基于Microsoft Excel VBA编程的实验课程排课系统

摘 要 在以往的实验室管理中，实验课程的安排都是通过人工的方式实现，随着专业种类、学生人数的增多，实验科目也逐渐增多，无疑这种排课手段是非常落后的，以至于庞大的课时、复杂的实验室信息令实验室的管理人员无法合理、迅速、高效地制定出相应的排课计划，本文针对目前实验室排课技术落后、效率低下等问题，提出基于Microsoft Excel开发平台，采用Microsoft Excel VBA、VB等技术，实现对年级专业、实验课程的合理分配，满足实验室管理人员使用要求的实验课程排课系统。

【关键词】时间表问题 排课系统 Microsoft Excel VBA 算法 排列组合

1 引言

在高校中，验课程的编排是一项十分繁重而复杂的工作，由于近些年的扩招，实验室不能完全容纳班级人数，在这种情况下，就必须要对专业、实验课程、学生人数进行合理的组织安排，纯手工排课不仅效率低下而且还经常有出错的可能，通常都要修改三四次左右才可以将之公布给学生，既耗时又费力，种种难题难免给实验室管理人员带来极大的挑战。排课问题不仅是教学管理工作中必须面对的问题，而且也是运筹学中研究的一个问题--时间表问题（Time Table Problems，简记TTPS）。随着计算机技术的不断发展，并且在各领域得到了充分的应用，计算机有着手工管理所无法比拟的优点，其优点是能够极大地提高实验教学管理工作的效率，也是实现教育信息现代化的重要组成部分。因此应用计算机技术开发一个智能排课系统，既可以降低实验室管理人员的工作量又可以节省了时间，为教学工作带来方便，利用计算机辅助手段编排课表是实验室管理实现科学化、现代化、规范化的重要研究课题之一。

对于解决排课问题，相关人员已经采用了很多算法算法，如：FP-Growth关联规则算法，遗传算法，模拟退火算法，禁忌搜索算法，以及多种智能算法相结合的混合算法。这些算法都能在一定程度上解决排课问题，但也存在着一些不足：如对合班的情况考虑比较少。本文在相关理论知识的指导下，提出了一个适用于我校的实验教学排课系统的设计方法，并对一些具体的问题给出相应解决方案。

2 排课系统的设计与实现

排课系统就所要实现的功能而言，其结构功能如图1，该系统考虑了上课时间多样性、上课时间多变性、实验课程多样性及专业人数分组的多样性，使用了自动读取数据库管理模块信息、自动分类打印、可手动调节等动态管理。

2.1 实验课程排课规则

实验室课表安排就是根据理论课及实验课的教学计划，对一学期的每门实验课程进行规划，由于实验室人数的限制，将一个专业划分为数组，每一组是由在一起上课的部分学生组成的临时的上课单位。排课的过程实质上就是对上课单位与实验课程分配的过程。在实际应用中我们可以把排课问题看做是一个有约束的、多目标的、难解的组合而成的优化问题。因此在排课的过程中，必须遵守以下四条基本原则：

（1）每位教师在一个时间段内最多只能进行一门课的教学；

（2）每组的学生在一个时间段内最多只能进行一门实验课；

（3）每个实验室在一个时间段内最多只能有一组学生上课；

（4）每组的学生要在规定的时间内上完规定的实验课程。

也就是说，每个实验室在一个时间段内最多只能安排一个实验课程。此外，每个实验课程还必须与每组同学一一对应，并且所安排的课时数与教学计划中课程时数一致。为了使课表更加准确、合理，排课时还要考虑以下一些因素：

（1）实验课程的开设尽量安排到理论课进行完之后；

（2）尽可能使每一组的学生每天进行的实验课程趋于平衡；

（3）尽可能将实验课程安排到合理的时间，满足该专业的需求；

（4）尽可能的按照组号的顺序进行实验课程；

（5）实验课的安排应与其他教学活动时间没有冲突。

2.2 数据库的设计与实现

将数据库管理模块的每个属性内容按照专业的需求性，不需要填写的属性可以空出，不用填写，不会对系统造成任何影响，如图2，完成填写，之后按下排课按键，则在对应专业的显示界面中显示这一学期的实验课程排课情况，如图3。

课表就是将专业学生、实验课程、实验时间组合成一种新的关系，课表可以用这种关系代数表示。实现计算机自动排课的前提条件是将排课问题转化为数学模型。具体地，定义数个基本信息：专业信息关系：Major{M1，M2，M3，...，Mn}n个专业；课程信息关系：Course{C1， C2， C3，...，Cm}m个实验课程；时间信息关系：Time{T1，T2， T3，...，Tk}k个时间.（每个字母表示某个专业或某个课程或某个时间的所有排课的信息）定义一个产生的新关系：TimeTable{TT1， TT2，TT3，...}每个字母表示相关时段的课程信息。

