排課系統(tǒng)的需求分析

排課系統(tǒng)的需求分析By梁健超排課問(wèn)題的描述排課問(wèn)題的目的是要在有限的教學(xué)資源情況及限定的教學(xué)環(huán)境下，滿足教師授課、班級(jí)上課在時(shí)間以及空間(教室安排)上的約束條件，并保證不會(huì)造成教師授課、班級(jí)上課在時(shí)間上、空間上的沖突。在此根底上，能夠使用應(yīng)付每學(xué)期的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中，學(xué)校各個(gè)方面因各種原因需要對(duì)課表作出調(diào)整的需求。同時(shí)，排課問(wèn)題針對(duì)于每一課程給予一個(gè)時(shí)段和教室，每位教師有數(shù)門教授課程，而且每門課程上課的次數(shù)也會(huì)根據(jù)其學(xué)分?jǐn)?shù)的多少而有所不同，同時(shí)每位教師也會(huì)對(duì)授課的時(shí)段乃到教室的設(shè)備條件等有不同的要求，尤其是時(shí)間更會(huì)有希望排課時(shí)段或不愿意排課時(shí)段。加上每門課程的授課條件不一，使得排課問(wèn)題有許多因素的限制。所以說(shuō)排課問(wèn)題是多因素組合問(wèn)題。影響排課的因素較多，歸納起來(lái)分兩大類：一是教學(xué)的主體對(duì)象因素，是指在排課問(wèn)題當(dāng)中參與教學(xué)活動(dòng)的主體，主要是指教師、班級(jí)、課程，這些對(duì)象在每個(gè)學(xué)期是可能會(huì)產(chǎn)生變動(dòng)的，可以說(shuō)是動(dòng)態(tài)的，是需要給予分配資源的對(duì)象。在排課過(guò)程中，這些主體對(duì)象必須保證其在空間、時(shí)間上是獨(dú)立而不沖突，排課問(wèn)題的核心就是解決這些主體對(duì)象因素在空間、時(shí)間的二維上的沖突。二是教學(xué)資源對(duì)象因素。是指在排課問(wèn)題當(dāng)中屬于被分配的資源，主要是指教室以及教學(xué)時(shí)間，而往往這些資源是有限的，而且資源是分種類的，如教室有分各種大小、設(shè)備配置也不一樣。其他因素還包括有教學(xué)方案、有教師個(gè)人喜好等。排課問(wèn)題是動(dòng)態(tài)組合問(wèn)題一方面表達(dá)在上述提及的問(wèn)題是互相影響、互相制約的，一個(gè)因素改變都會(huì)影響其他因素。另一方面，排課是效勞于教學(xué)的，學(xué)校會(huì)由于各種原因而造成對(duì)排課工作的影響，如教師出差、臨時(shí)的講座安排、學(xué)校其他事務(wù)及節(jié)假日等，所以排課問(wèn)題相當(dāng)復(fù)雜。1.1排課的根本要素教師:一般情況下，一個(gè)專業(yè)下的某一課程將會(huì)相對(duì)固定地由某一個(gè)教師進(jìn)行講授，但有可能上某一門課程的班級(jí)較多時(shí)，由多位教師講授同一門課程。課程：課程是由課程號(hào)決定的，同一課程名稱未必是同一課程，因?yàn)榭赡芩麄兯捎玫慕滩募敖虒W(xué)要求上會(huì)有所不同。每門課程都對(duì)教師以及教學(xué)資源有一定的要求，如英語(yǔ)聽力課，可能要求教室安裝有語(yǔ)音裝置。班級(jí)：本文將班級(jí)作為學(xué)習(xí)的一個(gè)排課要素，同一班級(jí)是指按照同一教學(xué)方案進(jìn)行學(xué)習(xí)的學(xué)生集合。教室：教室在本文當(dāng)中是作為一個(gè)重要的教學(xué)資源進(jìn)行規(guī)劃分配，排課問(wèn)題就是將教室當(dāng)作是一個(gè)有限的空間分配給排課的對(duì)象。時(shí)間：在學(xué)校當(dāng)中，時(shí)間可以指學(xué)年、學(xué)期、周、某一天。學(xué)校一般會(huì)安排一個(gè)學(xué)期的課表，而在時(shí)間上是以周次來(lái)表示。時(shí)間在排課問(wèn)題當(dāng)中，也是當(dāng)作另一個(gè)有限的資源分配給排課對(duì)象的。1.2排課的根本規(guī)那么一般情況下，不同規(guī)模、不同類型學(xué)校的約束條件的數(shù)量及類型上有可能會(huì)有所區(qū)別，這也是排課問(wèn)題很難找到通用解決方法的原因之一。我們可以對(duì)約束條件對(duì)于排課問(wèn)題的重要性來(lái)進(jìn)行人為的分類，分為硬約束及軟約束。硬約束——排課結(jié)果必須要滿足的約束條件，也可以稱作為排課的規(guī)那么。每個(gè)班級(jí)在同一時(shí)間內(nèi)，只能在一個(gè)教室上一門課程。同一教室在同一時(shí)間內(nèi)，只能上一門課程。同一老師在同一時(shí)間內(nèi)，只能在一個(gè)教室上一門課程。分配的教室應(yīng)該能夠容納上課的學(xué)生人數(shù)。有些課程必須安排在特定的教室進(jìn)行授課，如英語(yǔ)聽力，必須安排在語(yǔ)音室進(jìn)行。