基于继承的高校排课策略研究

来源:用户上传      作者:

　　摘要：以上海理工大学本科生排课为例，经统计分析，排课过程中产生了大量的冗余工作量。分析影响排课的各项因素，对排课差异性影响较大的专业培养计划变动进行了着重分析研究，并提出针对培养计划变动的排课策略，通过试验，将此策略应用于实际的专业课程表编排中，可以有效提高排课效率，降低冲突率，极大地优化了排课过程。
　　关键词：排课;差异性;继承
　　中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）01-0075-02
　　 一、引言
　　教学任务安排是高校教务管理日常工作中最重要、最基本的环节，对后续教学活动的顺利开展进行起着关键的作用，是稳定教学秩序的主要因素。为不同专业制定出科学高效的课程表，一方面能够优化教师授课安排、教学效果以及学生的学习效果，另一方面可以充分利用学校的各种资源，避免因分配不均衡而导致的资源紧张或资源浪费。
　　一直以来，大多数的高校排课算法研究是将课程安排作为一个运筹学时间表问题进行处理，目前已有众多算法研究应用于课程表编排，如遗传算法[1，2]、蚁群算法、模拟退火算法等，并在此基础上有所改进，以适应不同的课程表编排需求[3]。不过，以上算法都是对课程进行一次重新地安排。本文则以上海理工大学本科生排课为例，考虑到课程表重新编排产生的冗余工作量，通过学年之间课程表差异性的原因分析，研究出一种针对差异的排课策略。以专业的实际情况试验，并通过冲突检测检验此排课策略的效果。
　　二、排课问题分析和描述
　　上海理工大学本科生教学实行完全学分制，学生按照培养计划并结合自己的专业要求及兴趣进行选课，最终修读完成后达到毕业条件。毕业条件为学生培养计划中各个课程组学分均达到要求。按照专业具体修读计划，部分课程组中可修读学分数与要求学分数一致，此类课程组中所有课程为必修课程;而另一部分课程组中可修读学分数大于要求学分数，这类课程组中学生有一定的选择空间，可以在所列课程中根据自己专业需求和兴趣所在进行选择性修读。每个学期课程的开设及安排，最终的原始需求都是源于专业的培养计划，培养计划中所要求的课程即为当学期应开设的课程，因此专业培养计划的变动直接影响到当前学期的开课安排。
　　目前上海理工大学课程安排都是以手工安排的方式进行，存在如下现状：每个学期每门课程均为手工排课，每学期需要排课數量超过3000个教学班，效率低下，并且其中很多为重复工作量。根据2016—2017学年和2017—2018学年和两个学年四个学期的学科基础和专业课程对比统计，课程重复率平均约为84%，可以看出在完全手工排课的过程中，大量的工作量都是重复的。
　　本科生课程表编排涉及多方面的因素，主要包括：所开课程、上课时间、上课地点、任课教师、任务人数、专业计划等。以上海理工大学的实际情况来看，学科基础和专业课开设的任课教师、任务人数没有太大的变化，具有较高的重复性。
　　三、基于继承的课程安排策略研究
　　专业培养计划变更包含以下几种情况：减少课程;增加课程;课程建议修读学期变更（此类变更等同于在某个年级专业中减少课程并且在另一个年级专业中增加课程）;课程归属课程组变更（此类变更等同于某个课程组减少课程，某个课程组增加课程）。因此，针对计划变更，课程安排均可以减少或增加课程这两种操作实现。
　　以前一学年的课程为基础，进行下一学年学期的差异性课程编排，首先要对原始课程表进行数据化。每一门课的排课信息可描述为一个集合：{课程（C），学分数（c），任课教师（T），上课时间（t），年级专业（S），课程组（R）}。因原始数据的上课地点已经进行了安排，不存在资源不够使用的情况，因此教室资源不列在课程信息中，但在后面新增课程的安排时，需要考虑避开教室使用率较高的时间段，这个将在后文中描述。按照学科基础和专业课的时间约束，将课程时间C列为一个矩阵，i=a、b、c、d，代表每天的12节、34/345节、67节、89节，j=1、2、3、4、5，代表周一、周二、周三、周四、周五，上课时间t=ij。
　　在以上课程模型的基础上，进行新学年学期的课程编排，以某年级某专业的一张课程表为编排的基本对象，将需要编排课程表的学期课程罗列出来，并对比两个学年学期的专业培养计划：（1）将没有进行过计划变更的课程，直接继承前一年的编排信息。（2）对于减少课程的任务变更，在新学年学期的课程表中直接将此门课程的信息去掉。（3）对于增加课程的任务变更，按照如下逻辑进行对新增课程Ci安排时间。搜寻本年级专业课程表S=Si中不冲突的时间Sit≠Siti，并且整张课程表中任课教师不冲突的时间Tit≠Titi，同时考虑到教室资源使用率较高的情况，避开资源紧张的时间段，按照以下时间搜索策略：①如果课程学分数Ci={1，2，4，6}（目前排课最大学分数为6），在本年级专业课程表S=Si的课程中搜寻t={iaj1，idj1，iaj2，idj2，
