Ứng dụng Semantic Web xây dựng hệ thống tra cứu toán học cho học sinh
Hiện nay Internet rất phát triển và đang được sử dụng rộng rãi, phổ biến. Tính đến tháng 11/2012, số người sử dụng Internet tại Việt Nam là 31.304.211 người và tỷ lệ số dân sử dụng Internet là 35.58 %. Trong đó, nhu cầu tìm kiếm thông tin của con người ngày càng đòi hỏi sự chính xác và giảm thiểu thời gian tìm kiếm. Internet cũng đóng góp một phần quan trọng trong lĩnh vực giáo dục, nó giúp chúng ta có thể tìm kiếm những kiến thức ta chưa được biết hay là tìm những tài liệu có liên quan đến bài học trên lớp để tìm hiểu, nghiên cứu thêm.
Thông thường chúng ta sử dụng Internet với ba mục đích chính: tìm kiếm, tích hợp và khai phá dữ liệu Web. Nhưng thực tế các hoạt động này sẽ cho ta thấy được những khó khăn của môi trường Internet hiện tại một cách rõ ràng. Đó là khi thực hiện tìm kiếm chúng ta luôn muốn có được những kết quả đúng nhất với yêu cầu mình đưa ra. Tuy nhiên Internet được xây dựng hoàn toàn nhằm mục đích để đọc và được hiển thị theo định hướng. Khi gõ từ khóa để tìm kiếm, thì kết quả trả về sẽ bao gồm tất cả các trang Web, các tài liệu có chứa từ khóa đó, mặc dù có thể nó không cùng với lĩnh vực với cái mà bạn đang muốn tìm. Nói cách khác máy tính chỉ có thể đưa ra cho người dùng thông tin, mà không đủ hiểu được thông tin để hiển thị dữ liệu thích hợp nhất với yêu cầu của người dùng.
Các công thức toán học trong học tập và nghiên cứu rất là nhiều và chúng ta thường hay gặp khó khăn trong việc ghi nhớ chúng, hay là khi trải qua một thời gian dài không sử dụng, thì việc mập mờ để nhớ lại công thức một cách chính xác là điều không hề dễ dàng. Các công thức toán học trên Internet thường không rõ ràng, không tập trung tại một nơi nào đó cụ thể. Các Website hiện nay hầu hết để hiển thị được công thức toán học, người ta thường sử dụng các công cụ để xây dựng các công thức, sau đó tạo thành một tệp tin hình ảnh và đưa lên Internet. Cách làm này gây khó khăn đối với những người muốn tìm kiếm thông tin về một công thức cụ thể nào đó bằng cách tìm kiếm thông qua chính công thức đó. Hoặc tìm kiếm ngữ nghĩa theo tên công thức hoặc tên của bất kì tài liệu nào đó nhưng kết quả tìm kiếm rất là nhiều và đôi khi không đúng vào trọng tâm tài liệu mà ta muốn tìm kiếm.
Do đó sự ra đời của thế hệ web thứ ba – Semantic Web (hay Web ngữ nghĩa) do W3C khởi xướng đã mở ra một bước tiến của công nghệ Web giúp giải quyết được thách thức trên. Để qua đó biến những trang văn bản Web thông thường trở thành những cơ sở dữ liệu theo những định dạng tiêu chuẩn để những hệ thống Web khác, hoặc công cụ tìm kiếm có thể đọc, hiểu và tiếp tục sử dụng lại được.
Chính từ những thực tế đó để nghiên cứu và giải quyết những vấn đề đã nêu ở trên tôi đã quyết định chọn đề tài: “Ứng dụng Semantic Web xây dựng hệ thống tra cứu toán học cho học sinh”.
Mục tiêu của đề tài là xây dựng một Semantic Web nhằm mục đích tra cứu các tài liệu toán học phục vụ cho đối tượng học sinh trung học phổ thông.
Để đạt được mục tiêu trên, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu đề xuất giải pháp và xây dựng một Semantic Web, thu thập và xây dựng kho dữ liệu chứa các tài liệu về toán học.
