基于Microsoft Excel VBA編程的實驗課程排課系統

過勁勁　曲立國

摘 要 在以往的實驗室管理中，實驗課程的安排都是通過人工的方式實現，隨著專業種類、學生人數的增多，實驗科目也逐漸增多，無疑這種排課手段是非常落后的，以至于龐大的課時、復雜的實驗室信息令實驗室的管理人員無法合理、迅速、高效地制定出相應的排課計劃，本文針對目前實驗室排課技術落后、效率低下等問題，提出基于Microsoft Excel開發平臺，采用Microsoft Excel VBA、VB等技術，實現對年級專業、實驗課程的合理分配，滿足實驗室管理人員使用要求的實驗課程排課系統。

【關鍵詞】時間表問題 排課系統 Microsoft Excel VBA 算法 排列組合

1 引言

在高校中，實驗課程的編排是一項十分繁重而復雜的工作，由于近些年的擴招，實驗室不能完全容納班級人數，在這種情況下，就必須要對專業、實驗課程、學生人數進行合理的組織安排，純手工排課不僅效率低下而且還經常有出錯的可能，通常都要修改三四次左右才可以將之公布給學生，既耗時又費力，種種難題難免給實驗室管理人員帶來極大的挑戰。排課問題不僅是教學管理工作中必須面對的問題，而且也是運籌學中研究的一個問題--時間表問題（Time Table Problems，簡記TTPS）。隨著計算機技術的不斷發展，并且在各領域得到了充分的應用，計算機有著手工管理所無法比擬的優點，其優點是能夠極大地提高實驗教學管理工作的效率，也是實現教育信息現代化的重要組成部分。因此應用計算機技術開發一個智能排課系統，既可以降低實驗室管理人員的工作量又可以節省了時間，為教學工作帶來方便，利用計算機輔助手段編排課表是實驗室管理實現科學化、現代化、規范化的重要研究課題之一。

對于解決排課問題，相關人員已經采用了很多算法算法，如：FP-Growth關聯規則算法，遺傳算法，模擬退火算法，禁忌搜索算法，以及多種智能算法相結合的混合算法。這些算法都能在一定程度上解決排課問題，但也存在著一些不足：如對合班的情況考慮比較少。本文在相關理論知識的指導下，提出了一個適用于我校的實驗教學排課系統的設計方法，并對一些具體的問題給出相應解決方案。

2 排課系統的設計與實現

排課系統就所要實現的功能而言，其結構功能如圖1，該系統考慮了上課時間多樣性、上課時間多變性、實驗課程多樣性及專業人數分組的多樣性，使用了自動讀取數據庫管理模塊信息、自動分類打印、可手動調節等動態管理。

2.1 實驗課程排課規則

實驗室課表安排就是根據理論課及實驗課的教學計劃，對一學期的每門實驗課程進行規劃，由于實驗室人數的限制，將一個專業劃分為數組，每一組是由在一起上課的部分學生組成的臨時的上課單位。排課的過程實質上就是對上課單位與實驗課程分配的過程。在實際應用中我們可以把排課問題看做是一個有約束的、多目標的、難解的組合而成的優化問題。因此在排課的過程中，必須遵守以下四條基本原則：

（1）每位教師在一個時間段內最多只能進行一門課的教學；

（2）每組的學生在一個時間段內最多只能進行一門實驗課；

（3）每個實驗室在一個時間段內最多只能有一組學生上課；

（4）每組的學生要在規定的時間內上完規定的實驗課程。

也就是說，每個實驗室在一個時間段內最多只能安排一個實驗課程。此外，每個實驗課程還必須與每組同學一一對應，并且所安排的課時數與教學計劃中課程時數一致。為了使課表更加準確、合理，排課時還要考慮以下一些因素：

（1）實驗課程的開設盡量安排到理論課進行完之后；

（2）盡可能使每一組的學生每天進行的實驗課程趨于平衡；

（3）盡可能將實驗課程安排到合理的時間，滿足該專業的需求；

（4）盡可能的按照組號的順序進行實驗課程；

（5）實驗課的安排應與其他教學活動時間沒有沖突。

2.2 數據庫的設計與實現

將數據庫管理模塊的每個屬性內容按照專業的需求性，不需要填寫的屬性可以空出，不用填寫，不會對系統造成任何影響，如圖2，完成填寫，之后按下排課按鍵，則在對應專業的顯示界面中顯示這一學期的實驗課程排課情況，如圖3。

