（计算机应用技术专业论文）基于“七值模型”的高校教学运行管理方案研究.pdf

湖北3 - 业大学硕士学位论文 摘要 本文从集合论角度讨论了课表问题，指出任何课表，都是集合论角度的“七 值模型”，并以此为基础提出了初步的模型化教学管理思想。同时结合教学管 理实际，采用c 1i e n t s e r v e r 和b r o w s e r s e r v e r 结合的开发方法，研制出了涵 盖教学管理主要业务的应用软件集成方案。通过实践应用，证实模型理论的正 确性、先进性和适用性。 七值模型指出：任何课表从集合论角度都是由七个值项构成的。这七个值项 是：课程、班级、教师、地点、时间三值( 周次、星期、节次) 。少于七个值 项的课表，是不完整课表。多于七个值项的课表，必然含有修饰性值项。各种 课表可以按照七值模型进行形式转换。 本方案的c s 部分软件为教学调度系统，运行于校园网。主要为各部门和各 学院的教学管理服务。其业务涵盖了学籍管理、教学计划管理、教学运行管 理、成绩管理等主要方面。 本方案的b s 部分软件为教学w e b 平台，运行于互联网。主要为广大的教师 t 和学生服务。在统一的门户之下为个人提供定制服务。其业务主要有：各种信 息查询( 课表、成绩等) 、选课、成绩登记等。 关键词：课表七值模型教学管理 湖北工业大学硕士学位论文 t h ei s s u eo ft e a c h i n gt i m e m b l ei sd i s c u s s e df r o mt h ea n g l eo fs e tt h e o r yi nt h i s t h e s i s ，i ti sp o i n t e do u tt h a tf r o mt h ep o i n to fv i e wo fs e tt h e o r ya n yt i m e t a b l ec a nb e c a t e g o r i z e da sa m o d e lo fs e v e nv a l u e s 。b a s e do nt h i st h e o r yo fs e v e n - v a l u em o d e l ， t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h ei n i t i a li d e ao fm o d e l i z e dt e a c h i n gm a n a g e m e n t a tt h e s a m et i m e ，a ni n t e g r a t e dp r o g r a mo fp r a c t i c a ls o f t w a r ec o v e r i n gt h em a i nb u s i n e s so f t e a c h i n gm a n a g e m e n t w a s d e v e l o p e db yu s i n g t h e d e v e l o p m e n t m e t h o do f c o m b i n i n g c l i e n t s e r v e rm o d e lw i t hb r o w s e r s e r v e rm o d e l t h e c o r r e c r l e s s ， a d v a n c e m e n ta n da d a p t a b i l i t yo ft h i st h e o r yo fs e v e n - v a l u em o d e lh a v eb e e n p r o v e d a c c o r d i n gt op r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h em a i ni d e ao ft h es e v e n - v a l u em o d e li st h a ta n yt i m e t a b l ei sc o m p o s e do f s e v e nv a l u e sf r o mt h ep o i n to fv i e wo fs e tt h e o r y t h es e v e nv a l u e sa r es u b j e c t ，c l a s s ， t e a c h e r ，c l a s s r o o m ，t i m e ( i n c l u d i n gt h er e s tt h r e ev a l u e s ：w e e k ，w e e k d a ya n dc l a s s p e r i o d ) a n yt i m e t a b l ew h i c hi sc o m p o s e do f 1 e s st h a nt h e s es e v e nv a l u e si sa n i n c o m p l e t et i m e t a b l e a n yt i m ew h i c h i sc o m p