基于資源的人機交互排課系統的設計與實現研究

辛永濤

(武警學院 訓練部，河北 廊坊 065000)

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基于資源的人機交互排課系統的設計與實現研究

辛永濤

(武警學院 訓練部，河北 廊坊 065000)

排課問題是一個NP完全問題，目前完全依靠計算機自動化無法進行有效排課，為提高排課工作的效率和課表的合理性、滿意度，提出了建立基于資源的人機交互排課系統。從基本概念出發，構建了人機交互排課系統的模型，設計、實現了人機交互排課系統，并采用了多用戶協同的排課工作方式。

人機交互排課系統；日歷課表；校歷課表；多用戶協同；課表編排

排課就是將班級/學生、課程、教師、教室和時間等五個方面的因素進行排列組合，并盡可能調整到最優化，最后形成班級/學生、課程、教師、教室等五個維度的課程表的過程。排課問題已被證明是一個NP完全問題，“即若是用‘窮舉法’之外的算法找出最佳解是不可能的”[1]，依靠計算機自動進行窮舉排課，因為工作量大，成本高，時間長，根本無法實現[1]。為了降低成本，在計算機上實現自動排課，目前比較流行遺傳算法、模擬退火算法、神經網絡算法和蟻群算法等啟發式算法[2]，因自動排課參數設置和后期人工調整復雜，在實際排課過程中的滿意度較差。

同時，完全脫離計算機，依靠人工排課，在目前高等學校普遍實行學分制的背景下也是不現實的。筆者曾經使用傳統純手工模式編排過3個學期的課表，一個學期5萬節課一般需要花費筆者3個月的時間，而且在排課過程中排課信息的上通下達極其麻煩，課表有關信息無法實時共享，課表沖突需要人工從教師、教室、班級等多個維度手工檢測，課表編排的合理性檢測需采用打電話的方式與教研室一一溝通，加之，選課制、培養方案調整、教學質量的動態監控等教學改革方面提出的要求，耗時耗力的傳統手工排課已完全無法滿足。

在筆者參與學院智慧校園建設過程中，特別是本專科教學管理信息系統建設過程中，筆者在查閱多篇文獻[3-5]的基礎上，提出從資源的角度，合理構建班級/學生、課程、教師、教師和時間等五個維度的關系，充分運用計算機在資源校驗、沖突檢測方面的特性，充分發揮人工排課在排課方案選定、經驗積累和排課結果滿意度高等優勢，設計并實現了一種可多用戶協同的人機交互排課系統。

一、基本概念

為明晰排課過程中各個概念之間的關系，將復雜的教學管理過程建立嚴格邏輯關系，用明確的基本概念降低排課工作的復雜度，需明確以下概念：

(一)課表

課表一般指日歷課表，也稱校歷課表，這種課程能清晰地標明任何時間(天、節次)的課程安排，按照構成要素，又可將課表劃分為班級/學生、教師、教室和課程等五個維度的日歷課表。課表的實質是高校多種教學資源的調配、分配表。這種課表在合理設計的基礎上一張A4紙能非常好地顯示一個學期的課表。在計算機數據呈現形式上與電子日歷、日程等程序非常相似，所以后期能較好地兼容日歷、日程安排程序，便于信息化管理。筆者接觸排課工作之初曾經查詢過很多高校排課課表的樣式，從查閱情況看，其他高校的課表都能轉換為校歷課表。本文所指課表就是日歷課表(校歷課表)。

(二)班級/學生、教師

班級/學生、教師是課表中的主體，體現了“學”“教”兩個方面的資源，即班級/學生資源占用和教師資源占用。在排課過程中班級、學生和教師的課表在時間上都不能出現沖突，即同一時間，班級/學生和教師都能上“學”“教”一門課程。這一條件作為排課過程中的硬約束需要由排課系統實現。課表編排的好壞還與排課是否人性化、是否符合人類教、學的規律等方面有關，這些方面是排課的軟約束，是影響排課的滿意度的主要方面，需要靠人工解決。因排課過程中“學”的方面有時是班級，有時要打破班級，所以需要從學生、班級兩個角度建立校驗資源占用。

(三)課程

課程指教學的科目，一個學期的一個科目的所有教學單元就構成了一門課程。課程的教學內容、考核標準相同即為同一門課程。從教學時間劃分上看，一門課程可由多個節次的課序構成。為更加詳細地描述課程，可將課程的描述分為兩種屬性，一種是靜態屬性，像學分、學時、課程環節等課程描述信息不會隨著學年學期、授課人的改變而改變的信息；另一種是動態屬性，像課序劃分、教學教室(場地)要求、課程人數要求、教學設備要求等方面隨著課程學年學期的不同、教學改革的需要、任課教師的要求容易發生變化的方面。課程通過其眾多靜態屬性和動態屬性與教師、教室、時間等其他排課因素是相互影響的。