- Về lý thuyết
- Nghiên cứu ngôn ngữ đánh dấu công thức toán học MathML;
- Nghiên cứu web ngữ nghĩa (Semantic web) và những ứng dụng trong thực tế;
- Nghiên cứu sâu về Ontology và phần mềm Protége để tạo kho dữ liệu có biểu diễn mối quan hệ ngữ nghĩa giữa các khái niệm.
- Về thực tiễn
Xuất phát từ nhu cầu tra cứu tài liệu của học sinh, đề tài tạo ra được một ứng dụng Semantic Web làm nhiệm vụ tra cứu chính xác các tài liệu toán học mà học sinh cần bằng chính công thức chuẩn của nó hoặc thông qua ngữ nghĩa. Giúp cải thiện thời gian và chất lượng tìm kiếm.
3.1. Đối tượng nghiên cứu
• Ngôn ngữ lập trình Java (với Jena framework);
• Các hệ thống tìm kiếm hiện nay trên Internet: Google, Bing, Yahoo …;
• Các thư viện phát triển ứng dụng Semantic Web;
• Ngôn ngữ đánh dấu MathML;
• Công cụ Protégé để xây dựng Ontology;
• Các tài liệu toán học, nhu cầu và tình trạng tra cứu hiện nay;
• Các mô hình triển khai hệ thống;
• Một số bài báo và luận văn tốt nghiệp của khóa trước.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ của một luận văn tốt nghiệp, tôi chỉ thu nhập và giới hạn thực nghiệm tạo một kho dữ liệu gồm các tài liệu về toán học liên quan đến chương trình lớp 12 bao gồm sách giáo khoa, sách tham khảo, công thức, đề thi và các tài liệu luyện thi.
Tôi đã sử dụng hai phương pháp chính là nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến ngôn ngữ đánh dấu toán học MathML, các tài liệu liên quan đến Semantic Web và các tài liệu liên quan đến việc tạo lập một Ontology.
Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên lý thuyết đã nghiên cứu, tiến hành xây dựng một hệ thống tra cứu toán học cho học sinh sử dụng ngôn ngữ lập trình Java.
5.1. Mục đích
Xây dựng môi trường tìm kiếm tài liệu toán học thông qua việc tìm kiếm theo tên, theo công thức hoặc ngữ nghĩa để phục vụ cho nhu cầu tìm kiếm của học sinh.
5.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Về khoa học: Luận văn trình bày các vấn đề liên quan đến Web ngữ nghĩa, sử dụng Web ngữ nghĩa để xây dựng các ứng dụng phục vụ nhu cầu tìm kiếm. Tạo tiền đề cho việc phát triển, xây dựng và hoàn thiện một trang Web tra cứu toán học trong tương lai.
Về thực tiễn: Luận văn xây dựng một môi trường hỗ trợ việc tìm kiếm các tài liệu toán học trực tuyến tập trung trước hết vào kho dữ liệu Toán học thu thập được. Thuận lợi cho các học sinh, giáo viên có nhu cầu tìm kiếm các tài liệu toán học một cách nhanh chóng và chính xác nhất.
Chương 1: Tổng quan về Semantic Web
Trong chương này giới thiệu tổng quan về Semantic Web, các ngôn ngữ và công cụ xây dựng Semantic Web tính đến thời điểm hiện nay. Trình bày những vấn đề liên quan đến kiến trúc Semantic Web, ứng dụng và triển vọng của Semantic Web trong tương lai.
Chương 2: Giải pháp đề xuất
Chương này sẽ giới thiệu những đặc trưng của các tài liệu toán học, phản ánh thực chất nhu cầu và hiện trạng tra cứu thông tin về các tài liệu toán học hiện nay. Tiến hành phân tích bài toán tra cứu, trình bày kết quả phân tích thiết kế hệ thống. Tìm hiểu xem để xây dựng một ứng dụng Semantic Web cần những gì, mô hình hoạt động như thế nào, công cụ nào sẽ được lựa chọn trong quá trình triển khai ứng dụng.
