技工院校自動排課表軟件的開發(fā)初探

姜芹

摘要：自動編排課表軟件是學校信息化建設(shè)的重要組成部分。但近年來，對該問題的研究往往偏重于中學和普通高校，很少有適用于技工院校的自動排課表軟件。該文試圖從技工院校的特點出發(fā)，探討開發(fā)具有針對性的自動排課表軟件。

關(guān)鍵詞：技工院校；自動排課表；軟件開發(fā)

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)21-5132-03

Elementary Research on the Automated Curriculum Schedule Software Development Aimed at Skilled Workers Schools

JIANG Qin

(Jiangsu Huarui Technician School, Yizheng 211900,China)

Abstract: The automated curriculum schedule software is an important part of school informationization. But most of the research about it are based on the higher education and middle schools characteristic, are not suitable for the skilled workers schools. There has not an auto mated curriculum schedule software that is aims at or at least suitable for the skilled workers schools. This article tries to discuss how to de velop an automated curriculum schedule software that is suitable for the skilled workers schools.

Key words: skilled workers schools; automated curriculum schedule; software development

當今世界已經(jīng)進入了信息化時代，對于以培養(yǎng)技術(shù)應用型人才為主要任務的技工院校，信息化是實現(xiàn)學?？缭绞桨l(fā)展的必由之路。建設(shè)信息化學校主要包括教學和管理兩方面。而對于教學管理而言，教務管理的數(shù)字化建設(shè)對提升教學質(zhì)量和管理水平有著重大的意義。課表的自動編排是其中最為核心、又最為困難的一個部分。在這方面，高職高專的發(fā)展優(yōu)于中職中專，但往往也是照搬普通高校的模式。該文試圖從技工院校的特點出發(fā)，探討開發(fā)具有針對性的自動排課表軟件。

1自動排課表問題概述

1.1自動排課表問題的由來

所謂課表(CourseTimetabling)問題,即是在一個固定的時間區(qū)間內(nèi)(一般是一周)，按照教師和學生的要求，在某些限定條件下，安排一系列課程。課程表是學校教學活動的總調(diào)度，是學生在?；顒拥挠行虬才?，它不僅是對客觀教學目標和各種教學環(huán)節(jié)與教學活動“序”的規(guī)定，而且作為教學管理的重要一環(huán)，對穩(wěn)定教學秩序，提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)合格人才有著十分重要的意義。因此，如何編排一張科學、有效的課程表，就成為一項非常有意義的研究。[1]

在早期的課表編排過程中，由于學生和課程數(shù)都不是很多，一般采用人工排課表，這樣雖然需要一定的人力，通常也還在可以接受的范圍內(nèi)。但由于近年來不論是高校還是職業(yè)學校，辦學規(guī)模越來越大，往往呈現(xiàn)出學科多、課程多、師生比低、校舍資源緊、課程聯(lián)系密切等特點，使教學調(diào)度工作，即教學計劃的實施與管理，成為一項非常復雜而又細致的工作，尤以課程表的編制工作更為突出。自動化的排課表問題也就應運而生。

1.2自動排課表問題的研究現(xiàn)狀

排課表問題又稱時間表（scheduling problem）問題。排課表問題就是在滿足各種要求和限制的前提下，解決對時間和空間資源爭奪而引起的沖突。這是一個多因素的優(yōu)化決策問題，是組合規(guī)劃中的典型問題。70年代中期，S.Even等人在SIAMJ.COMPUTE雜志上發(fā)表題為《關(guān)于時間表和雜物流問題的時間復雜性》一文，首次論證了排課表問題是NP-完全問題，即求解排課表問題最佳解的時間復雜性是課程表規(guī)模的指數(shù)級，所以對于有一定規(guī)模的排課表問題，一般采用的都是求較佳解的算法，而且其應用范圍也有一定的限制，因為這樣可以減少所需要考慮的因素，進而降低復雜性。[2]

三十多年來，已經(jīng)有很多人對此問題進行了研究，并取得了很多成果。這些研究一方面集中在對排課表問題的數(shù)學分析和整體優(yōu)化算法的尋求上。另一方面，表現(xiàn)在此問題的實際應用上，現(xiàn)在已出現(xiàn)了很多排課表的實用軟件。在實際應用方面，最為成功和實用的是清華大學計算機排課系統(tǒng)，該系統(tǒng)有多年的實踐，采用的是分組優(yōu)化決策算法，主要是以經(jīng)驗豐富的課表管理員的排課經(jīng)驗作為啟發(fā)式優(yōu)化準則，分步構(gòu)造課表。它將課程的集合按優(yōu)先等級逐次分組，每組再采用優(yōu)化決策方法排課，這是一種在啟發(fā)式準則指導下，逐次的、向前的構(gòu)造性排課過程。但這樣的分組方法并不能滿足所有高校的需求。加上各高校的課程安排都有自己的特點，如一個學校有多個校區(qū)，有的甚至相距很遠，在排課時就要考慮到教師所任班級是否在同一個校區(qū)內(nèi)等問題。所以即使

