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(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

辛永濤

(武警學(xué)院 訓(xùn)練部，河北 廊坊 065000)

排課問(wèn)題是一個(gè)NP完全問(wèn)題，目前完全依靠計(jì)算機(jī)自動(dòng)化無(wú)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(jì)、實(shí)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(jí)/學(xué)生、課程、教師、教室和時(shí)間等五個(gè)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(jí)/學(xué)生、課程、教師、教室等五個(gè)維度的課程表的過(guò)程。排課問(wèn)題已被證明是一個(gè)NP完全問(wèn)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(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行窮舉排課，因?yàn)楣ぷ髁看螅杀靖撸瑫r(shí)間長(zhǎng)，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)[1]。為了降低成本，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)排課參數(shù)設(shè)置和后期人工調(diào)整復(fù)雜，在實(shí)際排課過(guò)程中的滿意度較差。

同時(shí)，完全脫離計(jì)算機(jī)，依靠人工排課，在目前高等學(xué)校普遍實(shí)行學(xué)分制的背景下也是不現(xiàn)實(shí)的。筆者曾經(jīng)使用傳統(tǒng)純手工模式編排過(guò)3個(gè)學(xué)期的課表，一個(gè)學(xué)期5萬(wàn)節(jié)課一般需要花費(fèi)筆者3個(gè)月的時(shí)間，而且在排課過(guò)程中排課信息的上通下達(dá)極其麻煩，課表有關(guān)信息無(wú)法實(shí)時(shí)共享，課表沖突需要人工從教師、教室、班級(jí)等多個(gè)維度手工檢測(cè)，課表編排的合理性檢測(cè)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(dòng)態(tài)監(jiān)控等教學(xué)改革方面提出的要求，耗時(shí)耗力的傳統(tǒng)手工排課已完全無(wú)法滿足。

在筆者參與學(xué)院智慧校園建設(shè)過(guò)程中，特別是本專(zhuān)科教學(xué)管理信息系統(tǒng)建設(shè)過(guò)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(jí)/學(xué)生、課程、教師、教師和時(shí)間等五個(gè)維度的關(guān)系，充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)在資源校驗(yàn)、沖突檢測(cè)方面的特性，充分發(fā)揮人工排課在排課方案選定、經(jīng)驗(yàn)積累和排課結(jié)果滿意度高等優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)并實(shí)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(guò)程中各個(gè)概念之間的關(guān)系，將復(fù)雜的教學(xué)管理過(guò)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(chēng)校歷課表，這種課程能清晰地標(biāo)明任何時(shí)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(jí)/學(xué)生、教師、教室和課程等五個(gè)維度的日歷課表。課表的實(shí)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(jì)的基礎(chǔ)上一張A4紙能非常好地顯示一個(gè)學(xué)期的課表。在計(jì)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(xún)過(guò)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(jí)/學(xué)生、教師

班級(jí)/學(xué)生、教師是課表中的主體，體現(xiàn)了“學(xué)”“教”兩個(gè)方面的資源，即班級(jí)/學(xué)生資源占用和教師資源占用。在排課過(guò)程中班級(jí)、學(xué)生和教師的課表在時(shí)間上都不能出現(xiàn)沖突，即同一時(shí)間，班級(jí)/學(xué)生和教師都能上“學(xué)”“教”一門(mén)課程。這一條件作為排課過(guò)程中的硬約束需要由排課系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。課表編排的好壞還與排課是否人性化、是否符合人類(lèi)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(guò)程中“學(xué)”的方面有時(shí)是班級(jí)，有時(shí)要打破班級(jí)，所以需要從學(xué)生、班級(jí)兩個(gè)角度建立校驗(yàn)資源占用。

(三)課程

課程指教學(xué)的科目，一個(gè)學(xué)期的一個(gè)科目的所有教學(xué)單元就構(gòu)成了一門(mén)課程。課程的教學(xué)內(nèi)容、考核標(biāo)準(zhǔn)相同即為同一門(mén)課程。從教學(xué)時(shí)間劃分上看，一門(mén)課程可由多個(gè)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(shí)、課程環(huán)節(jié)等課程描述信息不會(huì)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(dòng)態(tài)屬性，像課序劃分、教學(xué)教室(場(chǎng)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(guò)其眾多靜態(tài)屬性和動(dòng)態(tài)屬性與教師、教室、時(shí)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(dòng)發(fā)生的場(chǎng)所，多媒體教室、計(jì)算機(jī)教室、語(yǔ)音教室、射擊館、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、訓(xùn)練場(chǎng)都是不同類(lèi)型的教室。在排課過(guò)程中，一般情況下，教室也是不能沖突的，即同一時(shí)間只能安排一個(gè)教學(xué)任務(wù)。

