基于资源的人机交互排课系统的设计与实现研究

辛永涛

(武警学院 训练部，河北 廊坊 065000)



基于资源的人机交互排课系统的设计与实现研究

辛永涛

(武警学院 训练部，河北 廊坊 065000)

排课问题是一个NP完全问题，目前完全依靠计算机自动化无法进行有效排课，为提高排课工作的效率和课表的合理性、满意度，提出了建立基于资源的人机交互排课系统。从基本概念出发，构建了人机交互排课系统的模型，设计、实现了人机交互排课系统，并采用了多用户协同的排课工作方式。

人机交互排课系统；日历课表；校历课表；多用户协同；课表编排

排课就是将班级/学生、课程、教师、教室和时间等五个方面的因素进行排列组合，并尽可能调整到最优化，最后形成班级/学生、课程、教师、教室等五个维度的课程表的过程。排课问题已被证明是一个NP完全问题，“即若是用‘穷举法’之外的算法找出最佳解是不可能的”[1]，依靠计算机自动进行穷举排课，因为工作量大，成本高，时间长，根本无法实现[1]。为了降低成本，在计算机上实现自动排课，目前比较流行遗传算法、模拟退火算法、神经网络算法和蚁群算法等启发式算法[2]，因自动排课参数设置和后期人工调整复杂，在实际排课过程中的满意度较差。

同时，完全脱离计算机，依靠人工排课，在目前高等学校普遍实行学分制的背景下也是不现实的。笔者曾经使用传统纯手工模式编排过3个学期的课表，一个学期5万节课一般需要花费笔者3个月的时间，而且在排课过程中排课信息的上通下达极其麻烦，课表有关信息无法实时共享，课表冲突需要人工从教师、教室、班级等多个维度手工检测，课表编排的合理性检测需采用打电话的方式与教研室一一沟通，加之，选课制、培养方案调整、教学质量的动态监控等教学改革方面提出的要求，耗时耗力的传统手工排课已完全无法满足。

在笔者参与学院智慧校园建设过程中，特别是本专科教学管理信息系统建设过程中，笔者在查阅多篇文献[3-5]的基础上，提出从资源的角度，合理构建班级/学生、课程、教师、教师和时间等五个维度的关系，充分运用计算机在资源校验、冲突检测方面的特性，充分发挥人工排课在排课方案选定、经验积累和排课结果满意度高等优势，设计并实现了一种可多用户协同的人机交互排课系统。

一、基本概念

为明晰排课过程中各个概念之间的关系，将复杂的教学管理过程建立严格逻辑关系，用明确的基本概念降低排课工作的复杂度，需明确以下概念：

(一)课表

课表一般指日历课表，也称校历课表，这种课程能清晰地标明任何时间(天、节次)的课程安排，按照构成要素，又可将课表划分为班级/学生、教师、教室和课程等五个维度的日历课表。课表的实质是高校多种教学资源的调配、分配表。这种课表在合理设计的基础上一张A4纸能非常好地显示一个学期的课表。在计算机数据呈现形式上与电子日历、日程等程序非常相似，所以后期能较好地兼容日历、日程安排程序，便于信息化管理。笔者接触排课工作之初曾经查询过很多高校排课课表的样式，从查阅情况看，其他高校的课表都能转换为校历课表。本文所指课表就是日历课表(校历课表)。

(二)班级/学生、教师

班级/学生、教师是课表中的主体，体现了“学”“教”两个方面的资源，即班级/学生资源占用和教师资源占用。在排课过程中班级、学生和教师的课表在时间上都不能出现冲突，即同一时间，班级/学生和教师都能上“学”“教”一门课程。这一条件作为排课过程中的硬约束需要由排课系统实现。课表编排的好坏还与排课是否人性化、是否符合人类教、学的规律等方面有关，这些方面是排课的软约束，是影响排课的满意度的主要方面，需要靠人工解决。因排课过程中“学”的方面有时是班级，有时要打破班级，所以需要从学生、班级两个角度建立校验资源占用。

(三)课程

课程指教学的科目，一个学期的一个科目的所有教学单元就构成了一门课程。课程的教学内容、考核标准相同即为同一门课程。从教学时间划分上看，一门课程可由多个节次的课序构成。为更加详细地描述课程，可将课程的描述分为两种属性，一种是静态属性，像学分、学时、课程环节等课程描述信息不会随着学年学期、授课人的改变而改变的信息；另一种是动态属性，像课序划分、教学教室(场地)要求、课程人数要求、教学设备要求等方面随着课程学年学期的不同、教学改革的需要、任课教师的要求容易发生变化的方面。课程通过其众多静态属性和动态属性与教师、教室、时间等其他排课因素是相互影响的。