在高校中也不具有通用性。[3]

而目前其他的排課表應用軟件，更多的是基于中學的需求開發(fā)的。因為對于一個NPC問題，減少考慮的因素，會大大降低其復雜度。而中學的課程少，相對固定，教室等教學資源充足，每個教師所教授的課程也相對固定，所需考慮的因素在各類學校中是最少的。因此，即使是一些聲稱能適用于職業(yè)技術(shù)類學校的排課表軟件，事實上也只能用于中學課程表的編排。

1.3技工院校自動排課表軟件開發(fā)的意義

相對于中學而言，技工院校的學科多、課程多、教學資源緊，不是簡單的幾門課程就能涵蓋，也不能完全做到定班定教室，所以中學的排課表軟件不能適用于技工院校。而相對于高等院校而言，技工院校往往更強調(diào)技能訓練，其排課特點和規(guī)律與一般高校也不相同，比如，技工院校的實習課程會占總課時量的較大比例，而且往往每周會有連續(xù)的幾天用于技能訓練，這與高校集中幾周時間訓練的排課方式是不同的。

在教學資源方面，技工院校也與高校有較大的區(qū)別。比如，在技工院校，尤其是中職學校，由于辦學條件有限，資金緊張，一般不會設(shè)置專門的教務人員，通常由教師兼任。而技校的師資力量相對薄弱，往往一名教師會擔任多個班多門課程的教學任務，工作量很大，不可能將主要精力放在教務管理工作上。因此，這樣的學校更需要自動化的排課表軟件。

但由于前述原因，至今還沒有一個排課表軟件是專門針對或至少是適用于技工院校的，這與國家大力倡導發(fā)展技工教育，技工院校數(shù)量不斷增加、規(guī)模不斷擴大的現(xiàn)狀是不相適應的。所以，自動排課表軟件對技工院校也就有了更重要的意義。

2技工院校自動排課表軟件的特點

技工院校自動排課表系統(tǒng)與目前流行的排課系統(tǒng)不同之處在于應用范圍的確定上。正由于所確定的應用范圍為技工院校，因此，應充分考慮其特點，并在此基礎(chǔ)上確定算法、構(gòu)建數(shù)據(jù)庫。

2.1技工院校排課的特點

技工院校在排課問題上，有著不同于中小學和大學的特點，具體如下：1)學科多，課程多，且變化頻繁；

2)強調(diào)實習教學，實習課程貫穿于整個教學過程中；

3)教學資源緊張，主要表現(xiàn)在：

①硬件資源緊張，如計算機機房、實習場所、多媒體教室等較少；

②師資力量弱，一名教師可能兼任多個班、多門課程的教學任務，并且往往是跨專業(yè)的。

2.2數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

為了適應技工院校的特點，并降低編程的復雜度，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時，可采取以下措施：

首先，由于課程表問題可歸結(jié)為班級、課程、教師、時間、教室五者之間的關(guān)系問題，再加上技校強調(diào)實習的特點，可設(shè)計班級信息、教師信息、教室信息、課程信息和實習教室信息五張表。利用這些表來記錄有關(guān)班級、教師、教室、課程的基本信息。并以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建課程表；

其次，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，可通過動態(tài)地建立一些數(shù)據(jù)表的手段，利用VB與數(shù)據(jù)庫之間較強的通信能力，在不同的表之間進行操作，盡可能多地利用數(shù)據(jù)庫強大的管理能力，從而使程序更簡單、更清晰；

最后，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫時，考慮到技工院校專業(yè)多、變化快、課程有交叉的特點，允許一定的數(shù)據(jù)冗余度。這樣可以使得數(shù)據(jù)組織更為清晰、合理，同時也更方便查詢，還可以通過空間換取編程的復雜度。

3系統(tǒng)需求分析

對于學校來說，如何合理地利用教室、教師等資源，解決好時間、場地等沖突，同時又兼顧排課的合理性和某些課程的特殊要求，是對自動排課表系統(tǒng)的基本要求。具體而言，就是對每一門課程，尋找一個合適的教師、時間和教室，在安排時不發(fā)生沖突，同時能盡量滿足經(jīng)驗常識。即所完成的課程表應滿足下列要求：

