排课系统研究报告实现
一、绪言
教务系统的排课问题是典型的多类资源组合优化问题，它是针对有限的师资、教学场地及教学时间资源，为达成最佳教学目标而进行的综合有效规划，通俗地讲即安排适当的教室、教师在恰当的时间完成学校的全部教学任务。一般而言，在教师讲授课程、班级及各门课程的课时数量确定的前提下，排课必须满足下述基本要求：教学场地要满足教学任务的条件需求；同一教学班级、教学场地及教师，在同一时间均只能进行一次教学安排。此外，课程安排还必须遵从教育教学的客观规律，使所有教学任务在尽可能科学的时间进行。为此，还必须根据下列因素对课表做出优化：各门课程安排在最适宜的授课时间；同一课程的教学时间间隔必须合理；各个班级、教师乃至学校整体的课程密度尽可能平均等。由于目前许多高校存在合班课、选修课及教学资源不足的现实，排课问题变得更为复杂。
如果课表依靠人工生成，那排课人员的工作量十分巨大，因此我们必须找到一种能自动按规则和约束条件生成课表的方法。计算机和现代网络技术为特征的现代信息技术极促进了高校的发展，现行的教育模式和方法面临着前所未有的挑战。基于WEB的网络课表作为一种新的教务管理形式具有非常重要的现实意义和广阔的发展前景。它给使用者提供了极大的方便，教师和学生能通过网络获得最新信息。
随着高校教育改革的不断深化，我国高校的教学管理体制正经历着学年制向学年学分制再向完全学分制过渡的重大变革。排课系统的研究与实现、以选课制为核心、以取得必要学科为毕业和获得学位标准的一种教学管理制度。与传统的学年制管理模式不同，要求在教育教学的容、体系、方法和管理手段等方面更具有机动性、灵活性和高效性，尤其是对其核心——选课制的容和管理体制的改革提出了更高的要求。由于现代信息技术的快速发展，校园网络技术逐渐趋于完善，网上选课为选课制提供了广阔的空间，为实施完全选课制创造了有利的条件。
网上选课它的条件很多，其中之一的是各课程的初始课表，它能使学生对各课程的上课时间、任课教师、教学容、考试大纲等都有充分的认识，能使学生在正确选课时有个参考。
公共体育课作为学校课程的重要组成部分，由于其课程的特殊性，同一教材并行开课，即同一教材同一时间有许多不同的教师上，并且受到场地、器材、运动项目、学生
上课人数等方面的限制，再加上其涉及面广，网上选课就显的尤其重要。为了能让学生更好地选择到自己感兴趣的、符合个人需要的运动项目，充分发挥网上选课的优势，体育部门必须提供一个比较全面的体育课表给学生作参考，让学生对运动项目、项目等级、上课时间段或上课教师进行选课，这课表即要充分体现教师在开课时间、数量的公平、合理，又要体现引进竞争机制。使这初始课表在网上通过学生的选择，最后形成一真正的教学授课表。这一措施的实施它能充分发挥网上选课的优势，来提高教学质量。因此，以现代信息技术环境为依托，开发研制适应学分制管理模式的公共体育课排课系统是体育学分制教学改革的一项重要措施，并为完全学分制改革的顺利实施和网上选课系统提供有力的保障。
校园信息化建设是我国信息技术在教育领域的主要应用之一，它给学校传统教学模式带来了许多崭新的变化。传统的学校报名选课过程局限于学校部的教学管理，大多由人工完成，不仅速度慢，而且容易出错，耗费的时间也较长。而网上选课系统则弥补了这方面的不足。把信息技术融入传统的教学管理中，是现代教学管理模式的具体体现。
二、排课系统的研究
（一）网上排课系统
