機(jī)房實(shí)訓(xùn)課排課原則及優(yōu)化方法

賈志君

（山西省陽(yáng)泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省陽(yáng)泉市 045000）

機(jī)房作為計(jì)算機(jī)知識(shí)教授和實(shí)踐的場(chǎng)所，其重要性顯而易見。機(jī)房有聯(lián)網(wǎng)的多媒體、相關(guān)配套設(shè)施及軟件支持。在專業(yè)機(jī)房，教師可采用多種多樣的講學(xué)方式，通過(guò)講練結(jié)合，課堂進(jìn)行輔導(dǎo)聯(lián)系，靈活高效的教學(xué)過(guò)程，大大提高了教學(xué)效率和質(zhì)量。機(jī)房實(shí)訓(xùn)課程包含的內(nèi)容也相對(duì)豐富，除了基礎(chǔ)課，針對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生會(huì)開設(shè)不同內(nèi)容的課程；另外,機(jī)房除了固定的上課時(shí)間，還會(huì)安排學(xué)生自行練習(xí)的時(shí)間，其占用時(shí)間非常靈活；最后機(jī)房包含軟硬件，因此需要設(shè)置門禁，需要頻繁地與管理員聯(lián)系開啟或關(guān)閉權(quán)限，大大降低了效率。因此，完善的機(jī)房實(shí)訓(xùn)課排課系統(tǒng)起到關(guān)鍵的作用。

1 排課原則

為了保證機(jī)房實(shí)訓(xùn)課有序進(jìn)行，滿足多人員、多機(jī)房以及多時(shí)間使用的要求，目前，要求機(jī)房滿足以下排課原則。

1.1 以人為本

以人文本，包含兩方面，一方面是指滿足人員的要求，包括對(duì)授課內(nèi)容的編排，授課方式的選取，授課地點(diǎn)以及時(shí)間的安排。授課內(nèi)容需要多樣化，其知識(shí)深淺滿足不同專業(yè)人員要求；授課方式多樣化，結(jié)合不同課程內(nèi)容，選用不同授課方式；授課地點(diǎn)，根據(jù)教師以及班級(jí)上一節(jié)課的上課地點(diǎn)，就近選擇，并且根據(jù)上課人數(shù)，選擇不同地點(diǎn)；授課時(shí)間也會(huì)根據(jù)人員情況自行選擇。另一方面以人為本是根據(jù)不同時(shí)間段的人體疲勞和接受新知識(shí)的程度來(lái)進(jìn)行排課，比如上午人體精力充沛，可以安排一些理論知識(shí)的教學(xué)，而下午人體相對(duì)比較困乏，可以安排較為生動(dòng)的實(shí)操課程。晚上則可以安排少量老師開展白天教學(xué)的答疑工作。

1.2 資源合理利用

這里的資源包含教師資源和機(jī)房軟硬件資源。一名教師會(huì)教授多項(xiàng)課程，因此要根據(jù)教師的其他教授課程以及時(shí)間來(lái)整體規(guī)劃，確保精準(zhǔn)排課，避免矛盾排課，如一名老師同一時(shí)間教授兩節(jié)課或者連續(xù)安排多個(gè)課程，都會(huì)產(chǎn)生沖突或者降低教學(xué)質(zhì)量。機(jī)房軟硬件資源也同理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，確保實(shí)時(shí)上傳軟硬件狀態(tài)，并可隨時(shí)進(jìn)行查詢調(diào)整。

1.3 信息安全和權(quán)限設(shè)定

設(shè)置專人進(jìn)行信息安全和權(quán)限設(shè)定。信息安全對(duì)于開設(shè)機(jī)房實(shí)訓(xùn)課的學(xué)?；蛘邫C(jī)構(gòu)都是非常重要的。另外，對(duì)機(jī)房網(wǎng)絡(luò)設(shè)置權(quán)限，僅提供教授內(nèi)容涉及的所需權(quán)限，確保人員在整個(gè)課程中不會(huì)受其他干擾或者誘惑，提高課堂效率。