(四)教室

教室是一種重要的教學資源，是所有教學活動發生的場所，多媒體教室、計算機教室、語音教室、射擊館、運動場、訓練場都是不同類型的教室。在排課過程中，一般情況下，教室也是不能沖突的，即同一時間只能安排一個教學任務。

二、人機交互排課模型的構建

排課的過程，雖然是將班級/學生、課程、教師、教室和時間等五個維度的信息進行優化排列組合的過程，但是具體工作中，五個維度的排列和組織是有一定規律和順序的，是按照一定流程展開的。如圖1所示，將排課的過程劃分為三個階段，按照規律和程序，逐步累加班級/學生、課程、教師、教室和時間等因素，歷經教學計劃發布、教學任務形成、排課等階段后，最終形成班級、學生、課程、教師和教室五個維度的課表。

圖1 人機交互排課模型圖

(一)形成教學計劃

第一階段通過組合班級、學員和課程形成教學計劃，也就是人才培養方案的制定工作。教學計劃體現了人才培養方案的精髓，從根本上決定了高校的人才質量、培養特點和培養模式。教學計劃是一所學校經過多年積累，經過多次論證，并經學院教學權威機構或者上級組織審核發布后實施的，是人才培養方案的具體實施計劃，包括了所有應當學習的課程，或可選課程。在傳統手工排課階段一般按照專業確定人才培養方案，專業相同，培養方案和教學計劃一般相同。但是，現代高等教育對學生個性化培養越來越重視，現代高校培養方案一般按照專業確定人才培養規格，在相同的規格要求下，提供課程的可選范圍，由學生在規定的范圍自主選擇課程，自主確定教學計劃。為每名學生制定專有的教學計劃已逐漸成為一種趨勢，比如英語分級教學、卓越人才培養等方案就是學員個性化教學計劃的集中體現。在教學計劃形成階段，按照教學計劃的個性化程度，可以班級為基本單位按照專業制定教學計劃，也可以學員為基本單位為每名學員制定專有教學計劃。

(二)形成教學任務

第二階段形成教學任務。通過對承擔教學計劃的任課教師進行指定來落實教學計劃，形成教學任務。落實教學計劃形成教學任務需遵循課程的屬性要求，特別是考量課程的動態屬性，從課程的教學方法、改革需要、設備場地等要求上安排任課教師，最終需形成任課教師與課程屬性要求相匹配的教學任務。在系統設計上，應從最細數據粒度對任課教師和課程進行任意匹配，實現任課教師的最靈活配置。也就是說，最小課序能安排任意多個教師就是最靈活的設計。一般情況下，一個課序的多個教師可以進行分工，比如，筆者所在的學校將任課教師劃分為主講教師和指導教師，并且確定一個課序只有一個主講教師。落實教學任務過程中的其他要求在系統能靈活處理的前提下，可以通過約定的方式實施。

(三)形成多維度課表

第三階段形成課表。對教學任務的教室和上課時間進行編排就形成了課表。在第三階段需對排課過程中的資源進行最終的沖突檢測，需校驗班級/學生、教師、場地在時間維度上是否存在沖突，如果不存在沖突，則排課成功。為提高沖突校驗的準確和效率，一般需建立班級/學生、教師和場地等要素的資源表，每次校驗都是與資源表中的資源占用情況進行比對。計算機系統做好資源校驗的同時，課表編配結果的合理性、滿意度需要通過人機交互結構由人工完成。

三、系統的設計與實現

根據人機交互排課模型，按照排課三個階段的不同任務，在教學管理信息系統建設過程中，對人機交互排課系統進行設計，主要包括系統運算的流程(如圖2)和人機交互排課系統的界面。

(一)系統運算流程

在系統運算流程上，教學任務形成后，在排課過程中需對班級/學生、教師、教室和課程等方面的資源進行實時加載，加載完與當前排課任務有關的資源數據后，進行排課，完成當前的排課任務后，保存數據，并從班級、學生、教師、教室是否存在時間沖突的角度對數據進行校驗，如果不沖突則校驗通過，排課成功，如果存在沖突則校驗不通過，再次對課程進行編排，修改排課的時間、場地后，再次保存、校驗，直至得到計算機校驗通過的、用戶滿意的排課結果。

圖2 系統運算流程圖

(二)人機交互排課界面

在人機交互排課界面設計上，對班級、學生、教師和教室等當前課程的排課情況進行全面的顯示，使用戶清晰看到所有與當前排課任務相關的資源占用情況。通過追加加載班級、學生、教師和教室資源占用情況，表示各種資源的綜合占用情況。教室資

源雖然是沖突檢測的硬性指標，但是在排課過程中對教室資源占用的加載需要額外的檢測條件，因為在教學任務形成過程中關聯教室資源不是強關聯，所以需要用戶根據教室資源的分配、功能等來選擇加載教室資源。為了使排課時教室資源能夠自動加載，如班級和教室存在固定的對應關系，可通過建立班級、教室對應關系來自動加載教室資源。

