高校實驗室排課系統(tǒng)算法設(shè)計淺析

張宇

摘 要：為提高高校實驗室的綜合利用率、減輕其管理人員的工作量，更為實現(xiàn)排課周延、選課方便、上課精準的目標，有必要并且迫切需要利用實驗室信息管理系統(tǒng)來進行排課，以系統(tǒng)自動排課代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工排課。該文重點分析基于實驗室信息管理系統(tǒng)的排課算法設(shè)計，闡述設(shè)計原則，提出關(guān)鍵問題，探討可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：排課算法 設(shè)計原則 算法流程

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（b）-0144-02

近年來，高校擴招帶來了教育規(guī)模擴大，高校在校學(xué)生數(shù)量增多，與此同時，高校畢業(yè)生動手能力弱、實踐能力差也已成為不爭的事實，并影響著他們順利實現(xiàn)就業(yè)。因此，實驗教學(xué)改革、實驗室建設(shè)和管理也理所當然成為高等教育工作的重點之一。傳統(tǒng)的手工排課已經(jīng)不能適應(yīng)迅猛發(fā)展和需求旺盛的實驗教學(xué)需要，這一發(fā)展態(tài)勢要求高校必須采用計算機信息管理系統(tǒng)來實現(xiàn)實驗室的課程安排與布局，以提高排課的效率和精度，同時也節(jié)約人工成本。

1 實驗室排課系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的基本功能

依托實驗室信息管理系統(tǒng)的實驗室排課系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：系統(tǒng)支持管理員、教師和學(xué)生三種不同身份人群的登錄；通過排課系統(tǒng)，實驗室管理員可以做到審核課程安排、自定義排課和查看課程安排信息；實驗課授課教師可以提交課程安排、查詢課程安排和查看實驗室信息；成為注冊用戶的學(xué)生，可以查詢課程安排、修改個人信息。以上由登錄權(quán)限模塊進行支撐，此模塊包含了登錄界面和登錄驗證處理內(nèi)容。系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊集成了學(xué)校學(xué)生及教師的個人信息、學(xué)校開設(shè)的實驗課程、學(xué)?，F(xiàn)有的院系班級和實驗教室等信息。此外，系統(tǒng)還應(yīng)設(shè)置信息維護模塊，通過此模塊對學(xué)生、教師和班級排課信息進行修改、刪除等維護操作。當然，查詢?yōu)g覽模塊也必不可少，根據(jù)關(guān)鍵詞等查詢條件，可以快速、準確地查找到需要的信息。

2 實驗室排課算法設(shè)計應(yīng)遵循的原則

高校實驗室信息管理系統(tǒng)自動排課功能的實現(xiàn)，是在借鑒傳統(tǒng)人工排課經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，利用計算機來選擇合適的排課方案。排課問題涉及到實驗時間、授課教師、上課學(xué)生和實驗室等要素，不僅要依據(jù)學(xué)期初既定的教學(xué)計劃，還要盡量滿足各種特殊要求（如：特殊時間、特定教室、排課等級），這是組合規(guī)劃問題，其實是解決各個要素之間的沖突，也可以說是一種用信息技術(shù)對抗和調(diào)和各種制約條件以達到課程安排最合理最優(yōu)化的方案。對照實驗室排課的一些約束性條件，經(jīng)過整理、比較和歸納，發(fā)現(xiàn)編排高校實驗室課程一般應(yīng)遵循以下基本原則。

（1）排課“不沖突”原則。保證實驗室排課不沖突，具體包括實驗場地（機房）不沖突、實驗教師上課時間不沖突、實驗學(xué)生上課時間不沖突等，這是硬性條件，是基本規(guī)則，一旦違反了，就會釀成教學(xué)事故。

（2）排課實驗室“基礎(chǔ)達標”原則。實驗室排課要充分考慮不同實驗室的軟硬件條件，要根據(jù)實驗室的基本功能合理排課，保證排定的實驗室“達標”，符合實驗要求，為實驗課提供“合規(guī)”“合理”的場地。

（3）排課“效用最優(yōu)”原則。要對實驗室、實驗課程、實驗師生進行調(diào)查研究，歸納“需求”，盤點“供給”，做好調(diào)度，實現(xiàn)各要素的有效對接、無縫銜接，這樣才能發(fā)揮實驗室效用的最大化、最優(yōu)化，才能讓實驗課上出效率、講出“效果”。比如，同一專業(yè)不同班級的實驗課程進度要相當，實驗教室的類別、功能要相同，實驗教師也要相對固定。

