淺析中職學(xué)校智能排課系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

余 波

（廣東惠州商貿(mào)旅游高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 惠州 516001）

一 智能排課系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)的信息化程度越來(lái)越高，中職學(xué)校傳統(tǒng)的手工或半自動(dòng)化排課系統(tǒng)已跟不上現(xiàn)代教育的節(jié)奏。手工處理不但工作強(qiáng)度大，而且容易產(chǎn)生操作上的失誤，信息查詢更是非常不方便。另外，手工制作教學(xué)管理系統(tǒng)工作中的各種報(bào)表也需要浪費(fèi)大量的人力和時(shí)間，這就在很大程度上影響了學(xué)校管理工作的效率，甚至影響正常的教學(xué)進(jìn)程。運(yùn)用現(xiàn)代化的手段、特別是網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行科學(xué)管理，已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。校園網(wǎng)的普及，使得建立全面的具有通用性、開(kāi)放性、實(shí)用性和靈活性的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理體系成為必然趨勢(shì)。

在惠州商貿(mào)旅游高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，智能排課系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理系統(tǒng)的核心部分?，F(xiàn)階段，中職學(xué)校的班級(jí)和學(xué)生是固定不變的，老師在上課時(shí)段到班級(jí)上課，但每位老師的課時(shí)量較多，智能排課系統(tǒng)采取智能算法，主要解決老師上課時(shí)間的沖突問(wèn)題和保證老師上課時(shí)間的不連續(xù)性問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)滿足個(gè)別老師的特殊上課時(shí)間要求。

二 智能排課系統(tǒng)需求分析

軟件需求分析[1]就是把軟件計(jì)劃期間建立的軟件可行性分析求精和細(xì)化，分析各種可能的解法，并且分配給各個(gè)軟件元素。需求分析是軟件定義階段中的最后一步，是確定系統(tǒng)必須完成哪些工作，也就是對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)提出完整、準(zhǔn)確、清晰、具體的要求。

1.惠州商貿(mào)旅游高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校是一所國(guó)家級(jí)重點(diǎn)中專，2012年招生專業(yè)達(dá)到48個(gè)，總招生規(guī)模5000人，在校生約1.6萬(wàn)人，共174個(gè)教學(xué)班，540多名教師，且目前分別在三個(gè)校區(qū)上課。如何制作分課表和課程表是每學(xué)期學(xué)校教學(xué)工作的重中之重。因招生規(guī)模的迅速增長(zhǎng)，專業(yè)發(fā)展極不均衡，導(dǎo)致師資出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性缺口的可能性比較大。例如，以平均每位教師每周授課18節(jié)來(lái)計(jì)算，全校周總課時(shí)數(shù)除以教師總?cè)藬?shù)得到的結(jié)果時(shí)小于18的，但是在不同的專業(yè)上來(lái)看，可能會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)大于18節(jié)/周的情況。所以，能否完成排課是智能排課系統(tǒng)需解決的首要問(wèn)題。

2.少數(shù)教師因各種情況，需要在每周的特定時(shí)間上課，在滿足第一點(diǎn)的前提下，系統(tǒng)需盡量滿足特定時(shí)間上課的問(wèn)題，所以在排課時(shí)需對(duì)部分條件設(shè)置優(yōu)先級(jí)。

3.需避免同一門(mén)課程在短時(shí)間內(nèi)上完的問(wèn)題，即排課不連續(xù)問(wèn)題。

4.需避免同一老師連續(xù)在不同校區(qū)上課的問(wèn)題，使老師的上課地點(diǎn)相對(duì)固定。

5.進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠脩魴?quán)限管理。根據(jù)權(quán)限大小用戶分為系統(tǒng)管理員、教務(wù)員、教師和學(xué)生，他們的權(quán)限如下：

（1）系統(tǒng)管理員。為本平臺(tái)的日常網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理，擁有全部的功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改。

（2）教務(wù)員。設(shè)置選課基本信息，如可選課，上課班級(jí)，上課地點(diǎn)等，設(shè)置排課規(guī)則，確定最后的排課方案等。

（3）教師?？梢孕薷膫€(gè)人信息，選擇授課班級(jí)和課程，查看上課時(shí)間、地點(diǎn)等。

6.系統(tǒng)采用B/S模式，運(yùn)行平臺(tái)為Windows+SQL Server，使得系統(tǒng)能有很好的可擴(kuò)展性和保密性。

