辛永濤

(武警學(xué)院 訓(xùn)練部，河北 廊坊 065000)

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基于資源的人機(jī)交互排課系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究

辛永濤

(武警學(xué)院 訓(xùn)練部，河北 廊坊 065000)

排課問題是一個NP完全問題，目前完全依靠計算機(jī)自動化無法進(jìn)行有效排課，為提高排課工作的效率和課表的合理性、滿意度，提出了建立基于資源的人機(jī)交互排課系統(tǒng)。從基本概念出發(fā)，構(gòu)建了人機(jī)交互排課系統(tǒng)的模型，設(shè)計、實現(xiàn)了人機(jī)交互排課系統(tǒng)，并采用了多用戶協(xié)同的排課工作方式。

人機(jī)交互排課系統(tǒng)；日歷課表；校歷課表；多用戶協(xié)同；課表編排

排課就是將班級/學(xué)生、課程、教師、教室和時間等五個方面的因素進(jìn)行排列組合，并盡可能調(diào)整到最優(yōu)化，最后形成班級/學(xué)生、課程、教師、教室等五個維度的課程表的過程。排課問題已被證明是一個NP完全問題，“即若是用‘窮舉法’之外的算法找出最佳解是不可能的”[1]，依靠計算機(jī)自動進(jìn)行窮舉排課，因為工作量大，成本高，時間長，根本無法實現(xiàn)[1]。為了降低成本，在計算機(jī)上實現(xiàn)自動排課，目前比較流行遺傳算法、模擬退火算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和蟻群算法等啟發(fā)式算法[2]，因自動排課參數(shù)設(shè)置和后期人工調(diào)整復(fù)雜，在實際排課過程中的滿意度較差。

同時，完全脫離計算機(jī)，依靠人工排課，在目前高等學(xué)校普遍實行學(xué)分制的背景下也是不現(xiàn)實的。筆者曾經(jīng)使用傳統(tǒng)純手工模式編排過3個學(xué)期的課表，一個學(xué)期5萬節(jié)課一般需要花費(fèi)筆者3個月的時間，而且在排課過程中排課信息的上通下達(dá)極其麻煩，課表有關(guān)信息無法實時共享，課表沖突需要人工從教師、教室、班級等多個維度手工檢測，課表編排的合理性檢測需采用打電話的方式與教研室一一溝通，加之，選課制、培養(yǎng)方案調(diào)整、教學(xué)質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)控等教學(xué)改革方面提出的要求，耗時耗力的傳統(tǒng)手工排課已完全無法滿足。

在筆者參與學(xué)院智慧校園建設(shè)過程中，特別是本?？平虒W(xué)管理信息系統(tǒng)建設(shè)過程中，筆者在查閱多篇文獻(xiàn)[3-5]的基礎(chǔ)上，提出從資源的角度，合理構(gòu)建班級/學(xué)生、課程、教師、教師和時間等五個維度的關(guān)系，充分運(yùn)用計算機(jī)在資源校驗、沖突檢測方面的特性，充分發(fā)揮人工排課在排課方案選定、經(jīng)驗積累和排課結(jié)果滿意度高等優(yōu)勢，設(shè)計并實現(xiàn)了一種可多用戶協(xié)同的人機(jī)交互排課系統(tǒng)。

一、基本概念

為明晰排課過程中各個概念之間的關(guān)系，將復(fù)雜的教學(xué)管理過程建立嚴(yán)格邏輯關(guān)系，用明確的基本概念降低排課工作的復(fù)雜度，需明確以下概念：

(一)課表

課表一般指日歷課表，也稱校歷課表，這種課程能清晰地標(biāo)明任何時間(天、節(jié)次)的課程安排，按照構(gòu)成要素，又可將課表劃分為班級/學(xué)生、教師、教室和課程等五個維度的日歷課表。課表的實質(zhì)是高校多種教學(xué)資源的調(diào)配、分配表。這種課表在合理設(shè)計的基礎(chǔ)上一張A4紙能非常好地顯示一個學(xué)期的課表。在計算機(jī)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式上與電子日歷、日程等程序非常相似，所以后期能較好地兼容日歷、日程安排程序，便于信息化管理。筆者接觸排課工作之初曾經(jīng)查詢過很多高校排課課表的樣式，從查閱情況看，其他高校的課表都能轉(zhuǎn)換為校歷課表。本文所指課表就是日歷課表(校歷課表)。