网上排课系统优势主要有：（1）全面构建信息化排课系统。结合学校的实际应用需求，将课程管理和报名管理结合起来，实行信息化管理。（2）基于WEB应用，可以在客户端通过授权随时更新。目前，信息处理系统基于WEB设计，具有易安装、成本低、易升级、可扩充、完全开放、不受站点物理空间限制等特点，所有应用数据均安装服务器端，但是在更新的时候可以通过授权给客户端的用户实行。（3）强大的动态信息交互功能。系统根据不同用户的需求提供不同的信息处理权，如添加、修改、查询等功能。（4）与广域网连接，具有强大的信息沟通功能。一个成熟的Web开发的项目可以结构化程度很高的方式进行组织和搭建，而且在整个系统的模型中，处处体现着面向对象的思想，用这种模型实现的多层结构模块之间联结松散，分工、组织都非常容易。因此，学校网上选课系统的建设正当其时。如何构建这样一个平台，使其发挥更大的效能，更促进校园信息管理网络化、科技化，就成为广大教育工作者不断追求的目标。
要实现这样的功能，离不开后台数据库的支持。用户注册信息、课程信息、教师信息等大量的数据都要由数据库管理系统管理。本文所述数据库的服务器端采用了Microsoft Access数据库作为ODBC（Open DataBase Connectivity ）数据源，并以先进的ADO（ActiveX Data Objects）技术进行数据存取等操作，使Web与数据库紧密联系起来。
排课系统设计思想
系统功能本系统可以实现以下功能：（1）学生：查看选修课程容、注册添加资料、选择喜欢的课程进行报名。（2）管理员：发布选修课容和任课教师、修改和查询报名学生的资料、报名查询、报名信息管理、数据库备份等。
总体分析通过系统功能目标，我们将选课系统的制作分为四大部分：（1）学生注册和登陆模块：这个模块的功能，就是要申请选课的学生能够填写注册资料，并提交到后台数据库。（2）管理员登陆管理模块：通过输入管理员的用户名和密码，对整个系统进行管理。（3）增加课程模块：为新开课的教师增加课程，让学生能够在注册资料页面进行选择。（4）报名信息管理模块：通过课程查询来确定报名学习该门课程的学生数量是否达到开班要求。
了解了具体的功能需求后，就可以分模块开始本系统的设计了。当然，这些模块只是在功能上对系统结构的划分，实际上并不能够完全把他们独立出来进行设计。对于这
种较小的应用，也没有必要进行完全的模块化设计，在良好的规划下直接写程序代码更为简单一些。
系统结构
数据库的选择Access数据库的优点在于它能使用数据表示图或自定义窗体收集信息。数据表示图提供了一种类似于Excel的电子表格，可以使数据库一目了然。另外，Acces允许创建自定义报表用于打印或输出数据库中的信息。Access也提供了数据存储库，可以使用桌面数据库文件把数据库文件置于网络文件服务器，与其他网络用户共享数据库。如上所述，用Access进行关系数据库开发具备许多优点，可以在一个数据包中同时拥有桌面数据库的便利和关系数据库的强大功能数据库设计本选课系统的数据库设计主要包括以下几个模块，其中，Course表用来存放课程名称和教师名称，Scourse 表用来存放课程名称和学号，User表用来存放学生注册信息。。
（二）排课流程
排课问题有如下特点：课程可以是小班教学也可以是不同专业合班；同一个教师可以讲授多门不同的课程；每次授课节次为连续的2节或3节；学生上课的教室不固定，排课阶段基本分为阶段1：下发教学计划。学校将教学计划下发到各开课学院(系)，下发的数据是课程信息和计划学生人数信息。
阶段2：落实教学任务。各学院(系)根据自身的资源情况和教师情况确定任课教师和开课情况等信息。此处的班级不是行政班，而是根据专业和课程等因素拆分出的学生集。阶段2结束后，各学院向学校返回(课程，教师，班级)信息。
阶段3：安排上课时间。这一阶段包括校院两级排课，但只安排课程的上课时间，不考虑地点问题。这一阶段结束后，生成每个专业的推荐课表，推荐课表是以下信息的集合：(课程，教师班级，时间)。阶段4：安排上课地点。由学校统一安排全部课程的授课地点。阶段3和4分离的目的是充分合理利用教室资源。相对于其他约束条件，可用教室资源通常可以认为是足够的。
