集寧師范學院排課系統的設計與實現

張健立，馮永祥

(1.集寧師范學院 計算機系，內蒙古 烏蘭察布 012000；2.內蒙古工業大學 信息學院，呼和浩特 010080)

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集寧師范學院排課系統的設計與實現

張健立1，馮永祥2

(1.集寧師范學院 計算機系，內蒙古 烏蘭察布 012000；2.內蒙古工業大學 信息學院，呼和浩特 010080)

摘要：以集寧師范學院為例，分析排課中會涉及到的各個要素，同時考慮到排課中的基本約束問題和模糊約束問題，通過計算機模擬手工排課過程，實現自動排課功能，以期為大幅度提高教務人員的工作效率提供借鑒。

關鍵詞：手工排課；算法；排課約束

一、設計排課系統的背景及意義

近幾年來，隨著集寧師范學院招生規模的不斷擴大，學校所開設的專業和課程也在逐年增加，教學資源日益緊缺，教學管理任務也變得越來越繁重，其中排課問題是教務管理工作中一項重要且繁雜的任務。一個好的排課系統，不僅能夠讓教務管理工作人員擺脫煩瑣的手工排課工作，而且能夠在很大程度上提高工作人員的效率，節省工作時間[1]。因此，設計開發一個合理有效的自動排課系統，對于提高教務管理人員的工作效率是很有意義的。

二、排課系統的詳細設計

(一)排課問題中所涉及到的各種變量

排課問題中所涉及到的各種變量包括：時間、教師、課程、教室、班級等。

(二)排課變量之間的約束

排課涉及到兩種約束，分別是基本約束和模糊約束。基本約束是指在排課過程中必須要遵循的原則，而模糊約束是要盡量堅持滿足的原則。

課表要遵循的基本約束條件有：同一時間段內不能給一名教師安排兩門不同的課程[2]；同一時間段內一個班級只能安排一門課程[3]；同一時間段內一個教室只能安排一門課程；教室的最大容量應不小于上課的學生人數。

模糊約束條件有：根據課程類型以及學生的接受程度，來為這類課程安排最合適的時間段；如：專業課、必修課一般安排在早上，而文體類的課程通常安排在下午；理論性課程盡量分散安排，理論與實踐并重的課程最好將理論與實踐課穿插安排；學生的上課時間不能過分集中，應盡量避免某一天課程安排得很滿而另一天卻沒課的情況；考慮教師的工作負荷，一天內上課一般不超過四節；教師或學生接連上兩門課程的地點盡量比較接近；對于教師、學生可能提出的一些特殊要求，根據情況安排，如若合理，盡量滿足。此外，對于計算機預排的結果，還可以根據實際情況，通過人工交互的方式進行修改。

(三)排課問題的求解目標

本文的目標是在滿足基本約束條件的情況下編排出無沖突的課表，并且編排出的課表盡可能多地滿足模糊約束條件，從而使得排出的課表是可行的，且盡量達到優化。

使用計算機來排課，實際上就是要利用計算機來模擬人工排課的過程。進行手工排課，首先需要有三類表，分別為班級、教師以及教室課表。排課人員在對一門課程進行安排時，首先要確定這門課程的總學時，從而確定每周的課時數，然后在班級、教師以及教室的課表中選擇一個時間來安排這門課程。然而通常時間的選擇并不容易，排課人員要對與之相關的所有課表進行排列組合，并對其中部分課程的時間進行調整，直至形成最優的解決方案。

(四)手工排課流程

首先每周一至周五為上課時間，每天分為8小節課，上午和下午各安排4節，每2小節作為1個課時單元。表中黑色部分表示這個時間段、這個班級、教師以及教室已經安排了課程。若當前待安排課程為X(某專業課)，任課教師為Y，涉及的班級為Z，課程X每周要安排3次課，對X課程可以分為下面4個步驟來進行安排：

1.首先查詢班級Z的當前課表

排課人員可以在多種排列組合中選擇，同時由于考慮到學生在早上的學習效率會相對高一些，排課人員大多會優先考慮將課程X安排到上午的1—2節，對于安排不下的課程則繼續選擇合適的時間點順延，同一門課程盡量不要安排在一起。假設在表1中，標記為“N”表示該時間段已安排課程，則按前面提到的要求，可考慮將課程X安排在星期一、星期三的1—2節，以及星期五的3—4節，標記為“Y”。

