Maurice Müller 4. E-Assessment 4.3 E-Assessment mathematischer Beweise

Maurice Müller

4. E-Assessment

4.3 E-Assessment mathematischer Beweise

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Gründe für den Einsatz von Computerunterstützung

Effizienz und Zeitersparnis

Integrierbarkeit in Lernmanagementsysteme

Objektivere Bewertung

Bekannte Verfahren

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Gliederung

1. Einleitung

2. Verfahren für mathematische FragestellungenComputeralgebrasysteme

Freiform-Textabgleich

Formalüberprüfung

Theorembeweiser

3. Systeme und VergleichsmöglichkeitenAufbau und Gestaltungsmöglichkeiten

Vergleich von zwei Systemen

4. Fazit und Ausblick

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Computeralgebrasysteme

Verbreitete Systeme

Schnell und effektiv

Industriell erprobt

Schnittstellen häufig vorhanden

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Computeralgebrasysteme - Probleme

Keine Bedingungsüberprüfung

Keine Beweisführung; reine Termersetzung

X=0?

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Freiform-Textabgleich

Problemfall digitalisierte Prüfungen

Geeignet für beliebige Texteingaben

b. Induktionsanfang: FUr m = 1 ist L?=o i • 2i = 0 und (1 - 2) • 21 + 2 = o identisch.

o ' Z A" 2 A ~ IJ ,,00

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Freiform-Textabgleich II

Eigenschaften richtiger LösungenVariablen

Werte/Konstanten

Aufbau/Form

Bildung von PatternZ. B. Regular Expressions

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Pattern

Beispiel InduktionsanfangEingabe: „Für m=1 sum(i=0;0;i*2^i)=0“

Pattern: „m=([\d]*).*=(\d*)[^\d]*$“

Pattern passt auf Eingabe

1 Pattern pro Beweisschritt

Eine beliebige Zahl Weiterer

Text Zahl Vor Ende der Zeile keine weiteren Zahlen

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Freiform-Textabgleich - Probleme

Spezifischere Pattern passen nicht immer Heuristische Ansätze Korrektur durch Lehrer

Validitätsproblem Offenlegung der Bewertung Kontrolle von Werten ggf. mit CAS

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Formalüberprüfung

Verwendung eines sog. Parsers

Schrittweise Übersetzung

in eine Baumdarstellung

Ausgangstext

Lexikalische Analyse

Token

Syntaktische Analyse

Baum

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Formalüberprüfung II

RückschlüsseFormalabbildung → Beweisschritt

Formalabbildung → zur Überprüfung geeignetes System

Beweisschritt → zur Überprüfung geeignetes System

KombinationsmöglichkeitenCAS zur Überprüfung einfacher Berechnungen

Theorembeweiser für Verfahrensweisen

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Formalüberprüfung - Probleme

Unflexibel bei syntaktischen Fehlern

Verschachtelte Beweise → Systemzuordnung

Weitere Anpassung für Beweise erforderlichHeuristik zur Bestimmung ähnlicher Terme

Baumsuche über mehrere Bäume

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Theorembeweiser

Theoreme bauen aufeinander auf

Theorembeweiser führen diesen Aufbau ausInteraktiv

Automatisch

„Notice […] that theorem provers prove theorems rather than make conjectures or do calculations[…]“ (zit. aus Adams, Gottliebsen, Linton, Martin)

Definition Theorem: „A [well-formed-formula] that is proved or provable. Axioms are special cases of theorems.” (Quelle: http://www.earlham.edu/~peters/courses/logsys/glossary.htm)

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Theorembeweiser - Probleme

Anpassung an AufgabenstellungTheoreme

Logik

Ggf. spezielle Systeme

Komplexität

Algebraische Rechnungen

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Theorembeweiser - Lösungsansatz

→ Integration von Theorembeweisern und CAS

Ausstattung von CAS mit Beweistechniken (Tactics)

Problem: Ungeprüfte Operationen vs. Komplexität

Berechnungen durch CAS in Theorembeweisern

Problem: Komplizierte Beweisführung und Syntax vs. Prüfung

Notwendigkeit Kompromiss

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Vergleich der Verfahren

SichtweisenAnwendersicht

Systementwicklersicht

KriterienBedienung (Anwendersicht)

Bewertung (Anwendersicht)

Aufwand (Systementwicklersicht)

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Vergleichsübersicht

Mehr Sterne = Besser

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Gliederung

1. Einleitung

2. Verfahren für mathematische FragestellungenComputeralgebrasysteme

Freiform-Textabgleich

Formalüberprüfung

Theorembeweiser

3. Systeme und VergleichsmöglichkeitenAufbau und Gestaltungsmöglichkeiten

Vergleich von zwei Systemen

4. Fazit und Ausblick

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Systemgestaltungsmöglichkeiten

Ziel: Vergleichsrahmen mathemat. E-Assessentsysteme

Vorgehen

Imaginäres „optimales“ System

Betrachtung von Komponenten

Untersuchung wünschenswerter Eigenschaften

Vernachlässigung von Integrationsaspekten

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Systemübersicht

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Benutzeroberfläche

FormeleditorGrafisch

Linear

FormblattFix

Variabel

Regelangabe

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Beweisüberprüfung und Berichtigung von Beweisen

BeweistypenDirekt

Indirekt

Induktion

Fallunterscheidung

Limes

Nebenbedingungen

Ergänzung fehlender Schritte

Regeleinsetzung

Hilfestellungen

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Bewertung

DifferenzierungRechenfehler/Tippfehler

Umformungsfehler

Falscher Ansatz

Offenlegung

Delegation kritischer Fälle

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Regelbasis & Fragenkatalog

Vollständigkeit & Erweiterbarkeit

StandardisierungDaten

Metadaten

Aufgabenbasis und Möglichkeiten zum Erwerb

Lösungshinweise

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AiM (Assessment in Mathematics)

Entwickelt zur Begleitung des Unterrichts

Integration von MapleVerbotene Ausdrücke

Liste von bekannten Fehlerquellen

Nicht für Beweise konzipiert

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AiM – Beispiel I

•Eingabe von Aufgaben:

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AiM – Beispiel II

•Eingabe von Lösungen:

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EASy

Beweisüberprüfung durch Eigenentwicklung

Konzipiert für Anwendungsfälle in Informatik IIFallunterscheidungen

Induktion

(Aufwands-)Abschätzungen

Umformung von TheoremenStrategische Operationen

Regeln

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EASy – Beispiel I

•Übersichtsfenster:

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EASy – Beispiel II

•Subtheorem-bearbeitung und -markierung:

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Vergleichsübersicht I

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Vergleichsübersicht II

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Vergleichsübersicht III

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Fazit und Ausblick

Kein überragendes Verfahren

Nur Theorembeweiser bieten notw. Validität für Prüfung

Entwicklung: Integrierte Verfahren mit Theorembew.

AiM nicht für Beweise konzipiert

EASy noch in der EntwicklungBewertung z.B. über automatischen Theorembeweiser

Automatische Regelauswahl

Einsetzung fehlender Regeln

Hilfestellungen und Erkennung falscher Ansätze