（三）排课的约束条件
排课过程需要满足的约束条件包括两个方面：
第一方面必须满足的硬件约束条件
(1)教师不冲突，同一位教师在同一时间只能带一门课程；
(2)课表不冲突，同一课表在同一时间只能有一门课程；
(3)合班课程不冲突.合班班级必须同时参加合班课程；
(4)资源限制，教师可用时段有限；教室资源有限；
(5)学时要求，每门课必须达到规定的学时(学分)要求。
第二方面应尽量予以满足的软约束条件，使课表更为人性化
(1)时段要求：根据课程特点和学时要求，不同课程的时段要求不同。例如基础课、理论课、专业课尽量排上午，选修课尽量排下午；每次授课学时不超过3学时，若每周需排2次课，应隔天。
(2)教师课表的连续性要求：大多数教师希望集中、连续授课，因此每天每个教师授课节次应尽量紧凑，中间无空课时。
(3)班级课表的分散性要求：考虑到学生的接受度，学生的课表应尽量平均分散在每周的五天。
根据排课经验和高校的实际情况，我们对排课问题做以下假设和简化：
(1)教室资源足够。可用教室资源通常远远大于教师和可用时段，在排课算法设计中暂不考虑教室资源。
(2)将每天的13节课分为5个时段。
(3)不考虑学生课表的分散度要求。由于选课制度的实行，学生可以一定程度上自主调节学习计划和课表。因此，学生每周的课时数大致是均匀分散的。
(4)不考虑教师调整及合班调整情况。人工排课过程中，可以对阶段2的个别不合理操作进行调整，还可以互换两个教师所带的班级。
三、排课系统的应用和要求
（一）搭建信息平台，整合排课环节
计算机排课系统作为网络科学新技术功能模块之一，系统要满足以下几个基本条件：操作简单，排好的课表通过网页形式可直接查询和打印；设置简单：流程合理，界面清晰，管理人员可快速对系统进行设置及初始化；功能实用：可以方便地对固定课、无课、共用公共场地、教师活动安排等进行设置；排课灵活：手工排课，自动排课可交替实施，课表调整自动判断是否满足已设条件等；调课方便：在管理员的允许下，教师之间可以实现相互调课，优化扫描结果；多种方法信息输出：通过IE直接预览、打印输出班级课表、教师课表和总课程表等；数据安全：数据能自动定期备份，手工备份及恢复。
由于这是基于计算机的自动排课系统，因此在实现排课及查询的基本功能外还要着重考虑系统的安全性问题，以避免受到人为的攻击与破坏。计算机排课是系统自动调用数据库收集的信息然后利用设定的约束条件和算法进行排课。整个课表生成过程以计算机自动生成为主，手工调整为辅的形式产生。
排课问题实质上是课程、班级、教室、教师、时间这五维关系的冲突问题，要合理的解决这个问题就要结合之前提到的一些基本原则以及排课的一些基本要求。由于排课管理员不能完全了解每位教师的实际情况，使安排的上课时间与教师个人在学习上或生活中的时间发生冲突，造成今后频繁的调课操作，即增加了工作量。因此可以设计一个信息采集的接口，使整个系统更加人性化。为了克服以往系统的基于先来先服务算法的弊病，通过一段时间的比较论证设计了一个较为合理的算法，即分级筛选算法。算法设计的基本思想是：处理方法类似高考录取工作。根据教师所选的三个志愿进行分级处理。第一志愿优先级最高，最有可能选中，如某一项目、某一时间段第一志愿待选人数大于限选人数，则在第一志愿中随机筛选出多余人数。对第一志愿落选者来说，还有第二志愿的机会。如第二志愿处理完毕，仍有教师落选，再进行第三志愿的处理。这样处理的特点是：落选机会少，分布均匀，选课结果与选课先后次序无关，克服了以往基于先来先服务(FCFS)算法的弊病。解决了选课时间安排的冲突问题，缓解了教师之间选课的矛盾。
（二）排课系统的应用
