Помощь студентам в учебе
Разработка модуля планирования нагрузки по кафедре
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЯ И
ПЛАНИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ 9
1.1. Анализ требований к составлению нагрузки по кафедре 9
1.2 Существующие подходы решения задачи к составлению расписания 10
1.2.1 Генетические алгоритмы 10
1.3 Существующие системы для составления расписания и распределения
нагрузки, их возможности, достоинства и недостатки 20
1.3.1 "Ректор-ВУЗ" 20
1.3.2 Экспресс-расписание ВУЗ . 22
На рисунках 1.7-1.8 представлен интерфейс программы «Экспресс- расписание ВУЗ» 22
1.3.3 Система «Составление расписания» 23
1.4 Постановка задачи и цели работы 24
1.5 Выводы 24
2 РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ МОДУЛЯ СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЯ 26
3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ 29
3.1. Основной алгоритм программы 29
3.2 Алгоритм распределения нагрузки 32
3.2.1 Математическая модель 32
3.2.2 Муравьиный алгоритм решения задачи 32
3.3 Выводы 35
4 РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ 36
4. 1 ER-диаграмма ..36
4.2. Логическое проектирование базы данных 40
4.3. Выводы 44
5 РАЗРАБОТКА ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА 45
5.1 Интерфейс администратора 45
5.2 Интерфейс пользователя (преподавателя) 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
ЛИТЕРАТУРА 52
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 53
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 . 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 55
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЯ И
ПЛАНИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ 9
1.1. Анализ требований к составлению нагрузки по кафедре 9
1.2 Существующие подходы решения задачи к составлению расписания 10
1.2.1 Генетические алгоритмы 10
1.3 Существующие системы для составления расписания и распределения
нагрузки, их возможности, достоинства и недостатки 20
1.3.1 "Ректор-ВУЗ" 20
1.3.2 Экспресс-расписание ВУЗ . 22
На рисунках 1.7-1.8 представлен интерфейс программы «Экспресс- расписание ВУЗ» 22
1.3.3 Система «Составление расписания» 23
1.4 Постановка задачи и цели работы 24
1.5 Выводы 24
2 РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ МОДУЛЯ СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЯ 26
3 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАГРУЗКИ 29
3.1. Основной алгоритм программы 29
3.2 Алгоритм распределения нагрузки 32
3.2.1 Математическая модель 32
3.2.2 Муравьиный алгоритм решения задачи 32
3.3 Выводы 35
4 РАЗРАБОТКА БАЗЫ ДАННЫХ 36
4. 1 ER-диаграмма ..36
4.2. Логическое проектирование базы данных 40
4.3. Выводы 44
5 РАЗРАБОТКА ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА 45
5.1 Интерфейс администратора 45
5.2 Интерфейс пользователя (преподавателя) 49
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
ЛИТЕРАТУРА 52
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 53
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 . 54
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 55
Каждую четверть в школе, каждый семестр в университете составляют расписание занятий. Эта задача является одной из самых нужных задач, которую решают при планировании учебного процесса в каждом учебном заведении. Во-первых, это связано с тем, что без расписания занятий невозможно функционирование учебного заведения. Иными словами, расписание учебных занятий должно быть составлено своевременно и «качественно», т. е. отвечать ряду требований и критериев. В качестве таких критериев могут выступать критерии: отражающие экономическую эффективность использования имеющихся ресурсов образовательной системы, комфортность учебы студентов и работы ППС, ограничения по времени обучения и т. д.
Целью работы является разработка программы для автоматизации распределения нагрузки.
Составление расписания - это родственная задача распределения нагрузки между преподавателями. Важно правильно распределить нагрузку между преподавателями, чтобы учебный процесс был наиболее эффективным для учащихся.
Для преподавателя важно, чтобы нагрузка была правильно рассчитана, чтобы преподаватель вел «свою» дисциплину и имел необходимое и достаточное количество часов. Преподаватель не должен быть перегружен. Он должен иметь возможность и время уделить внимание каждой группе на занятие и каждому студенту на консультации. Поэтому группы должны быть грамотно разделены на подгруппы на практических занятиях и объединены на лекционных занятиях.
