高校實驗室排課系統算法設計淺析

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來進行排課，以系統自動排課代替傳統手工排課。該文重點分析基于實驗室信息管理系統的排課算法設計，闡述設計原則，提出關鍵問題，探討可行性和有效性。

關鍵詞：排課算法 設計原則 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模擴大，高校在校學生數量增多，與此同時，高校畢業生動手能力弱、實踐能力差也已成為不爭的事實，并影響著他們順利實現就業。因此，實驗教學改革、實驗室建設和管理也理所當然成為高等教育工作的重點之一。傳統的手工排課已經不能適應迅猛發展和需求旺盛的實驗教學需要，這一發展態勢要求高校必須采用計算機信息管理系統來實現實驗室的課程安排與布局，以提高排課的效率和精度，同時也節約人工成本。

1 實驗室排課系統應實現的基本功能

依托實驗室信息管理系統的實驗室排課系統應具備以下功能：系統支持管理員、教師和學生三種不同身份人群的登錄；通過排課系統，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；成為注冊用戶的學生，可以查詢課程安排、修改個人信息。以上由登錄權限模塊進行支撐，此模塊包含了登錄界面和登錄驗證處理內容。系統基礎數據模塊集成了學校學生及教師的個人信息、學校開設的實驗課程、學校現有的院系班級和實驗教室等信息。此外，系統還應設置信息維護模塊，通過此模塊對學生、教師和班級排課信息進行修改、刪除等維護操作。當然，查詢瀏覽模塊也必不可少，根據關鍵詞等查詢條件，可以快速、準確地查找到需要的信息。

2 實驗室排課算法設計應遵循的原則

高校實驗室信息管理系統自動排課功能的實現，是在借鑒傳統人工排課經驗的基礎上，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、上課學生和實驗室等要素，不僅要依據學期初既定的教學計劃，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對抗和調和各種制約條件以達到課程安排最合理最優化的方案。對照實驗室排課的一些約束性條件，經過整理、比較和歸納，發現編排高校實驗室課程一般應遵循以下基本原則。

（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、實驗學生上課時間不沖突等，這是硬性條件，是基本規則，一旦違反了，就會釀成教學事故。

（2）排課實驗室“基礎達標”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”“合理”的場地。

（3）排課“效用最優”原則。要對實驗室、實驗課程、實驗師生進行調查研究，歸納“需求”，盤點“供給”，做好調度，實現各要素的有效對接、無縫銜接，這樣才能發揮實驗室效用的最大化、最優化，才能讓實驗課上出效率、講出“效果”。比如，同一專業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。在該文中，筆者以回溯算法的結構為例進行實驗室排課。因為許多復雜的、規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。回溯算法控制結構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選優條件來求結果的，經過搜索比對，獲知原有方案不符合要求或不是最優方案時，就后退進行二次選擇、重新選擇，再次嘗試探尋最優路徑，直至找到。回溯法就是一種選優搜索法。

3.2 優先排課的問題

實驗室信息管理系統其排課功能一般是以預約排課為實現方式的，即實驗課程上課時間由學校教務系統事先進行排定，或由實驗教師提前自行約定。這樣，當實驗教師或相關教務人員一旦確定上課時間后，通過登錄信息系統來進行實驗室預約操作，系統會自動依據實驗課程所需要的實驗室參數進行排課。參數包括機位數量、硬軟件環境等。一般情況下，會綜合考慮選課人數、課程性質、實驗室條件、實驗室設備的使用年限等因素。比如依據選課人數安排實驗，應“先大后小”，優先考慮大班。依據課程性質安排實驗，應必修實驗課優于選修實驗課。依據實驗室條件安排實驗，應硬件要求在前，操作系統次之，教學軟件最后。依據實驗室設備使用年限安排實驗，一般優先選用使用年限較短、設備較先進的實驗室。

3.3 實現算法流程問題

（1）依據前述優先排課的方式，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、適當的空余實驗室滿足時，即是當前擴展結點不能繼續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點處，活結點同時被認可為當前擴展結點。

對（1）（2）所列的流程進行不斷重復、試驗，就可以找到符合系統要求的結果。

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鍵問題，關鍵問題的重點是解決排課時間沖突問題。為什么會出現“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實驗場所，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，這個時候就出現了“死鎖”現象。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，通盤統籌考慮，重新作出調整。當發生“死鎖”現象時，一般由管理員根據系統提示的原因來進行人工調整。具體有補充安裝教學軟件、對實驗室信息管理系統的相關數據進行更新以及調整課程時間、增加教師、教室資源等。

5 結語

計算機技術在各個管理領域得到了深入而廣泛的應用，依托計算機技術的實驗室信息管理系統的排課功能如果開發得好、利用得好，不僅可以整合各種課程、師資、場地、設備資源，還有助于高校實驗室實現規范化、科學化管理。基于回溯算法的實驗室排課系統，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用，實驗室自動排課系統一定會越來越成熟，越來越“給力”，在實驗室管理和實驗課程建設中發揮越來越重要的作用。

參考文獻

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