(二)班級/學(xué)生、教師

班級/學(xué)生、教師是課表中的主體，體現(xiàn)了“學(xué)”“教”兩個方面的資源，即班級/學(xué)生資源占用和教師資源占用。在排課過程中班級、學(xué)生和教師的課表在時間上都不能出現(xiàn)沖突，即同一時間，班級/學(xué)生和教師都能上“學(xué)”“教”一門課程。這一條件作為排課過程中的硬約束需要由排課系統(tǒng)實現(xiàn)。課表編排的好壞還與排課是否人性化、是否符合人類教、學(xué)的規(guī)律等方面有關(guān)，這些方面是排課的軟約束，是影響排課的滿意度的主要方面，需要靠人工解決。因排課過程中“學(xué)”的方面有時是班級，有時要打破班級，所以需要從學(xué)生、班級兩個角度建立校驗資源占用。

(三)課程

課程指教學(xué)的科目，一個學(xué)期的一個科目的所有教學(xué)單元就構(gòu)成了一門課程。課程的教學(xué)內(nèi)容、考核標(biāo)準(zhǔn)相同即為同一門課程。從教學(xué)時間劃分上看，一門課程可由多個節(jié)次的課序構(gòu)成。為更加詳細(xì)地描述課程，可將課程的描述分為兩種屬性，一種是靜態(tài)屬性，像學(xué)分、學(xué)時、課程環(huán)節(jié)等課程描述信息不會隨著學(xué)年學(xué)期、授課人的改變而改變的信息；另一種是動態(tài)屬性，像課序劃分、教學(xué)教室(場地)要求、課程人數(shù)要求、教學(xué)設(shè)備要求等方面隨著課程學(xué)年學(xué)期的不同、教學(xué)改革的需要、任課教師的要求容易發(fā)生變化的方面。課程通過其眾多靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性與教師、教室、時間等其他排課因素是相互影響的。

(四)教室

教室是一種重要的教學(xué)資源，是所有教學(xué)活動發(fā)生的場所，多媒體教室、計算機(jī)教室、語音教室、射擊館、運(yùn)動場、訓(xùn)練場都是不同類型的教室。在排課過程中，一般情況下，教室也是不能沖突的，即同一時間只能安排一個教學(xué)任務(wù)。

二、人機(jī)交互排課模型的構(gòu)建

排課的過程，雖然是將班級/學(xué)生、課程、教師、教室和時間等五個維度的信息進(jìn)行優(yōu)化排列組合的過程，但是具體工作中，五個維度的排列和組織是有一定規(guī)律和順序的，是按照一定流程展開的。如圖1所示，將排課的過程劃分為三個階段，按照規(guī)律和程序，逐步累加班級/學(xué)生、課程、教師、教室和時間等因素，歷經(jīng)教學(xué)計劃發(fā)布、教學(xué)任務(wù)形成、排課等階段后，最終形成班級、學(xué)生、課程、教師和教室五個維度的課表。