　　iaj3，idj3，iaj4，idj4，iaj5，idj5，icj1，icj2，icj3，icj4，icj5，ibj1，ibj2，ibj3，ibj4，ibj5}中Tit≠Titi的1段/2段/3段空余时间，并写入Ci的课程信息。②如果课程学分数Ci=3，则在本年级专业课程表S=Si的课程中搜寻t={ibj1，ibj2，ibj3，ibj4，ibj5}中的空余时间，并在整张课程表中对比是否有Tit相同的课程存在，如Tit≠Titi，则为可用时间段，即可安排并写入课程编排信息，如果存在Tit=Titi，则此集合中时间段均不可用，则在t={iaj1，idj1，iaj2，idj2，iaj3，idj3，iaj4，idj4，iaj5，idj5}中按照同样的约束条件搜寻两段空余时间并写入Ci的课程信息。③如果课程学分数Ci=5，则首先在本年级专业课程表S=Si的课程中搜寻t={ibj1，ibj2，ibj3，ibj4，ibj5}中的空余时间，并在整张课程表中对比是否有Tit相同的课程存在，如Tit≠Titi，则为可用时间段，将其写入课程编排信息并继续在t={iaj1，idj1，iaj2，idj2，iaj3，idj3，iaj4，idj4，iaj5，idj5，icj1，icj2，icj3，icj4，icj5}中按照同样的约束条件搜寻第二个时间段并写入课程信息;如果存在Tit=Titi，则此集合中时间段均不可用，则在t={iaj1，idj1，iaj2，idj2，iaj3，idj3，iaj4，idj4，iaj5，idj5，icj1，icj2，icj3，icj4，icj5}中按照同样的约束条件搜寻三段空余时间并写入Ci的课程信息。④如果经过搜寻没有合适的时间可以安排，则在课程组Ri中，寻找可冲突安排的课程时间，将两门课重叠安排，可冲突安排的课程组一定是包含的学分数大于课程组要求的学分数，搜索R=Ri且S=Si，将课程时间t写入Ci的课程信息。⑤如果以上策略均无法搜索到合适的课程时间，则需要考虑专业培养计划的变更是否合理，是否超出了此年级专业的最大课程数量，可将此结果反馈给相关专业负责人作为参考进行重新衡量。 　　以上策略按照课程的学分数不同，选取了不同的课程时间搜索范围，并且在搜索的时间范围内，按照上课资源紧张程度排列，资源紧张的时间段排在后面，优先搜索资源较为充足的时间段，保证了资源的平均分配。
　　为了验证此排课策略，特选取上海理工大学2017—2018学年和2018—2019学年培养计划中的八个专业课程变更情况进行例证，这几个专业的专业计划变更涵盖了以上专业计划变更的四种情况分析。在Excel环境下将此策略转换成函数代码进行验证。经试验，新编排出的课程表符合新的专业培养计划要求，并且可以完全通过冲突检测。
　　四、小结
　　专业培养计划是教学任务安排的依据，本文根据上海理工大学的实际情况进行分析，提取专业培养计划的变动并针对改动点进行课程编排，以继承的方式完成了新一学期的课程编排的策略研究，极大地提高了排课的工作效率;另一方面，专业培养计划是教学任务安排的前期工作，将课程编排工作提前至专业计划环节，可以较早发现任务中的问题，从而避免在之后的排课选课过程中因发现问题较晚而产生被动的情况。
　　参考文献：
　　[1]王卫红，李文琼.基于改进遗传算法的高中走班制排课算法[J].浙江工业大学学报，2016，44（6）：601-607.
　　[2]韦玉，冯速.免疫遗传算法在排课问题中的应用[J].北京师范大学学报（自然科学版），2008，44（2）：168-173.
　　[3]宗薇.高校智能排課系统算法的研究与实现[J].计算机仿真，2011，28（12）：389-392.
　　Study on University Courses Arrangement Based on Inheritance
　　—A case study of undergraduate course arrangement in University of Shanghai for Science and Technology
　　CHANG Ke-pei，LI Qin，LI Chen-xue
　　（Office of Educational Administration，University of Shanghai for Science and Technology，
　　Shanghai 200093，China）
　　Abstract：Taking the undergraduate courses scheduling of USST as an example，a large amount of redundant workload has been generated in the courses scheduling through statistical analysis.This paper analyses the factors influencing the courses arrangement，emphatically analyses the changes of the professional training plan which have great influence on the difference of the courses arrangement，and puts forward the strategy of the courses arrangement which according to the change of the training plan.Through the experiment，applying this strategy to the actual courses arrangement can effectively improve the efficiency of the courses arrangement，reduce the conflict rate and greatly optimize the courses arrangement process.
　　Key words：courses arrangement;difference;inheritance
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-15101245.htm