(四)教室

教室是一种重要的教学资源，是所有教学活动发生的场所，多媒体教室、计算机教室、语音教室、射击馆、运动场、训练场都是不同类型的教室。在排课过程中，一般情况下，教室也是不能冲突的，即同一时间只能安排一个教学任务。

二、人机交互排课模型的构建

排课的过程，虽然是将班级/学生、课程、教师、教室和时间等五个维度的信息进行优化排列组合的过程，但是具体工作中，五个维度的排列和组织是有一定规律和顺序的，是按照一定流程展开的。如图1所示，将排课的过程划分为三个阶段，按照规律和程序，逐步累加班级/学生、课程、教师、教室和时间等因素，历经教学计划发布、教学任务形成、排课等阶段后，最终形成班级、学生、课程、教师和教室五个维度的课表。

图1 人机交互排课模型图

(一)形成教学计划

第一阶段通过组合班级、学员和课程形成教学计划，也就是人才培养方案的制定工作。教学计划体现了人才培养方案的精髓，从根本上决定了高校的人才质量、培养特点和培养模式。教学计划是一所学校经过多年积累，经过多次论证，并经学院教学权威机构或者上级组织审核发布后实施的，是人才培养方案的具体实施计划，包括了所有应当学习的课程，或可选课程。在传统手工排课阶段一般按照专业确定人才培养方案，专业相同，培养方案和教学计划一般相同。但是，现代高等教育对学生个性化培养越来越重视，现代高校培养方案一般按照专业确定人才培养规格，在相同的规格要求下，提供课程的可选范围，由学生在规定的范围自主选择课程，自主确定教学计划。为每名学生制定专有的教学计划已逐渐成为一种趋势，比如英语分级教学、卓越人才培养等方案就是学员个性化教学计划的集中体现。在教学计划形成阶段，按照教学计划的个性化程度，可以班级为基本单位按照专业制定教学计划，也可以学员为基本单位为每名学员制定专有教学计划。

(二)形成教学任务

第二阶段形成教学任务。通过对承担教学计划的任课教师进行指定来落实教学计划，形成教学任务。落实教学计划形成教学任务需遵循课程的属性要求，特别是考量课程的动态属性，从课程的教学方法、改革需要、设备场地等要求上安排任课教师，最终需形成任课教师与课程属性要求相匹配的教学任务。在系统设计上，应从最细数据粒度对任课教师和课程进行任意匹配，实现任课教师的最灵活配置。也就是说，最小课序能安排任意多个教师就是最灵活的设计。一般情况下，一个课序的多个教师可以进行分工，比如，笔者所在的学校将任课教师划分为主讲教师和指导教师，并且确定一个课序只有一个主讲教师。落实教学任务过程中的其他要求在系统能灵活处理的前提下，可以通过约定的方式实施。

(三)形成多维度课表

第三阶段形成课表。对教学任务的教室和上课时间进行编排就形成了课表。在第三阶段需对排课过程中的资源进行最终的冲突检测，需校验班级/学生、教师、场地在时间维度上是否存在冲突，如果不存在冲突，则排课成功。为提高冲突校验的准确和效率，一般需建立班级/学生、教师和场地等要素的资源表，每次校验都是与资源表中的资源占用情况进行比对。计算机系统做好资源校验的同时，课表编配结果的合理性、满意度需要通过人机交互结构由人工完成。

三、系统的设计与实现

根据人机交互排课模型，按照排课三个阶段的不同任务，在教学管理信息系统建设过程中，对人机交互排课系统进行设计，主要包括系统运算的流程(如图2)和人机交互排课系统的界面。

(一)系统运算流程

在系统运算流程上，教学任务形成后，在排课过程中需对班级/学生、教师、教室和课程等方面的资源进行实时加载，加载完与当前排课任务有关的资源数据后，进行排课，完成当前的排课任务后，保存数据，并从班级、学生、教师、教室是否存在时间冲突的角度对数据进行校验，如果不冲突则校验通过，排课成功，如果存在冲突则校验不通过，再次对课程进行编排，修改排课的时间、场地后，再次保存、校验，直至得到计算机校验通过的、用户满意的排课结果。

图2 系统运算流程图

(二)人机交互排课界面

在人机交互排课界面设计上，对班级、学生、教师和教室等当前课程的排课情况进行全面的显示，使用户清晰看到所有与当前排课任务相关的资源占用情况。通过追加加载班级、学生、教师和教室资源占用情况，表示各种资源的综合占用情况。教室资