二、人機(jī)交互排課模型的構(gòu)建

排課的過(guò)程，雖然是將班級(jí)/學(xué)生、課程、教師、教室和時(shí)間等五個(gè)維度的信息進(jìn)行優(yōu)化排列組合的過(guò)程，但是具體工作中，五個(gè)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(kāi)的。如圖1所示，將排課的過(guò)程劃分為三個(gè)階段，按照規(guī)律和程序，逐步累加班級(jí)/學(xué)生、課程、教師、教室和時(shí)間等因素，歷經(jīng)教學(xué)計(jì)劃發(fā)布、教學(xué)任務(wù)形成、排課等階段后，最終形成班級(jí)、學(xué)生、課程、教師和教室五個(gè)維度的課表。

圖1 人機(jī)交互排課模型圖

(一)形成教學(xué)計(jì)劃

第一階段通過(guò)組合班級(jí)、學(xué)員和課程形成教學(xué)計(jì)劃，也就是人才培養(yǎng)方案的制定工作。教學(xué)計(jì)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(jì)劃是一所學(xué)校經(jīng)過(guò)多年積累，經(jīng)過(guò)多次論證，并經(jīng)學(xué)院教學(xué)權(quán)威機(jī)構(gòu)或者上級(jí)組織審核發(fā)布后實(shí)施的，是人才培養(yǎng)方案的具體實(shí)施計(jì)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(zhuān)業(yè)確定人才培養(yǎng)方案，專(zhuān)業(yè)相同，培養(yǎng)方案和教學(xué)計(jì)劃一般相同。但是，現(xiàn)代高等教育對(duì)學(xué)生個(gè)性化培養(yǎng)越來(lái)越重視，現(xiàn)代高校培養(yǎng)方案一般按照專(zhuān)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(jì)劃。為每名學(xué)生制定專(zhuān)有的教學(xué)計(jì)劃已逐漸成為一種趨勢(shì)，比如英語(yǔ)分級(jí)教學(xué)、卓越人才培養(yǎng)等方案就是學(xué)員個(gè)性化教學(xué)計(jì)劃的集中體現(xiàn)。在教學(xué)計(jì)劃形成階段，按照教學(xué)計(jì)劃的個(gè)性化程度，可以班級(jí)為基本單位按照專(zhuān)業(yè)制定教學(xué)計(jì)劃，也可以學(xué)員為基本單位為每名學(xué)員制定專(zhuān)有教學(xué)計(jì)劃。

(二)形成教學(xué)任務(wù)

第二階段形成教學(xué)任務(wù)。通過(guò)對(duì)承擔(dān)教學(xué)計(jì)劃的任課教師進(jìn)行指定來(lái)落實(shí)教學(xué)計(jì)劃，形成教學(xué)任務(wù)。落實(shí)教學(xué)計(jì)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(dòng)態(tài)屬性，從課程的教學(xué)方法、改革需要、設(shè)備場(chǎng)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(jì)上，應(yīng)從最細(xì)數(shù)據(jù)粒度對(duì)任課教師和課程進(jìn)行任意匹配，實(shí)現(xiàn)任課教師的最靈活配置。也就是說(shuō)，最小課序能安排任意多個(gè)教師就是最靈活的設(shè)計(jì)。一般情況下，一個(gè)課序的多個(gè)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(gè)課序只有一個(gè)主講教師。落實(shí)教學(xué)任務(wù)過(guò)程中的其他要求在系統(tǒng)能靈活處理的前提下，可以通過(guò)約定的方式實(shí)施。

(三)形成多維度課表

第三階段形成課表。對(duì)教學(xué)任務(wù)的教室和上課時(shí)間進(jìn)行編排就形成了課表。在第三階段需對(duì)排課過(guò)程中的資源進(jìn)行最終的沖突檢測(cè)，需校驗(yàn)班級(jí)/學(xué)生、教師、場(chǎng)地在時(shí)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(yàn)的準(zhǔn)確和效率，一般需建立班級(jí)/學(xué)生、教師和場(chǎng)地等要素的資源表，每次校驗(yàn)都是與資源表中的資源占用情況進(jìn)行比對(duì)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做好資源校驗(yàn)的同時(shí)，課表編配結(jié)果的合理性、滿意度需要通過(guò)人機(jī)交互結(jié)構(gòu)由人工完成。

