mathematik lernen in einem semantischen wiki

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Wikis Semantic Web SWiM Wissensrepräsentation Dienste Einladungen Mathematik lernen in einem Semantischen Wiki 99. MNU-Kongress, Kaiserslautern, 2008 Christoph Lange Jacobs University Bremen (ehemals International University Bremen) KWARC – Knowledge Adaptation and Reasoning for Content Diese Arbeit wurde gefördert von JEM-Thematic-Network ECP-038208. 18. März 2008 Ch. Lange (Jacobs University Bremen) Mathematik lernen in einem Semantischen Wiki 18. März 2008 1

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Eingeladener Vortrag, 99. MNU-Kongress (Mathematisch-Naturwissenschaftlicher Unterricht) 2008

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Mathematik lernen in einem Semantischen Wiki99. MNU-Kongress, Kaiserslautern, 2008

Christoph Lange

Jacobs University Bremen(ehemals International University Bremen)

KWARC – Knowledge Adaptation and Reasoning for ContentDiese Arbeit wurde gefördert von JEM-Thematic-Network ECP-038208.

18. März 2008

Ch. Lange (Jacobs University Bremen) Mathematik lernen in einem Semantischen Wiki 18. März 2008 1

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Guten Morgen!

Christoph Lange, Doktorand der InformatikArbeitstitel: A Semantic Wiki for ScienceStudium vorher: Informatik mit MathematikLangjährige Wiki(pedia)-Erfahrung

Kein Lehramt, keine Didaktik

Jacobs University Bremen, Arbeitsgruppe KWARC(Leiter: Prof. Michael Kohlhase, auch am DFKI)Forschungsthemen („Grundlagenforschung“):

Formale Methoden (Logik, Formale Verifikation,Automatisches Beweisen)Wissensmanagement (v. a. für Mathematik)Semantic WebE-Learning, Communities of Practice

http://kwarc.info

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Wikis zum (Mathematik-)Lernen

Bekannte mathematische Wikis:Wikipedia (natürlich nicht nur Mathematik!)PlanetMath (Mathematik-spezifisch)ZUM-Wiki (Abteilung „Mathematik-digital“)GeoGebra-Wiki (eher Dateiablage)

Einige Vorzüge von Wikis:Jeder kann leicht Inhalt beitragenVorhandenes verbessern und verlinkenArchivierung alter VersionenInhalt und Diskussion über InhaltFlexible Rollen: Leser, Schreiber, Experte,Korrekturleser, Kritiker, Moderator

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Lernen mit Wikis

Workshop gestern, nächster Vortrag (Michele Notari)Erfolgreich in Schulen eingesetzt (auch in Kaiserslautern!)Möglichkeiten für Lehrer:

Leichtes Erstellen neuer InhalteLeichte Verlinkung vorhandener Inhalte (Lernpfade)Aktueller und vollständiger Überblick über BearbeitungenAll dies gilt auch für Schüler: „Lernen durch Lehren“

Möglichkeiten für SchülerEigenverantwortliches, selbstgesteuertes LernenLernen durch LehrenDiskutierenProjekt-/Gruppenarbeit (gemeinsam einen Text schreiben)Diskurse nachvollziehen (Seitenarchiv und Diskussionen)E-Portfolio

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Mathematisches (Nicht-)Wissen in Wikis

Fragen, die Wikipedia nicht beantwortenkann (Bsp. Pythagoras):

Suche \sqrt{a^2 + b^2} = coder x^2 + y^2 = z^2

Unmöglich in Wikipedia, weilAussehen der Formel gegeben,nicht aber Bedeutung

Alle Sätze über Dreiecke, für die einBeweis im Wiki steht

Wikipedia kennt Kategorien(„Satz“), aber Links haben keineTypen.

„Was bedeutet√

?“mathematische Symbole nicht aufDefinition verlinkt

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Das Semantic Web

Ein herkömmliches Wiki bzw. webbasiertes System versteht das Wissennicht, das es enthält.

