排課系統(tǒng)的需求分析

排課系統(tǒng)的需求分析By梁健超排課問題的描述排課問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、班級上課在時間以及空間(教室安排)上的約束條件，并保證不會造成教師授課、班級上課在時間上、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)過程當(dāng)中，學(xué)校各個方面因各種原因需要對課表作出調(diào)整的需求。同時，排課問題針對于每一課程給予一個時段和教室，每位教師有數(shù)門教授課程，而且每門課程上課的次數(shù)也會根據(jù)其學(xué)分?jǐn)?shù)的多少而有所不同，同時每位教師也會對授課的時段乃到教室的設(shè)備條件等有不同的要求，尤其是時間更會有希望排課時段或不愿意排課時段。加上每門課程的授課條件不一，使得排課問題有許多因素的限制。所以說排課問題是多因素組合問題。影響排課的因素較多，歸納起來分兩大類：一是教學(xué)的主體對象因素，是指在排課問題當(dāng)中參與教學(xué)活動的主體，主要是指教師、班級、課程，這些對象在每個學(xué)期是可能會產(chǎn)生變動的，可以說是動態(tài)的，是需要給予分配資源的對象。在排課過程中，這些主體對象必須保證其在空間、時間上是獨立而不沖突，排課問題的核心就是解決這些主體對象因素在空間、時間的二維上的沖突。二是教學(xué)資源對象因素。是指在排課問題當(dāng)中屬于被分配的資源，主要是指教室以及教學(xué)時間，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、有教師個人喜好等。排課問題是動態(tài)組合問題一方面表達在上述提及的問題是互相影響、互相制約的，一個因素改變都會影響其他因素。另一方面，排課是效勞于教學(xué)的，學(xué)校會由于各種原因而造成對排課工作的影響，如教師出差、臨時的講座安排、學(xué)校其他事務(wù)及節(jié)假日等，所以排課問題相當(dāng)復(fù)雜。1.1排課的根本要素教師:一般情況下，一個專業(yè)下的某一課程將會相對固定地由某一個教師進行講授，但有可能上某一門課程的班級較多時，由多位教師講授同一門課程。課程：課程是由課程號決定的，同一課程名稱未必是同一課程，因為可能他們所采用的教材及教學(xué)要求上會有所不同。每門課程都對教師以及教學(xué)資源有一定的要求，如英語聽力課，可能要求教室安裝有語音裝置。班級：本文將班級作為學(xué)習(xí)的一個排課要素，同一班級是指按照同一教學(xué)方案進行學(xué)習(xí)的學(xué)生集合。教室：教室在本文當(dāng)中是作為一個重要的教學(xué)資源進行規(guī)劃分配，排課問題就是將教室當(dāng)作是一個有限的空間分配給排課的對象。時間：在學(xué)校當(dāng)中，時間可以指學(xué)年、學(xué)期、周、某一天。學(xué)校一般會安排一個學(xué)期的課表，而在時間上是以周次來表示。時間在排課問題當(dāng)中，也是當(dāng)作另一個有限的資源分配給排課對象的。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有所區(qū)別，這也是排課問題很難找到通用解決方法的原因之一。我們可以對約束條件對于排課問題的重要性來進行人為的分類，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。每個班級在同一時間內(nèi)，只能在一個教室上一門課程。同一教室在同一時間內(nèi)，只能上一門課程。同一老師在同一時間內(nèi)，只能在一個教室上一門課程。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行授課，如英語聽力，必須安排在語音室進行。在一個學(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的學(xué)生安排課程，課程錯開能夠減低學(xué)生上課學(xué)習(xí)的壓力。周末相連兩個單元能安排課程，減少學(xué)生到校學(xué)習(xí)的本錢。同一個班級能夠固定在某個范圍的教室內(nèi)上課。滿足個別老師授課的喜好時間。1.3排課的目標(biāo)根據(jù)以上排課問題的約束條件，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)活動能夠順利進行。排課問題的主體對象可以時間及空間〔教室〕資源的使用過程當(dāng)中，不會產(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。排課問題是動態(tài)的問題，因此課表應(yīng)該能適應(yīng)這種實際情況，能夠根據(jù)各種情況進行調(diào)整。排課的根本步驟排課問題所涉及到數(shù)據(jù)對象多，需要多個處理步驟，這些步驟大致上可以分：數(shù)據(jù)預(yù)處理過程、數(shù)據(jù)編碼過程、算法排課過程、解碼及排課輸出等步驟，具體步驟的說明如下：數(shù)據(jù)預(yù)處理是指為了實現(xiàn)排課，需要對原始的數(shù)據(jù)進行加工，對單獨的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，對缺乏的數(shù)據(jù)進行生成。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，新年級學(xué)生入學(xué)后，教學(xué)方案是作為其學(xué)習(xí)課程、進度的最根本依據(jù)，一直到學(xué)習(xí)結(jié)束畢業(yè)，該方案都不會改變。而且同一專業(yè)各個年級間，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。排課是以班級作為其中的一個根本排課對象，有可能與實際的班級不一致，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。增加新班級后，還需要為新的班級選擇教學(xué)方案。接著就可以定義新學(xué)期的每個班級的開設(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)與班級的入學(xué)季度相結(jié)合進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-教師等主要三個教學(xué)的主體對象因素。在數(shù)據(jù)庫里為“tblTeacher_Course”表。另一方面，需要確定教學(xué)資源對象，即時間-教室的組合表。首先需要維護周表(tblWeek)及日表(tblDaySlot)，一般一個學(xué)期上課次數(shù)為18-20周。電大是屬于業(yè)余時間教學(xué)，一周上11個單元的課(后面有詳細(xì)說明)。因此，通過上述兩個表進行笛卡兒積運算，得出可供排課安排的時間片表(“tblTimeSlot”)，然后對時間片表進行定義，確定有哪些時間片是不安排授課的(如國家指定節(jié)假日)。然后，維護教室表(“tblRoom”)，確定本學(xué)期可共上課的教室資源，并對教室的類型(如：上機室、語音室等)進行確認(rèn)。接著，對時間片表與教室表進行組合，形成一個教學(xué)資源矩陣表“tblPkSource”。該表是時間片與教室形成的