú vị hơn, góp phần vào việc nâng cao chất lượng dạy và học trong môi trường Phổ thông. Đó là lý do em chọn khóa luận “Nghiên cứu xây dựng mô hình cơ sở tri thức và hệ giải 1 số lớp bài toán Hóa vô cơ trong chương trình THPT” với mong muốn tìm ra được 1 phương pháp biểu diễn và xử lý tri thức Hóa vô cơ trên máy tính bằng cách áp dụng và cải tiến lý thuyết của mô hình COKB, góp phần vào thành quả chung của việc ứng dụng mô hình COKB vào lĩnh vực E-learning. Nội dung của khóa luận này được chia làm 7 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về vấn đề nghiên cứu, một số thành tựu đã có liên quan tới việc biểu diễn và xử lý tri thức Hóa học trên máy tính. Ngoài ra, chương này sẽ 4 giới thiệu thêm về 1 số lý thuyết cơ bản trong việc nghiên cứu phát triển 1 hệ cơ sở tri thức trên máy tính. Chương 2: Trình bày về mô hình COKB và 1 số vấn đề mở rộng mô hình COKB. Hiện nay đã có mô hình ECOKB mở rộng nhưng đề tài chỉ tập trung cải tiến mô hình COKB để nghiên cứu xây dựng ứng dụng theo mục đã đề ra. Nội dung mở rộng sẽ liên quan tới kiểu thuộc tính của đối tượng tính toán C-Object và quan hệ tính toán mới dùng để mô tả mối liên hệ giữa các kiểu thuộc tính mới. Bên cạnh đó, chương 3 sẽ trình bày thêm 4 loại sự kiện mới bên cạnh 6 sự kiên đã có trong mô hình COKB. Chương 3: Biểu diễn tri thức Hóa vô cơ bằng cách áp dụng mô hình COKB nhưng chỉ sử dụng 4 trong 5 thành phần là tập C, tập H, tập R và tập Rules,có áp dụng thêm lý thuyết cải tiến trình bày ở chương 3. Cùng với cách tổ chức lưu trữ tri thức này lên máy tính. Thay vì sử dụng các tập tin TXT chứa dữ liệu cho từng tập (C,H,R,Rules), khóa luận sẽ trình bày cách lưu trữ tất cả tri thức vào 1 tập tin có tên Chemistry.KB theo 1 chuẩn lưu trữ khác. Chương 4: Cài đặt thử nghiệm. Đề tài sử dụng công cụ lập trình chính là Maple để hiên thực toàn bộ lý thuyết đã đề ra, sử dụng C#, Window form trong .NET Frameworks 4.0 để phát triển giao diện demo. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. Cuối cùng là danh mục tài liệu tham khảo. 5 LỜI CẢM ƠN Sau hơn 1 tháng nghiên cứu và tìm tòi tôi đã hoàn thành bài thu hoạch này. Để đạt được kết quả này, tôi đã nỗ lực hết sức đồng thời cũng nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ, ủng hộ của các quí Thầy Cô và các bạn. Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Công Nghệ Phần Mềm, Khoa Mạng Máy Tính, trường Đại học Công Nghệ Thông Tin và các quí Thầy Cô đặc biệt là TSKH. Đỗ Văn Nhơn đã tận tình hướng dẫn, giảng giải và cho em nguồn cảm hứng đến với môn học và rộng hơn là cảm hứng trong nghiên cứu khoa học. Tôi cũng rất cảm ơn bạn bè trong Khoa đã luôn bên cạnh và ủng hộ, đóng góp ý kiến giúp tôi có thể giải quyết các vấn đề khó khăn gặp phải trong quá trình thực hiện báo cáo cuối kì này. Mặc dù đã rất nỗ lực, cố gắng nhưng kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn báo cáo cuối kì này vẫn còn nhiều thiếu sót, và thực sự chưa phải là một báo cáo hoàn thiện. Tôi rất mong nhận được sự góp ý đánh giá của quí Thầy Cô, của các bạn để tôi có thể phát triển báo cáo này thêm hoàn chỉnh hơn. Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn! TPHCM, Tháng 01 năm 2013 Sinh viên thực hiện Đỗ Thị Nhung 6 Mục lục 7 Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1. Bối cảnh Hiện nay, thế giới đang bước vào giai đoạn bùng nổ Công nghệ thông tin. Việt Nam với vị thế là 1 nước đang phát triển cần thúc đẩy việc ứng dụng Công nghệ thông tin vào nhiều lĩnh vực, áp dụng kĩ thuật cao, công nghệ tiên tiến vào đời sống và sản xuất nhằm thúc đẩy đất nước đi lên 1 cách bền vững. Trong những ngành cần quan tâm ứng dụng Công nghệ thông tin, Giáo dục là 1 trong những ngành được nhà nước ta tập trung hàng đầu. Đem Công nghệ thông tin vào Giáo dục giúp nâng cao chất lượng đào tạo, nâng cao trình độ con người trong xã hội mới. Ứng dụng Công nghệ thông tin trong giao dục bao gồm: các phần mềm hỗ trợ soạn thảo bài giảng cho giáo viên; phần mềm hỗ trợ học tập, tra cứu kiến thức cho học sinh; các hệ thống e-learning trực tuyến. Nói về phần mềm hỗ trợ học tập, phần lớn các phần mềm loại này chỉ đáp ứng được nhu cầu cơ bản của học sinh như ôn tập lý thuyết, tra cứu và hỗ trợ giải các bài tập mẫu. Gần như ít có phần mềm nào tiếp cận tới vấn đề hỗ trợ học sinh tìm lời giải cho các bài toán khác nhau. Việc sử dụng các phần mềm có khả năng hỗ trợ tìm lời giải sẽ giúp học sinh tiếp cận kiến thức mới nhanh hơn, tự do sáng tạo hơn để tìm ra những lời giải mới. Trong chương trình Phổ thông, đặc biệt là chương trình ban A, Toán – Lý – Hóa là 3 môn học quan trọng. Các bài tập, bài kiểm tra của các môn này nặng về tư duy giải toán. Không phải học sinh nào cũng có đủ năng lực để giải hết các bài tập khó dễ trong các đề thi của 3 môn học. Học sinh cần có một công cụ hỗ trợ, gợi ý để tìm ra lời giải. Từ những gợi ý của công cụ phần mềm, học sinh sẽ dễ dàng luyện tập nâng cao kĩ năng giải toán trong các kì thi hơn. 8 Như vậy, nhu cầu về 1 hệ thống hỗ trợ giải bài tập thông minh đã xuất hiện. Đây chính là động lực để em tìm tòi, nghiên cứu, phát triển các hệ thống tiên tiến đáp ứng nhu cầu trên. 1.2. Mục tiêu và phạm vi đề tài Đề tài khóa luận này sẽ nghiên cứu phát triển mô hình COKB, ứng dụng vào biểu diễn tri thức và hệ tự động giải 1 số bài tập Hóa Vô cơ trong chương trình Phổ thông. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu mở rộng mô hình COKB nhằm phục vụ cho việc xây dựng mô hình cơ sở tri thức Hóa Vô cơ để có thể lưu trữ và xử lý suy luận giải bài tập trên máy tính; cùng với phát triển 1 ứng dụng demo hỗ trợ giải bài toán Hóa Vô cơ thỏa mãn các yêu cầu sau: - Có cơ sở tri thức về Hóa vô cơ lưu trữ riêng trên máy tính với cấu trúc đơn giản để người sử dụng dễ thay đổi, chỉnh sửa khi cần thiết. - Cho phép nhập bài toán bằng ngôn ngữ đơn giản gần với ngôn ngữ tự nhiên. - Tìm ra lời giải gần với cách giải của con người, trình bày đẩy đủ, dễ hiểu. - Giao diện phần mềm trực quan, sinh động, dễ thao tác Phạm vi của đề tài này sẽ tập trung mở rộng mô hình COKB, cụ thể là tập thuộc tính và quan hệ tính toán của C-Object để áp dụng vào biểu diễn tri thức Hóa Vô cơ, xây dựng mô hình bài toán cùng thuật giải để giải quyết 1 số lớp bài toán Hóa vô cơ phổ biến trong chương trình sách giáo khoa THPT cũng như trong đề thi Tốt nghiệp THPT, đề thi Đại học khối A, B hằng năm. 1.3. Tổng