Как составить расписание по модулям по

Получив знания в области системного программирования, веб-технологий, основ алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня, менеджмента в информационных технологиях, тестирования программного обеспечения, мы смогли применить все знания и умения на заключительном этапе обучения – реализации и презентации дипломного проекта.

8 февраля 2013 года в ВГУ им. П.М. Машерова состоялась защита дипломного проекта «Разработка автоматизированной системы расписания занятий учебного заведения». Мы рассмотрим цели и задачи проекта, структуру программного продукта и технологию разработки автоматизированной информационной системы.

Страница проекта: http://drupal.la.by

Реферат

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА, ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ, АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА, РАСПИСАНИЕ ЗАНЯТИЙ, ФАКУЛЬТЕТ, CMS DRUPAL, PHP, ВЕБ-ПРОГРАММИРОВАНИЕ.

Объект исследования – автоматизированная система расписания занятий высшего учебного заведения.

Предмет исследования – применение современных информационных технологий и средств веб-программирования для создания автоматизированных информационных систем.

Цель работы – проектирование и разработка автоматизированной системы расписания занятий высшего учебного заведения.

Методы исследования и технология разработки: описательно-аналитический, экспериментальный, анализ проблем автоматизации работы высших учебных заведений, разработка системы расписания факультетов университета. В качестве системы управления базами данных выбрана СУБД MySQL. Средствами разработки являются PHP, HTML5 и jQuery, инструментарий для разработки и администрирования веб-проектом – система управления сайтом CMS/CMF Drupal 7.

Элементы новизны: использование современных веб-технологий HTML5, CSS3 и jQuery при проектировании веб-проекта.

Теоретическая и практическая значимость заключается в том, что результаты работ можно применять в деятельности конкретного учебного заведения, использовать  другими учебными заведениями для совершенствования анализа результатов образовательного процесса, а также концепция данного исследования может быть использована в качестве методического пособия при разработке информационных систем.

Введение

Одной из важнейших проблем качественной организации учебного процесса в высшем учебном заведении является задача создания автоматизированного учебного расписания. Правильно и точно составленное расписание  обеспечивает равномерную загрузку студенческих групп и профессорско-преподавательского состава.

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.

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. Работа сотрудников в едином пространстве организована на основе доменов Active Directory, что позволяет выполнять централизованное управление, обеспечивает единый процесс входа в систему и масштабируемость сети.

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.

Общие требования, предъявляемые к автоматизированной системе, следующие:

— использование норм времени для расчета объемов учебной нагрузки;
— использование информации из учебных планов специальностей;
— быстрота обработки информации за счет автоматизации возможных операций пользователя системы;
— формирование отчетных форм;
— расширяемость системы (возможность её доработки в случае повышения требований к автоматизированной системе);
— удобный пользовательский интерфейс.

Для создания системы использовались языки программирования PHP, HTML5, CSS3 и jQuery-плагин FullCalendar для отображения сетки расписания, в качестве системы управления базами данных использовалась СУБД MySQL. Основной используемый инструмент для разработки и администрирования проекта – система управления сайтом CMS Drupal 7.

В первой главе дипломной работы рассматривается анализ проблем, связанных с автоматизацией деятельности ВУЗа, проводится анализ основных вопросов  и  подходов автоматизированного составления расписания занятий в высшем учебном заведении.

Во второй главе формулируются требования к разрабатываемой системе, определяются критерии выбора СУБД такие как:

— критерий моделирование данных;
— критерий, определяющий особенности архитектуры и функциональные возможности;
— критерий контроля работы системы;
— критерий производительности;
— критерий надежности и др.

Здесь приводится описание используемой СУБД и её преимуществ.

В третьей главе описывается структура базы данных MySQL и технология разработки автоматизированной системы расписания занятий, описываются созданные представления и пользовательские процедуры с использованием инструментов CMS Drupal 7. Глава включает описание работы сервисов и руководство по использованию программы.

Заключение включает в себя подведение итогов, результаты разработки автоматизированной системы и преимущества ее использования.

1 Теоретические основы автоматизированной информационной системы расписания занятий

1.1 Проблемы автоматизации деятельности высшего учебного заведения

Стремительный прогресс средств вычислительной техники, изменение условий образования, изменение средств и форм обучения, расширение спектра технических средств, а так же использование больших объемов информации диктуют необходимость внедрения информационных технологий в образование.