o s e do fm o r et h a nt h e s es e v e nv a l u e s d e f i n i t e l yi n c l u d e sr e v i s e di t e m s d i f f e r e n tk i n d so ft i m e t a b l ec a nb et r a n s f e r r e d a c c o r d i n g t ot h es e v e n v a l u em o d e l t h ep a r to fs o f t w a r eo ft h i sp r o g r a mw h i c hi sb a s e do nt h ec l i e n t s e r v e rm o d e li s t h et e a c h i n gm a n a g i n gs y s t e mr u no v e rt h ec a m p u si n t r a n e t ，m a l a t y s e r v i n gt h e t e a c h i n gm a n a g e m e n ti nd i f f e r e n tt e a c h i n gm a n a g i n gs e c t i o n sa n dd i f f e r e n ts c h o o l s o ft h e u n i v e r s i t y t h e b u s i n e s sc o v e r s m a n a g e m e n t o f s t u d e n t s c u r r i c u l u m ， m a n a g e m e n to ft e a c h i n gp l a n s ，m a n a g e m e n to ft e a c h i n gr u n n i n g ，m a n a g e m e n to f e x a m i n a t i o ns c o r e s ，e t c t h e p a r to f s o f t w a r eo ft h i sp r o g r a mw h i c hi sb a s e do nt h eb r o w s e r s e r v e rm o d e l i sw e b b a s e dt e a c h i n gp l a t f o r mr u no v e ri n t e r a c t m a i n l y s e r v i n gt e a c h e r sa n d s t u d e n t s i tp r o v i d e si n d i v i d u a l sw i t hs p e c i f i cs e r v i c e i t sb u s i n e s sm a i n l yi n c l u d e s i n f o r m a t i o n i n q u i r i n g ( t i m e t a b l e ，s c o r e s a n ds o o n ) ，s u b j e c ts e l e c t i n g ，s c o r e s s u b m i t t i n g e t c k e yw o r d s ：f i m e m b i e s e v e n - v a l u em o d e l t e a c h i n gm a n a g e m e m 湖北工业大学硕士学位论文 湖北工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 签名： 年月日 湖北工业大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本人完全了解湖北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月 日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 基于“七值模型”的高校教学运行调度方案研究与实现，是教学管理软件方 面的一项研究，也是教学管理思想与方法的一项研究。本课题是湖北工业大学2 0 0 3 年度教学研究项目公选课选课系统( 已结题) 的基础上拓展而来。本课题承接 了原湖北工学院与教育部信息中心合作项目高等学校实验室综合管理信息系统 ( 已结题) 的资金支持和智力支持。本课题的研究工作于2 0 0 4 年结束，在教学管 理实际中得到应用，取得了良好效果。在2 0 0 4 年湖北工业大学教学研究成果评选 中被评为教学研究成果一等奖。2 0 0 5 年5 月在广东东莞南博职业技术学院得到 了首家推广应用。同时与本校的独立学院一工程技术学院签订了为期三年的教学 管理协同运行协议书。 本研究方案已进行文献查新，证明课表问题的“七值模型”为首次提出。 1 1 2 研究目的和意义 研究目的 教学是高等学校的中心工作。教学运行调度是教学工作的枢纽。