系統(tǒng)必須首先解決好教師的課程沖突問(wèn)題，和老師上課的連續(xù)性問(wèn)題。

二 智能排課系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

排課問(wèn)題從數(shù)學(xué)上講，是一個(gè)在時(shí)間、教師、學(xué)生和教師四維空間，以教學(xué)計(jì)劃和各種特殊要求為約束條件的組合規(guī)劃問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)就是解決各因素之間的沖突。分析了國(guó)內(nèi)外對(duì)排課問(wèn)題的研究，根據(jù)中職學(xué)校的教學(xué)體制的特點(diǎn)，采用基于優(yōu)先級(jí)的自動(dòng)排課算法。該算法通過(guò)劃分等價(jià)類、計(jì)算優(yōu)先級(jí)等方法降低了課程調(diào)度的算法復(fù)雜性，從而可以以較快的速度獲得較為滿意的排課結(jié)果。

1.智能排課系統(tǒng)功能框架

智能排課系統(tǒng)的主要功能是把各系別、班級(jí)或各授課部門(mén)的課程進(jìn)行了匯總，然后根據(jù)學(xué)校的教學(xué)計(jì)劃制訂各班級(jí)的課程編排表。

圖1 智能排課系統(tǒng)整體框架圖

2.智能排課系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）業(yè)務(wù)流程整合。建立以排課為主線的完整業(yè)務(wù)流程，從開(kāi)課管理，到分課管理，再到智能排課，能有效避免因教師資源不足而引起的課程沖突問(wèn)題。

（2）管理流程整合。智能排課系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)教學(xué)管理系統(tǒng)的核心部分，它不同于一般的業(yè)務(wù)流程處理機(jī)制，對(duì)排課的過(guò)程和結(jié)果，在時(shí)間上、空間上和準(zhǔn)確性上都有比較高的要求。

（3）教學(xué)資源整合。排課是落實(shí)教學(xué)任務(wù)、實(shí)施教學(xué)活動(dòng)的依據(jù)。因此排課是學(xué)校教學(xué)管理中十分重要，又相當(dāng)復(fù)雜的管理工作之一，合理配置教學(xué)資源，使整個(gè)教學(xué)能夠有計(jì)劃和有秩序地進(jìn)行。

3.智能排課系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)流程

智能排課系統(tǒng)是保證教學(xué)工作正常開(kāi)展的關(guān)鍵，梳理排課管理流程對(duì)后期的軟件的開(kāi)發(fā)具有重要的意義。結(jié)合本校的管理特點(diǎn)和其他學(xué)校的管理模式，整理出智能排課系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，如圖2所示。

圖2 智能排課系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

三 智能排課系統(tǒng)功能模塊與設(shè)計(jì)

1.智能排課系統(tǒng)功能模塊

排課管理子系統(tǒng)提供智能排課、輔助調(diào)課和課表查詢等功能模塊，智能判斷各種沖突條件并以直觀方式顯示，并提供時(shí)時(shí)“空閑班級(jí)”、“空閑教室”、“空閑教師”查詢，使課程的安排更加人性化和合理化。排課管理子系統(tǒng)的功能模塊圖如圖3所示。

圖3 智能排課系統(tǒng)功能模塊圖

2.智能排課系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）班級(jí)信息：記錄每個(gè)班級(jí)有多少學(xué)生，系別等信息。班級(jí)信息部分可以錄入班級(jí)信息，信息主要有班級(jí)編號(hào)、班級(jí)人數(shù)、系別。班級(jí)信息模塊中還包括班級(jí)信息的查詢和修改刪除。查詢班級(jí)信息的將結(jié)果顯示在頁(yè)面上，顯示一個(gè)班級(jí)的內(nèi)容。班級(jí)信息可以進(jìn)行修改，和刪除操作。

（2）課程信息：主要是記錄這個(gè)排課任務(wù)中會(huì)有哪些課程。課程信息主要包括課程編號(hào)、課程名稱、系別、周學(xué)時(shí)、是否多媒體教學(xué)、是否主修課等相關(guān)信息。課程信息包括查詢和修改刪除，查詢顯示模式為列表顯示，修改課程信息時(shí)將數(shù)據(jù)讀取到頁(yè)面上修改。

（3）教師信息：記錄這個(gè)排課任務(wù)中所有任課的教師。教師信息主要包括教師編號(hào)，教師姓名，周課時(shí)及教授課程。教師信息方面同樣要求可以進(jìn)行查詢及刪除修改操作。