三、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)人機(jī)交互排課模型，按照排課三個(gè)階段的不同任務(wù)，在教學(xué)管理信息系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，對(duì)人機(jī)交互排課系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guò)程中需對(duì)班級(jí)/學(xué)生、教師、教室和課程等方面的資源進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jí)、學(xué)生、教師、教室是否存在時(shí)間沖突的角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果不沖突則校驗(yàn)通過(guò)，排課成功，如果存在沖突則校驗(yàn)不通過(guò)，再次對(duì)課程進(jìn)行編排，修改排課的時(shí)間、場(chǎng)地后，再次保存、校驗(yàn)，直至得到計(jì)算機(jī)校驗(yàn)通過(guò)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(jì)上，對(duì)班級(jí)、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(guò)追加加載班級(jí)、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(cè)的硬性指標(biāo)，但是在排課過(guò)程中對(duì)教室資源占用的加載需要額外的檢測(cè)條件，因?yàn)樵诮虒W(xué)任務(wù)形成過(guò)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(lái)選擇加載教室資源。為了使排課時(shí)教室資源能夠自動(dòng)加載，如班級(jí)和教室存在固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可通過(guò)建立班級(jí)、教室對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)自動(dòng)加載教室資源。

通過(guò)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(shí)間和可排課的時(shí)間。不可排課的時(shí)間是當(dāng)前教學(xué)任務(wù)班級(jí)、學(xué)生、教師或教室任一資源占用的時(shí)間，可排課時(shí)間是當(dāng)前任務(wù)任一要素都不占用的時(shí)間。排課時(shí)，需要用戶按照經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律在可排課的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)當(dāng)前任務(wù)的時(shí)間和教室進(jìn)行編排。

(三)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上充分利用了通過(guò)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(lái)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(shí)現(xiàn)對(duì)象與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的映射技術(shù)，以面向?qū)ο蟮姆绞綄?shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)及跨平臺(tái)功能；采用了Spring的IOC的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯對(duì)象的生命周期管理，創(chuàng)建業(yè)務(wù)邏輯對(duì)象或本地服務(wù)對(duì)象；采用Spring的AOP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了面向切面的編程模型，使事務(wù)控制、安全驗(yàn)證等公共技術(shù)與業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)相分離；采用Spring Security技術(shù)實(shí)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(jì)，筆者所在學(xué)校開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了這一人機(jī)交互排課系統(tǒng)。從實(shí)際排課使用情況看，以往3個(gè)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(shí)間縮短到3周內(nèi)，可以說(shuō)，這一人機(jī)交互排課系統(tǒng)對(duì)課表編排的效率提高明顯。

四、排課工作的組織實(shí)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(wú)法協(xié)同、效率低、易出錯(cuò)等問(wèn)題，從根本上提高課表編排的合理性和滿意度，在設(shè)計(jì)、實(shí)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(guò)約定和制度，建立由高校教學(xué)管理部門(mén)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(mén)，排課過(guò)程中負(fù)責(zé)下達(dá)教學(xué)計(jì)劃，審核教學(xué)任務(wù)，分配排課任務(wù)，并對(duì)部分影響全局的基礎(chǔ)類(lèi)、公共類(lèi)課程的課表進(jìn)行編排。比如，一般大學(xué)英語(yǔ)課程因教學(xué)時(shí)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(shí)間和編排。

課程承擔(dān)單位一般指面向教學(xué)對(duì)象開(kāi)設(shè)課程的教研室、實(shí)驗(yàn)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(jì)劃進(jìn)行填報(bào)，形成教學(xué)任務(wù)，并根據(jù)分配的課程編排任務(wù)對(duì)所屬課程進(jìn)行編排。因系統(tǒng)資源實(shí)施加載、實(shí)施保存校驗(yàn)，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(jì)算機(jī)保障排課過(guò)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(shí)現(xiàn)了課程承擔(dān)單位實(shí)時(shí)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(guò)程中積累的有效經(jīng)驗(yàn)，避免傳統(tǒng)只能由一個(gè)人進(jìn)行排課存在的經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題；另一方面，通過(guò)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(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的不斷發(fā)展，特別是云計(jì)算、分布式計(jì)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(lái)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(ài)明,彭劍.基于Web信息采集的排課系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專(zhuān)業(yè)版),2010(9):156-158.

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(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(shí)踐項(xiàng)目“戰(zhàn)斗力標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)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