本课题的研 究目的：解决当前高等学校规模不断扩大，教学管理数据量、复杂度不断增加的 形势下，教学管理工作能够及时、准确、迅速的管理服务。实行学分制管理，学 生个人自由度增加，教学调度从面向班级细化到面向学生个人，管理的复杂度有 了数量级上的增加。本课题从各类不同类型、不同规格的高等学校教学管理实践 中，提练出教学管理的共同模型，并作为研究方案的核心，并以此为基础提出切 实可行的硬、软件解决方案。 研究意义 本课题研究的现实意义。 本研究提出的教学调度核心模型一“七值模型”( c 盯v ) ，适用于学校多种 形式的教学活动的管理。无论是课堂教学、实验室教学、社会实践、生产实习、 毕业论文与毕业设计等。 湖北工业大学硕士学位论文 _ l _ _ - - 一i ml i _ - i _ - _ _ - - _ _ - l _ _ _ l _ _ - 在研究“七值模型”基础上，本课题提出了模型化教学管理思想。这是一种 新教学运行管理工作思想。这种恩想既可作为具体工作中的战术选择，更有助予 教学管理工作的宏观决策。对于贯彻执行教育部2 0 0 2 - 4 号文件“关于加强和改进 高校教学工作的基于意见”，开展教学工作合格评估有促进作用。 “七值模型”的发现和模型化教学管理思想的提出，为高校教学管理数字化、 调度工作流程再造和优化，提供了很好的思想基础，使之实现起来更方便和更快 捷。为当前各高校再在追求的“数字教务”、“数学校园”等，提供了一种新的思 路和方法。 本课研究有较广泛的研究前景。 为教育技术学、教学计量学、教育经济学等的研究，开辟了新的研究领域和 新的研究方法。任务元( t a s k c e l l ) 概念的提出，能够将复杂的教学业务进行细化 和量化。使教学运行与教学投入之间的更方便更直接。 教学调度的“七值模型”，不仅适用于高等学校，而是适用于一切形式的以师 生授受方式开展的教学活动。因此对各级各类学校的教学管理软件开发，有重要 的启示和影响。 “七值模型”和模型化教学管理思想，微观上不仅适用于学校的教学工作管 理，宏观上也有助于地区的教育行政管理乃至国家的教学行政管理。可以设想， 在基予地区协作方式的数据仓库技术和网络技术发展到更高层面时，构建地区乃 到国家教学管理体系是可行的。这是本项目可以预见但暂时无力达到的终极研究 目标。 总之，本课题总结的“七值模型”和以此为基础提出的模型化教学管理思想， 有着美好的研究前景。它既可以作一个普通教学管理员的技术思想，也有助于高 层决策者的战略恩考。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 高等教育的发展回顾 自从有了人类，便有了教育两千多年前的礼记中的学记篇，是我 国最早的一部关于教育学的专著学记中对教育的作用与目的，教育的制度与学 校管理教学的原则与方法，教师的作用和条件等作了概括性的论述。我国古代 一些思想家，如孔子、盂子、苟子、朱熹等人在教育学理论和教学管理方面留下 湖北工业大学硕士学位论文 了许多珍贵遗产。 教育学 相对独立的教育学，是从欧洲文艺复兴时期开始的。它从哲学中分化出来成 了相对独立的- - i 3 学科。从那以后出现了许多有影响的教育论著，形成了相对完 整的教育学思想体系。此后，高等教育逐渐发育成为相对完整的教育系统。 以五四运动为代表的新文化运动，极大地推动了我国教育事业的形成和发 展。高等教育也在我国开始形成和发展北京大学、清华大学等标志着我国高 等教育的建立。高等教育的实质性发展是在建国以后。取得恢复和发展还是在1 9 7 8 后的改革开放以来。1 9 9 9 年高等教育实现了办学思想的解放，从精英教育向大众 化教育方向发展。 教育管理学 教育管理学是研究教育管理过程及其规律的科学。有广义与狭义之分。广义 的教育管理学是以整个国家的教育系统作为自己的研究对象，以中央或地方的教 育法令、法规为指导，遵循教育的客观规律，对整个教育行政系统和各级各类学 校进行规划、组织、指导、协调与控制，使有限的教育资源得到合理配置，以实 现管理目标优化的一门现代科学。狭义的教育管理学是以定类型的学校作为研 究对象，构建学校和社区环境之间的和谐关系，建立和健全学校组织及其运行机 制，优化办学资源，调动全校人员的积极性和创造性，以全面提高教育质量，培 养合格人才为目标的一门现代科学 1 2 2 国外高校的信息化趋势 e d u c a u s e 是一个全球性的非赢利性组织( h t t p ：w 啊e d u c a u s e e d u ) 。它的 使命就是耍促进在高校中“聪明”地运用信息技术目前其成员包括1 8 0 0 所大学， 1 8 0 家服务于高等教育的公司。每年，该协会都会举办一些小型的研讨会、培训班， 推行并交流高等教育信息化方面已取得的经验每年秋季的e d u c a u s 会议更是高 校和企业交流的盛会，高校的代表会介绍这一年我们傲了什么，取得了哪些经验 和教训；公司的代表会介绍我们又为高校开发了哪些新产品，推出的新版本具有 什么新功能。很多专傲高等院校的软件公司，常常会在e d i o c a u s e 开会前夕发布新 产品。2 0 0 4 年的e d u c a u s e 会议在亚特兰大的国际会议中心召开，有六千人出席， 1 3 0 家公司在展览大厅设立了展台。