Chương 3: Xây dựng hệ thống ứng dụng
Trong chương này sẽ xây dựng Ontology cho bài toán và xây dựng hệ thống tra cứu toán học đồng thời mô tả hoạt động hệ thống. Hoàn thiện trang Semantic Web hỗ trợ việc tra cứu, tiến hành thử nghiệm và đánh giá kết quả của chương trình.
TỔNG QUAN VỀ SEMANTIC WEB
Trong chương này giới thiệu tổng quan về Semantic Web, các ngôn ngữ và công cụ xây dựng Semantic Web tính đến thời điểm hiện nay. Trình bày những vấn đề liên quan đến kiến trúc Semantic Web, ứng dụng và triển vọng của Semantic Web trong tương lai.
- WORLD WIDE WEB VÀ NHỮNG HẠN CHẾ
World Wide Web (gọi tắt là Web) đã trở thành một kho tàng thông tin lớn của nhân loại và một môi trường chuyển tải thông tin không thể thiếu được trong thời đại công nghệ thông tin ngày nay. Điều đó đã đặt ra thách thức làm sao để khai thác thông tin trên web một cách hiệu quả, mà cụ thể là làm thế nào để máy tính có thể trợ giúp xử lý tự động được chúng.
Hầu hết các trang Web được lấp đầy các thông tin và các tag liên quan. Các tag này chủ yếu thể hiện về mặc định dạng như <H1>… Một số trang có gắn các tag để tạo ngữ nghĩa như <META> nhưng chúng thiếu gắn kết với nhau để cung cấp ngữ nghĩa cho trang Web.
Tuy nhiên, trên thực tế có một khối lượng lớn các tài nguyên trên Web, điều này làm nảy sinh vấn đề là làm thế nào để tìm kiếm chính xác tài nguyên mình mong muốn. Dữ liệu trong HTML đúng trong ngữ cảnh nhưng có khi lại không đúng với những ngữ cảnh khác.
Chính những vấn đề này đã thúc đẩy sự ra đời của ý tưởng Semantic Web (Web ngữ nghĩa), một thế hệ mới của Web, mà chính cha đẻ của World Wide Web là Tim Berners-Lee đề xuất vào năm 1998.
- SEMANTIC WEB
- Khái niệm
- SEMANTIC WEB
Semantic Web không là Web riêng biệt nhưng là một sự mở rộng của Web hiện tại, theo cách thông tin được xác định ý nghĩa tốt hơn, nó cho phép máy tính và người cộng tác với nhau tốt hơn.
Semantic Web được hình thành từ ý tưởng của Tim Berners, người phát minh ra WWW, URI, HTTP và HTML.
Là một cách nhìn về cách thức tổ chức dữ liệu, đó là ý tưởng về việc dữ liệu trên Web được định nghĩa và liên kết theo một cách mà nó có thể được sử dụng bởi máy tính.
Tim Berners-Lee đã đưa ra hai vấn đề của Semantic Web là tạo cho Web một môi trường cộng tác tốt hơn và máy có thể hiểu và xử lý tự động các thông tin trên Web.
- Lịch sử phát triển
WWW được đề nghị lần đầu tiên vào những năm 1990 bởi Tim Berners-Lee và Robert Cailliau khi hai ông làm việc tại CERN ở Geneva, Thụy Sỹ.
- Ưu điểm
Semantic Web với thông tin đưa ra đã được xác định rõ ý nghĩa cho phép máy tính và con người hợp tác làm việc tốt hơn.
Semantic Web sẽ mang lại cấu trúc cho các nội dung của các trang web có ý nghĩa, tạo ra một môi trường mà các máy tính có thể dễ dàng thực hiện nhiệm vụ phức tạp cho người dùng.
Semantic Web đặt tên mỗi khái niệm đơn giản chỉ bằng một URI, nên cho phép bất cứ ai thể hiện các khái niệm mới mà họ nghĩ ra chỉ với nổ lực tối thiểu.
- Nhược điểm
Người lập trình phải nắm rõ quy trình xây dựng Ontology.
Phải hiểu rõ về lĩnh vực chuyên ngành cần thiết kế, hiểu được những nhu cầu từ phía người dùng cụ thể. Từ đó xây dựng lên các lớp, thuộc tính, quan hệ trong Ontology.