3 在實際操作中對高校實驗室排課算法的設(shè)計

3.1 選擇算法的問題

目前，尚未有比較成熟的排課算法，也沒有通用的排課系統(tǒng)。在該文中，筆者以回溯算法的結(jié)構(gòu)為例進行實驗室排課。因為許多復(fù)雜的、規(guī)模較大的問題都可以使用回溯法來進行解決，回溯算法有“通用解題方法”的美稱?；厮菟惴刂平Y(jié)構(gòu)的核心思想就是一點：“試著走，走不通時就回頭”。這種算法向前搜索時是依據(jù)選優(yōu)條件來求結(jié)果的，經(jīng)過搜索比對，獲知原有方案不符合要求或不是最優(yōu)方案時，就后退進行二次選擇、重新選擇，再次嘗試探尋最優(yōu)路徑，直至找到?；厮莘ň褪且环N選優(yōu)搜索法。

3.2 優(yōu)先排課的問題

實驗室信息管理系統(tǒng)其排課功能一般是以預(yù)約排課為實現(xiàn)方式的，即實驗課程上課時間由學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)事先進行排定，或由實驗教師提前自行約定。這樣，當實驗教師或相關(guān)教務(wù)人員一旦確定上課時間后，通過登錄信息系統(tǒng)來進行實驗室預(yù)約操作，系統(tǒng)會自動依據(jù)實驗課程所需要的實驗室參數(shù)進行排課。參數(shù)包括機位數(shù)量、硬軟件環(huán)境等。一般情況下，會綜合考慮選課人數(shù)、課程性質(zhì)、實驗室條件、實驗室設(shè)備的使用年限等因素。比如依據(jù)選課人數(shù)安排實驗，應(yīng)“先大后小”，優(yōu)先考慮大班。依據(jù)課程性質(zhì)安排實驗，應(yīng)必修實驗課優(yōu)于選修實驗課。依據(jù)實驗室條件安排實驗，應(yīng)硬件要求在前，操作系統(tǒng)次之，教學(xué)軟件最后。依據(jù)實驗室設(shè)備使用年限安排實驗，一般優(yōu)先選用使用年限較短、設(shè)備較先進的實驗室。

3.3 實現(xiàn)算法流程問題

（1）依據(jù)前述優(yōu)先排課的方式，通過搜索，對當下的排課訴求安排空余的實驗室進行解決。

（2）當排課訴求沒有足夠、適當?shù)目沼鄬嶒炇覞M足時，即是當前擴展結(jié)點不能繼續(xù)往縱深的方向移動時，這個時候，就考慮往回移動，可以移動到最近的活結(jié)點處，活結(jié)點同時被認可為當前擴展結(jié)點。

對（1）（2）所列的流程進行不斷重復(fù)、試驗，就可以找到符合系統(tǒng)要求的結(jié)果。

4 排課過程中“死鎖”問題的解決

所謂“死鎖”，是指雖然進行了準確有效輸入，但排課訴求仍沒有足夠的資源進行支撐。解除“死鎖”是排課算法要解決的關(guān)鍵問題，關(guān)鍵問題的重點是解決排課時間沖突問題。為什么會出現(xiàn)“死鎖”問題呢，究其原因，資源約束條件與排課原則之間的沖突是最主要的。舉個例子，如果在排課過程中，某一班級的某一課程一直沒有符合條件的教師或?qū)嶒瀳鏊?，也就是說在某班級能夠上某一實驗課程的時間段里，找不到空閑的教師或教室，那么這門課程就不可排，帶來的后果就是接下來的所有課程都安排不了，這個時候就出現(xiàn)了“死鎖”現(xiàn)象。此次課程的安排受到前期安排課程的制約，同時也影響著后期課程的安排，這個時候就需要返回上一門課程的安排，通盤統(tǒng)籌考慮，重新作出調(diào)整。當發(fā)生“死鎖”現(xiàn)象時，一般由管理員根據(jù)系統(tǒng)提示的原因來進行人工調(diào)整。具體有補充安裝教學(xué)軟件、對實驗室信息管理系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行更新以及調(diào)整課程時間、增加教師、教室資源等。

5 結(jié)語

計算機技術(shù)在各個管理領(lǐng)域得到了深入而廣泛的應(yīng)用，依托計算機技術(shù)的實驗室信息管理系統(tǒng)的排課功能如果開發(fā)得好、利用得好，不僅可以整合各種課程、師資、場地、設(shè)備資源，還有助于高校實驗室實現(xiàn)規(guī)范化、科學(xué)化管理?；诨厮菟惴ǖ膶嶒炇遗耪n系統(tǒng)，不失為一種較好的路徑選擇，當然也可以基于遺傳算法這一解決方案來進行排課問題的研究，原理雖有差異，但所要遵循的基本原則大體相似、所要追求的最終目標基本一致。隨著研究的不斷深入和實踐的廣泛應(yīng)用，實驗室自動排課系統(tǒng)一定會越來越成熟，越來越“給力”，在實驗室管理和實驗課程建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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