在这个会议上，不仅可以看到一些高等教育 湖北工业大学硕士学位论文 信息化发展的新动向，更重要的是可以得到很多宝贵的经验。目前，教学管理与 校园门户网站开始出现，并且正在形成潮流和趋势。 2 0 0 4 年全球高校信息化的主要特点是门户技术从某种意义上来说，门户网 站就是学校的品牌，它扩展了对学校教学理念的实现。将校园文化从校园内延伸 到校园外。其影响莫过于对学校各类活动的重新组织，对数据的集中获取，对各 类角色工作流程的科学化、规范化。真正的门户要求学校各类系统达到无缝集成， 门户站点的定制将是依据角色的权限和活动特点而提供不同的选择。“门户不只是 带领高等教育完全地进入新一轮技术浪潮，其所带来的挑战，如同我们已经遇到 的和已经克服了的各种挑战一样，不是对技术的挑战，而是挑战是否有能力创建 一个对每个人来说都是个性化的学校”。 在美国。为大学建立门户网站的想法大约开始于1 9 9 9 年秋天，当时一种称 “c o l l e g e c o m ”的企业电子商务模式开始征伐美国高校领地，它提出要建立门户 网站，为校园内各类人员提供不同的个性化服务赞赏者看到它对校友服务的潜 力、以及所带来的大学招新的便利，反对者则厌恶随之而来的商业气息，因为大 学的门户网站将是极好的广告宜传场地。虽然当时还很难预计门户网站对高校意 味着什么，但是在随后的两年内。美国国内有关学术团体，如e d u c a u s e 、n a c u b o ( t h e n a t i o n a la s s o c i a t i o no fc o l l e g ea n du n i v e r s i t y b u s i n e s so f f i c e r s 相继召 开有关门户网站的专题研讨会，一些先行的学校也在2 0 0 0 年e d u c a u s e 会议上介 绍了他们的经验和体会。根据美国2 0 0 3 年校园信息化调查报告 ( w w w c a m p u s c o m p u t i n g n e t ) ，参与调查的学校中有五分之一( 2 1 2 ) 的学校已 经建立了门户网站，2 0 4 表示正在开发，下一年度可能会启用；三分之一 ( 2 9 5 ) 的学校表示正在考虑和讨论之中，2 9 9 6 的学校表示还没有任何计划和行 动。2 0 0 4 年的e d u c a u s e 会议上。公司将门户网站解决方案作为主要的宣传点，各 种围绕门户网站建设的讨论报告很多。人们已经认识到高等教育需要利用创新方 式达到特定的需求和使命。 高等教育是一个很大市场，现在高校使用的软件系统多是自己开发的，随着 技术的发展和现代化进程的要求，高校自身将渐渐失去开发大型软件系统的动力 和持续维护的技术实力，购买商品化高质量的软件系统也是未来可见的发展趋势。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 3 国内教育管理信息化现状与水平 中国教育信息化历程 中国教育信息化是在教育部的统一组织、规划和推动下进行的。走过了十六 的风雨历程。可以简要总结如下； 1 9 8 9 年：原国家教育委员会决定建立覆盖我国各级教育管理部门和各级各类 学校的“国家教育管理信息系统”( n a t i o n a le d u c a t i o nm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m ) 。同年正式颁布实施了国家教育管信息系统总体规划纲要 1 9 9 3 年：开始着手建立中国教育科研网( c e i i n 髓) 。 2 0 0 0 年：配合政府“三金”工程、政务上网工程，教育部发布面向2 1 世纪 教育振兴行动计划。开始在中小学逐步普及信息教育和全面实施“校校通”工程 2 0 0 1 年：开始教育政务信息化建设工作，重点建设教育政务“三网一库? 。 2 0 0 2 年：教育部颁布了教育管理信息化标准( 第一部分) 学校管理基本信 息集，目前正在制订第二、三部分教育软件标准、示范区建设标准。 2 0 0 4 年：教育政务中的学信政务部分进入实际应用。 2 0 1 0 年：全国9 0 左右独立建制的中小学校能够上网 国内教学管理软件研究现状 1 9 9 6 年全国第一次教育教学管理软件展评以来，教育管理软件开发成为热点。 经过十几年的发展，国内教育管理软件市场已经形成，软件开发水平有了较大提 高。比较知名的教育软件厂商家及其产品大致介绍如下： 北京华纳信龙信息技术有限公司 这家公司是由中国教育管理软件的拓荒者和领导航人，是教育部信息中心指 定的标准化教育软件开发商。据称该公司产品在全国高校教学管理方面有超过5 0 的市场份额。该公司推出的主要软件产品是： 高校教务综合管理系统。该系统由“业务功能子系统”、“系统工具子系 统”、“学生子系统”三大部分组成。 “业务功能子系统”包含以教务为中心的所有管理模块；基础数据管理、计 划开课管理、学籍管理、教师管理、排课管理、毕业管理、考务管理、教材管理。 “系统工具子系统”包含：用户管理( 包括单用户管理、组用户管理及相应 权限分配) 、系统设置、系统日常维护( 包括数据备份与日志维护) 、权限管理等。 