quan về thành tựu trong và ngoài nước Mặc dù, hóa học là 1 ngành học đã có từ lâu đời nhưng các nghiên cứu về xây dựng hệ thống tri thức cho lĩnh vực này còn khá mới mẻ. Kết quả của quá trình tìm tòi trên mạng và các tài liệu chính thức, hiện tại chỉ có 1 vài công trình nghiên cứu đã hoàn thiện và đang được tiếp tục phát triển, tiêu biểu là công trình khoa học mang tên ChEBI (Chemical Entities of Biological Interest) 9 Hình 1.1 Mẫu ví dụ về ChEBI ChEBI là một hệ cơ sở tri thức mở về các hợp chất hữu cơ, được dùng để tra cứu thông tin về các chất, mối liên hệ giữa các chất và cấu tạo của chúng. Mục tiêu của ChEBI là xây dựng hệ thống tiêu chuẩn dùng để biểu diễn tri thức của các hợp chất hữu cơ và lưu trữ vào cơ sở dữ liệu. Có thể gọi ChEBI là một Ontology của lĩnh vực hóa hữu cơ. Mọi cá nhân, tổ chức có nhu cầu đều có thể tải miễn phí toàn bộ mã nguồn và cơ sở dữ liệu của ChEBI trên trang chủ www.ebi.ac.uk. Bên cạnh sự hiếm hoi các đề tài nghiên cứu về lĩnh vực này là các ứng dụng thương mại hỗ trợ dạy và học Hóa thông minh với các chức năng tương đối hiện đại và cao cấp. Ví dụ tiêu biểu nhất là phần mềm tạo thí nghiệm ảo trên máy tính Chemlap. Phần mềm này cung cấp đầy đủ các công cụ và tính năng ảo cần thiết cho việc thực hiện 1 thí nghiệm hóa học. Nhận biết được quá trình xảy ra các phản ứng hóa học và hiện tượng của nó. Có thể nói phần mềm này đã xử lý rất tốt tri thức thực tế về các hóa chất trong Hóa học, khả năng xử lý phân tích với các điều kiện khác nhau tương đối chính xác và đem lại 1 môi trường ảo thân thiện với người dùng. 10 [...]... luận trên 1 miền tri thức cụ thể nào đó Cấu trúc cơ bản của hệ thống này bao gồm các thành phần như: Giao diện người dùng, cơ sở tri thức, bộ suy diễn, hệ thống phân tích bài toán và hiệu chỉnh cơ sở tri thức 12 Hình 1.4 Mô hình của hệ thống tự động suy diễn Hai thành phần quan trọng nhất của 1 hệ tự động suy diễn chính là Cơ sở tri thức và Bộ suy diễn Cơ sở tri thức chính là trái tim của hệ thống, là... tính và Trí tuệ nhân tạo Biểu diễn tri thức cơ bản là việc chuyển đổi tri thức thực thành 1 kiểu biểu diễn khác để có thể lưu trữ và xử lý trên máy tính Thành quả nghiên cứu nhiều năm của ngành Khoa học máy tính đã đề ra 4 phương pháp biểu diễn tri thức cơ bản như sau: - Các phương pháp biểu diễn bằng logic hình thức Các phương pháp này sử dụng các biểu diễn hình thức để diễn đạt các sự kiện và các... luật trong cơ sở tri thức Người ta thường dùng ngôn ngữ lập trình PROLOG để biểu diễn phương - pháp này Các phương pháp biểu diễn tri thức thủ tục Loại phương pháp này biểu diễn tri thức như là một tập hợp các chỉ thị dùng cho giải quyết các bài toán Chỉ thị - như thế thường được thể hiện bởi tập các luật dẫn có dạng if … then… Các phương pháp biểu diễn dạng mạng Biểu diễn mạng kiến thức như là một. .. hình tri thức Mô hình gồm 4 thành phần: (C,H,R, Rules) - Tập C: tập các khái niệm về các “đối tượng hóa chất” Tập H: tập các quan hệ thừa kế giữa 1 số đối tượng trong C Tập R: tập các quan hệ giữa các đối tượng trong C Tập Rules: tập các luật 3.1.1 Tập C Là tập chứa các C-Object với mỗi C-Object là một “khái niệm về các đối tượng hóa chất” có trong