（4）教室信息：主要記錄排課任務(wù)中所使用的教室，每個(gè)教室可以容納人數(shù)。教室信息包括，是否多媒體教室，教室編號(hào)，容納人數(shù)等信息，是否多媒體教室為單選按鈕，教室編號(hào)，容納人數(shù)手工輸入，教室編號(hào)中可以根據(jù)以輸入的內(nèi)容自動(dòng)生成部分內(nèi)容。

（5）手工排課模塊將以三個(gè)維度實(shí)現(xiàn)，分別為班級(jí)維度，教師的維度及教室的維度，手工排課的同時(shí)將以其中一個(gè)維度為標(biāo)準(zhǔn)羅列出一周的課程表。

手工排課模塊添加的記錄直接以下拉列表的形式修改，關(guān)鍵問(wèn)題在于解決沖突問(wèn)題，如多個(gè)班級(jí)在同一教室上課，教室是否可以容納。同一個(gè)教師不可以同時(shí)在兩個(gè)教室上課，同一個(gè)班級(jí)不可以同時(shí)上兩門(mén)課等等復(fù)雜的邏輯要求。滿足這些邏輯要求之后，要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給操作人員提示并解決問(wèn)題。

（6）自動(dòng)排課：自動(dòng)排課所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的要求有：1）可以自動(dòng)生成課表。2）解決課程沖突問(wèn)題。3）均衡分部課程安排。4）課表可以手工調(diào)整。滿足以上要求之后，自動(dòng)排課可以達(dá)到“一鍵”來(lái)解決問(wèn)題。自動(dòng)排課所生成的課表和手工排課生成的課表不應(yīng)是同一個(gè)，但應(yīng)同樣可以修改查看，生成一個(gè)新的課表。

（7）課表查詢分為，總課表查詢：查詢?nèi)颗耪n結(jié)課。班級(jí)課表查詢：查詢選定班級(jí)的課表。教師課表查詢：查詢選定教師的課表。教室課表查詢：查詢選教室的課表。

四 智能排課系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

1.排課系統(tǒng)E-R圖

排課系統(tǒng)中，主要有四個(gè)實(shí)體，分別為課程信息，班級(jí)信息，教師信息和教室信息，它們之間互相都有聯(lián)系。

圖4 智能排課系統(tǒng)E-R圖

課程信息（課程名稱、系別、主修課、周課時(shí)、多媒體）。

教師信息（教師姓名、周課時(shí)）。

班級(jí)信息（班級(jí)編號(hào)、系別、周課時(shí)）。

教室信息（教室編號(hào)、容納人數(shù)、多媒體）。

課程信息與教師之間存在一個(gè)教授與被教授的關(guān)系，每個(gè)課程可以有多個(gè)教師來(lái)教授，每個(gè)教師可以教授多個(gè)課程。

課程信息之間與班級(jí)信息之間存在一個(gè)學(xué)習(xí)與被學(xué)習(xí)的關(guān)系，一門(mén)課程可以有多個(gè)班級(jí)來(lái)上，而一個(gè)班級(jí)可以學(xué)習(xí)多個(gè)課程。

課程信息、班級(jí)信息與教師信息與教室信息存在上課的關(guān)系，每個(gè)教室只可以有教授一個(gè)課程，每個(gè)教師只能有一個(gè)教師在上課，每個(gè)教室可以有多個(gè)班級(jí)在上課。

2.智能排課系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

本學(xué)校排課系統(tǒng)的主要功能是把各系別，班級(jí)或各授課部門(mén)的課程進(jìn)行了匯總，然后根據(jù)學(xué)校的教學(xué)計(jì)劃制訂各班級(jí)的課程編排表。隨著學(xué)校每年的擴(kuò)招和專業(yè)的不斷細(xì)化，學(xué)校班級(jí)，課程門(mén)數(shù)越來(lái)越多，每門(mén)課又涉及很多信息，如果仍然采用人工排課，則不可避免地會(huì)出現(xiàn)教室資源沖突或教師資源沖突的情況。

圖5 智能排課系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

五 智能排課系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的界面共分為四個(gè)部分。

（1）資源管理主界面

用于對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行初始化設(shè)置和修改，它包括如下幾個(gè)部分：班級(jí)管理：對(duì)班級(jí)進(jìn)行初始化設(shè)置，添加、刪除、修改班級(jí)信息；課程管理：對(duì)課程進(jìn)行初始化設(shè)置，添加、刪除、修改課程信息及其所對(duì)應(yīng)的授課教師；公共課室管理：對(duì)公共課室進(jìn)行初始化設(shè)置，添加、刪除、修改公共課程信息。