湖北工业大学硕士学位论文 “学生子系统”包含：信息查询( 包括内容：课表查询、考试安排查询、成 绩查询等) 、学生选课、录入教师评估等功能。 中小学综合管理系统( 略) 教育局( 教委) 综合管理系统( 略) 教育信息化平台。教育信息化平台是根据教育部颁发的教育管理信息化相 关标准规范制作的一套学校或教育局( 教委) 实施电子政务的标准软件。 国家教育基础数据信息管理系统。国家教育基础数据信息管理系统的建设是 教育管理信息系统建设的基础工作，基础数据库的开发和利用是整个国家教育管 理信息系统建设的核心内容。根据国家教育管理信息系统总体规划纲要的要 求，依据教育管理信息化相关标准规范，教育部教育管理信息中心正在全国逐 步开展国家教育基础数据信息管理系统的建设工作。该系统的建立将为”国家教 育管理信息系统。的全国联网、信息资源的交流与共享铺平道路。核心功能是学校 基础数据信息管理系统：包括幼儿园、中小学校、中等职业学校、高等学校四类 学校基础数据信息管理系统。系统的信息覆盖学校方方面面的情况，包括学校基 本情况、学生、教职工、仪器设备、设施、校舍建筑、财务、科研等方面信息。 清华大学数字教务处。清华大学教育软件研究中心，是清华大学数字教务处 的技术支持，通过“清华教育在线”为清华大学的教学行政管理提供服务。该中 心推出了t h e o l 系列教学及教学管理软件。主要应用于清华大学自身，在国内高 校也有部分用户。 浙江大学综合教务系统。是与渐江大学教务处与杭州正方电子工程有限公 司合作产品。该公司为高校提供的教学管理版本有：学年制、学年学分制、过渡 学分制、完全学分制等版本。除用于浙江大学外，在国内也少有用户。 教育部信息中心南方软件基地。该基地的产品在中小学的教育教学管理方面 有较长的历史和较好的市场份额。 长沙强智科技发展有限责任公司综合教务管理。该公司是专门从事企业信 息化和数据库应用服务的公司。其综合教务管理以其价格、易用的优势在国 内开拓有部分用户。 湖南青果软件有限公司综合教务管理。 人大金仓信息技术有限公司k i n g b a s e e s 。是一款支持关系模型的国产数据 库系统。 湖北工业大学硕士学位论文 国内教学管理软件评述 教育部教育管理信息化标准的第二部分“教育软件标准”和第三部分“示 范区建设标准”，正在制订当中。因此，对教育管理软件的质量作出定性定量的评 价，尚需一个过程。教育软件开发是一项系统工程。信息化是提高管理水平，减 轻劳动强度的必然趋势。在信息化方向上，领导层面、业务层面和执行层面的认 识都是一致的。但从实现的思想、策略、方法和途径上，各个高校教学管理信息 化水平参差不齐。本课题的研究和实践中体会到如下几点： 增强标准意识 没有规矩。不成方园。应当将国家的教育管理信息化标准，贯彻实施于自己 的信息化过程，并根据本校教学工作的具体情况，增加内部标准。这些标准包括： 数据标准一一确定部分之间数据传递的种类和交换规格、提供方式等； 软件标准一确定用于教学管理的软件开发应遵守的标准。教学管理软件应 做到高内聚、低耦合。防止低水平重复建设。 操作标准一基于内部应的软件应当形成操作标准。通过操作标准，明确数 据加工流程中上下游操作员之间的业务交割。 攘体规划与分步实施 高校教学管理信息化过程不可能一蹴而就。需要整体规划、分步实施。整体 规划是对未来全校的教学管理有一个宏观设计，如数据存取、业务管理、部门职 责等。分步实施是指，在适用部门、适用业务方面，逐项加载，逐步深入。但绝 不能“走回头路”。走回头路还需要不如不走。 加强数学模型研究，为教学管理软件注入新的生命和灵魂 目前的各家软件，非常注重新技术的应用注重提供跨平台支持。即软件开 发中注重了现代计算机技术和现代网络通讯技术的应用，但一个共同的弱项在于 忽视了在管理数学领域的研究和应用。在未来较长的一段时间内，教育软件应当 加强加强数学模型研究，为教学管理软件注入新的生命和灵魂。 1 3 课题研究的主要内容 本课题研究，不能同各家教育软件公司的厚实资金、人才和开发技术相提并 论。本课题研究主要从高等学校的教学管理实务出发，以教学管理中的数学模型 研究为切入点。在确立初步模型后，选择了不是最新的却是方便适用的技术与路 湖北工业大学硕士学位论文 线，为教学管理实务提供服务并在运行中进行模型修正，最终实现教学管理的完 全解决方案。做到其思想上的先进性：”应用领域的普遍性和操作上的免培训等。 本课题研究的主要内容是： 教学运行调度的核心模型一七值模型 教学管理思想模型化教学管理思想 技术路线选择c b 结合的实现途径 方案实现( 一) 一教学调度系统 方案实现( 二) 一教学管理w e b 平台 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章七值模型 天体之大，粒子之微。工艺之精，日用之繁。无一不用到数学。数学是符号 的语言，是无声的音乐，是思维的体操，是智慧的演绎。数学还是信息化过程中 的开山之斧。针对课表问题，前人用不同方法进行过课表问题的理论研究。 2 + 1 课表研究 2 1 1 线性规划方法 本方法可将课表问题规纳为一个有主从之分的层次系统，其中上级部门处于 主导地位，下级部门是有一定自主能力的从属个体。