高校实验室排课系统算法设计浅析

摘 要：为提高高校实验室的综合利用率、减轻其管理人员的工作量，更为实现排课周延、选课方便、上课精准的目标，有必要并且迫切需要利用实验室信息管理系统来进行排课，以系统自动排课代替传统手工排课。该文重点分析基于实验室信息管理系统的排课算法设计，阐述设计原则，提出关键问题，探讨可行性和有效性。

关键词：排课算法 设计原则 算法流程

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（b）-0144-02

近年来，高校扩招带来了教育规模扩大，高校在校学生数量增多，与此同时，高校毕业生动手能力弱、实践能力差也已成为不争的事实，并影响着他们顺利实现就业。因此，实验教学改革、实验室建设和管理也理所当然成为高等教育工作的重点之一。传统的手工排课已经不能适应迅猛发展和需求旺盛的实验教学需要，这一发展态势要求高校必须采用计算机信息管理系统来实现实验室的课程安排与布局，以提高排课的效率和精度，同时也节约人工成本。

1 实验室排课系统应实现的基本功能

依托实验室信息管理系统的实验室排课系统应具备以下功能：系统支持管理员、教师和学生三种不同身份人群的登录；通过排课系统，实验室管理员可以做到审核课程安排、自定义排课和查看课程安排信息；实验课授课教师可以提交课程安排、查询课程安排和查看实验室信息；成为注册用户的学生，可以查询课程安排、修改个人信息。以上由登录权限模块进行支撑，此模块包含了登录界面和登录验证处理内容。系统基础数据模块集成了学校学生及教师的个人信息、学校开设的实验课程、学校现有的院系班级和实验教室等信息。此外，系统还应设置信息维护模块，通过此模块对学生、教师和班级排课信息进行修改、删除等维护操作。当然，查询浏览模块也必不可少，根据关键词等查询条件，可以快速、准确地查找到需要的信息。

2 实验室排课算法设计应遵循的原则

高校实验室信息管理系统自动排课功能的实现，是在借鉴传统人工排课经验的基础上，利用计算机来选择合适的排课方案。排课问题涉及到实验时间、授课教师、上课学生和实验室等要素，不仅要依据学期初既定的教学计划，还要尽量满足各种特殊要求（如：特殊时间、特定教室、排课等级），这是组合规划问题，其实是解决各个要素之间的冲突，也可以说是一种用信息技术对抗和调和各种制约条件以达到课程安排最合理最优化的方案。对照实验室排课的一些约束性条件，经过整理、比较和归纳，发现编排高校实验室课程一般应遵循以下基本原则。

（1）排课“不冲突”原则。保证实验室排课不冲突，具体包括实验场地（机房）不冲突、实验教师上课时间不冲突、实验学生上课时间不冲突等，这是硬性条件，是基本规则，一旦违反了，就会酿成教学事故。

（2）排课实验室“基础达标”原则。实验室排课要充分考虑不同实验室的软硬件条件，要根据实验室的基本功能合理排课，保证排定的实验室“达标”，符合实验要求，为实验课提供“合规”“合理”的场地。

（3）排课“效用最优”原则。要对实验室、实验课程、实验师生进行调查研究，归纳“需求”，盘点“供给”，做好调度，实现各要素的有效对接、无缝衔接，这样才能发挥实验室效用的最大化、最优化，才能让实验课上出效率、讲出“效果”。比如，同一专业不同班级的实验课程进度要相当，实验教室的类别、功能要相同，实验教师也要相对固定。

3 在实际操作中对高校实验室排课算法的设计

3.1 选择算法的问题

目前，尚未有比较成熟的排课算法，也没有通用的排课系统。在该文中，笔者以回溯算法的结构为例进行实验室排课。因为许多复杂的、规模较大的问题都可以使用回溯法来进行解决，回溯算法有“通用解题方法”的美称。回溯算法控制结构的核心思想就是一点：“试着走，走不通时就回头”。这种算法向前搜索时是依据选优条件来求结果的，经过搜索比对，获知原有方案不符合要求或不是最优方案时，就后退进行二次选择、重新选择，再次尝试探寻最优路径，直至找到。回溯法就是一种选优搜索法。

3.2 优先排课的问题

实验室信息管理系统其排课功能一般是以预约排课为实现方式的，即实验课程上课时间由学校教务系统事先进行排定，或由实验教师提前自行约定。这样，当实验教师或相关教务人员一旦确定上课时间后，通过登录信息系统来进行实验室预约操作，系统会自动依据实验课程所需要的实验室参数进行排课。参数包括机位数量、硬软件环境等。一般情况下，会综合考虑选课人数、课程性质、实验室条件、实验室设备的使用年限等因素。比如依据选课人数安排实验，应“先大后小”，优先考虑大班。依据课程性质安排实验，应必修实验课优于选修实验课。依据实验室条件安排实验，应硬件要求在前，操作系统次之，教学软件最后。依据实验室设备使用年限安排实验，一般优先选用使用年限较短、设备较先进的实验室。

3.3 实现算法流程问题

（1）依据前述优先排课的方式，通过搜索，对当下的排课诉求安排空余的实验室进行解决。

（2）当排课诉求没有足够、适当的空余实验室满足时，即是当前扩展结点不能继续往纵深的方向移动时，这个时候，就考虑往回移动，可以移动到最近的活结点处，活结点同时被认可为当前扩展结点。

对（1）（2）所列的流程进行不断重复、试验，就可以找到符合系统要求的结果。

4 排课过程中“死锁”问题的解决

所谓“死锁”，是指虽然进行了准确有效输入，但排课诉求仍没有足够的资源进行支撑。解除“死锁”是排课算法要解决的关键问题，关键问题的重点是解决排课时间冲突问题。为什么会出现“死锁”问题呢，究其原因，资源约束条件与排课原则之间的冲突是最主要的。举个例子，如果在排课过程中，某一班级的某一课程一直没有符合条件的教师或实验场所，也就是说在某班级能够上某一实验课程的时间段里，找不到空闲的教师或教室，那么这门课程就不可排，带来的后果就是接下来的所有课程都安排不了，这个时候就出现了“死锁”现象。此次课程的安排受到前期安排课程的制约，同时也影响着后期课程的安排，这个时候就需要返回上一门课程的安排，通盘统筹考虑，重新作出调整。当发生“死锁”现象时，一般由管理员根据系统提示的原因来进行人工调整。具体有补充安装教学软件、对实验室信息管理系统的相关数据进行更新以及调整课程时间、增加教师、教室资源等。

5 结语

计算机技术在各个管理领域得到了深入而广泛的应用，依托计算机技术的实验室信息管理系统的排课功能如果开发得好、利用得好，不仅可以整合各种课程、师资、场地、设备资源，还有助于高校实验室实现规范化、科学化管理。基于回溯算法的实验室排课系统，不失为一种较好的路径选择，当然也可以基于遗传算法这一解决方案来进行排课问题的研究，原理虽有差异，但所要遵循的基本原则大体相似、所要追求的最终目标基本一致。随着研究的不断深入和实践的广泛应用，实验室自动排课系统一定会越来越成熟，越来越“给力”，在实验室管理和实验课程建设中发挥越来越重要的作用。

参考文献

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[2] 徐红丽，罗奇，张芳.实验室排课系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2015（15）：58-59.

[3] 刘海琴，周胜.基于回溯算法的实验室排课系统的分析与设计[J].电脑与信息技术，2012，20（5）：54-56.