基于Python的教室座位自動安排探究

龍治國 龔勛 孟華 羅榮

摘要：在高校教學中，上課和考試均涉及安排教室的座位。對于上課，通常的做法是讓學生自由選擇座位，但由此也帶來多個問題，如考查出勤情況時難以快速精準定位缺勤學生、學生集中坐在后排、熟悉的同學坐在一起交頭接耳等。對于考試，通常的做法是按順序依次安排座位，但也存在需要花費較多時間根據教室確定具體的安排，以及部分學生利用這種安排方式進行舞弊等問題。本文主要介紹和分析了一種較為簡便實用的教室座位自動安排技術，為解決以上的問題給出了可行的解決方案，并以“離散數學”的課程教學實踐為例，驗證其可行性（展示結果）和實際效果（時間對比、課堂表現對比）。

關鍵詞：計算機輔助教學；座位安排；Python編程

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）02-0107-06

引言

座位安排是一個古老的問題，但在現代大學的教學中對座位安排的關注卻十分不足。實際上，座位安排對教學效果和效率、考試公平性等有較大的影響。例如，預先確定的座位安排可以幫助教師快速定位缺勤學生，以極高的效率掌握學生出勤情況，也可以避免學生集中在后排落座或熟悉的學生坐在一起交頭接耳的情況，還可以快速掌握記住學生的姓名；又如考試時高效快速根據教室情況做好座位安排，一方面可以減少監考人員在座位安排上的時間和精力投入，另一方面也可以避免學生根據推測的座位順序準備舞弊。

對于座位安排方式和自動化的問題，有不少學者究進行了相關研究。有研究[1]針對高校全?？荚嚨拇笠幠Ｗ话才胚M行系統設計，基于Web技術設計了一套支持導入學生名單和教室布局基本信息、進行考試隨機排位、自動生成打印座位表等功能的自動考試排位系統；有研究[2]設計了一個基于PHP的系統，來為考生、監考人員分配考場，并自動生成考場布置；有研究[3]利用蟻群算法對考場座位編排進行了優化；有研究[4]基于VBA實現了一個隨機編排考場座位的程序；而有研究[5]則基于VBA實現了一個針對多組少量考生的穿插混排算法，用以減少舞弊現象，保證考試公平。

也有研究[6]注意到了現有點名方式可以通過座位安排進行優化，提出了“考試座位法”來將學生對號入座，從而實現快速檢查出勤情況。但該研究沒有針對課堂教學的需求，進一步將座位安排方式進行優化，如固定部分學生的座位等，在實際使用中存在不便。有研究[7]對基于座位安排的點名方法進行了分析，指出了全員固定座位導致遠離教師的學生開小差、被邊緣化的問題。

在注意到了做好座位安排的重要性之后，針對以上問題，筆者提出一種基于Python的教室座位自動安排方法，根據實際需求設計了相應的功能，并開發了簡單易用的程序，還在“離散數學”課程的課堂上進行了實際應用，驗證了其可行性和效果。

基于Python的教室座位自動安排

筆者設計的座位自動安排方法主要有以下功能：設置教室可選座位、設置學生名單、設置固定座位、設置按座位列優先或排優先安排座位、設置隨機或按名單順序（正序或逆序）安排座位、設置輸出順序（講臺在上或下）。這些功能可以讓教師能十分方便快捷地自動化安排座位，并較為有效地解決上課、考試中因座位安排導致的教學質量、誠信問題。

下面，對這些功能做詳細說明。

1.設置教室可選座位

教室一般存在不同的情況，如行數、列數、座位有損壞情況等。在安排座位前，首先需要確定教室可選座位的情況。筆者設計的程序支持便捷地設置教室可選座位，包括通過指定列數和排數、利用csv格式進行設置等方式。

（1）指定列數和行數

對于這一方式，用戶只需給程序指定教室的列數和行數，程序將自動生成對應列數和行數的方塊形可選座位分布，用于進一步的自動安排。這種方式雖然十分簡單，但實際中教室的可選座位往往并不呈方塊形分布，如列與列之間存在行數差異、部分座位由于損壞或教室結構導致不可用等。