1)在同一個時間，一位教師只上一門課程；

2)在同一個時間，一個班級只上一門課程；

3)在同一個時間，一個教室只有一個班級使用；

4)教室設(shè)施滿足課程的需要，且其容量大于等于當前上課班級的人數(shù)；

5)保留一些特殊的時間段，如班會等；

6)根據(jù)課程性質(zhì)不同，做一些特殊安排，如有些課程盡量安排在上午，而有些課程如實習課必須連續(xù)安排等；

7)一門課程在一周內(nèi)盡量分散安排，使其間距大至相等；

8）盡量使教室容量與所安排的班級人數(shù)相吻合，這樣一方面教學資源被合理利用，另一方面也可以達到較好的教學效果。

上述要求中，1～4是任何一張課程表都必須滿足的基本要求，而5～8需根據(jù)各學校實際情況而定。對技工類學校而言，通常一周中會保留半天作為班會時間，如我校安排在周五下午，但一般不會安排專門的課外活動時間，通常會利用沒有課的下午第三節(jié)課，而且是另外安排，所以不需要在排課表中考慮。而實習課程是技工類學校重要而特殊的課程，通常從第二學期開始，一周中都會有專門的時間用于實習教學，而且實習課程一般都要求連續(xù)安排，如每個班一天或兩天。以上要求的重要性是遞減的，所以在排課時，先保證滿足前面的，在此基礎(chǔ)上，盡量滿足所有的要求。

除此以外，考慮到一般的技工院校，尤其是中職學校的數(shù)字化建設(shè)相對滯后，多數(shù)學校還只是停留在只有相互獨立的電子文檔的層面上，沒有形成教學管理系統(tǒng)。因此，為適應這種情況，并便于今后能方便地擴充軟件，進而構(gòu)成完整的教學管理系統(tǒng)，系統(tǒng)還需具備一定的數(shù)據(jù)管理功能。能夠完成基本信息的輸入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出等任務。

4系統(tǒng)功能分析

綜上所述，系統(tǒng)的主要功能應為：

1)具有數(shù)據(jù)庫的管理功能，如數(shù)據(jù)的輸入、刪除、修改、備份等。

2)選擇需排課的班級，并輸入課程、任課教師、周課時數(shù)、對教室和課程的特殊要求后，能自動排出課表。

3)可實現(xiàn)教學信息準確、快捷的查詢，包括基本信息，如教師、教室信息等的查詢；課表查詢；教師任課情況查詢和教室使用情況查詢等。

除上述基本功能外，系統(tǒng)還應滿足下列要求：

1)操作簡單易行，查詢靈活方便。

2)維護快捷可靠，有較強的實用性。

5系統(tǒng)性能需求分析

5.1數(shù)據(jù)的完整性、準確性

1)錄入數(shù)據(jù)時，能夠限制錄入數(shù)據(jù)類型及取值范圍，以保證數(shù)據(jù)的完整性及準確性。2)系統(tǒng)具有部分反悔修改功能。

5.2系統(tǒng)的時間要求

作為一個學校的自動排課系統(tǒng)，對系統(tǒng)的查詢時間性能并無特殊的要求，只需做到在查詢的時候沒有明顯的延遲即可。考慮到數(shù)據(jù)量及運算量，允許在排課時有一定的延遲，具體時間根據(jù)排課的班級數(shù)而定。

5.3系統(tǒng)的可維護性

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)均應設(shè)計有修改、維護的界面。并可通過備份數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中直接進行操作。

5.4界面要求

界面要求簡潔、清晰，便于操作。操作人員不需要具備計算機的專業(yè)知識。

6系統(tǒng)模塊設(shè)置

根據(jù)上面的系統(tǒng)分析，所設(shè)計的技工院校自動排課表系統(tǒng)應具有數(shù)據(jù)管理、自動排課表和數(shù)據(jù)查詢?nèi)齻€主要功能，因此，系統(tǒng)可設(shè)置三個主要功能模塊，分別是：

1)數(shù)據(jù)管理；

2)排課表；

3)查詢。

其中，數(shù)據(jù)管理模塊可實現(xiàn)對班級、課程、教師、理論教室和實習教室等基本信息的增加、刪除、修改等操作。

排課表模塊通過輸入或選擇相關(guān)信息，實現(xiàn)課程表的自動編排。

查詢模塊實現(xiàn)對基本信息和動態(tài)信息的查詢?？刹樵冋n表、班級信息、課程信息、教室信息、教師信息。

系統(tǒng)功能模塊層次如圖1所示。

以上是我對技工院校自動排課表軟件系統(tǒng)的一些思考。當然，要在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)，還有很多的工作要做。該文只是試圖通過對技校自動排課表系統(tǒng)開發(fā)的探討，作為技校依據(jù)自身的特點進行信息化建設(shè)的嘗試。畢竟，技校能夠充分發(fā)揮自己的特色，適應市場需求，才會有長遠的生存發(fā)展空間。

參考文獻:

[1]彭濤,李建,白峰.排課問題分組優(yōu)化決策中的CourseRank[J].高校應用數(shù)學學報A輯：浙江大學中國工業(yè)與應用數(shù)學學會，2006,21(1):31-36.

[2]花鵬飛.課程表問題的數(shù)學分析[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/5ae29620aaea998fcc220e45.html.

[3]馬駿.高等院校課程優(yōu)化編排[EB/OL].(2005).http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10422-2005132576.htm.