3 排课系统分析

3.1 功能分析

排课系统是一个庞大而复杂的系统，在排课的整个过程中，始终伴随着元素的层次扫描和元素从旧集合到新集合的迁移。本论文所设计的排课系统具有如下基础功能：

（1）年级专业基础数据录入功能，包括：专业名称、专业分组数的相关信息的录入。

（2）实验基础数据录入功能：录入各专业实验名称、实验代码、实验数量信息等。

（3）实验时间安排的数据录入功能：根据专业的空余时间和实验数量录入合适的起始时间和结束时间。

（4）个别实验课程进行特殊设置：如，优先级设置，连续排课设置。

（5）特殊情况设置功能：能根据具体情况设置实验课程的排课。如：遇到节假日需要修改实验课程时间、教师有特殊情况需要调整试验时间等。

（6）在完成上述信息输入后，按下排课按钮能实现自动排课功能。

（7）在自动排课结束后可以人为手动地对排课情况进行调整，提高课表的满意度。

（8）查询功能：使用者利用Excel的基本操作能搜所需的相关信息。如：任意班级实验课表等。

3.2 结构分析

本排课系统是基于C/S的环境，把排课和数据库资源管理、课表输入模块结合在一起，排课工作计划具体到各个年级专业。各个年级专业在客户机上完成自己的课程计划，再通过互联网发到服务器中，服务器选择性的根据这些排课计划完成排课，把生成的课表再发放到各个年级专业中，各个年级专业可根据具体情况进行补课、调课等。

工具的便利性和语言的伸缩性是密不可分的，只有便利和工具，却没有伸缩性和Z言支撑，许多个性化的处理动作必需要消耗更多的工夫来处理完成。因此针对如何选择一个合适的开发工具尤为关键。而本排课系统用的是Microsoft VBA开发语言，该语言容易学习，调试也相对简单，当前的计算机硬件配置也完全能满足开发的需求，因此在技术上是绝对可行的；软件方面：为了减少系统设计时环境安装的复杂性，因此选择大家都熟悉的办公软件的 Excel实现该系统，这样可以免除熟悉软件环境的过程，而且可靠性能高、成本低，完全能满足系统的需求，操作上并没有太高的难度，所以在运行上是可行性的，而且本系统的开发，主要是对现有数据的处理，及数据的各种组合形式的输出，已无技术上的问题。本系统建成之后将为今后学院安排实验课程提供很大的方便。

4 排课工作流程与算法分析

在分析其他高校的排课算法的同时结合我院的实验室课程安排情况，设计了适用于我院实验课程安排的排课算法，充分考虑到了多种情况，该算法编程容易，易于实现。结果表明，该算法可以满足排课的各种规则，排出的课表较为合理，具有一定的实用性。

4.1 一般情况排课算法分析

应用计算机来实现自动排课需要解决的问题有：一如何决定实验课程次序，即优先开始哪些课程，才能使冲突的概率出现最小；二是如何为每门实验课程合理分配时间。

本系统采用优化穷举算法进行排课，首先计算出所有排课情况将众多排课情况划分优先级，先采用优先级高情况，若出现冲突，再选择其他情况直至完成排课。本系统以分阶段的形式进行排课，即把一学期分为几个阶段排课，以一周为一个阶段，即在时间上我们是按一周为单位来进行排课。将一天以两节课为单位划分成数个单元，每个单元或者被占用或者不被占用。根据数据库管理模块，读取所要安排实验课程的起始时间，即可确定第一个实验的位置，为了便于表示，我们将每门实验课程所做的实验用一串代码（甲、乙、丙...）表示，将实验代码与分组号一一匹配安排在相应的Excel的单元格中，如图3，为了实现上述功能，将Excel的单元格定义成一个结构体二维数组time_day（wk，dy）二维数组的下标wk表示所在的周，dy表示所在的某一天的第几节课，根据课程表格我们可以看出，具体时间可用一个二维坐标表示，

如（4，3）表示第四周周一的第1-2节课，此外我们在结构体里定义了两个数组class_zu（t）、class_sy（t），其中class_zu（t）用来存放组号；class_sy（t）用来存放实验代码。为了减少穷举法的时间复杂度，本系统将组号按照顺序安排设为最高优先级，即下一个组号为上一个组号加1。排课有多种情况，可能一个单元格只有一个实验代码和组号的连接，也可能有两个实验代码和组号的连接，不同情况分别有着不同的排课过程，所以需要前提判断是否已经排过实验了。其大致流程如图4，实验代码：