Вопросов для чего нужна автоматизация тех или иных процессов, как правило, не возникает. Но вот вопросы — как и с чего начать автоматизацию возникают у многих. Сколько потребуется денежных средств? Что и у кого приобретать? Как внедрять? Кто будет заниматься сопровождением программного продукта? Кто будет финансировать? Эти и многие другие вопросы обязательно возникают в начале автоматизации любых процессов.

Следует начать с определения понятия «автоматизация». Под автоматизацией обычно понимают применение технических и программных средств, частично или полностью освобождающих человека от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования материалов или информации. Процессу автоматизации предшествует его формализация, то есть получение полного набора однозначно трактуемых инструкций, следуя которым достигается результат реализации процесса.

Преимущества автоматизации очевидны — это ускорение выполнения операций и снижение ошибок при их выполнении, снижение издержек на реализацию операций и повышение качества. Успешной может считаться автоматизация, в результате внедрения и использования которой удалось возвратить инвестированные в нее средства.

Выделяют следующие этапы процесса автоматизации, применяемые в целом к деятельности того или иного учреждения. Каждый из этапов требует осмысленного и последовательного выполнения.

Этап 1: постановка проблемы, оценка необходимости автоматизации и возможностей предприятия;
Этап 2: формирование требований к программно-аппаратному комплексу, выбор или реализация программного продукта и технического обеспечения;
Этап 3: внедрение программного продукта;
Этап 4: послегарантийное обслуживание программно-аппаратного комплекса.

Прежде чем начать автоматизацию необходимо ясно и четко сформулировать свои требования к ней. Требуется определить какие именно функции необходимо автоматизировать. Следует учитывать, что зачастую внедрение автоматизированных систем снижает степень влияния человеческого фактора на выполнение тех или иных операций.

Из числа руководителей высшего звена необходимо выделить сотрудника, ответственного за проведение данного процесса и уполномоченного принимать решения по вопросам автоматизации, степени и роли участия сотрудников, имеющих отношение к автоматизации.

Выделение квалифицированных специалистов, отвечающих за разработку или внедрение программного продукта, является обязательным условием автоматизации. Каждый отдельный специалист в рамках своих обязанностей должен уметь оперативно устранять возникающие в системе отказы, выявлять и устранять нарушения условий эксплуатации, решать те или иные проблемы пользователей.

Выбор программного продукта или среды его разработки не следует отделять от выбора технического обеспечения, на котором предстоит в дальнейшем работать. Не следует забывать и об имеющейся информационной системе ВУЗа. Интеграция в единое информационное пространство позволяет использовать ранее реализованные компоненты и единую базу данных, что повышает гибкость информационной системы в целом и снижает дублирование уже имеющейся информации.

Описанный процесс анализа деятельности ВУЗа обычно называют «предпроектным обследованием учреждения». В ходе обследованием строится полная модель организации, описывающая не только взаимодействие структурных единиц, но и реализуемые ими операции и информационные потоки. Построение подобных документированных моделей позволяет не только оптимизировать текущую работу, но и сделать деятельность предприятия менее зависимой от конкретных людей, а также помочь в обучении новых сотрудников
.
После построения модели учреждения и определения требований к программному продукту, необходимо определиться с выбором программы. Функциональная полнота (достаточность) будущей программы является базовым требованием к выбору программного продукта.

В рамках данной дипломной работы рассматривается автоматизация расписания занятий факультетов высшего учебного заведения. При выборе программного продукта, особое внимание следует обратить на возможность гибкой настройки программного продукта под специфику конкретного образовательного учреждения (используемые нормы времени, реализуемые учебные планы).

Следует обратить внимание на формирование отчетности. Важно решить – кому будут адресованы отчеты, и для каких целей, что позволит определить содержание и вид отчетов.

Можно приобрести единый программный комплекс для автоматизации различных процессов ВУЗа, но подобное решение неминуемо приведет к большим денежным и трудовым затратам, связанным как с приобретением нового программного обеспечения, так и с переходом и адаптацией к нему. Можно приобрести или разработать программу полностью адаптированную под специфику конкретного ВУЗа и автоматизирующую отдельно взятый процесс. Такие программы легки в освоении и содержат набор функций и операций, намного облегчающих деятельность пользователя системы. К достоинствам подобных программ следует отнести более низкую стоимость, простоту внедрения и адаптации в сравнении с крупными программными комплексами, направленными на большого числа задач.