1.4 制定科學(xué)、高效排課計(jì)劃

目前，各高校以及培訓(xùn)機(jī)構(gòu)都已經(jīng)普遍使用排課系統(tǒng)進(jìn)行排課。學(xué)生，教師以及機(jī)房管理員都可方便地登入系統(tǒng)，進(jìn)行科學(xué)，有效地排課。排課系統(tǒng)實(shí)施更新，并運(yùn)算排課的合理性，智能地安排課程。

2 排課現(xiàn)有問(wèn)題和優(yōu)化方法

2.1 排課軟件的優(yōu)化

現(xiàn)有的排課軟件多種多樣，其使用的排課原理也不盡相同。其中運(yùn)用最多，發(fā)展最為成熟的排課原理是遺傳算法，近80%的排課軟件均基于遺傳算法。本文研究的排課軟件也是基于遺傳算法的原理。

2.1.1 遺傳算法概述

遺傳算法（GeneticAlgorithm，簡(jiǎn)稱GA），其最早是由美國(guó)的 John holland于20世紀(jì)70年代提出，該算法是根據(jù)大自然中生物體進(jìn)化規(guī)律而設(shè)計(jì)提出的。是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法。該算法通過(guò)數(shù)學(xué)的方式，利用計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)算，將問(wèn)題的求解過(guò)程轉(zhuǎn)換成類似生物進(jìn)化中的染色體基因的交叉、變異等過(guò)程。在求解較為復(fù)雜的組合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，相對(duì)一些常規(guī)的優(yōu)化算法,通常能夠較快地獲得較好的優(yōu)化結(jié)果。遺傳算法已被人們廣泛地應(yīng)用于組合優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)、信號(hào)處理、自適應(yīng)控制和人工生命等領(lǐng)域[1]。

2.1.2 遺傳算法基本原理

圖1：排課系統(tǒng)優(yōu)化前算法流程圖

圖2：排課系統(tǒng)優(yōu)化后算法流程圖

圖3：排課系統(tǒng)輸入輸出模型

遺傳算法的基本原理既然是通過(guò)達(dá)爾文的進(jìn)化論演變而來(lái)，因此最終是需要滿足最優(yōu)基因搭配的要求，輸入的各項(xiàng)因子，通過(guò)函數(shù)去計(jì)算其滿足度，然后進(jìn)行迭代運(yùn)算，其中滿足度高的參數(shù)被鎖定下來(lái)然后進(jìn)入下一階段的運(yùn)算，而滿足度不高的參數(shù)則被淘汰，最終被鎖定下來(lái)的參數(shù)會(huì)形成一個(gè)參數(shù)組群，最終成為解決問(wèn)題的最優(yōu)基因，并遺傳下去。

2.1.3 遺傳算法執(zhí)行要素

從遺傳算法的基本原理可以看出，其執(zhí)行要素包含初始群組、各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)初始數(shù)值、滿足度評(píng)價(jià)函數(shù)以及判斷最終停止運(yùn)算的判定條件。其中多項(xiàng)輸入的初始因子水平會(huì)先形成一個(gè)初始群組，其并不是固定或者是計(jì)算出來(lái)的，大部門情況下是基于有經(jīng)驗(yàn)的人員初步設(shè)定的；各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)初始數(shù)值、滿足度評(píng)價(jià)函數(shù)是為了計(jì)算出滿足度；確定停止運(yùn)算的判定條件是為了防止運(yùn)算無(wú)限循環(huán)下去，設(shè)置一個(gè)范圍，達(dá)到要求后，便可停止運(yùn)算。

2.1.4 排課軟件的現(xiàn)有問(wèn)題和優(yōu)化方法

（1）群組大小設(shè)定。

基于現(xiàn)有排課原則，其群組大小是固定的，未經(jīng)過(guò)計(jì)算去找到最優(yōu)群組大小。因此，導(dǎo)致了運(yùn)算冗長(zhǎng)，迭代次數(shù)過(guò)多。優(yōu)化后，運(yùn)算前會(huì)先尋找最優(yōu)群組大小，再進(jìn)行運(yùn)算。