在一個(gè)學(xué)期結(jié)束前，必須安排每一門課程的所有教學(xué)學(xué)時(shí)要求。軟約束——可以不滿足的約束條件，但能滿足最好。平日相連單元不要為同一班級(jí)的學(xué)生安排課程，課程錯(cuò)開能夠減低學(xué)生上課學(xué)習(xí)的壓力。周末相連兩個(gè)單元能安排課程，減少學(xué)生到校學(xué)習(xí)的本錢。同一個(gè)班級(jí)能夠固定在某個(gè)范圍的教室內(nèi)上課。滿足個(gè)別老師授課的喜好時(shí)間。1.3排課的目標(biāo)根據(jù)以上排課問(wèn)題的約束條件，我們確定排課的以下目標(biāo)：課表中滿足所有硬約束，課表能夠讓教學(xué)活動(dòng)能夠順利進(jìn)行。排課問(wèn)題的主體對(duì)象可以時(shí)間及空間〔教室〕資源的使用過(guò)程當(dāng)中，不會(huì)產(chǎn)生沖突。在滿足硬約束的前提下，盡量滿足軟約束條件。軟約束的條件多，而且有些是相互聯(lián)系并形成矛盾，因此，須以多目標(biāo)優(yōu)化的角度，盡量滿足軟約束條件以提高課表的人性化、合理化。排課問(wèn)題是動(dòng)態(tài)的問(wèn)題，因此課表應(yīng)該能適應(yīng)這種實(shí)際情況，能夠根據(jù)各種情況進(jìn)行調(diào)整。排課的根本步驟排課問(wèn)題所涉及到數(shù)據(jù)對(duì)象多，需要多個(gè)處理步驟，這些步驟大致上可以分：數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程、數(shù)據(jù)編碼過(guò)程、算法排課過(guò)程、解碼及排課輸出等步驟，具體步驟的說(shuō)明如下：數(shù)據(jù)預(yù)處理是指為了實(shí)現(xiàn)排課，需要對(duì)原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，對(duì)單獨(dú)的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對(duì)缺乏的數(shù)據(jù)進(jìn)行生成。表間的關(guān)系結(jié)構(gòu)可參見后面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。排課的流程如示意圖1：圖1排課根本步驟圖2.1預(yù)處理工作流程每學(xué)期排課任務(wù)的預(yù)處理工作流程如下：首先，需要根據(jù)教學(xué)管理人員制定下學(xué)期的教學(xué)方案任務(wù)書，確定是否需要增加新的教學(xué)方案。一般情況下，新年級(jí)學(xué)生入學(xué)后，教學(xué)方案是作為其學(xué)習(xí)課程、進(jìn)度的最根本依據(jù)，一直到學(xué)習(xí)結(jié)束畢業(yè)，該方案都不會(huì)改變。而且同一專業(yè)各個(gè)年級(jí)間，教學(xué)方案是大致相同的，如果某一專業(yè)新教學(xué)方案發(fā)生改變，那么就需要增加教學(xué)方案。確定教學(xué)方案后，就要確定每門課程的授課老師名單。然后就可以增加新學(xué)期中的新的班級(jí)。排課是以班級(jí)作為其中的一個(gè)根本排課對(duì)象，有可能與實(shí)際的班級(jí)不一致，在此專指最終使用相同的課表的學(xué)生的集合，如果是學(xué)生自主選課，這種情況就更為常見。增加新班級(jí)后，還需要為新的班級(jí)選擇教學(xué)方案。接著就可以定義新學(xué)期的每個(gè)班級(jí)的開設(shè)課程。這要根據(jù)教學(xué)方案課程表中的課程的開設(shè)學(xué)期數(shù)與班級(jí)的入學(xué)季度相結(jié)合進(jìn)行一定的篩選得出開設(shè)課程方案。從而可以確定課程-班級(jí)-教師等主要三個(gè)教學(xué)的主體對(duì)象因素。在數(shù)據(jù)庫(kù)里為“tblTeacher_Course”表。另一方面，需要確定教學(xué)資源對(duì)象，即時(shí)間-教室的組合表。首先需要維護(hù)周表(tblWeek)及日表(tblDaySlot)，一般一個(gè)學(xué)期上課次數(shù)為18-20周。電大是屬于業(yè)余時(shí)間教學(xué)，一周上11個(gè)單元的課(后面有詳細(xì)說(shuō)明)。因此，通過(guò)上述兩個(gè)表進(jìn)行笛卡兒積運(yùn)算，得出可供排課安排的時(shí)間片表(“tblTimeSlot”)，然后對(duì)時(shí)間片表進(jìn)行定義，確定有哪些時(shí)間片是不安排授課的(如國(guó)家指定節(jié)假日)。然后，維護(hù)教室表(“tblRoom”)，確定本學(xué)期可共上課的教室資源，并對(duì)教室的類型(如：上機(jī)室、語(yǔ)音室等)進(jìn)行確認(rèn)。接著，對(duì)時(shí)間片表與教室表進(jìn)行組合，形成一個(gè)教學(xué)資源矩陣表“tblPkSource”。該表是時(shí)間片與教室形成的