Hầu hết tài nguyên trên Internet hiện nay đều có dạng phi cấu trúc mà việc tìm kiếm dựa trên Semantic Web chỉ có thể thực hiện trên các tài liệu có cấu trúc.
- KIẾN TRÚC CỦA SEMANTIC WEB
- Kiến trúc tổng quát
- KIẾN TRÚC CỦA SEMANTIC WEB
Semantic Web là một tập hợp/ một chồng (stack) các ngôn ngữ. Tất cả các lớp của Semantic Web được sử dụng để đảm bảo độ an toàn và giá trị thông tin trở nên tốt nhất.
Hình 1.6 : Kiến trúc Semantic Web
- Các thành phần
a. Tầng Unicode và URI (Uniform Resource Identifier)
b. Tầng XML + NS + xmlschema
c. Tầng RDF và RDF Schemma
d. Tầng Ontology Vocabulary
e. Tầng Logic
f. Tầng Proof
g. Tầng Trust
- CÁC NGÔN NGỮ XÂY DỰNG SEMANTIC WEB
- XML (eXtensible Markup Language)
- DTDs và XML Schema
- RDF
- RDF Collection
- RDF Schema
- FOAF – Sự mở rộng của RDF
- Truy vấn dữ liệu
- Ontology
- TIỂU KẾT CHƯƠNG 1
- CÁC NGÔN NGỮ XÂY DỰNG SEMANTIC WEB
Trong chương này tôi đã trình bày về những hạn chế của Web hiện tại và sự ra đời của Semantic Web, kiến trúc và các công cụ xây dựng Semantic Web.
Việc tìm kiếm dựa trên Semantic Web sẽ thu được kết quả tìm kiếm chính xác hơn. Với mục tiêu là máy tính có thể hiểu được thông tin trên Web nhờ hệ thống liên kết dữ liệu chặt chẽ, các kết quả trả về sẽ đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Hơn nữa tìm kiếm dựa trên Semantic Web, người dùng sẽ không cần phải nhớ chính xác từ khóa. Khả năng cung cấp thêm thông tin, gợi ý các thông tin liên quan nhờ hiểu các mối liên hệ giữa các khái niệm cũng là khả năng vượt trội của tìm kiếm trên Semantic Web mà các công cụ tìm kiếm truyền thống chưa thể thực hiện được.
Bên cạnh đó, vẫn còn một vấn đề đáng ngại khi xây dựng hệ thống tìm kiếm với công nghệ này. Trong khi hầu hết tài nguyên trên Internet hiện nay đều có dạng phi cấu trúc mà việc tìm kiếm dựa trên Semantic Web chỉ có thể thực hiện trên các tài liệu có cấu trúc. Do đó, khi muốn thực hiện tìm kiếm dựa trên Semantic Web để tìm toàn bộ tài nguyên trên Internet là điều không mấy khả thi và chỉ có thể áp dụng các ứng dụng này trong phạm vi nhất định với các tài liệu tuân theo chuẩn của Semantic Web.
Tóm lại: Công nghệ Semantic Web đang phát triển và ngày càng hoàn thiện dần với những tập luật được định nghĩa thông minh hơn, làm cho việc phát triển những ứng dụng dựa trên công nghệ này sẽ ngày một thuận lợi hơn.
GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
Chương này sẽ giới thiệu những đặc trưng của các tài liệu toán học, phản ánh thực chất nhu cầu và hiện trạng tra cứu thông tin về các tài liệu toán học hiện nay. Tiến hành phân tích bài toán tra cứu, trình bày kết quả phân tích thiết kế hệ thống. Đề xuất giải pháp để xây dựng một ứng dụng Semantic Web cần những gì, mô hình hoạt động như thế nào, công cụ nào sẽ được lựa chọn trong quá trình triển khai ứng dụng.
- THỰC TRẠNG TÌM KIẾM TÀI LIỆU TOÁN HỌC
- Thực trạng tìm kiếm tài liệu toán học dựa trên công thức
- THỰC TRẠNG TÌM KIẾM TÀI LIỆU TOÁN HỌC
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\KHOA HOC MAY TINH\MAI XUAN THANG