圖1 人機(jī)交互排課模型圖

(一)形成教學(xué)計劃

第一階段通過組合班級、學(xué)員和課程形成教學(xué)計劃，也就是人才培養(yǎng)方案的制定工作。教學(xué)計劃體現(xiàn)了人才培養(yǎng)方案的精髓，從根本上決定了高校的人才質(zhì)量、培養(yǎng)特點(diǎn)和培養(yǎng)模式。教學(xué)計劃是一所學(xué)校經(jīng)過多年積累，經(jīng)過多次論證，并經(jīng)學(xué)院教學(xué)權(quán)威機(jī)構(gòu)或者上級組織審核發(fā)布后實施的，是人才培養(yǎng)方案的具體實施計劃，包括了所有應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)的課程，或可選課程。在傳統(tǒng)手工排課階段一般按照專業(yè)確定人才培養(yǎng)方案，專業(yè)相同，培養(yǎng)方案和教學(xué)計劃一般相同。但是，現(xiàn)代高等教育對學(xué)生個性化培養(yǎng)越來越重視，現(xiàn)代高校培養(yǎng)方案一般按照專業(yè)確定人才培養(yǎng)規(guī)格，在相同的規(guī)格要求下，提供課程的可選范圍，由學(xué)生在規(guī)定的范圍自主選擇課程，自主確定教學(xué)計劃。為每名學(xué)生制定專有的教學(xué)計劃已逐漸成為一種趨勢，比如英語分級教學(xué)、卓越人才培養(yǎng)等方案就是學(xué)員個性化教學(xué)計劃的集中體現(xiàn)。在教學(xué)計劃形成階段，按照教學(xué)計劃的個性化程度，可以班級為基本單位按照專業(yè)制定教學(xué)計劃，也可以學(xué)員為基本單位為每名學(xué)員制定專有教學(xué)計劃。

(二)形成教學(xué)任務(wù)

第二階段形成教學(xué)任務(wù)。通過對承擔(dān)教學(xué)計劃的任課教師進(jìn)行指定來落實教學(xué)計劃，形成教學(xué)任務(wù)。落實教學(xué)計劃形成教學(xué)任務(wù)需遵循課程的屬性要求，特別是考量課程的動態(tài)屬性，從課程的教學(xué)方法、改革需要、設(shè)備場地等要求上安排任課教師，最終需形成任課教師與課程屬性要求相匹配的教學(xué)任務(wù)。在系統(tǒng)設(shè)計上，應(yīng)從最細(xì)數(shù)據(jù)粒度對任課教師和課程進(jìn)行任意匹配，實現(xiàn)任課教師的最靈活配置。也就是說，最小課序能安排任意多個教師就是最靈活的設(shè)計。一般情況下，一個課序的多個教師可以進(jìn)行分工，比如，筆者所在的學(xué)校將任課教師劃分為主講教師和指導(dǎo)教師，并且確定一個課序只有一個主講教師。落實教學(xué)任務(wù)過程中的其他要求在系統(tǒng)能靈活處理的前提下，可以通過約定的方式實施。

(三)形成多維度課表

第三階段形成課表。對教學(xué)任務(wù)的教室和上課時間進(jìn)行編排就形成了課表。在第三階段需對排課過程中的資源進(jìn)行最終的沖突檢測，需校驗班級/學(xué)生、教師、場地在時間維度上是否存在沖突，如果不存在沖突，則排課成功。為提高沖突校驗的準(zhǔn)確和效率，一般需建立班級/學(xué)生、教師和場地等要素的資源表，每次校驗都是與資源表中的資源占用情況進(jìn)行比對。計算機(jī)系統(tǒng)做好資源校驗的同時，課表編配結(jié)果的合理性、滿意度需要通過人機(jī)交互結(jié)構(gòu)由人工完成。

三、系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)人機(jī)交互排課模型，按照排課三個階段的不同任務(wù)，在教學(xué)管理信息系統(tǒng)建設(shè)過程中，對人機(jī)交互排課系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，主要包括系統(tǒng)運(yùn)算的流程(如圖2)和人機(jī)交互排課系統(tǒng)的界面。

(一)系統(tǒng)運(yùn)算流程

在系統(tǒng)運(yùn)算流程上，教學(xué)任務(wù)形成后，在排課過程中需對班級/學(xué)生、教師、教室和課程等方面的資源進(jìn)行實時加載，加載完與當(dāng)前排課任務(wù)有關(guān)的資源數(shù)據(jù)后，進(jìn)行排課，完成當(dāng)前的排課任務(wù)后，保存數(shù)據(jù)，并從班級、學(xué)生、教師、教室是否存在時間沖突的角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，如果不沖突則校驗通過，排課成功，如果存在沖突則校驗不通過，再次對課程進(jìn)行編排，修改排課的時間、場地后，再次保存、校驗，直至得到計算機(jī)校驗通過的、用戶滿意的排課結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)算流程圖