（2）編碼方式選擇。

目前排課系統(tǒng)，是通過(guò)二進(jìn)制進(jìn)行編碼，但目前有很多案例顯示，在多個(gè)連續(xù)變量同時(shí)運(yùn)行的情況下，二維碼編碼的缺陷以及局限性便開始顯現(xiàn)，其構(gòu)建的立體模型變的不夠穩(wěn)固。優(yōu)化后，采用實(shí)數(shù)編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，通過(guò)實(shí)數(shù)編碼，構(gòu)建的模型均由實(shí)數(shù)完成，模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，并且運(yùn)算更加準(zhǔn)確。

（3）沖突解決。

目前的排課原則，對(duì)于軟硬性約束條件設(shè)置這一塊考慮的不是很完善，將重點(diǎn)放在硬性約束條件的設(shè)置上，很容易導(dǎo)致老師的授課時(shí)間以及機(jī)房的使用時(shí)間段以及機(jī)房使用編號(hào)存在沖突。而這些沖突往往是經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)算才顯現(xiàn)出來(lái)，大大降低了運(yùn)算的準(zhǔn)確性，評(píng)價(jià)沖突的參數(shù)目標(biāo)值選擇不合理，導(dǎo)致運(yùn)算一致循環(huán)進(jìn)行。優(yōu)化后，對(duì)輸出的值實(shí)現(xiàn)設(shè)定一個(gè)合理的概率值，以避免沖突發(fā)生且大大縮短運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)。

（4）排課系統(tǒng)優(yōu)化前后算法流程對(duì)比。

排課系統(tǒng)優(yōu)化前后算法流程對(duì)比如圖1和2。

2.2 排課宏觀流程的優(yōu)化

機(jī)房實(shí)訓(xùn)課的資源包含教師資源、機(jī)房資源和軟硬件資源。如何在資源有限的情況下滿足教學(xué)要求，則要實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。

從圖3排課系統(tǒng)輸入輸出模型，由圖可以看出整個(gè)排課的宏觀流程，其中包含信息的輸入，信息的運(yùn)算及信息的輸出。

排課宏觀流程中，輸入的信息種類多，如何系統(tǒng)地整合并歸類分析好輸入的信息，值得深入研究。在機(jī)房實(shí)訓(xùn)課排課的過(guò)程中，需要將輸入的基礎(chǔ)信息進(jìn)行合理規(guī)劃分析以提高機(jī)房實(shí)訓(xùn)課的排課效率。其中基礎(chǔ)信息包含教師、課程、班級(jí)、時(shí)間和教室等信息，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)資源的最大化利用可以大大節(jié)約成本。排課過(guò)程中，要有效對(duì)教室資源、學(xué)生專業(yè)班級(jí)資源、課程資源、教師資源，根據(jù)時(shí)間進(jìn)行全面分析，結(jié)合不同資源和所學(xué)專業(yè)，對(duì)公共課進(jìn)行合理排課。教室資源指的機(jī)房以及機(jī)房里的硬件資源，在排課的過(guò)程中，要有效對(duì)課程進(jìn)行合理規(guī)劃以及性質(zhì)分析，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)房實(shí)訓(xùn)課教學(xué)工作的順利進(jìn)行；學(xué)生班級(jí)資源，指的是在機(jī)房實(shí)訓(xùn)課排課期間，對(duì)專業(yè)班級(jí)信息、人數(shù)、總數(shù)進(jìn)行全面了解，進(jìn)而能夠有針對(duì)性地來(lái)完成相關(guān)排課工作；課程資源和教師資源指的是，在機(jī)房實(shí)訓(xùn)課排課的過(guò)程中，課程排課管理系統(tǒng)要全面對(duì)課程名稱、性質(zhì)、總學(xué)時(shí)、考核方式等信息進(jìn)行了解，采用統(tǒng)籌全局、合理安排的方式，及時(shí)找出機(jī)房實(shí)訓(xùn)課排課過(guò)程中存在的問(wèn)題和不足，進(jìn)而及時(shí)根據(jù)問(wèn)題對(duì)課程的安排進(jìn)行有效優(yōu)化和創(chuàng)新，達(dá)到查缺補(bǔ)漏的目的。

