基于粒子群算法的中职学校排课问题研究

摘 要：中职学校的教学过程中，“排课”占有非常重要的地位，关系到整个教学安排合理化的实施。目前中职学校在排课时常以“粒子群算法”为基础，建立数据体系模型，采用电脑自动排课的方式进行。本文尝试以基于粒子群算法的中职学校排课问题来进行研究，全面、深入的挖掘与分析粒子群算法在排课系统中的科学、有效运用，以便在以后的排课系统设计中能够为其他学校提供借鉴经验。

关键词：粒子群算法；中职学校；排课；适应性函数

在我国中等职业学校的教学中，排课是专业课程教学管理体系中的一项十分重要的教学管理工作，其具体的形式与内容都是非常复杂的，一个科学、有效的排课设计系统往往会极大的促进学校教育事业的发展与教学水平的提升。我们从中职学校的排课问题中能够看出一个带有约束性质的优化问题，而其中所说的约束条件就是指，所排出的课程安排不存在教师、教室、时间上的冲突，这是粒子群算法对其进行优化的前提条件，以便最大限度的使教师、教室、时间等资源消耗最小化，从而帮助职业学校取得最大合理化的排课效果。

1 “排课问题”与“粒子群算法”

1.1 排课问题

所谓“排课”，就是指教学课程的安排，具体意思就是说，学校为了能够正常的进行教学工作，然后对各年级、各教室、各教师以及教学课程等一系列的教学资源进行科学、合理的安排与优化，从而制定出学校教学使用的课程表。

排课问题是指科学、有效解决在教学时间、教学空间上资源矛盾的多因素优化决策的一个问题，主要的元素包括教室、教师、课程、班级等，有效的排课就是让这些基本因素之间在一定时间、地点内不发生任何的冲突、矛盾。（表1）

1.2 粒子群算法

粒子群算法——Particle Swarm Optimization ，也被称作为粒子群优化算法，简称——PSO。粒子群优化算法是一种与遗传算法非常相似的科学算法，但是从它的计算内容及形式上来看，PSO这种算法则突显的更为简单、实效。

2 中职学校排课问题的粒子群优化算法

2.1 粒子的编码

在粒子群优化算法中，我们应该对于每一个需要优化的问题进行全面的挖掘、分析，通过想象把一些潜在的问题解决方案通过D维搜索空间，将其看做成一个空间“点”，也就是我們所说的“粒子”。在某中职学校的排课中，对于每一个粒子元素，我们都可以将其设定为一个元素集，T代表时间、M代表教师、C代表课程、R代表班级、I代表地点，这也是在中职、高等学校排课中比较常用的五元组优化算法体系。

下面我们通过一个模型来表现“粒子编码”的操作概念：

图1 粒子编码模型图

2.2 适应性函数

Fit=

该公式中，m1、m2、m3、w1、w2、w3分别代表权值，也就是说权值的大小代表着各种约束条件的重要程度，图1中所表示的粒子元素，在函数中表示的则是一种可能的排课结果，具体的排课结果的优劣好坏是由适应性函数来决定的。

2.3 种群的初始化

在对中职学校进行排课结果研究计算过程中，粒子群优化算法中的种群初始化，也就是指初始化的粒子群，通俗点讲就是指元素集，就像在第一部分所提到的元素集一样，T代表时间、M代表教师、C代表课程、R代表班级、I代表地点。在粒子群初始化的状态下，所有粒子元素都是随机进行排列的，目的就是为了后面所进行的进化操作提供初始粒子群。

2.4 基于粒子群的排课算法设计

通过粒子编码与适应性函数在中职学校排课问题中的应用，制定出PSO基本算法的流程示意图，详见图2。

下面就以某中职学校的计算机信息工程专业的课程任务分配工作问题来进行排课，通过运用粒子群优化算法，并将粒子群优化算法与传统的遗传算法来进行对比，通过排课结果来体现出粒子群优化算法的科学性、准确性、实效性。

通过表3所计算出来的结果显示，基于粒子群优化算法下的中职学校排课结果的性能要优于传统的遗传算法的性能，非常有效的实现了学校在排课过程中避免了各种时间、空间上教育资源的冲突与浪费。

3 总结

本文主要介绍了利用粒子群优化算法来求解中职学校排课问题的具体方案，经过对算法结果的分析与验证，已经证明了PSO这种算法在实际应用中是非常有效果的。应用粒子群的编码方案以及适应性函数，能够很好地解决中职学校排课问题，并有效的保证了中职学校排课结果的正确性、实效性、科学性，对学校排课的合理化和整体教学管理水平的提高有极大的帮助，有效地促进了教学质量的提高。

参考文献：

[1]陈华.基于粒子群算法的高校排课系统设计与实现[D].扬州大学，2009.

[2]王超.基于离散粒子群算法的机房排课问题研究[J].计算机光盘软件与应用，2012（3）：206-207.

[3]张立岩，张世民，秦敏，等.基于改进粒子群算法排课问题研究[J].河北科技大学学报，2011，32（3）：265-268.

作者简介：

李伟明，1982年生，本科毕业（在职研究生在读），研究方向是计算机系统理论，现供职于广州市纺织服装职业学校，从事信息技术助理讲师的工作。