表1　班級Z課表安排

2.查詢任課老師的當前課表

由于在第一步中已選擇星期一、星期三的1—2節和星期五的3—4節，此時對任課教師Y的時間安排進行查詢，教師Y的課表安排如表2所示。由于Y教師星期五3—4節已安排課程，所以需要回到第一步對表1中已安排好的課程重新進行安排。

表2　教師課程安排

3.查詢教室的當前課程安排時間表

表3為教室當前課程安排狀態。考慮到前面兩步中所安排好的課程X的時間和班級Z的學生人數，在教室安排課表中找到可以滿足時間和座位需求的空教室，如果未能找到，則同樣需要回到第1步進行重新安排。

表3　教室課程安排

4.確定課程X的上課時間

根據以上3個步驟，即可確定班級Z所授課程X的上課時間和教室。

通過上面4個環節的不斷重復、調整，為所有教室、教師都已安排好課程。通過這些可以發現手工排課某種程度上能夠得到最優排課方案，但是如果涉及大量課程，則各個課程之間難免會有時間上的沖突，同時反復不斷地調整涉及到的工作量非常大，最終又不一定能得到全局最優解。

(五)排課算法流程

1.算法提出的假設條件

(1)一周只能上5天課，每天8節課。(2)一個系分成若干個專業，一個專業有若干年級。(3)所有教室資源硬性分配給不同專業的年級。也就是說，不同專業的不同年級的上課地點是相互獨立的。只能在自己分配的教室上課。(4)公共課只能是同一專業的同一年級的所有學生在同一時間同一地點一起上課。

2.排課算法流程

(1)連接SQL Server數據庫獲得課程信息、班級信息、教室信息、公共課程信息、系別信息。(2)計算學期的總共教學周和每周課時。(3)通過假設情況1規定：一周只能上5天課，每天8節課。并且控制同一天不能上2節同樣的課。將課程按照隔一天時間進行排課。如果課程數超過40，則表示學生所學課程數過多(輸出排課失敗信息)。(4)檢測同一天，多個班級同時上一個課程的沖突。當班級數較多時，每天上課數少于班級個數的課程，在進行課程節輪訓時會有沖突，不夠輪訓的用-1代替(熊婷，2006)。(5)設置同一天，不同班級的課程不能同時上課。并將同一專業，同一年級的所有課程排好。(6)調整公共課，檢測公共課要放的位置并重排公共課。(7)進行一個專業，一個年級的教室單元初始化分配。(8)安排班級去教室上課，進行沖突檢測，即檢查教室容納人數與班級人數是否符合。(9)檢測已經排好的課中是否有教室沖突，并調整教室。(10)如果沒有沖突退出排課，并輸出排課結果。

三、結語

本文的排課算法實現了教師、教室、課程、時間等資源在教學活動中的合理配置與安排，大幅度地提高了教務人員的工作效率。雖然實現了自動排課功能，但是在實際應用中，還應該考慮到因為一些特殊原因導致的需要手工調節課表安排的情況，所以在今后還需要完善這方面的功能。

參考文獻：

[1]大學教務管理系統設計[EB/OL].豆丁網，2013-09-21.

[2]汪力君.分治算法在排課系統中的分析與應用[J].安徽建筑工業學院學報：自然科學版，2007，(6).

[3]周芬.遺傳算法在多校區排課系統中的應用[J].科技信息,2010，(6).

(責任編輯：朱嵐)

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：1001-7836(2015)01-0027-02

作者簡介：張健立(1978—)，男(蒙古族)，內蒙古赤峰人，講師，碩士,從事計算機技術研究；馮永祥(1962—)，男，內蒙古豐鎮人，計算機系副教授，碩士生導師。

基金項目:內蒙古自治區高等教育科學“十二五”規劃課題“遺傳算法在高等學校智能排課問題方面的研究”(課題批準號:NGJGH2014083)

收稿日期：2014-11-10

doi:10.3969/j.issn.1001-7836.2015.01.013