（2）csv格式輸入

csv的全稱是comma separated values，這是一種通用的純文本數據存儲格式，數據之間用逗號“，”（也可以是其他符號）分割，如“1，0，1，”，對應的數據是“1”“0”“1”和“空”（最后一個逗號后面沒有值，因此是“空”）。本文設計的程序支持用戶通過這一格式來便捷指定可選座位。具體地，在csv的一行中，若某一位置的值是1，則代表對應行的相應位置的座位是可選的，若是0或空，則代表不可選。為了避免歧義，程序要求每行的數據數量必須相同。用戶可以通過常用的電子表格軟件，如Excel、WPS，通過表格的方式方便地編輯存儲csv文件，從而給出教室可選座位數據。需要注意的是，如圖1所示，程序假設csv中的座位順序是以教師視角指定的，要求csv中第一行對應教室座位的最后一排，csv中最后一行對應教室座位的第一排，csv中第一列對應教師面向學生時的從左數第一列。

2.設置學生名單

學生的名單也是一個csv文件，但只有一列。學生名單的內容可以是學號或姓名，也可以是其他任何可以唯一確定學生身份的文本。該csv文件中行的順序即為學生名單的順序，即第一行為第一個學生，最后一行為最后一個學生。用戶可以通過為“student_list”參數指定學生名單csv文件名將學生名單傳給程序。

3.設置固定座位

學生或教師有時需要指定座位，如某位近視的學生希望坐得離講臺近一點、考試時教師希望將某位學生安排到前排等。用戶可以通過為“specified_positions”參數傳入一個3列的csv文件來設置固定座位，其中第一列為學生名單中對應學生的身份文本（如學號），第二列和第三列分別對應教室座位的行和列的序號。例如，“2022112378，3，2”表示學號為“2022112378”的學生需要安排在第三行第二列的座位。需要注意的是，若用戶在設置教室可選座位時，指定了行的順序，則行的序號對應的是用戶指定的順序。另外，若設置的固定座位對應的座位不可選或多個人指定了同一座位，則程序將報錯。

4.設置座位列優先或排優先

在實際安排座位時，有時需要按一列一列（列優先）來安排，或按一行一行（行優先）來安排，同時，列可以從左至右或從右至左，行也可以從前至后或從后至前。筆者設計的程序允許用戶通過指定“arrange_order”來設置該順序，上頁表給出了arrange_order的值對應的安排方式。

5.設置隨機或按順序安排

根據用戶的實際需求，筆者設計的程序允許用戶指定座位安排的順序，程序默認以隨機方式打亂學生順序來安排座位，用戶可以通過指定“student_order=1”或“student_order=-1”來設置程序以學生名單順序的正序或逆序進行安排。

6.設置輸出順序

在不同的使用場景下，用戶可能需要以從講臺往下看的視角輸出座位安排結果，也可能需要以從教室最后面往講臺看的視角輸出結果。因此，筆者為用戶提供了一個選項“output_order”來實現該功能，如上頁圖2所示.若設置為“output_order=1”，則程序將按教師視角輸出，即教室的最后一排在第一行，第一排在最后一行；若設置為“output_order=-1”，則程序將按學生視角輸出，即教室的第一排在第一行，最后一排在最后一行，同時列的順序也變為逆序。

案例分析：“離散數學”課程課堂座位安排

筆者將提出的座位自動安排方法，在“離散數學”課程中進行了實踐。接下來，通過舉例、對比使用該方法前后的情況進行分析，說明該方法的可行性和實際效果。

筆者基于包含116名學生的名單、有9排14列的教室進行測試，教室的可選座位情況如上頁圖3所示，其中也展示了固定座位情況，如036號學生固定坐在第一排第七列。

上頁圖4展示了“arrange_order=0，student_order=0，output_order=1”的結果圖，可以看到，所有學生都被唯一地安排了座位，并且座位是隨機安排的，固定座位也全部正確分配給了相應的學生。