其自主性体现为它往往在一 定的权力范围内独立自主地决策，上级部门对下级的管理或领导仅仅靠影响其决 策环境来间接导致下层决策者作出有利于上级部门的决策，而不允许上层的直接 介入或命令。故称之为分权( 分治、分层、分级) 规划问题，为体现主次有序，称 之为多层规划问题。多层规划问题是一种具有多级递阶结构的系统优化问题，它 包含一个上层问题和若干个下层子问题，上层问题和下层子问题都有各自的目标 函数和约束条件。上层问题的目标函数和约束条件不仅与上层决策变量有关，而 且还依赖于下层问题的最优解：而下层问题的目标函数和约束条件又受到上层决 策变量的影响，下层问题针对给定的上层决策变量，求出自己的最优解并将该最 优解反馈给其上层决策者。多层规划问题的一般形式为： ( g _ 班p ) m i n 伽、。2 ，) j f 工= ( x ，j t - 2 j 工) e x 。，且( 善2 工，。x ) 解 m i n f ：( x 1 , j 2 r l t ，) 5 f xe 工2 。且q 3 ，x 4 t , - ! x 7 ) 解 耐nj ( ( x i j 工2 ，x ) a j je x 7 多层线性规划模型 多层规划问题的研究成果主要集中在其特例一二层规划问题。上个世纪8 0 年 代以来，许多学者对二层线性规划问题进行了深入分析，得到了一些较好的结论 9 湖北工业大学硕士学位论文 以，如当没有上层约束条件时，线性二层规划问题的可行集是闭连通集，且最优 值在某个极点处达到。同时指出，求解一个线性二层规划问题( 包括验证个局部 最优解是否是全局最优解) 是一个n p 难问题。利用这些性质，人们提出了许多求 解线性二层规划问题的算法如第k 算法、分支限界算法、罚函数法等等。 对于二层非线性规划问题的研究主要集中于最优性条件的讨论和稳定性分 析，所提出的算法也只有罚函数法和下降方向法等少数几种，而且这些算法往往 只能保证求出局部最优解而不是全局最优鳃，因此不是十分有效。可见，使用规 划方法求解课表问题，效果不会很好。 2 1 2 集合论方法 和线性规划方法比较，使用集合论方法取得了比较实用的研究成果。 李益才等在研究课程教学模式调度算法时引用模式定义； 模式由是由三部分组成的规则一特定环境、待定问题和特定解决方案。如 果一个问题在特定环境下重复出现，就可以用这个特定解决方案来解决重复出现 的问题。教学模式( i n s t r a c t i o np a t t e r n ) 定义如下： i p = ( c o n t e n t a t t r ，i n a t p r o c e s s ) c o n t e n t a t t r ：描述教学模式所期的教学资源应具备的特征。 i n a t p r o c e s s ：针对具有c o n t e n t a t t r 特征的教学内容的解决方案。 这个研究小组将教学规划进行分层处理，增加了全局教学规划器和教学模式 调度器，形成一种新的系统体系统结构一多模式智能教学系统平台m i p i t s 一2 ( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e mo ni n s t r u c t i o n 鼬1 t x p a t t e r nv 2 o ) 该小 组在学生模型中增加了有关教学调度模式方面的属性，定义： s t u d e n t m o d o l =( b a s i c i n f o r m a t i o n ， r e a l t i m e s t a t e l n f o r m a t i o n 1 e a r n i n g h i s t o r y ) 在此基础上，他们将调度算法用一个有穷自动机方式进行描述： o f as c h e d u e r = ( q ，6 。e ，f ) 其中： q = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ) 是教学模式调度中的状态集合 为有穷字符集。初始为空集。 6 为转换函数。每个状态的动作会确定后续状态，具有转移函数的功能 湖北工业大学硕士学位论文 e 为初始状态。 f = 7 。8 ) 为终结状态集合。 这项研究主要适用于某门课程的教学方法的定量研究。其对教学模式划分和 学生模型确定对解决排课问题有一定借鉴作用。 张清绵等人在研究“知能教学组织管理与课程调度系统”( 该项目获辽宁省 1 9 9 1 年度科技进步三等奖) 时指出，课程调度问题比多处理机调度问题还要复杂。 在问题描述时，假设排课数据是以十个元素( 值项) 组成的课元组，以( 课程代 号、周学时、连上节数、周总学时、上课方式、授课类型、联合课标志、班有信 息、合班数、任课教员) 形式表示。如果一学期开设有m 门课，就有n m 个课元 组。n 个课元组就相当于多处理机调度问题的n 项任务。排课，就是要对每项任务 分配时间和地点。分五个问题求解：教室的定级和预测；确定排课优先级：先分 配时间教室类：后分具体教室；死锁处理。其中教室的定级和预测：确定排课优 先级两个问题最难解决。 该小组在解决地点时间类问题时首次采用了星期节次矩阵的方法。