海洋大学排课系统设计研究

摘要：本文根据广东海洋大学教学资源的实际情况，对我校的排课系统进行需求分析，并在此基础上通过对排课系统的功能结构设计、系统建模、数据库设计和遗传算法设计，构建了一个科学、有效、切实可行的高校排课系统，该系统较好地满足了我校排课工作的阶段性要求。

关键词：排课系统；需求分析；系统设计；遗传算法

随着近年来高校教育事业的快速发展，高校招生人数和专业及课程设置也相应地不断增多。在师资队伍和教学资源有限的情况下，高校排课工作变得越来越复杂和棘手[1]。因此，通过设计科学、合理的排课系统，高效地编排出符合教学规律，且又能满足师生教学要求的课表，是每一位排课人员所面临的一项重大挑战，这也促使排课系统设计和排课工作需要创新和改进。广东海洋大学紧跟高等教育发展浪潮，经历了高校合并、多校区办学过程，已形成多元化的办学形式和多校区的教学管理模式，呈现出在校学生人数多（约三万多名本科生）、班级多（约九百多个）、开设课程多（每学期约六千门），而教室资源（多媒体教室仅两百多间）相当紧张的现状。然而，排课的整个过程充满着矛盾运动，其中包括上课班级、开设课程、任课教师、上课时间、教室等这5个方面在排列组合中发生的冲突和矛盾现象，而班级多、教室少则是排课矛盾的重要方面。因此，在我校的排课过程中经常会出现诸如甩课、双百班课程和原班课程上课时间冲突等现象，在一定程度上影响了排课效率和排课质量。同时，课程表编排是一项系统工作，通常要综合考虑上述5个方面因素，从专业设置、教学计划制定到班级课程的设置、教师指定及各单位教室的使用权限、时间，都是环环相扣，密切相关的，需要反复调整，避免冲突。可见，排课工作本身具有影响因素多、约束条件复杂以及存在不可预测的情况发生，不合理的排课系统设计容易导致排课工作出现效率不高、排课效果不如意结果。因此，急需分析排课中面临的问题及排课需求，以研究设计出一个合理有效的排课系统，实现课表的优化组合和排课资源的最大利用。为了科学、合理地编排课程表，我校通常采用以手工排课与计算机排课相结合的排课方式，使计算机强大的运算功能与排课人员的灵活思维和经验技巧有机结合起来。基于我校现有的排课方式，本文根据我校教学资源的实际情况，在分析排课系统需求的基础上进行了相应的排课系统设计，以构建一个科学、合理的高校排课系统，实现教学资源的最优配置，获得教学工作的最佳效益。

一排课系统需求分析

（一）业务需求分析

从我校的实际情况出发，根据教师、班级、课程、教室、时间等排课要素，合理利用教学资源。排课问题的基本工作流程如下所述：（1）排课工作开始前，教务处高教研究室需要根据各年级各专业的培养方案制定此学期各班级的教学计划，以确定此学期各班级的具体开设课程，包括：课程名、课程号、课程学分、课程性质、开课学院等信息。（2）将各班级的开课数据从教学计划中导入开课任务书。同时设置学年学期、排课参数以及维护教学楼、教室等基础信息。（3）将开课任务下达学院，各学院据此安排任课教师。任课教师可对上课时间、教室类型等条件提出相关排课要求。（4）各开课学院在系统中录入教师开课任务书，包括课程名称、教师、班级、人数、教室类型、上课周次等信息。（5）开课任务录入完毕，检查排课信息无误后，利用系统自动排出预排课表，此时主要是完成对上课时间和空间安排，生成一个“近似最优解”。（6）课表排好后，如果部分课表有特殊要求，对预排课表中的课程、班级、教师、教室、时间等各项进行手动调整。（7）课表定稿后，排课管理员和二级学院的教务员、教师、学生等用户可以查询、导出和打印课表。

（二）功能需求分析

（1）时间资源管理：支持多种节次、周次的划分，如上课节次、考试节次；支持时间模式的管理，如各种任务、教室等教学资源的屏蔽管理。（2）排课批次管理：自行维护排课批次，支持分批次排课，支持校、院二级排课。（3）计算机智能排课：灵活设置排课限制条件，支持分校区排课、支持按教学楼排课。（4）计算机辅助排课：提供人性化的排课界面，支持人工调整，支持排课数据与选课数据同步。（5）排课结果统计：支持按周次、星期、节次、开课学院、教师、班级、教室等类型导出课表，支持时间地点冲突检测、排课学时与计划学时不一致的检测。