For wk = 起始周 To 结束周

For dy = 起始课时 To 结束课时

If 已经排了一门实验课程Then

time_day（wk， dy）.class_zu（t1） = “已经排的组号 + 1”

time_day（wk， dy）.class_sy（t1） = “实验代码”

flag1 = flag1 + 1

If 组号 = 分组数 Then

“组号初始化为1”

End If

If flag1 = 分组数 Then

flag1 = 0

“实验代码++”

End If

Else

time_day（wk， dy）.class_zu（t1） = “组号”

time_day（wk， dy）.class_sy（t1） = “实验代码”

“组号++”

If 组号 = 分组数+1 Then

“组号初始化为1”

“实验代码++”

End If

End If

Next dy

Next wk

4.2 节假日的情况的排课算法分析

本系统还考虑了节假日等特殊情况需要调节上课时间的功能，假若因某一周放假，实验课停课一周，则只需在规定的开始周设置为第七周即可，针对这种情况，本系统首要是判断规定的开始周是否为空，若不为空，则考虑节假日，并且接着节假日之前的排课记录继续进行，若为空，则正常进行循环排课，实验代码：

If 有节假日 Then

For wk = 节假后的起始周To 节假后的结束周

For dy = 节假后的起始课时To节假后的结束课时

time_day（wk， dy）.class_zu（t1） = “节假日之前的组号 + 1”

time_day（wk， dy）.class_sy（t1） = “实验代码”

“按照上述几种情况正常排课”

Next dy

Next wk

End If

4.3 分时进行实验情况

如图3，分时进行两种实验，针对这种情况，是因为专业分组数比较多，而另一个实验课时不多，但是为了满足实验课尽量在理论课进行完之后进行，所以将第二个实验一周只安排一个半天，第二门课的实验同样要保持每一组都要进行，这样不像前面所述的那种情况，两门课程同时进行后一门实验安排的组号仅仅是前一门实验组号加1即可，此类情况就不能单纯的采用前述的算法，即第二门课程实验的组号不能再是前一门实验组号加1，这时需要穷举出所有排列的情况，然后需要进行冲突检测，所以本系统在采用优化穷举法的基础上拓展了排列组合的算法，统计出所有的分组数的排列组合将其放入二维数组b（ai，aj）中，其核心思想是首先记录前一门实验另一个半天的组号赋给zu_jishu_shuzu1（xb1），然后将其与b（ai，aj）一一比较，将符合条件的组号赋给zu_jishu_shuzu2（xb2），最后再放入第二个实验的class_zu（t）即可。实验代码：

For wk = 节假后的起始周To 节假后的结束周

For dy = 节假后的起始课时To节假后的结束课时

zu_jishu_shuzu1（xb1） = “第一个实验的组号”

xb1 = xb1 + 1

组号++

If 组号=分组是 Then

“组号初始化为1”

End If

Next dy

Next wk

For ai = 0 To 119

For aj = 0 To 分组数- 1

If b（ai， aj） = zu_jishu_shuzu1（xb1） Then

xb1 = （xb1 ＼ 分组数） * 分组数

xb2 = （xb2 ＼ 分组数） * 分组数

aj = 分组数 - 1

Else

zu_jishu_shuzu2（xb2） = b（ai， aj）

xb2 = xb2 + 1

xb1 = xb1 + 1

Next aj

Next ai

5 结语

在以前实验室管理人员需要花费几个星期来完成实验课程的排课，运用本系统进行排课，能使实验室管理员的工作量大大减少。本实验室排课系统是基于Microsoft Excel平台采用VBA编程语言来实现，充分考虑到专业的人数的多样性、实验课程数量的多样性以及实验安排时间多样性以及可变性等问题，满足实验室管理人员的使用要求。

本排课系统主要有如下优点：

（1）对软硬件的要求不高，研发本系统的过程开销不高，极大的程度上节约成本。

（2）本系统操作简单方便，为后续的升级留有一定的扩展余量。

（3）本系统的适应能力强，考虑因素多。

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作者简介

过劲劲（1996-），男，大学。主要研究领域为计算机信息处理，身份证：341224199607121338。

曲立国（1979-），男，副教授/硕士。主要研究领域：智能控制及智能信息处理。身份证：220283197901133519。

作者单位

安徽师范大学 安徽省芜湖市 241000