機房實訓課排課原則及優化方法

賈志君

（山西省陽泉職業技術學院 山西省陽泉市 045000）

機房作為計算機知識教授和實踐的場所，其重要性顯而易見。機房有聯網的多媒體、相關配套設施及軟件支持。在專業機房，教師可采用多種多樣的講學方式，通過講練結合，課堂進行輔導聯系，靈活高效的教學過程，大大提高了教學效率和質量。機房實訓課程包含的內容也相對豐富，除了基礎課，針對不同專業的學生會開設不同內容的課程；另外,機房除了固定的上課時間，還會安排學生自行練習的時間，其占用時間非常靈活；最后機房包含軟硬件，因此需要設置門禁，需要頻繁地與管理員聯系開啟或關閉權限，大大降低了效率。因此，完善的機房實訓課排課系統起到關鍵的作用。

1 排課原則

為了保證機房實訓課有序進行，滿足多人員、多機房以及多時間使用的要求，目前，要求機房滿足以下排課原則。

1.1 以人為本

以人文本，包含兩方面，一方面是指滿足人員的要求，包括對授課內容的編排，授課方式的選取，授課地點以及時間的安排。授課內容需要多樣化，其知識深淺滿足不同專業人員要求；授課方式多樣化，結合不同課程內容，選用不同授課方式；授課地點，根據教師以及班級上一節課的上課地點，就近選擇，并且根據上課人數，選擇不同地點；授課時間也會根據人員情況自行選擇。另一方面以人為本是根據不同時間段的人體疲勞和接受新知識的程度來進行排課，比如上午人體精力充沛，可以安排一些理論知識的教學，而下午人體相對比較困乏，可以安排較為生動的實操課程。晚上則可以安排少量老師開展白天教學的答疑工作。

1.2 資源合理利用

這里的資源包含教師資源和機房軟硬件資源。一名教師會教授多項課程，因此要根據教師的其他教授課程以及時間來整體規劃，確保精準排課，避免矛盾排課，如一名老師同一時間教授兩節課或者連續安排多個課程，都會產生沖突或者降低教學質量。機房軟硬件資源也同理，實現數據可視化，確保實時上傳軟硬件狀態，并可隨時進行查詢調整。

1.3 信息安全和權限設定

設置專人進行信息安全和權限設定。信息安全對于開設機房實訓課的學校或者機構都是非常重要的。另外，對機房網絡設置權限，僅提供教授內容涉及的所需權限，確保人員在整個課程中不會受其他干擾或者誘惑，提高課堂效率。

1.4 制定科學、高效排課計劃

目前，各高校以及培訓機構都已經普遍使用排課系統進行排課。學生，教師以及機房管理員都可方便地登入系統，進行科學，有效地排課。排課系統實施更新，并運算排課的合理性，智能地安排課程。

2 排課現有問題和優化方法

2.1 排課軟件的優化

現有的排課軟件多種多樣，其使用的排課原理也不盡相同。其中運用最多，發展最為成熟的排課原理是遺傳算法，近80%的排課軟件均基于遺傳算法。本文研究的排課軟件也是基于遺傳算法的原理。

2.1.1 遺傳算法概述

遺傳算法（GeneticAlgorithm，簡稱GA），其最早是由美國的 John holland于20世紀70年代提出，該算法是根據大自然中生物體進化規律而設計提出的。是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法。該算法通過數學的方式，利用計算機仿真運算，將問題的求解過程轉換成類似生物進化中的染色體基因的交叉、變異等過程。在求解較為復雜的組合優化問題時，相對一些常規的優化算法,通常能夠較快地獲得較好的優化結果。遺傳算法已被人們廣泛地應用于組合優化、機器學習、信號處理、自適應控制和人工生命等領域[1]。

2.1.2 遺傳算法基本原理

圖1：排課系統優化前算法流程圖

圖2：排課系統優化后算法流程圖

圖3：排課系統輸入輸出模型

遺傳算法的基本原理既然是通過達爾文的進化論演變而來，因此最終是需要滿足最優基因搭配的要求，輸入的各項因子，通過函數去計算其滿足度，然后進行迭代運算，其中滿足度高的參數被鎖定下來然后進入下一階段的運算，而滿足度不高的參數則被淘汰，最終被鎖定下來的參數會形成一個參數組群，最終成為解決問題的最優基因，并遺傳下去。

2.1.3 遺傳算法執行要素

從遺傳算法的基本原理可以看出，其執行要素包含初始群組、各項計算指標初始數值、滿足度評價函數以及判斷最終停止運算的判定條件。其中多項輸入的初始因子水平會先形成一個初始群組，其并不是固定或者是計算出來的，大部門情況下是基于有經驗的人員初步設定的；各項計算指標初始數值、滿足度評價函數是為了計算出滿足度；確定停止運算的判定條件是為了防止運算無限循環下去，設置一個范圍，達到要求后，便可停止運算。