（三）非功能需求分析

（1）易用性需求：使软件更简单、高效地适应用户的使用需求和习惯，以方便用户操作。（2）安全可靠性需求：系统应能准确、可靠地运行，保障教务数据的安全性。

二排课系统的总体设计

（一）系统功能结构设计

在排课系统需求详细分析的基础上，我们确立了排课系统的总体功能结构，如图1所示。排课系统功能结构主要由4个子模块组成：系统管理模块、数据管理模块、排课管理模块、课表统计输出模块。四个子模块的各自主要功能目标如下：（1）系统管理模块。主要包括系统常规设置和系统算法设置。系统常规设置主要包括开课学年学期的设置，上课周数、每周上课天数、每天上课节数的设置，上午、下午、晚上上课节次的分配，上课开始与结束时间的设置等。系统算法设置主要是对自动排课参数进行维护，如排课对指定时间、指定教学楼、指定教室、上课专业等初始权重的选择，教室座位选择裕量的设置等。（2）数据管理模块。主要功能是对课程、班级、教师、教室和教学计划等信息进行管理和维护。如对这些基础数据进行查询、添加、录入、修改和删除，同时还可以将课程、班级、教师、教室和教学计划等数据用Excel、Word等形式导出备份。（3）排课管理模块。分为自动排课、手工调课、排课结果统计。自动排课是根据排课设置和准备数据进行基于遗传算法的自动排课；手工调课可以在没有冲突的前提下，按照排课人员自己的意愿对已排课程表进行手动修改；排课结果统计主要包括教室的统计和排课结果冲突检查。（4）课表统计输出模块。排课管理员和二级学院的教务员、教师、学生等用户均可用自己的账号进入系统查询课表，可将课表以文件形式导出，也可直接打印课程表。排课管理员和二级学院教务员可以导出或打印全校课程清单和全校所有教室课表。

（二）系统建模

用例模型是属于UML的静态建模机制，它是系统需求分析阶段所建的第一个模型[2]。通过用例建模描述排课系统要实现的功能。根据对系统的分析，本系统的用例模型如图2所示。顺序图是一种的静态建模方法[2]。在顺序图中，能够清晰的展现各个对象之间交互的时间和顺序关系。排课系统比较重视时间安排问题，因此在排课系统的动态建模中采用顺序图表示相应用例的动态执行情况。如图3为排课系统的顺序图。

（三）数据库设计

（1）数据库概念结构设计。排课问题涉及到学校、学院、专业、班级、课程、教师、学生、教室等数据信息。为了清晰表达排课数据的逻辑关系，采用E-R图（实体-关系图）进行概念模型的设计，如图4所示：（2）数据库逻辑结构设计。根据数据库的设计原则以及排课系统的数据需求分析，创建如下系统所需的关系数据表：排课用户表、学年学期代码表、排课时间模式代码表、教师代码表、排课开课班级表、排课教室状况表、排课时间地点表、排课课程安排表、排课开课任务书、排课结果表。

（四）遗传算法设计分析

遗传算法是一种具有高效性、鲁棒性、并行性和全局最优性的搜索算法，可用于求解各类非线性问题以及对复杂系统进行优化[3]。因此适用于处理约束条件多、规模大、难度系数大的排课问题。利用遗传算法求解排课问题的主要工作流程分为以下几个主要过程[4]：（1）构造排课问题的基因编码：利用二维矩阵方式编码。（2）产生初始种群：随机产生初始种群。（3）冲突检测和消除。（4）计算适应度函数。（5）遗传算子：主要包括选择算子、交叉算子、变异算子。（6）产生最优可行课表。主要工作流程如图5所示（见141页）。根据遗传算法的求解思路对排课问题进行处理[5,6]：采用“课表-教师-班级”与“时间”建立二维矩阵进行编码，并与“教室”进行关联，将其映射为遗传算法的基因。多个基因组成的“基因串”就是一个染色体。所有课程的染色体组合成一个个体，对应排课系统，一个个体即为一种排课方案。多个个体又构成种群，即多种排课方案。通过随机生成染色体的方式，生成初始种群。对初始种群中的个体进行冲突检查，并计算适应度，选择适应度值高的个体保留下来。在选择操作后选取两个个体即两种排课结果进行交叉操作。为了避免陷入局部最优现象，进行变异操作。再次进行冲突检测，并解决冲突，最终得到最优排课方案。经过一次种群迭代之后，产生的新一代种群的适应度值也会有所提高，这样问题逐渐逼近最优解，通过若干代的种群迭代实现全局最优解[6]。这种全局优化搜索的遗传算法，每一步的操作都很简单，而且对问题的依赖性也非常小。

三结束语

本研究根据我校教学资源实际情况，通过对我校排课需求进行分析，设计出了符合我校实际需求且科学的教务排课系统，并实现了课程、教师、班级、教室、时间等资源在教学活动中的合理安排，最大程度上减少了排课人员的工作量，提高了工作效率，有效解决了我校排课中出现的一些困难和麻烦。虽然，本研究所设计的排课系统较好地满足了我校排课工作的阶段性要求，但是，排课问题本身是一个复杂的多目标组合优化问题，影响因素多，数据量庞大，工作强度高。因此，有必要在今后的排课实践中加强研究和探索，不断完善和改进我校的排课系统设计，以满足将来在学分制条件下的排课需求和课程编排。

参考文献

[1]张健立,冯永祥.集宁师范学院排课系统的设计与实现[J].黑龙江教育学院学报,2015,34(1):27-28.

[2]雷景生,等.数据库原理及应用[M].清华大学出版社,2012.

[3]张艳红,王玲玲,腾东兴.基于空间模型和遗传算法的高校排课系统[J].计算机系统应用,2015,24(9):49-55.

[4]陈莎敏.基于遗传算法的自动排课系统的设计与实现[D].东北师范大学硕士学位论文,2011.

[5]吴松慧.基于遗传算法的智能排课系统设计与实现[D].苏州大学硕士学位论文,2016.

[6]张小红.高校排课系统的设计与实现[J].电子科技,2012,25(7):45-47.

作者：刘腾 吴仁协 范丽娜