除了抓好实验环节外，教学模式的多变也是必不可少的。现代教学方式的一个典型指标就是多媒体技术的应用。很多老师认为用了幻灯片就是使用多媒体了，其实不然，作为硬件技术专业基础课程，对于绝大多数学生来讲，《微机接口技术》课程中的很多知识都是抽象而难于理解的，如果采用Powerpoint做成的传统的静态幻灯片，学生肯定
会觉得生涩难懂。比如我在教学过程中就组织了微机接口技术的立体教学模式，制作了微机接口技术的电子教案，应用了微机接口技术仿真实验软件，利用这些辅助的教学手段完成《微机接口技术》的课堂教学。因为电子教案可以加大课堂教学的信息量，仿真软件可以直观地将各部件部每一步的信息流动过程以生动形象的方式展示在学生面前，使学生具有身临其境的感觉。比如：控制程序中指令执行过程以及涉及到的微操作步骤，如果就靠课堂上空洞的分析，学生是无法建立其完整的结构概念的，但是在教学过程中，我就用仿真工具做了一个动态的执行过程，学生看起来很直观，而且明确了执行过程中相关硬件的工作和配合情况。
通过教学实践证明，采用现代化的、多元的教学手段，可以把原本枯燥的硬件课程讲解得生动易懂，消除了学生的畏难情绪，化被动学习为主动求知。当然因为接口技术与设备都在不断的发展，教材上的容，往往是对以往接口技术成型后的总结，实验也只是对教材上的芯片接口功能的验证，并不能真正与当前最新技术同步，有些甚至过于旧，所以应适时补充一部分当前微机接口技术中较新的容，并给予重点介绍，如有条件的话可以给学生演示无盘系统启动芯片BOOT—RObl设备、USB设备等开发过程，包括选择控制器、硬件电路设计、软件设计、调试整个过程，使学生对现代微机接口技术与身边常见设备更紧密结合起来，真正做到学以致用。
在传统方式下,课表编排主要是靠手工完成的,排课人员需要花费大量的时间和精力,并且容易出错,同时手工操作也不能满足资源需求的经常变化。利用计算机进行自动排课,不但能使教务人员从繁杂的排课任务中解脱出来,提高教务管理工作效率,而且能改善教学管理质量,合理、高效地利用有限的教学资源。综合分析当前的排课系统软件,大多采用传统方法进行程序设计,把程序作为系统核心。系统中所使用的排课数据主要考虑了一般性排课原则,对于不同学校的特点考虑不足,并且数据与程序结合过于紧密,程序的修改维护有很大难度,不便于系统扩充和升级,因此限制了系统的通用性,对特殊情形只能依赖于人工调整。民办高校聘有很多兼职老师,而兼职老师提供的上课时间是固定了的,所以课表编排问题不仅涉及教师、教室、学生、课程,更有教学时间等多种因素的组合规划,具有规模大、约束条件复杂以及不断变化等特点,是当今计算机科学研究的热点问题之一。
（三）排课系统分析
随着信息技术的不断发展和普及,使教育面临新的课题和挑战。课程安排和管理是高等学校教务活动中非常重要的工作之一,是保证教学秩序正常进行的前提和基础。在高校招生规模扩大、教学资源严重不足、办学形式多样化的今天,排课过程涉及面广、约束条件多,人工排课已经无法完成,借助计算机软件辅助排课是当前各高校普遍采用的手段。
如何才能得到一个高效快速的排课系统是高校教务管理人员梦寐以求的事。然而,在实际项目的研发中,由于排课问题是一个NP完全问题,开发出符合要求的排课系统是一件难事。结合本人在大学教务处工作过的实际,针对我校现行排课系统存在的问题,通过阅读、研究一些排课方面的文献资料,本文认为通过改进排课策略和局部排课方法,能够增强排课系统的实用性。