圖5展示了“arrange_order=3，student_order=1，output_order=1”的結果圖，在這一配置下，學生按名單順序從右至左列優先，從后至前進行安排，最終結果以教師視角（假設講臺在最下面，第一排在最后一行）輸出。可以看到，空座位被留在了左邊靠前的位置。

圖6展示了“arrange_order=7，student_order=-1，output_order=1”的結果圖，在這一配置下，學生按名單順序的逆序從后至前行優先，從右至左進行安排，最終結果以教師視角輸出?？梢钥吹?，空座位被留在了第一排（最后一行）靠左的位置。

上頁圖7展示了“arrange_order=7，student_order=-1，output_order=-1”的結果圖，在這一配置下，學生按名單順序的逆序從后至前行優先，從右至左進行安排，最終結果以學生視角（假設講臺在最上面，第一排在第一行）輸出?？梢钥吹剑兆槐涣粼诹俗詈笠慌牛ㄗ詈笠恍校┛孔蟮奈恢?。

圖8展示了“arrange_order=7，student_order=-1，output_order=-1”的結果圖，在這一配置下，學生按名單順序的逆序從后至前行優先，從右至左進行安排，最終結果以學生視角（假設講臺在最上面，第一排在第一行）輸出?？梢钥吹?，空座位被留在了最后一排（最后一行）靠左的位置。

筆者對程序所需時間進行了分析。首先，在“arrange_order=7，student_order=0，output_order=1”的配置下，重復運行了100次座位安排程序（包括將最終結果寫入文件），最終得到其平均所用時間為0.001s。而如果使用人工安排，即使對每個學生花費1s的時間進行安排，116名學生也要花費116s。當然，該程序還需要準備可選座位csv、學生名單csv、固定座位csv，但這些文件結合Excel或WPS非常容易準備，而一旦準備好，安排座位就十分省力，并可以重復利用。基于該程序輸出的座位安排結果，教師還可進行快速考勤——只需讓學生對應坐好，教師拿起座位安排結果即可快速定位缺勤學生，100多人的課堂所花時間只需不到1分鐘，而如果全員點名，即使每個學生只要2秒鐘，總共也需要花費200～300秒（5分鐘）。

其次，對程序做了壓力測試，將名單中學生數量從1000增加到10000，并對每一學生數量進行100次重復運行座位安排程序，取運行時間的平均值作為對應學生數量的運行時間，結果如圖9所示?？梢钥吹剑摮绦虻倪\行時間隨學生數量增加也以線性增長，在10000名學生時的用時也僅在0.02s左右。

最后，筆者對實施該座位安排方法前后的教學效果進行對比分析。

①學校對學生進行問卷調查，共有115名學生填寫問卷，整體評價平均分為4.8分（5分制）。與使用座位安排方法相關的問題為“該課程的教學組織得很好，授課教師教導有方”，學生的評價平均分為4.83分，超過了整體評價平均分，其中有87%的學生給了5分，8.7%的學生給了4分，4.3%的學生給了3分。

②對比了實施前后的學生平時成績（包括課堂表現、課后作業、期中考試）和課堂表現成績，其中實施前的成績選取的是2018-2019（2）學期的數據，實施后的是2020-2021（2）學期的數據——2019-2020（2）學期由于新冠疫情為在線授課。從圖10中可以看到，實施后成績較差的學生數量明顯變少，平均分也顯著高于實施前（基于p值為0.01的T檢驗）。這在一定程度上說明了實施本文所提座位安排方法的有效性。

結語

本文提出了一種基于Python來自動安排教室座位的方法，并在“離散數學”課程的課堂上進行了實踐應用。該方法對教學效果有顯著的提升作用，在實施該方法后，平時成績較差或課堂表現成績較差的學生數量大大減少，整體成績有顯著提升。隨機排位算法還可以兼容更多的需求，考慮更多的因素（包括性別、性格、身體狀況等），后續可進一步優化算法，助力教師做好課堂和考場管理。

參考文獻：

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[7]毛雪梅.反思座位點名制[J].科海故事博覽·科教創新，2012（08）：87+105.

基金項目：西南交通大學2022年校級本科教育教學研究與改革項目，項目編號：20220306，20220320，20220322。