chương trình trung học phổ thông, thường xuất hiện trong. .. tim của hệ thống, là nơi lưu trữ tất cả tri thức của 1 lĩnh vực cụ thể để máy tính có thể xử lý được Bộ suy diễn là thành phần sẽ đi tìm lời giải cho các bài toán bằng cách áp dụng tri thức có trong Cơ sở tri thức Cơ sở tri thức và Bộ suy diễn cần phải được tách biệt rõ ràng bởi vì: - Sự tách biệt giữa Cơ sở tri thức và Bộ suy diễn làm cho việc biểu diễn tri thức - tự nhiên hơn, gần gũi hơn với con... tri thức tốt, việc quan trọng tiếp theo là xây dựng được bộ suy diễn tự động trên cơ sở tri thức đó Các phương pháp suy diễn tự động đều hướng tới mục tiêu là áp dụng tri thức trong cơ sở tri thức, phát sinh các sự kiện mới từ các sự kiện đã có Sau đây là 4 chiến lượt suy diễn tự động tương đối khái quát: - Phương pháp hợp giải trong biểu diễn tri thức dưới dạng logic vị từ Trong phương pháp biểu diễn. .. tin tìm kiếm và không có khả năng xử lý suy diễn trên các phản ứng tìm được 11 Hình 1.3 Giao diện chính của DCE 2008 1.4 Các vấn đề cơ bản trong thiết kế hệ giải toán dựa trên tri thức 1.4.1 Cấu trúc hệ thống Hệ giải toán dựa trên tri thức là 1 hệ thống thông minh, có khả năng biểu diễn được tri thức tự nhiên lên máy tính, có thể xử lý tri thức và suy luận giải quyết bài toán 1 cách tự động Hệ thống thông.. .Hình 1.2 Chemlap Trong nước, các nghiên cứu khoa học và đề tài ứng dụng liên quan tới biểu diễn tri thức của lĩnh vực Hóa học nói chung và Hóa vô cơ nói riêng gần như vẫn chưa có nhiều thành tựu đáng kể ngoại trừ một số phần mềm ứng dụng mang tính đơn giản và không chứa các yếu tố liên quan tới tri thức và xử lý tri thức Một ứng dụng phổ biến về hỗ trợ học Hóa học có thể kể đến... đối tượng [2] Một tập hơp H các quan hệ phân cấp giữa các loại đối tượng Trên tập hợp C ta có một quan hệ phân cấp theo đó có thể có một số khái niệm là sự đặc biệt hóa của các khái niệm khác, chẳng hạn như một tam giác cân cũng là một tam giác, một hình bình hành cũng là một tứ giác Có thể nói rằng H là một biểu đồ Hasse khi xem quan hệ phân cấp trên là một quan hệ thứ tự trên C [3] Một tập hơp R các... hạn trước trong 1 miền tri thức nào đó Sự tách biệt giữa 2 phần này còn giúp ta dễ dàng thử nghiệm nhiều chiến lượt suy diễn trên cùng 1 cơ sở tri thức hay ngược lại Giống như các hệ thống chứa thông tin khác, cơ sở tri thức sau khi thiết kế phải đả bảo dễ dàng sử dụng, cập nhật khi cần thiết 13 1.4.2 Biểu diễn tri thức Biểu diễn tri thức là bài toán lớn đặt lên vai các nhà làm nghiên cứu trong lĩnh . NGHỆ THÔNG TIN KHOA KHOA HỌC MÁY TÍNH  BÁO CÁO THU HOẠCH MÔN HỌC BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ ỨNG DỤNG Đề tài: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BIỂU DIỄN TRI THỨC VÀ HỆ HỖ TRỢ GIẢI MỘT SỐ LỚP BÀI TẬP HÓA VÔ CƠ TRONG. thuộc tính và quan hệ tính toán của C-Object để áp dụng vào biểu diễn tri thức Hóa Vô cơ, xây dựng mô hình bài toán cùng thuật giải để giải quyết 1 số lớp bài toán Hóa vô cơ phổ biến trong chương trình. phần vào việc nâng cao chất lượng dạy và học trong môi trường Phổ thông. Đó là lý do em chọn khóa luận “Nghiên cứu xây dựng mô hình cơ sở tri thức và hệ giải 1 số lớp bài toán Hóa vô cơ trong chương