源虽然是冲突检测的硬性指标，但是在排课过程中对教室资源占用的加载需要额外的检测条件，因为在教学任务形成过程中关联教室资源不是强关联，所以需要用户根据教室资源的分配、功能等来选择加载教室资源。为了使排课时教室资源能够自动加载，如班级和教室存在固定的对应关系，可通过建立班级、教室对应关系来自动加载教室资源。

通过资源的加载，在人机交互排课界面上，也就是校历视图上形成了不可排课的时间和可排课的时间。不可排课的时间是当前教学任务班级、学生、教师或教室任一资源占用的时间，可排课时间是当前任务任一要素都不占用的时间。排课时，需要用户按照经验和规律在可排课的时间范围内对当前任务的时间和教室进行编排。

(三)系统的实现

系统在技术实现上充分利用了通过Java EE标准构架与SSH(Struts2+Spring+Hibernate)框架结合的特点与优点形成的框架来构件软件系统，使用业务逻辑封装、MVC三层模式构建等Web系统建设方法，采用了ORM技术实现对象与关系数据库的映射技术，以面向对象的方式实现对关系数据库的访问及跨平台功能；采用了Spring的IOC的技术来实现业务逻辑对象的生命周期管理，创建业务逻辑对象或本地服务对象；采用Spring的AOP技术实现了面向切面的编程模型，使事务控制、安全验证等公共技术与业务逻辑的实现相分离；采用Spring Security技术实现权限管理框架。

按照系统运算流程和人机交互界面的设计，笔者所在学校开发实现了这一人机交互排课系统。从实际排课使用情况看，以往3个月的排课工作，使用基于资源的人机交互排课系统后可将排课时间缩短到3周内，可以说，这一人机交互排课系统对课表编排的效率提高明显。

四、排课工作的组织实施

为从根本上杜绝传统手工排课阶段存在的排课工作无法协同、效率低、易出错等问题，从根本上提高课表编排的合理性和满意度，在设计、实现基于资源的人机交互排课系统之后，需要建立多用户协同排课工作模式。

多用户协同排课模式是指在人机交互排课系统上，通过约定和制度，建立由高校教学管理部门和课程承担单位共同参与的课程排课模式，如图3所示。

教学管理机关一般指高校教务部门，排课过程中负责下达教学计划，审核教学任务，分配排课任务，并对部分影响全局的基础类、公共类课程的课表进行编排。比如，一般大学英语课程因教学时间高度统一，需要由教学管理机关统一规划时间和编排。

课程承担单位一般指面向教学对象开设课程的教研室、实验室等单位。课程承担单位需按照教学管理机关下达的教学计划进行填报，形成教学任务，并根据分配的课程编排任务对所属课程进行编排。因系统资源实施加载、实施保存校验，所以在此阶段所有课程承担单位可以利用系统进行协同排课。

多用户协同排课模式在由计算机保障排课过程中各种资源不冲突的前提下，合理规划排课流程，利用人机交互排课系统，将排课任务进行划分，实现了课程承担单位实时协同排课。高校课程承担单位广泛参与排课，一方面可以广泛吸收多人在排课过程中积累的有效经验，避免传统只能由一个人进行排课存在的经验不足的问题；另一方面，通过多人协同将排课这一复杂的工作进行拆解、分工，降低排课工作难度，提高排课工作的效率。

图3 多用户协同排课工作流程图

五、结束语

随着计算机科学的不断发展，特别是云计算、分布式计算和大数据分析技术的不断成熟，高校智慧教学体系的不断完善，教学管理工作的信息化程度不断加强，排课工作作为教学管理复杂度最高的工作，也将越来越多地借助管理信息系统提高工作效率，提高排课结果的满意度。

[1] 唐闻,周爱明,彭剑.基于Web信息采集的排课系统研究[J].现代计算机(专业版),2010(9):156-158.

[2] 贾春花.高校排课系统研究与设计[D].贵阳:贵州大学,2009:12-13.

[3] 朱骏.基于人机交互式排课的教务管理系统设计与实现[D].南京:南京邮电大学,2015:20-21.

[4] 何昌莲.基于优先级的人机交互高校排课系统[D].成都:电子科技大学,2009:3-6.

[5] 郭赛君.面向高校统一教学资源排课问题的一种人机协同方法[D].大连:大连海事大学,2015:15-16.

(责任编辑 李献惠)

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

河北省高等教育教学改革研究与实践项目“战斗力标准与实战化教学训练模式构建”(2015GJJG243)阶段性

辛永涛(1982— )，男，河北廊坊人，讲师。

G647

A

1008-2077(2017)05-0061-05

成果