課表就是將專業學生、實驗課程、實驗時間組合成一種新的關系，課表可以用這種關系代數表示。實現計算機自動排課的前提條件是將排課問題轉化為數學模型。具體地，定義數個基本信息：專業信息關系：Major{M1，M2，M3，...，Mn}n個專業；課程信息關系：Course{C1， C2， C3，...，Cm}m個實驗課程；時間信息關系：Time{T1，T2， T3，...，Tk}k個時間.（每個字母表示某個專業或某個課程或某個時間的所有排課的信息）定義一個產生的新關系：TimeTable{TT1， TT2，TT3，...}每個字母表示相關時段的課程信息。

3 排課系統分析

3.1 功能分析

排課系統是一個龐大而復雜的系統，在排課的整個過程中，始終伴隨著元素的層次掃描和元素從舊集合到新集合的遷移。本論文所設計的排課系統具有如下基礎功能：

（1）年級專業基礎數據錄入功能，包括：專業名稱、專業分組數的相關信息的錄入。

（2）實驗基礎數據錄入功能：錄入各專業實驗名稱、實驗代碼、實驗數量信息等。

（3）實驗時間安排的數據錄入功能：根據專業的空余時間和實驗數量錄入合適的起始時間和結束時間。

（4）個別實驗課程進行特殊設置：如，優先級設置，連續排課設置。

（5）特殊情況設置功能：能根據具體情況設置實驗課程的排課。如：遇到節假日需要修改實驗課程時間、教師有特殊情況需要調整試驗時間等。

（6）在完成上述信息輸入后，按下排課按鈕能實現自動排課功能。

（7）在自動排課結束后可以人為手動地對排課情況進行調整，提高課表的滿意度。

（8）查詢功能：使用者利用Excel的基本操作能査詢所需的相關信息。如：任意班級實驗課表等。

3.2 結構分析

本排課系統是基于C/S的環境，把排課和數據庫資源管理、課表輸入模塊結合在一起，排課工作計劃具體到各個年級專業。各個年級專業在客戶機上完成自己的課程計劃，再通過互聯網發到服務器中，服務器選擇性的根據這些排課計劃完成排課，把生成的課表再發放到各個年級專業中，各個年級專業可根據具體情況進行補課、調課等。

工具的便利性和語言的伸縮性是密不可分的，只有便利和工具，卻沒有伸縮性和語言支撐，許多個性化的處理動作必需要消耗更多的工夫來處理完成。因此針對如何選擇一個合適的開發工具尤為關鍵。而本排課系統用的是Microsoft VBA開發語言，該語言容易學習，調試也相對簡單，當前的計算機硬件配置也完全能滿足開發的需求，因此在技術上是絕對可行的；軟件方面：為了減少系統設計時環境安裝的復雜性，因此選擇大家都熟悉的辦公軟件的 Excel實現該系統，這樣可以免除熟悉軟件環境的過程，而且可靠性能高、成本低，完全能滿足系統的需求，操作上并沒有太高的難度，所以在運行上是可行性的，而且本系統的開發，主要是對現有數據的處理，及數據的各種組合形式的輸出，已無技術上的問題。本系統建成之后將為今后學院安排實驗課程提供很大的方便。

4 排課工作流程與算法分析

在分析其他高校的排課算法的同時結合我院的實驗室課程安排情況，設計了適用于我院實驗課程安排的排課算法，充分考慮到了多種情況，該算法編程容易，易于實現。結果表明，該算法可以滿足排課的各種規則，排出的課表較為合理，具有一定的實用性。

4.1 一般情況排課算法分析

應用計算機來實現自動排課需要解決的問題有：一如何決定實驗課程次序，即優先開始哪些課程，才能使沖突的概率出現最小；二是如何為每門實驗課程合理分配時間。

本系統采用優化窮舉算法進行排課，首先計算出所有排課情況將眾多排課情況劃分優先級，先采用優先級高情況，若出現沖突，再選擇其他情況直至完成排課。本系統以分階段的形式進行排課，即把一學期分為幾個階段排課，以一周為一個階段，即在時間上我們是按一周為單位來進行排課。將一天以兩節課為單位劃分成數個單元，每個單元或者被占用或者不被占用。根據數據庫管理模塊，讀取所要安排實驗課程的起始時間，即可確定第一個實驗的位置，為了便于表示，我們將每門實驗課程所做的實驗用一串代碼（甲、乙、丙...）表示，將實驗代碼與分組號一一匹配安排在相應的Excel的單元格中，如圖3，為了實現上述功能，將Excel的單元格定義成一個結構體二維數組time_day（wk，dy）二維數組的下標wk表示所在的周，dy表示所在的某一天的第幾節課，根據課程表格我們可以看出，具體時間可用一個二維坐標表示，

如（4，3）表示第四周周一的第1-2節課，此外我們在結構體里定義了兩個數組class_zu（t）、class_sy（t），其中class_zu（t）用來存放組號；class_sy（t）用來存放實驗代碼。為了減少窮舉法的時間復雜度，本系統將組號按照順序安排設為最高優先級，即下一個組號為上一個組號加1。排課有多種情況，可能一個單元格只有一個實驗代碼和組號的連接，也可能有兩個實驗代碼和組號的連接，不同情況分別有著不同的排課過程，所以需要前提判斷是否已經排過實驗了。其大致流程如圖4，實驗代碼：