Vision des Semantic Web:Bedeutung von Web-Inhalten für Maschinenverständlich machen (schwache künstl. Intelligenz)„Internet der Dinge“; Ressourcen mit Metadatenund Beziehungen untereinanderAgenten erschließen Zusammenhänge: z. B. in derNähe einen guten Arzt finden, der die Krankheitmeiner Mutter behandeln kann und heute offenhat [Berners-Lee et al. 2001]Intelligenter als „Web 2.0“ (aber noch nicht soverbreitet)Theoretischer Hintergrund: Ontologien, FormaleLogik, Automatisches Beweisen

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Semantische Wikis

Wie „versteht“ ein semantisches Wiki? Wie macht man Wissenexplizit?

normalerweise: 1 Seite =̂ 1 reales KonzeptSeiten und Links haben Typenz. B. „ist Arzt“, „behandelt Krankheit . . . “, „hat Praxis in . . . “Typen definiert in Ontologie, je nach Anwendung mehr oder wenigerformalTyphierarchien: „Sokrates ist ein Mensch, alle Menschen sind sterblich,also ist Sokrates sterblich.“

Nutzen: Bessere Navigation, stärkereSuchfunktion, kontextabhängige Präsentation,neue LernmöglichkeitenArbeitsablauf: Schrittweise Formalisierung derWiki-Seiten mit verteilten RollenBeispiel: Semantic MediaWiki (→ Wikipedia)

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SWiM, ein Semantisches Wiki für Mathematik

SWiM-Prototyp: IkeWiki [Schaffert06] + OMDoc [Kohlhase06]Dokumente bearbeiten, präsentieren, navigieren –http://swim.kwarc.info

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OMDoc: Semantisches Markup für Mathematik

OMDoc (Open Mathematical Documents): XML-Sprache fürmathematische Dokumente (hat auch TEX-Notation)Beschreibt semantische Strukturen; Aussehen erst an zweiter StelleOMDoc-basierte Dienste für E-Learning, Formelsuche, Publizieren,Theorieverwaltung, Beweisverifikation, . . .Transfer nach Physik, Chemie usw. im GangeGrundannahme: Vier Ebenen von Wissen [Kohlhase06]:

Objekte Symbole, Zahlen, Gleichungen, Formeln, . . .Aussagen Definition, Satz, Beweis, Beispiel; Beziehungen:

„definiert“, „beweist“, „veranschaulicht“, . . .Theorien Sammlung zusammengehöriger Aussagen

Dokumente Container für die anderen; narrative Struktur

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Narrative und Konzeptuelle Struktur, Wiederverwendung

NarCon: Lecture 1

narrative repos

interdependent content chunks in the content repos

some text

some textlecture 1

slide 1

slide 2some text

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Wo ist das Wissen im Wiki?

Wiki-Seiten in OMDoc, extrahiere daraus Wissens-Graph unterVerwendung einer Dokumentenontologie

Dokumentenontologie modelliert o. g. Wissensebenen explizit,außerdem allgemeine Relationen Enthaltensein und Abhängigkeit

Semantisches Wiki: Eine Seite =̂ ein KonzeptSWiM: Seite =̂ Aussage oder Theorie(kleine, wiederverwendbare Seiten, aber nicht zu klein)

BeispielEine Wiki-Seite (Quelltext):<omdoc>

<proof id="pyth-proof"for="pythagoras">...

</proof></omdoc>

Extrahierter Wissens-Graph:

pyth-proof pythagoras

Proof Theoremtype type

proves

proves

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Mehrwert-Entwurf wissensbasierter Dienste

Semantisches Markup ist schwierig undumständlich zu schreibenTeile den erzielten Mehrwert mit demAutorBiete Mehrwertdienste an für dieaktuelle Situation des Autors

Positive Rückkopplung erhofft: Autorkann Wissen dadurch besserstrukturieren, System erhält mehrInformation, die wiederumMehrwertdienste antreibt

Sofortige Belohnung: „Danke für deinenBeitrag! – Kennst du diese verwandtenThemen schon?“

SWiM+

1

¿∫

−∞

ze−12?2

d ?