(二)人機(jī)交互排課界面

在人機(jī)交互排課界面設(shè)計上，對班級、學(xué)生、教師和教室等當(dāng)前課程的排課情況進(jìn)行全面的顯示，使用戶清晰看到所有與當(dāng)前排課任務(wù)相關(guān)的資源占用情況。通過追加加載班級、學(xué)生、教師和教室資源占用情況，表示各種資源的綜合占用情況。教室資

源雖然是沖突檢測的硬性指標(biāo)，但是在排課過程中對教室資源占用的加載需要額外的檢測條件，因為在教學(xué)任務(wù)形成過程中關(guān)聯(lián)教室資源不是強(qiáng)關(guān)聯(lián)，所以需要用戶根據(jù)教室資源的分配、功能等來選擇加載教室資源。為了使排課時教室資源能夠自動加載，如班級和教室存在固定的對應(yīng)關(guān)系，可通過建立班級、教室對應(yīng)關(guān)系來自動加載教室資源。

通過資源的加載，在人機(jī)交互排課界面上，也就是校歷視圖上形成了不可排課的時間和可排課的時間。不可排課的時間是當(dāng)前教學(xué)任務(wù)班級、學(xué)生、教師或教室任一資源占用的時間，可排課時間是當(dāng)前任務(wù)任一要素都不占用的時間。排課時，需要用戶按照經(jīng)驗和規(guī)律在可排課的時間范圍內(nèi)對當(dāng)前任務(wù)的時間和教室進(jìn)行編排。

(三)系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)在技術(shù)實現(xiàn)上充分利用了通過Java EE標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架與SSH(Struts2+Spring+Hibernate)框架結(jié)合的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)形成的框架來構(gòu)件軟件系統(tǒng)，使用業(yè)務(wù)邏輯封裝、MVC三層模式構(gòu)建等Web系統(tǒng)建設(shè)方法，采用了ORM技術(shù)實現(xiàn)對象與關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射技術(shù)，以面向?qū)ο蟮姆绞綄崿F(xiàn)對關(guān)系數(shù)據(jù)庫的訪問及跨平臺功能；采用了Spring的IOC的技術(shù)來實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯對象的生命周期管理，創(chuàng)建業(yè)務(wù)邏輯對象或本地服務(wù)對象；采用Spring的AOP技術(shù)實現(xiàn)了面向切面的編程模型，使事務(wù)控制、安全驗證等公共技術(shù)與業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)相分離；采用Spring Security技術(shù)實現(xiàn)權(quán)限管理框架。

按照系統(tǒng)運(yùn)算流程和人機(jī)交互界面的設(shè)計，筆者所在學(xué)校開發(fā)實現(xiàn)了這一人機(jī)交互排課系統(tǒng)。從實際排課使用情況看，以往3個月的排課工作，使用基于資源的人機(jī)交互排課系統(tǒng)后可將排課時間縮短到3周內(nèi)，可以說，這一人機(jī)交互排課系統(tǒng)對課表編排的效率提高明顯。

四、排課工作的組織實施

為從根本上杜絕傳統(tǒng)手工排課階段存在的排課工作無法協(xié)同、效率低、易出錯等問題，從根本上提高課表編排的合理性和滿意度，在設(shè)計、實現(xiàn)基于資源的人機(jī)交互排課系統(tǒng)之后，需要建立多用戶協(xié)同排課工作模式。

多用戶協(xié)同排課模式是指在人機(jī)交互排課系統(tǒng)上，通過約定和制度，建立由高校教學(xué)管理部門和課程承擔(dān)單位共同參與的課程排課模式，如圖3所示。