For wk = 起始周 To 結束周

For dy = 起始課時 To 結束課時

If 已經排了一門實驗課程Then

time_day（wk， dy）.class_zu（t1） = “已經排的組號 + 1”

time_day（wk， dy）.class_sy（t1） = “實驗代碼”

flag1 = flag1 + 1

If 組號 = 分組數 Then

“組號初始化為1”

End If

If flag1 = 分組數 Then

flag1 = 0

“實驗代碼++”

End If

Else

time_day（wk， dy）.class_zu（t1） = “組號”

time_day（wk， dy）.class_sy（t1） = “實驗代碼”

“組號++”

If 組號 = 分組數+1 Then

“組號初始化為1”

“實驗代碼++”

End If

End If

Next dy

Next wk

4.2 節假日的情況的排課算法分析

本系統還考慮了節假日等特殊情況需要調節上課時間的功能，假若因某一周放假，實驗課停課一周，則只需在規定的開始周設置為第七周即可，針對這種情況，本系統首要是判斷規定的開始周是否為空，若不為空，則考慮節假日，并且接著節假日之前的排課記錄繼續進行，若為空，則正常進行循環排課，實驗代碼：

If 有節假日 Then

For wk = 節假后的起始周To 節假后的結束周

For dy = 節假后的起始課時To節假后的結束課時

time_day（wk， dy）.class_zu（t1） = “節假日之前的組號 + 1”

time_day（wk， dy）.class_sy（t1） = “實驗代碼”

“按照上述幾種情況正常排課”

Next dy

Next wk

End If

4.3 分時進行實驗情況

如圖3，分時進行兩種實驗，針對這種情況，是因為專業分組數比較多，而另一個實驗課時不多，但是為了滿足實驗課盡量在理論課進行完之后進行，所以將第二個實驗一周只安排一個半天，第二門課的實驗同樣要保持每一組都要進行，這樣不像前面所述的那種情況，兩門課程同時進行后一門實驗安排的組號僅僅是前一門實驗組號加1即可，此類情況就不能單純的采用前述的算法，即第二門課程實驗的組號不能再是前一門實驗組號加1，這時需要窮舉出所有排列的情況，然后需要進行沖突檢測，所以本系統在采用優化窮舉法的基礎上拓展了排列組合的算法，統計出所有的分組數的排列組合將其放入二維數組b（ai，aj）中，其核心思想是首先記錄前一門實驗另一個半天的組號賦給zu_jishu_shuzu1（xb1），然后將其與b（ai，aj）一一比較，將符合條件的組號賦給zu_jishu_shuzu2（xb2），最后再放入第二個實驗的class_zu（t）即可。實驗代碼：

For wk = 節假后的起始周To 節假后的結束周

For dy = 節假后的起始課時To節假后的結束課時

zu_jishu_shuzu1（xb1） = “第一個實驗的組號”

xb1 = xb1 + 1

組號++

If 組號=分組是 Then

“組號初始化為1”

End If

Next dy

Next wk

For ai = 0 To 119

For aj = 0 To 分組數- 1

If b（ai， aj） = zu_jishu_shuzu1（xb1） Then

xb1 = （xb1 ＼ 分組數） * 分組數

xb2 = （xb2 ＼ 分組數） * 分組數

aj = 分組數 - 1

Else

zu_jishu_shuzu2（xb2） = b（ai， aj）

xb2 = xb2 + 1

xb1 = xb1 + 1

Next aj

Next ai

5 結語

在以前實驗室管理人員需要花費幾個星期來完成實驗課程的排課，運用本系統進行排課，能使實驗室管理員的工作量大大減少。本實驗室排課系統是基于Microsoft Excel平臺采用VBA編程語言來實現，充分考慮到專業的人數的多樣性、實驗課程數量的多樣性以及實驗安排時間多樣性以及可變性等問題，滿足實驗室管理人員的使用要求。

本排課系統主要有如下優點：

（1）對軟硬件的要求不高，研發本系統的過程開銷不高，極大的程度上節約成本。

（2）本系統操作簡單方便，為后續的升級留有一定的擴展余量。

（3）本系統的適應能力強，考慮因素多。

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作者簡介

過勁勁（1996-），男，大學。主要研究領域為計算機信息處理，身份證：341224199607121338。

曲立國（1979-），男，副教授/碩士。主要研究領域：智能控制及智能信息處理。身份證：220283197901133519。

作者單位

安徽師范大學 安徽省蕪湖市 241000