2.1.4 排課軟件的現有問題和優化方法

（1）群組大小設定。

基于現有排課原則，其群組大小是固定的，未經過計算去找到最優群組大小。因此，導致了運算冗長，迭代次數過多。優化后，運算前會先尋找最優群組大小，再進行運算。

（2）編碼方式選擇。

目前排課系統，是通過二進制進行編碼，但目前有很多案例顯示，在多個連續變量同時運行的情況下，二維碼編碼的缺陷以及局限性便開始顯現，其構建的立體模型變的不夠穩固。優化后，采用實數編碼規則進行編碼，通過實數編碼，構建的模型均由實數完成，模型結構穩固，并且運算更加準確。

（3）沖突解決。

目前的排課原則，對于軟硬性約束條件設置這一塊考慮的不是很完善，將重點放在硬性約束條件的設置上，很容易導致老師的授課時間以及機房的使用時間段以及機房使用編號存在沖突。而這些沖突往往是經過了長時間運算才顯現出來，大大降低了運算的準確性，評價沖突的參數目標值選擇不合理，導致運算一致循環進行。優化后，對輸出的值實現設定一個合理的概率值，以避免沖突發生且大大縮短運算時長。

（4）排課系統優化前后算法流程對比。

排課系統優化前后算法流程對比如圖1和2。

2.2 排課宏觀流程的優化

機房實訓課的資源包含教師資源、機房資源和軟硬件資源。如何在資源有限的情況下滿足教學要求，則要實現資源的最大化利用。

從圖3排課系統輸入輸出模型，由圖可以看出整個排課的宏觀流程，其中包含信息的輸入，信息的運算及信息的輸出。

排課宏觀流程中，輸入的信息種類多，如何系統地整合并歸類分析好輸入的信息，值得深入研究。在機房實訓課排課的過程中，需要將輸入的基礎信息進行合理規劃分析以提高機房實訓課的排課效率。其中基礎信息包含教師、課程、班級、時間和教室等信息，實現多項資源的最大化利用可以大大節約成本。排課過程中，要有效對教室資源、學生專業班級資源、課程資源、教師資源，根據時間進行全面分析，結合不同資源和所學專業，對公共課進行合理排課。教室資源指的機房以及機房里的硬件資源，在排課的過程中，要有效對課程進行合理規劃以及性質分析，從而進一步實現機房實訓課教學工作的順利進行；學生班級資源，指的是在機房實訓課排課期間，對專業班級信息、人數、總數進行全面了解，進而能夠有針對性地來完成相關排課工作；課程資源和教師資源指的是，在機房實訓課排課的過程中，課程排課管理系統要全面對課程名稱、性質、總學時、考核方式等信息進行了解，采用統籌全局、合理安排的方式，及時找出機房實訓課排課過程中存在的問題和不足，進而及時根據問題對課程的安排進行有效優化和創新，達到查缺補漏的目的。

完成輸入信息的錄入和整理后，通過強大的排課系統，可以實現資源的最大化利用，最后輸出的基本結果包含教師課表、班級課表和學生課表。

對于輸出的教師課表、班級課表和學生課表，并不是一旦輸出，便整個模型運行結束，一旦輸出的課表出現任何變動，變動的內容又會變成輸入的信息，重新運行排課系統輸入輸出模型，這是一個動態過程，完成實時運行和更新。

雖然通過排課系統進行排課，但是系統也有可能存在漏洞，所以需要人員進行審核，加強對排課后期課表的調整和審核。由于需要人工審核，需要設定明確的審核事項以及評定標準，將標準文件化，避免不同人員對評判結果造成影響。另外，現有的信息會進行動態循環，但也有可能會新增信息，比如新學期新增學生，教師的人員流動，教室的硬件或軟件升級以及新增課程，都會成為新的輸入信息，遇到這種情況，也需要導入模型進行循環運算。這些需要有完善的監督機制，確保信息錄入及時。最后，采用定期抽查的方式完善教學反饋機制，及時了解機房實訓課排課過程中存在的各種異常情況，并設置專門小組對反饋的異常和信息進行歸納，總結出問題點，并進行限時整改，驗證并追蹤改善后的效果，突出廣大師生在排課中的主導性和主體性，進一步推動教學質量的穩定發展和創新。

2.3 將課表和輸入項（教師、班級、教室等）備忘錄結合

在排課系統中增加輸入項備忘錄的輸入功能，其作用是能完成提前規劃，避免臨時出現問題，短時間沒有解決對策。

其中輸入項包含教師、班級、教室等一切有可能發生變動的因素。例如，某教師在兩個月之后預約了醫院體檢，然而在當天有其課程安排，該教師可以在得知預約醫院體檢消息的當天就將該信息作為備忘錄輸入排課系統，系統將其作為輸入，進行運算，安排其他教師進行授課。同理，如果機房計劃在下半年進行分批軟硬件升級，或者某班級某天安排班級活動，這些提前得知的信息，均可作為備忘錄導入系統，提前進行課表的調整，避免教學中的突發狀況。

建立備忘錄并與課表系統結合，不僅可以避免教學中的突發狀況，也可以大大提高資源的利用率，后續也可以將設定特色教學課程與排課系統結合，有利于實現機房實訓課的多樣化，為培養專業人才提供了更多機會。

機房實訓課已經越來越普及，其排課的合理性、靈活性以及多樣性也成為研究的熱門內容，排課軟件的不斷更新，使用界面的不斷優化也大大提高了排課的準確性和時效性。