通過資源的加載，在人機交互排課界面上，也就是校歷視圖上形成了不可排課的時間和可排課的時間。不可排課的時間是當前教學任務班級、學生、教師或教室任一資源占用的時間，可排課時間是當前任務任一要素都不占用的時間。排課時，需要用戶按照經驗和規律在可排課的時間范圍內對當前任務的時間和教室進行編排。

(三)系統的實現

系統在技術實現上充分利用了通過Java EE標準構架與SSH(Struts2+Spring+Hibernate)框架結合的特點與優點形成的框架來構件軟件系統，使用業務邏輯封裝、MVC三層模式構建等Web系統建設方法，采用了ORM技術實現對象與關系數據庫的映射技術，以面向對象的方式實現對關系數據庫的訪問及跨平臺功能；采用了Spring的IOC的技術來實現業務邏輯對象的生命周期管理，創建業務邏輯對象或本地服務對象；采用Spring的AOP技術實現了面向切面的編程模型，使事務控制、安全驗證等公共技術與業務邏輯的實現相分離；采用Spring Security技術實現權限管理框架。

按照系統運算流程和人機交互界面的設計，筆者所在學校開發實現了這一人機交互排課系統。從實際排課使用情況看，以往3個月的排課工作，使用基于資源的人機交互排課系統后可將排課時間縮短到3周內，可以說，這一人機交互排課系統對課表編排的效率提高明顯。

四、排課工作的組織實施

為從根本上杜絕傳統手工排課階段存在的排課工作無法協同、效率低、易出錯等問題，從根本上提高課表編排的合理性和滿意度，在設計、實現基于資源的人機交互排課系統之后，需要建立多用戶協同排課工作模式。

多用戶協同排課模式是指在人機交互排課系統上，通過約定和制度，建立由高校教學管理部門和課程承擔單位共同參與的課程排課模式，如圖3所示。

教學管理機關一般指高校教務部門，排課過程中負責下達教學計劃，審核教學任務，分配排課任務，并對部分影響全局的基礎類、公共類課程的課表進行編排。比如，一般大學英語課程因教學時間高度統一，需要由教學管理機關統一規劃時間和編排。

課程承擔單位一般指面向教學對象開設課程的教研室、實驗室等單位。課程承擔單位需按照教學管理機關下達的教學計劃進行填報，形成教學任務，并根據分配的課程編排任務對所屬課程進行編排。因系統資源實施加載、實施保存校驗，所以在此階段所有課程承擔單位可以利用系統進行協同排課。

多用戶協同排課模式在由計算機保障排課過程中各種資源不沖突的前提下，合理規劃排課流程，利用人機交互排課系統，將排課任務進行劃分，實現了課程承擔單位實時協同排課。高校課程承擔單位廣泛參與排課，一方面可以廣泛吸收多人在排課過程中積累的有效經驗，避免傳統只能由一個人進行排課存在的經驗不足的問題；另一方面，通過多人協同將排課這一復雜的工作進行拆解、分工，降低排課工作難度，提高排課工作的效率。

圖3 多用戶協同排課工作流程圖

五、結束語

隨著計算機科學的不斷發展，特別是云計算、分布式計算和大數據分析技術的不斷成熟，高校智慧教學體系的不斷完善，教學管理工作的信息化程度不斷加強，排課工作作為教學管理復雜度最高的工作，也將越來越多地借助管理信息系統提高工作效率，提高排課結果的滿意度。

[1] 唐聞,周愛明,彭劍.基于Web信息采集的排課系統研究[J].現代計算機(專業版),2010(9):156-158.

[2] 賈春花.高校排課系統研究與設計[D].貴陽:貴州大學,2009:12-13.

[3] 朱駿.基于人機交互式排課的教務管理系統設計與實現[D].南京:南京郵電大學,2015:20-21.

[4] 何昌蓮.基于優先級的人機交互高校排課系統[D].成都:電子科技大學,2009:3-6.

[5] 郭賽君.面向高校統一教學資源排課問題的一種人機協同方法[D].大連:大連海事大學,2015:15-16.

(責任編輯 李獻惠)

Research on Resource-based Human-computer Interaction Course Scheduling System

XIN Yongtao

(Staff Office, The Armed Police Academy, Langfang, Hebei Province 065000, China)

The course scheduling is a NP complete problem. Current course scheduling cannot rely entirely on computer automation. In order to improve the rationality, efficiency and satisfaction level, this paper proposes a resource-based human-computer interaction course scheduling system, and expounds the basic concept of a human-computer interaction course scheduling model, the design and construction of a human-computer interaction course scheduling system which enables multi-user collaborative scheduling.

human-computer interaction course scheduling system; calendar course schedule； school calendar course schedule; multi-user collaboration; course scheduling

2016-10-10

河北省高等教育教學改革研究與實踐項目“戰斗力標準與實戰化教學訓練模式構建”(2015GJJG243)階段性

辛永濤(1982— )，男，河北廊坊人，講師。

G647

A

1008-2077(2017)05-0061-05

成果