即为每一 个班级、每一位教师及每一类地点建 立一个1 1 6 的时间矩阵( 表1 ) ： 在时间矩阵基础上，该小组确定 了排课优先级的框架表示。分为三层： 宏观层、微观一层、微观二层。同时 提出了知识混合表示的推理机制。希 望将排课问题通过人工智能+ 集合 论的路线得到解决。 时间矩阵的提出，使得排课问题 的用集合论方法进行运算比较方便。 这是该小组对解决排课问题的重要贡 献。但是，以现在的观点看来，由于 该小组的研究工作在时间矩阵选择上 只限于星期、节次二维方式，影响了 他们在课表问题研究达到更高层面。 加上使用人工智能知识库的建立与维 。 坦期四五 ，、 锄 ll11010 20l0010 30ll001 41l1001 510o000 6 o010o 0 710oo0o 80o0000 9 0 0000o 1 0ooooo0 l l4340。22 表1 按星期节次二维划分的时问矩阵 湖北工业大学硕士学位论文 护方面，与各高校的现实情况存在着较大差距，影响了其研究的深入。十几年来， 集合论的方法在课表研究中被广泛采用，而人工智能虽有引用但未被广泛认知。 2 2 七值项定义 本方案中同样主要使用集合论的有关原理，解决高校课表问题。研究表明 学校课表是关于教学管理的几个主要值项的集合。 2 2 1 主要值项 课程( c u r r i c u l a ) 定义l ：课程是某领域的知识集合，是在一个学期内完成的知识单元。如果以 小写c u 表示某个具体的课程，大写c u 表示这些课程的集合，则可以将课程记为： c u = c u l ，c u 2 ，c u 3 ，c u i 其中：i 为自然数 举例说明对这一定义的应用。如物理课，如果分为上下两个学期完成，各8 0 学时。在运行管理时，我们就需要分成两门课程看待。 班级( e c l a s s ) 从学生个体出发，先定义班级，再定义授课班级。 定义2 ：班级是学生个人组成的集合。如果以小写s t 表示学生个体，以小写 c l 表示某个学生班级，以大写c l 表示班级集合，以小写e c 表示具体的授课班级， 以大写e c 表示授课班级集合，则： c l = s t l ，s t 2 ，s t 3 ，s t i 其中：i 为自然数 c l = c 1 1 ，c 1 2 ，c 1 3 ，c l ij 其中：i 为自然数 e c = ( e c l ，e c 2 ，e c 3 ，e c i 其中：i 为自然数 某个授课班级e c 的构成可能出现三种情况： e c = c l j ) ( 如学年制) 其中：j 为自然数，且c l j e e l e c = f s t k ( 如学分制、公选课) 湖北工业大学硕士学位论文 其中：k 为自然数，且s t k s t e a = e l i ，s t k ) ( 班中插生的情况) 其中：j ，k 为自然数，且c l j c l ，s t k e s t 班级划分，是学年制与学分制教学运行根本标志。其中学年制教学的教学授 课班级构成以学生建制班级为主体，而学分制教学运行调度的授课班级构成则以 学生个人为主体。 教师( t e a c h e r ) 定义4 ：教师是教师个体的集合。如果以小写t e 表示某个教师，大写t e 表示 教师集合，则可以将教师记为： t e - t e l ，t e 2 ，r e 3 。t e l 其中：i 为自然数 教学地点( a d d r e s s ) 定义5 ：地点是单个地点的集合。如果以小写a d 表示某个地点，大写a d 表示 地点集合，则可以将地点记为： a d = a d l ，a d 2 ，a d 3 ，a d i 其中：i 为自然数 这里的地点，不仅指教室，也指实验室或机房，甚至是某个实习地点。即一 个授课班级开展教学活动的场所。 教学时间划分( t i m e ) 学校的时间划分是一种规律划分。正是这种划分使得教学运行调度有内涵 的规律。学校的教学时间划分层次如下： 学期专周次星期专节次 由于是分学期实施教学调度，我们只需要考虑“周星节”三个层次，研究课 表，只须以节次为主体的时间组合关系。 周次( w e e k ) 定义6 ：周次是单个周次的集合。如果以小写w e 表示某个周次。大写w e 表示 周次集合则可以将周次记为： w e = w e l ，w e 2 ，w e 3 ，w e i 其中：i 为自然数。其中i 一般情况下小于2 3 。 星期( d a y ) 定义7 ：星期是单个星期的集合。如果以小写d a 表示某个星期，大写d a 表示 湖北工业大学硕士学位论文 星期集合，则可以将星期记为： d a = d a l ，d a 2 ，d a 3 ，d a 4 ，d a 5 ，d a 6 ，d a 7 ) 七个值项中，只有星期这个值项是一个已知元素个数的集合。 节次( s t a n z a ) 定义8 ；节次是单个节次的集合。如果以小写s t 表示某个节次，大写s t 表示 节次集合，则可以将节次记为： s t = s t l ，s t 2 ，s t 3 ，s t i ) 其中：i 为自然数。一般学校的一个教学日的节次数一般为：5 - 1 2 。 七值项与课表实体 定义9 ：为了便于用关系数据库( r e l a t i o nd a t a b a s e ) 理论来研究课表问题， 本研究从课表七值中，规定了三个实体( e n t i t y ) ：班级，教师，地点。