（2）智能排課主界面

用于排課管理和編輯排課信息。已生成的課表：顯示系統(tǒng)已經(jīng)生成的課程表。注銷課程表：注銷已生成的課程表；生成課表：根據(jù)初始化信息，生成課程表；公共教室配置：指定公共教室；所有課程：顯示所有已設(shè)定的課程；增加課程：增加課程設(shè)置；保存課程：保存課程修改信息；修改課程：修改課程設(shè)置；刪除課程：刪除已設(shè)置的課程。

（3）課程表輸出

用于輸出課程表信息。報(bào)表輸出：以報(bào)表形式輸出課程表；輸出到EXCEL：將課程表輸出到EXCEL文檔。

（4）系統(tǒng)管理

用于登錄或退出系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)初始化設(shè)置。系統(tǒng)登錄：用于登錄系統(tǒng)；用戶管理：用于管理登錄系統(tǒng)的用戶；資源初始化管理：用于對(duì)系統(tǒng)的資源進(jìn)行初始化；系統(tǒng)初始化管理：用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化；退出系統(tǒng)：用于退出系統(tǒng)。

六 智能排課系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足

1.優(yōu)勢(shì)

排課問(wèn)題實(shí)質(zhì)是為老師、學(xué)生的教學(xué)活動(dòng)合理安排時(shí)間上和空間上的資源，以保證教學(xué)活動(dòng)有計(jì)劃有秩序地進(jìn)行。本系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)在于：在班級(jí)資源飽和的情況下，能夠不沖突的實(shí)現(xiàn)全校的自動(dòng)排課，并且能夠有條件的使課程分布更加合理。采取這種方案由以下好處。

（1）對(duì)教師與課程之間做了一個(gè)相對(duì)優(yōu)化的組合。在目前中職學(xué)校擴(kuò)招的背景下，導(dǎo)致學(xué)校的各種資源日益緊缺，其中最突出的矛盾是師資的結(jié)構(gòu)性缺口。中職學(xué)校各專業(yè)之間互通性不強(qiáng)，進(jìn)入門(mén)檻較高，如不能及時(shí)補(bǔ)充專業(yè)對(duì)口的師資，將會(huì)直接影響到排課結(jié)果。

（2）提高了排課效率。在自動(dòng)排課的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)將首先統(tǒng)計(jì)是否能否生成合格的課程表，在能夠生成課程表的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以根據(jù)課程的安排實(shí)際使多課時(shí)的課程分布更加合理。

（3）可以方便的調(diào)整算法參數(shù)，使輸出結(jié)果更令人滿意。只要某些控制參數(shù)的值固定，那么輸出結(jié)果是確定的。它不同于遺傳算法等隨機(jī)算法，輸出結(jié)果具有隨機(jī)性。因此，用戶可以根據(jù)方便輸入?yún)?shù)并調(diào)整，使得結(jié)果更令人滿意。

（4）系統(tǒng)參數(shù)可以隨時(shí)修訂，系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)。系統(tǒng)默認(rèn)是一天6節(jié)課，一周上5天課，可兩節(jié)課連上。在一定范圍內(nèi)，可以修訂這些參數(shù)，可以滿足不同教學(xué)模式上的需求。

2.研究的不足

盡管本文提出的求解算法存在上述諸多好處，但也存在不足的地方：（1）自動(dòng)排課算法可以完成大部分的課程的安排，但是自動(dòng)排課算法的結(jié)果可能會(huì)存在著一些不太合理的地方，甚至有可能使得一些課程無(wú)法安排下去，那么就需要對(duì)已經(jīng)生成的課程表進(jìn)行人工調(diào)整。（2）采用自動(dòng)排課算法，犧牲了過(guò)多的效率以換取資源的最大化利用。在現(xiàn)階段的職業(yè)教育過(guò)程中，由于資源的短缺，使得安排課程時(shí)的首要判斷是，能否將課程全部安排下，以確定是否要外聘教師。在這種情況下，只能舍棄一部分排課的合理性，以期望能夠?qū)⒄n程完全排下。如果資源充足的學(xué)校使用這一系統(tǒng)，可能會(huì)影響到效率的發(fā)揮。

[1]（澳）Leszek A.Maciaszek著，金芝譯，需求分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003年6月