完成輸入信息的錄入和整理后，通過(guò)強(qiáng)大的排課系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用，最后輸出的基本結(jié)果包含教師課表、班級(jí)課表和學(xué)生課表。

對(duì)于輸出的教師課表、班級(jí)課表和學(xué)生課表，并不是一旦輸出，便整個(gè)模型運(yùn)行結(jié)束，一旦輸出的課表出現(xiàn)任何變動(dòng)，變動(dòng)的內(nèi)容又會(huì)變成輸入的信息，重新運(yùn)行排課系統(tǒng)輸入輸出模型，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，完成實(shí)時(shí)運(yùn)行和更新。

雖然通過(guò)排課系統(tǒng)進(jìn)行排課，但是系統(tǒng)也有可能存在漏洞，所以需要人員進(jìn)行審核，加強(qiáng)對(duì)排課后期課表的調(diào)整和審核。由于需要人工審核，需要設(shè)定明確的審核事項(xiàng)以及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)文件化，避免不同人員對(duì)評(píng)判結(jié)果造成影響。另外，現(xiàn)有的信息會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)，但也有可能會(huì)新增信息，比如新學(xué)期新增學(xué)生，教師的人員流動(dòng)，教室的硬件或軟件升級(jí)以及新增課程，都會(huì)成為新的輸入信息，遇到這種情況，也需要導(dǎo)入模型進(jìn)行循環(huán)運(yùn)算。這些需要有完善的監(jiān)督機(jī)制，確保信息錄入及時(shí)。最后，采用定期抽查的方式完善教學(xué)反饋機(jī)制，及時(shí)了解機(jī)房實(shí)訓(xùn)課排課過(guò)程中存在的各種異常情況，并設(shè)置專門小組對(duì)反饋的異常和信息進(jìn)行歸納，總結(jié)出問(wèn)題點(diǎn)，并進(jìn)行限時(shí)整改，驗(yàn)證并追蹤改善后的效果，突出廣大師生在排課中的主導(dǎo)性和主體性，進(jìn)一步推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)定發(fā)展和創(chuàng)新。

2.3 將課表和輸入項(xiàng)（教師、班級(jí)、教室等）備忘錄結(jié)合

在排課系統(tǒng)中增加輸入項(xiàng)備忘錄的輸入功能，其作用是能完成提前規(guī)劃，避免臨時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，短時(shí)間沒有解決對(duì)策。

其中輸入項(xiàng)包含教師、班級(jí)、教室等一切有可能發(fā)生變動(dòng)的因素。例如，某教師在兩個(gè)月之后預(yù)約了醫(yī)院體檢，然而在當(dāng)天有其課程安排，該教師可以在得知預(yù)約醫(yī)院體檢消息的當(dāng)天就將該信息作為備忘錄輸入排課系統(tǒng)，系統(tǒng)將其作為輸入，進(jìn)行運(yùn)算，安排其他教師進(jìn)行授課。同理，如果機(jī)房計(jì)劃在下半年進(jìn)行分批軟硬件升級(jí)，或者某班級(jí)某天安排班級(jí)活動(dòng)，這些提前得知的信息，均可作為備忘錄導(dǎo)入系統(tǒng)，提前進(jìn)行課表的調(diào)整，避免教學(xué)中的突發(fā)狀況。

建立備忘錄并與課表系統(tǒng)結(jié)合，不僅可以避免教學(xué)中的突發(fā)狀況，也可以大大提高資源的利用率，后續(xù)也可以將設(shè)定特色教學(xué)課程與排課系統(tǒng)結(jié)合，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)房實(shí)訓(xùn)課的多樣化，為培養(yǎng)專業(yè)人才提供了更多機(jī)會(huì)。

機(jī)房實(shí)訓(xùn)課已經(jīng)越來(lái)越普及，其排課的合理性、靈活性以及多樣性也成為研究的熱門內(nèi)容，排課軟件的不斷更新，使用界面的不斷優(yōu)化也大大提高了排課的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。