Количество часов занятий у преподавателя должно соответствовать его занимаем должность, научной степенью и ставкой.
Задачараспределения нагрузки относится к задаче целочисленного программирования, сложность решения которой растет экспоненциально с ростом числа и возможных значений варьируемых переменных (такие задачи относятся к классу NP-трудных задач). Кроме того, для нее характерно наличие большого объема различной по своему составу исходной информации и большого числа трудноформализуемых требований.
Выше перечисленные сложности препятствуют автоматизации процедуры распределения нагрузки, несмотря на наличие широкого спектра методов целочисленного программирования: методов полного перебора, метода ветвей и границ, метода раскраски графов, эвристических методов.
Так, в группе работ для автоматизации процедуры распределения нагрузки предлагаются подходы, основанные на так называемых точных (классических) методах и алгоритмах целочисленного программирования.
Недостатком данных методов является громоздкость и сложность получаемой математической модели задачи составления расписания, резкий рост временных затрат с ростом объемов исходной информации на поиск решения в силу NP-сложного характера задачи составления расписания в ее классической постановке. Кроме того, в данных работах слабо учитываются структурные особенности объектов расписания и распределения нагрузки (преподаватели, группы, аудитории, дисциплины, временные интервалы занятий), между которыми существуют сильные связи, обусловленные спецификой организации учебного процесса. Так, например, преподаватели ведут занятия в строго определенных группах и в строго определенное время. Более того, занятия в группах ведутся по строго определенным дисциплинам в соответствии с учебным планом. Отметим, что часть из указанных объектов имеет иерархическую структуру. Так, например, учебные группы могут объединяться в потоки, включающие в себя группы одного курса одной специальности. Поэтому предлагаемые в данных работах подходы оказываются малоэффективными при составлении расписания занятий для образовательных систем массового обучения.
На данный момент в высшем учебном заведении можно использовать информационное пространство, включающее компоненты по различным направлениям: кадровый учет сотрудников, учет студентов, служба безопасности, рейтинг преподавателей, контроль успеваемости студентов и другие.
В настоящее время использование информационных систем в высших образовательных учреждениях не является редкостью. Спектр их применения широк и варьируется от автоматизации отдельно взятых рабочих мест до полной автоматизации деятельности ВУЗа.
Вне зависимости от объекта автоматизации, будь то преподавательский состав или администрация университета, в образовательном учреждении такие системы внедряют, преследуя конечную цель - повышение качества образования.
ВУЗ, как и любое предприятие, непременно проходит процесс автоматизации и, несмотря на то, что понятие образовательной деятельности едино для всех образовательных учреждений, в каждом ВУЗе этот процесс проходит по-разному. Значительное влияние на процессы автоматизации оказывает как наличие денежных средств, так и готовность использования предлагаемых рынком информационных услуг программных продуктов.
В связи с функционированием вузов в рамках единого информационного пространства, использование сторонних программных продуктов делается невозможным ввиду специфики работы имеющихся систем или же по причине дороговизны внедрения, влекущего значительную доработку как имеющихся, так и приобретаемых информационных систем.
С целью автоматизации планирования было разработано решение, упрощающее процесс создания электронного расписания на основе анализа имеющихся учебных планов специальностей, позволяющий анализировать структуру нагрузки, а также планировать структурную доработку и некоторую унификацию имеющихся учебных планов.
Целью работы является разработка программы для автоматизации распределения нагрузки.
Составление расписания - это родственная задача распределения нагрузки между преподавателями. Важно правильно распределить нагрузку между преподавателями, чтобы учебный процесс был наиболее эффективным для учащихся.
Для преподавателя важно, чтобы нагрузка была правильно рассчитана, чтобы преподаватель вел «свою» дисциплину и имел необходимое и достаточное количество часов. Преподаватель не должен быть перегружен. Он должен иметь возможность и время уделить внимание каждой группе на занятие и каждому студенту на консультации. Поэтому группы должны быть грамотно разделены на подгруппы на практических занятиях и объединены на лекционных занятиях.
