基于粒子群算法的中職學校排課問題研究

摘 要：中職學校的教學過程中，“排課”占有非常重要的地位，關系到整個教學安排合理化的實施。目前中職學校在排課時常以“粒子群算法”為基礎，建立數據體系模型，采用電腦自動排課的方式進行。本文嘗試以基于粒子群算法的中職學校排課問題來進行研究，全面、深入的挖掘與分析粒子群算法在排課系統中的科學、有效運用，以便在以后的排課系統設計中能夠為其他學校提供借鑒經驗。

關鍵詞：粒子群算法；中職學校；排課；適應性函數

在我國中等職業學校的教學中，排課是專業課程教學管理體系中的一項十分重要的教學管理工作，其具體的形式與內容都是非常復雜的，一個科學、有效的排課設計系統往往會極大的促進學校教育事業的發展與教學水平的提升。我們從中職學校的排課問題中能夠看出一個帶有約束性質的優化問題，而其中所說的約束條件就是指，所排出的課程安排不存在教師、教室、時間上的沖突，這是粒子群算法對其進行優化的前提條件，以便最大限度的使教師、教室、時間等資源消耗最小化，從而幫助職業學校取得最大合理化的排課效果。

1 “排課問題”與“粒子群算法”

1.1 排課問題

所謂“排課”，就是指教學課程的安排，具體意思就是說，學校為了能夠正常的進行教學工作，然后對各年級、各教室、各教師以及教學課程等一系列的教學資源進行科學、合理的安排與優化，從而制定出學校教學使用的課程表。

排課問題是指科學、有效解決在教學時間、教學空間上資源矛盾的多因素優化決策的一個問題，主要的元素包括教室、教師、課程、班級等，有效的排課就是讓這些基本因素之間在一定時間、地點內不發生任何的沖突、矛盾。（表1）

1.2 粒子群算法

粒子群算法——Particle Swarm Optimization ，也被稱作為粒子群優化算法，簡稱——PSO。粒子群優化算法是一種與遺傳算法非常相似的科學算法，但是從它的計算內容及形式上來看，PSO這種算法則突顯的更為簡單、實效。

2 中職學校排課問題的粒子群優化算法

2.1 粒子的編碼

在粒子群優化算法中，我們應該對于每一個需要優化的問題進行全面的挖掘、分析，通過想象把一些潛在的問題解決方案通過D維搜索空間，將其看做成一個空間“點”，也就是我們所說的“粒子”。在某中職學校的排課中，對于每一個粒子元素，我們都可以將其設定為一個元素集，T代表時間、M代表教師、C代表課程、R代表班級、I代表地點，這也是在中職、高等學校排課中比較常用的五元組優化算法體系。

下面我們通過一個模型來表現“粒子編碼”的操作概念：

圖1 粒子編碼模型圖

2.2 適應性函數

Fit=

該公式中，m1、m2、m3、w1、w2、w3分別代表權值，也就是說權值的大小代表著各種約束條件的重要程度，圖1中所表示的粒子元素，在函數中表示的則是一種可能的排課結果，具體的排課結果的優劣好壞是由適應性函數來決定的。

2.3 種群的初始化

在對中職學校進行排課結果研究計算過程中，粒子群優化算法中的種群初始化，也就是指初始化的粒子群，通俗點講就是指元素集，就像在第一部分所提到的元素集一樣，T代表時間、M代表教師、C代表課程、R代表班級、I代表地點。在粒子群初始化的狀態下，所有粒子元素都是隨機進行排列的，目的就是為了后面所進行的進化操作提供初始粒子群。

2.4 基于粒子群的排課算法設計

通過粒子編碼與適應性函數在中職學校排課問題中的應用，制定出PSO基本算法的流程示意圖，詳見圖2。

下面就以某中職學校的計算機信息工程專業的課程任務分配工作問題來進行排課，通過運用粒子群優化算法，并將粒子群優化算法與傳統的遺傳算法來進行對比，通過排課結果來體現出粒子群優化算法的科學性、準確性、實效性。

通過表3所計算出來的結果顯示，基于粒子群優化算法下的中職學校排課結果的性能要優于傳統的遺傳算法的性能，非常有效的實現了學校在排課過程中避免了各種時間、空間上教育資源的沖突與浪費。

3 總結

本文主要介紹了利用粒子群優化算法來求解中職學校排課問題的具體方案，經過對算法結果的分析與驗證，已經證明了PSO這種算法在實際應用中是非常有效果的。應用粒子群的編碼方案以及適應性函數，能夠很好地解決中職學校排課問題，并有效的保證了中職學校排課結果的正確性、實效性、科學性，對學校排課的合理化和整體教學管理水平的提高有極大的幫助，有效地促進了教學質量的提高。

參考文獻：

[1]陳華.基于粒子群算法的高校排課系統設計與實現[D].揚州大學，2009.

[2]王超.基于離散粒子群算法的機房排課問題研究[J].計算機光盤軟件與應用，2012（3）：206-207.

[3]張立巖，張世民，秦敏，等.基于改進粒子群算法排課問題研究[J].河北科技大學學報，2011，32（3）：265-268.

作者簡介：

李偉明，1982年生，本科畢業（在職研究生在讀），研究方向是計算機系統理論，現供職于廣州市紡織服裝職業學校，從事信息技術助理講師的工作。