1.----------------2.----------------

<xml> ...</xml>

ChangeManagement

Publishing

Search

LearningAssistance

pythagoraspartial-diff-eqnproton

Proof for …

Easy Editing

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Notationen für mathematische SymboleMultiplikation strukturell aufgeschrieben (OpenMath in OMDoc):

<OMA><OMS name="times" cd="arith1"/><OMI>2</OMI><OMV name="x"/>

</OMA>

Mögliche visuelleDarstellungen:2 · x , 2× x , or 2x

(OpenMath: verwendet für Computeralgebra, aut. Beweisen, Geometriesysteme, . . .math. Symbole eindeutig definiert in content dictionaries)

Unterschiedliche Notationen je nach:Sprache

(nk), Ck

n , Cnk

Fachgebiet i vs. j für die imaginäre EinheitExaktheit f ∈ O(g) vs. f = O(g)

Layout a/b vs. ab

. . . persönlicher Vorliebe, Community of Practice, . . .Ch. Lange (Jacobs University Bremen) Mathematik lernen in einem Semantischen Wiki 18. März 2008 13

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Demo: Wiki-Startseite

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Demo: Ein mathematisches Dokument

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Demo: Formeln bearbeiten

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Demo: OMDoc-XML bearbeiten

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Implizite Strukturen

Satz von Ceva Satz v. Menelaos

dual zu

dual zu

Satz:Dreiecks-Fläche

Satz: Dr.-Fl. m.kartes. Koord.

Satz: Dr.-Fl. m.Vektoren

HeronscheFormel

„Standard-Formel“

Alternative(lin. Algebra)

Alternative(Formel)

Satz d. Thales Kreistangente

Verwendet zurKonstruktion von

Satz desPythagoras

Kosinussatz

Verallgemeinerungvon

hat algebraischenBeweis

Was davon steht in einem formalen Dokument [explizit oderinferierbar] drin?Was sollte lieber ein Autor manuell annotieren?

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Hilfe beim Lernen

Was braucht man, um ein Thema zu verstehen?[direkte und indirekte] Abhängigkeiten kennen(→ Lernpfade!)

Formale Abhängigkeiten: Beweis,TheorieimportInformale Abhängigkeiten: Leseempfehlung(vom Lehrer, oder von Mitschülern)

Situation des Anwenders:bestimmtes Vorwissen vorhandenZeitrahmen→ trifft bestimmte Auswahl

Gewählte Abhängigkeiten in narrativeReihenfolge bringen, als ein druckbaresDokument exportieren

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Einladungen: Mehr zum Thema

http://jem-thematic.net

JEM Special Interest Group: SCOOP (Scientific Communities of Practice)http://jem-thematic.net/sig/scoop/nächster Workshop in Bremen am 27. Juni

http://semwiki.org

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Literatur

Tim Berners-Lee, James Hendler, Ora Lassila: The Semantic Web. Scientific American, 2001.Pinguin-Cartoon: From “Today’s Cartoon by Randy Glasbergen”, posted with special permission. For reprint informationand many more cartoons, please visit Randy’s site @ www.glasbergen.com or e-mail: [email protected] Lange: SWiM – A Semantic Wiki for Mathematical Knowledge Management. European Semantic WebConference, 2008.Sebastian Schaffert et al.: Learning with Semantic Wikis. 1st International Semantic Wiki Workshop, 2006.Michael Kohlhase: OMDoc – An open markup format for mathematical documents (Version 1.2). LNAI 4180, Springer,2006.Michael Kohlhase, Christine Müller, Normen Müller: Documents with flexible Notation Contexts as Interfaces toMathematical Knowledge. Workshop Mathematical User Interfaces, 2007.Andrea Kohlhase, Normen Müller: Added-Value: Getting People into Semantic Work Environments. In Jörg Rech, BjörnDecker, Eric Ras: Emerging Technologies for Semantic Work Environments, 2008.Christoph Lange: Mathematical Semantic Markup in a Wiki: The Roles of Symbols and Notations. Submitted to 3rdInternational Semantic Wiki WorkshopAndrei Ioniţă: Extracting RDF from OMDoc. Guided research proposal, 2008.Zdravko Beykov: Exporting mathematical document collections to PDF. Guided research proposal, 2008.

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