教學(xué)管理機(jī)關(guān)一般指高校教務(wù)部門，排課過程中負(fù)責(zé)下達(dá)教學(xué)計劃，審核教學(xué)任務(wù)，分配排課任務(wù)，并對部分影響全局的基礎(chǔ)類、公共類課程的課表進(jìn)行編排。比如，一般大學(xué)英語課程因教學(xué)時間高度統(tǒng)一，需要由教學(xué)管理機(jī)關(guān)統(tǒng)一規(guī)劃時間和編排。

課程承擔(dān)單位一般指面向教學(xué)對象開設(shè)課程的教研室、實驗室等單位。課程承擔(dān)單位需按照教學(xué)管理機(jī)關(guān)下達(dá)的教學(xué)計劃進(jìn)行填報，形成教學(xué)任務(wù)，并根據(jù)分配的課程編排任務(wù)對所屬課程進(jìn)行編排。因系統(tǒng)資源實施加載、實施保存校驗，所以在此階段所有課程承擔(dān)單位可以利用系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同排課。

多用戶協(xié)同排課模式在由計算機(jī)保障排課過程中各種資源不沖突的前提下，合理規(guī)劃排課流程，利用人機(jī)交互排課系統(tǒng)，將排課任務(wù)進(jìn)行劃分，實現(xiàn)了課程承擔(dān)單位實時協(xié)同排課。高校課程承擔(dān)單位廣泛參與排課，一方面可以廣泛吸收多人在排課過程中積累的有效經(jīng)驗，避免傳統(tǒng)只能由一個人進(jìn)行排課存在的經(jīng)驗不足的問題；另一方面，通過多人協(xié)同將排課這一復(fù)雜的工作進(jìn)行拆解、分工，降低排課工作難度，提高排課工作的效率。

圖3 多用戶協(xié)同排課工作流程圖

五、結(jié)束語

隨著計算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，特別是云計算、分布式計算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的不斷成熟，高校智慧教學(xué)體系的不斷完善，教學(xué)管理工作的信息化程度不斷加強(qiáng)，排課工作作為教學(xué)管理復(fù)雜度最高的工作，也將越來越多地借助管理信息系統(tǒng)提高工作效率，提高排課結(jié)果的滿意度。

[1] 唐聞,周愛明,彭劍.基于Web信息采集的排課系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代計算機(jī)(專業(yè)版),2010(9):156-158.

[2] 賈春花.高校排課系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].貴陽:貴州大學(xué),2009:12-13.

[3] 朱駿.基于人機(jī)交互式排課的教務(wù)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京:南京郵電大學(xué),2015:20-21.

[4] 何昌蓮.基于優(yōu)先級的人機(jī)交互高校排課系統(tǒng)[D].成都:電子科技大學(xué),2009:3-6.

[5] 郭賽君.面向高校統(tǒng)一教學(xué)資源排課問題的一種人機(jī)協(xié)同方法[D].大連:大連海事大學(xué),2015:15-16.

(責(zé)任編輯 李獻(xiàn)惠)

Research on Resource-based Human-computer Interaction Course Scheduling System

XIN Yongtao

(Staff Office, The Armed Police Academy, Langfang, Hebei Province 065000, China)

The course scheduling is a NP complete problem. Current course scheduling cannot rely entirely on computer automation. In order to improve the rationality, efficiency and satisfaction level, this paper proposes a resource-based human-computer interaction course scheduling system, and expounds the basic concept of a human-computer interaction course scheduling model, the design and construction of a human-computer interaction course scheduling system which enables multi-user collaborative scheduling.

human-computer interaction course scheduling system; calendar course schedule； school calendar course schedule; multi-user collaboration; course scheduling

2016-10-10

河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“戰(zhàn)斗力標(biāo)準(zhǔn)與實戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練模式構(gòu)建”(2015GJJG243)階段性

辛永濤(1982— )，男，河北廊坊人，講師。

G647

A

1008-2077(2017)05-0061-05

成果