贪心算法是从问题的某一个初始解出发,通过一系列的贪心选择-----当前状态下的最优选择,逐步逼近给定的目标,以尽可能快的求得更好的解。当达到算法中的某一步不能再继续前进时,算法停止。在贪心算法(greedy method)中采用逐步构造最优解的方法。在每个阶段,都作出一个看上去最优的决策(在一定的标准下)。结合我校实际,本文对我校排课系统作了详细分析与研究,并利用贪心算法对系统作了具体实现,其主要工作如下: 1、对目前流行的软件开发技术作了详细介绍,并在本系统中得到充分运用。2、根据我校排课系统的需求,进行了排课相关资源的规划及对贪心算法的研究与分析。3、根据需求分析和排课算法的设计,对系统的数据库结构、系统模块及系统安全进行了详细分析和设计。4、介绍了.NET的开发技术,以及分布式应用程序在.NET架构下的设计与实现。重点研究了本排课系统在.NET架构上的设计与实现。
为排课人员提供的功能主要如下：
1、信息录入：排课人员负责录入与排课相关的所有信息。包括教师信息，班级信息，学生信息，课程信息，教师信息。为了减少排课冲突和算法的复杂性，提高资源的利用率和增加排课的合理性，其中，教室信息要按我们前面的介绍，将教室按用途划分成不同的类型，并加以编号。然后还需按教室容纳学生人数的多少将教室划分成小型教室、中型教室和大型教室。
2、排课管理：系统为排课人员提供排课和自动排课与手动排课相结合的功能。在排课管理中，排课人员需要进行一下设置：
（1）、对课程表进行设置，设置课程表的结构和显示容。
（2）、对排课属性进行设置：主要设置课程的总课时、周课时、是否单双周排课以及课程是否连排等属性。
（3）、排课班级优先级设置：根据我们在前面的介绍，排课人员可以手动设置班级
的优先级条件。
（4）、排课限制条件的设置：今年来学校的教师、教室等资源也有限。并且有的教师在其他的地方上课的情况。所以排课人员就需要根据具体情况设置限制条件：如某个教室或某个教师在某个时间段不能排课等。
（5）、自动安排：排课人员设置好排课的相关条件，然后让系统运行自动排课功能。
四、结论.
随着各校办学规模的扩大及各种软、硬设施的不断变化，学校排课工作变得越来越复杂，人工排课已经不能适应学校的发展，而现代计算机技术则将原本繁琐而又复杂的排课工作变得简单与高效。本文讨论了高职院校课表问题的要求和难点，在分析现有各种排课算法的优缺点和排课基本流程要求的基础上，结合排课的实践，提出了计算机排课方案，适应了高校的进一步发展。
公共体育课排课系统主要由六个表组成：教师信息表、课程信息表、场馆信息表、上课的时段表、选课条件表和选课结果表。技术难点是在于各库之间条件的配备，特别是选课条件的满足是技术关键所在。通过一定的算法计算，生成一比较公平、合理的初始课表，为网上选课系统提供有力的保障。
经过运行验证，本辅助系统适用于实验室排课相关工作，能适应较低机器配置，其方法是完全可行的，并且工作效率极高，输出格式规美观且可进一步加工。如要更进一步提高系统处理的能力，可以考虑用网络数据库管理系统对用户数据进行分散输入、集中管理，即应用此开发模型转为网络开发平台，将会极大提高其应用围。
课表是学校一切教学活动的指挥棒,课表质量的高低决定了学校的教学质量水平;是学校教学管理实现“高标准,精细化”的基础。以“以人为本”的思想指导课表编排,是时代和教育发展的要求,也是服务与管理相辅相成的体现。
致
首先，感学校领导和学院领导两年来对我的悉心培养和认真教育。
其次，本篇论文受到了地大网络学院老师的全心指导。老师们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深的感染和激励着我。
最尊敬的老师，您治学严谨、学识渊博、思想深邃、视野雄阔、为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，是我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，教会我学会了很多对于我处理事情和问题的人生方法。
大家！
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