课程、时 间等不作为实体。 课表问题也是一个“时间一地点一人物一事件”问题，这是语文教学中写记叙文 的基本要求。可以用以借喻课表问题。但有两点说明： 课表是事件 人物一 时间地点的反向过程； 课表中的这个事件在一学期中重复出现。 可以将七值作如下形象比较： 七值项 课程一班级一一教师一地点一周次一星期一一节次 。r 一、， 课表实体班级教师地点 事件人物地点时间 2 2 2 时间矩阵 在已有值项定义基础上，在此需要确定时间矩阵。本课题研究中确定了以三维 时间划分作为时间矩阵a 周次 时问的三维划分可表达如右图 时间的三维划分与二维表达之间是一 对矛盾。本课题在调研时，从中国地质大 星期 图1 时间三维划分 湖北工业大学硕士学位论文 学印发的课表中得到重要启发，即将星期和节次进行单向延伸。这样可以得到一 个反映三维时闯划分的二维时间矩阵： 星期节 日 捞 123n123n123n 周次 1000oo0o0o0o0o00 2000oo0000000000 00o000000oo0o00 2 0oooo000000o0000 表2 按周次、星期、节次三维划分的时间矩阵 实体的时间矩阵原理：课表中的班级、教师、地点等实体，具有相同大小的 时间矩阵。 2 2 3 时间串设计 时闻串设计( 周星节串) 。课表中的三种实体拥有相同大小的时间矩阵。但是， 关系数据库是无法存放“矩阵”的。时间矩阵直接用于自动排课处理显然是不合 理的。如果全面铺开班级、教师、地点的时间矩阵，可以计算大致的内存空间需 求是： 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 * 7 0 0 = 7 0 0 ，0 0 0 。0 0 0 ，0 0 0 0 0b y t e = 7 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 k b y t e = 7 0 0 ，0 0 0 m b y t e 这个内存要求不可能达到。即使能达到，这种应用也不合理。因此，有了时 间矩阵思维后，在数据库应用处理时，需要进行时间表达的设计和存贮方式的设 计。“串”就是一种好的选择。 定义1 0 ：节次串定义。用一个连续的、由( 0 。1 构成的字符串，表示某个实体 的节次占用。其中“l ”表示占用，“0 ”表示未占用。串长即为节次数。 下面例串表示卜2 节占用： 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 0 0 0 定义1 1 ：星期串定义。用一个连续的、由 0 ，l 构成的字符串，表示某个实体 的星期占用。其中“1 ”表示占用，0 表示未占用。串长即为星期数。 下面例串表示为星期三、四占用： 0 0 1 1 0 0 0 定义1 2 ：周次串定义。用一个连续的、由 0 ，1 ) 构成的字符串，表示某个实体 的星期占用。其中“l ”表示占用，“0 ”表示未占用。串长即为星期数。 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 表示1 - 2 0 周全空 n n l l l n j l i i l i 0 0 0 0 0 表示1 - 1 5 周占用 1 0 1 0 l o l 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 表示1 - 1 5 单周占用 定义1 3 ：时间串表达。时间矩阵中的某个节次，是通过周次、星期、节次号 来表示的那么可以用“周次串星期串一节次串”的组合串，来表达这个具指节 次。这就百时间的可表达原理。 例如：使用下划线“一”来作为周星节串的分隔标记，则记为： 1 1 1 1 1 l l n l l l l 0 0 0 0 0 _ o o l l 0 0 0 1 1 0 0 0 表示卜1 5 周的星期三、四的第卜2 节占用。是种精确无歧义的表达。这种 串组合的方式，可以通过设计一个转译程序，提供其与所需要语言一致的文字表 意。 将占用填入时间矩阵得到 量角节文一 二三四 五六日 罔次i l l 2 13 l 1 5 ”2 22 3 删2 53 l 弛3 3 鲋3 5 “24 3 “5b i 砘5 3 “砧6 ie z8 36 砧t it 2t 3 1 t 5 io 00o 0000 0oi 1000l10 00o o0o o00 000 0 0 o o 0 2oo0o0 o 0 o o01100 0llo0o oo0o000 0oo o 0 o 0 o _ 000 0o000 0 0ll0 00i i 0 0 00o o000 0000 0 0 0 o 0 1 50 0000o0000l 1000l i0 0 0 o 0o00000 0 000000 l bo oooooooo0doo00 o d 0 o0d o00 o0o 000 0 0 0 0 0 00 000 0000000 000 oo0 000 000 o0o 00o 0ooo0 2 00 o00000 o0o00oooooo0o 0o