Количество часов занятий у преподавателя должно соответствовать его занимаем должность, научной степенью и ставкой.
Задачараспределения нагрузки относится к задаче целочисленного программирования, сложность решения которой растет экспоненциально с ростом числа и возможных значений варьируемых переменных (такие задачи относятся к классу NP-трудных задач). Кроме того, для нее характерно наличие большого объема различной по своему составу исходной информации и большого числа трудноформализуемых требований.
Выше перечисленные сложности препятствуют автоматизации процедуры распределения нагрузки, несмотря на наличие широкого спектра методов целочисленного программирования: методов полного перебора, метода ветвей и границ, метода раскраски графов, эвристических методов.
Так, в группе работ для автоматизации процедуры распределения нагрузки предлагаются подходы, основанные на так называемых точных (классических) методах и алгоритмах целочисленного программирования.
Недостатком данных методов является громоздкость и сложность получаемой математической модели задачи составления расписания, резкий рост временных затрат с ростом объемов исходной информации на поиск решения в силу NP-сложного характера задачи составления расписания в ее классической постановке. Кроме того, в данных работах слабо учитываются структурные особенности объектов расписания и распределения нагрузки (преподаватели, группы, аудитории, дисциплины, временные интервалы занятий), между которыми существуют сильные связи, обусловленные спецификой организации учебного процесса. Так, например, преподаватели ведут занятия в строго определенных группах и в строго определенное время. Более того, занятия в группах ведутся по строго определенным дисциплинам в соответствии с учебным планом. Отметим, что часть из указанных объектов имеет иерархическую структуру. Так, например, учебные группы могут объединяться в потоки, включающие в себя группы одного курса одной специальности. Поэтому предлагаемые в данных работах подходы оказываются малоэффективными при составлении расписания занятий для образовательных систем массового обучения.
На данный момент в высшем учебном заведении можно использовать информационное пространство, включающее компоненты по различным направлениям: кадровый учет сотрудников, учет студентов, служба безопасности, рейтинг преподавателей, контроль успеваемости студентов и другие.
В настоящее время использование информационных систем в высших образовательных учреждениях не является редкостью. Спектр их применения широк и варьируется от автоматизации отдельно взятых рабочих мест до полной автоматизации деятельности ВУЗа.
Вне зависимости от объекта автоматизации, будь то преподавательский состав или администрация университета, в образовательном учреждении такие системы внедряют, преследуя конечную цель - повышение качества образования.
ВУЗ, как и любое предприятие, непременно проходит процесс автоматизации и, несмотря на то, что понятие образовательной деятельности едино для всех образовательных учреждений, в каждом ВУЗе этот процесс проходит по-разному. Значительное влияние на процессы автоматизации оказывает как наличие денежных средств, так и готовность использования предлагаемых рынком информационных услуг программных продуктов.
В связи с функционированием вузов в рамках единого информационного пространства, использование сторонних программных продуктов делается невозможным ввиду специфики работы имеющихся систем или же по причине дороговизны внедрения, влекущего значительную доработку как имеющихся, так и приобретаемых информационных систем.
С целью автоматизации планирования было разработано решение, упрощающее процесс создания электронного расписания на основе анализа имеющихся учебных планов специальностей, позволяющий анализировать структуру нагрузки, а также планировать структурную доработку и некоторую унификацию имеющихся учебных планов.
Ежегодное распределение нагрузки преподавателя представляет собой достаточно трудоемкий процесс, требующий большой аккуратности. После заполнения возникает вопрос о соответствии отчетной нагрузки и фактической, так как существует вероятность ошибки. Поэтому автоматизация составления отчетов преподавателей по выполненной нагрузке является актуальной. В качестве входных данных для расчета нагрузки были взяты учебные планы из системы «УНИВЕРИС».
Проведенный анализ программ автоматизации учебного процесса: «Система составления расписания», «Ректор-ВУЗ», «Экспресс-расписание ВУЗ» показал, что основными недостатками этих программных продуктов является высокая стоимость, отсутствие расчета фактической учебной нагрузки преподавателя, ограниченный доступ преподавателей к этим программам.
На основе анализа программного обеспечения с похожей функциональностью и аналогичными технологиями осуществлен выбор средств и технологий для реализации поставленной задачи.
Предполагается, что разрабатываемая программа должна содержать следующие функциональные требование:
• удобный интерфейс;
• таблица с выбором типа занятия и расчетом фактической учебной нагрузки по конкретно выбранному типу;
• выполняется суммарный расчет по семестрам и учебному году;
• таблица расписания, куда будут заноситься данные о типе занятия;
• выбор семестра, в который будет заноситься информация;
Был проведен анализ предметной области и разработана реляционная база данных. Разработаны алгоритмы и реализовано приложение для ввода учебных планов в базу данных и расчета фактической нагрузки. Спроектированный интерфейс программы для расчета фактической учебной нагрузки преподавателей разработан с помощью использования паттернов проектирования приложений, предложенных в книге Тидвелла. Произведено тестирование данной программы с целью выявления ошибок или ситуаций, в которых программа ведет себя некорректно. В результате тестирования ошибок выявлено не было.
Недостатком данной программы является то:
1. Что она не позволяет производить автоматический контроль ввода не аудиторной нагрузки, что можно рекомендовать в качестве дальнейшего развития данной программы.
2. В ситуации, когда по одной дисциплине лекцию ведет один преподаватель, а практику - другой, нет возможности отслеживать с кем преподаватель работает «в паре».
Данные недостатки можно устранить при дальнейшем развитии программы.
Несмотря на недостаток, разработанное программное обеспечение позволило свести количество ошибок при заполнении таблиц к минимуму, и за счет использования централизованной базы данных позволило получить суммарные отчеты со статистикой по выполненной учебной нагрузке всех преподавателей кафедры.
Проведенный анализ программ автоматизации учебного процесса: «Система составления расписания», «Ректор-ВУЗ», «Экспресс-расписание ВУЗ» показал, что основными недостатками этих программных продуктов является высокая стоимость, отсутствие расчета фактической учебной нагрузки преподавателя, ограниченный доступ преподавателей к этим программам.
На основе анализа программного обеспечения с похожей функциональностью и аналогичными технологиями осуществлен выбор средств и технологий для реализации поставленной задачи.
Предполагается, что разрабатываемая программа должна содержать следующие функциональные требование:
• удобный интерфейс;
• таблица с выбором типа занятия и расчетом фактической учебной нагрузки по конкретно выбранному типу;
• выполняется суммарный расчет по семестрам и учебному году;
• таблица расписания, куда будут заноситься данные о типе занятия;
• выбор семестра, в который будет заноситься информация;
Был проведен анализ предметной области и разработана реляционная база данных. Разработаны алгоритмы и реализовано приложение для ввода учебных планов в базу данных и расчета фактической нагрузки. Спроектированный интерфейс программы для расчета фактической учебной нагрузки преподавателей разработан с помощью использования паттернов проектирования приложений, предложенных в книге Тидвелла. Произведено тестирование данной программы с целью выявления ошибок или ситуаций, в которых программа ведет себя некорректно. В результате тестирования ошибок выявлено не было.
Недостатком данной программы является то:
1. Что она не позволяет производить автоматический контроль ввода не аудиторной нагрузки, что можно рекомендовать в качестве дальнейшего развития данной программы.
2. В ситуации, когда по одной дисциплине лекцию ведет один преподаватель, а практику - другой, нет возможности отслеживать с кем преподаватель работает «в паре».
Данные недостатки можно устранить при дальнейшем развитии программы.
Несмотря на недостаток, разработанное программное обеспечение позволило свести количество ошибок при заполнении таблиц к минимуму, и за счет использования централизованной базы данных позволило получить суммарные отчеты со статистикой по выполненной учебной нагрузке всех преподавателей кафедры.