Выбор варианта – покупать или разрабатывать самим – полностью зависит от каждого образовательного учреждения в отдельности. Здесь играет большую роль готовность в финансировании проекта, профессионализм разработчиков – сотрудников образовательного учреждения, готовых создать и внедрить программу, а также квалификация будущих пользователей.

1.2 Обзор основных вопросов автоматизированного составления расписания занятий в высшем учебном заведении

Задача составления расписаний являются предметом научных исследований с середины прошлого века. Область их применения включает в себя различные сферы человеческой деятельности, такие как: транспортные перевозки, массовое обслуживание, промышленность, образование и т. д. Практика выдвигает множество задач, которые невозможно эффективно решить путем полного перебора. Для большинства моделей теории расписаний нахождение оптимального расписания является трудноразрешимой задачей, а решение приближенных к реальным условиям задач обладает ещё большей сложностью, так как данные решения должны удовлетворять многочисленным, зачастую конфликтующим между собой ограничениям производственного, организационного и психофизиологического характера. Выходом из данного положения является отказ от подхода, когда пригодным считается только самое лучшее решение. Рассмотрим задачу подобного класса, возникающую в конкретной области управленческой деятельности, — составление расписаний учебных занятий в вузе.

Количественный и качественный рост высшей школы требует нового подхода к решению задач управления учебной, научной и хозяйственной деятельностью вузов. Этот подход в последние годы находит свое воплощение в применении современных средств вычислительной техники и математических методов в управлении высшими учебными заведениями. В современном мире всё большее распространение получают различного рода системы автоматизации технических процессов, которые всегда выполнялись вручную. Например, системы принятия решения в маркетинге, экспертные системы, заменяющие опытных специалистов, прогнозирующие системы в самых различных областях науки и техники. К таким же процессам относится и составление расписания, которое до сих пор во многих учебных заведениях создается вручную на основе многолетнего опыта. Современные it-технологии располагают средствами, позволяющими наилучшим образом организовать любой процесс, в том числе и учебный.

Задача планирования расписания учебных занятий — это задача на составление расписания комбинаторного типа, характерной особенностью которой является огромная размерность и наличие большого числа ограничений сложной формы. Фактически, в настоящее время, не существует универсальных методов решения таких задач. Прямое применение математической (классической) теории расписания к задаче составления учебных занятий не представляется возможным.  Тем не менее, есть ряд эвристических и переборных методов, которые вполне поддаются программированию.

Есть мнение, что опытный диспетчер сможет составить расписание так, что оно будет отвечать интересам учебного процесса и общественной жизни образовательного учреждения. Однако с этим нельзя согласиться. Ручное решение задачи составления расписания занятий требует больших затрат времени, квалифицированных специалистов, в то же время результат такого решения часто получается далеко не оптимальным. После ввода исходной информации требуется её согласование, в то время как невозможность получения требуемого расписания может быть определена ещё на этапе анализа. Во время составления расписания возможно возникновение тупиковых ситуаций. Всё это требует изменения исходных данных и ослабления ограничений, и здесь без человека не обойтись. Без внесения данных изменений расписание не будет иметь практической ценности. Также следует учесть тот момент, что расписание может меняться и во время его использования, т.е. после составления, и здесь весьма важен человеческий фактор. В этом плане важна поддержка данного процесса автоматизированными методами и процедурами. Основное преимущество состоит в том, что автоматизированное составление устраняет массу рутинной работы, такой как: поиск возможных вариантов внесения очередных элементов в расписание, проверку выполнения требований, поиск случайных ошибок в готовом расписании, оформление расписания на бумаге в виде различных таблиц (для преподавателей, групп, покабинетного), оставляя человеку больше времени на более интеллектуальные действия. Компьютер в данном случае также является инструментом, существенно усиливающим способности человека, т.к. человек не в состоянии перебрать и проанализировать такое же количество вариантов расписаний, как компьютер.

В последние годы предпринимаются множественные попытки совершенствования планирования учебного процесса путем построения алгоритмов оптимизации задач планирования учебной работы вуза с использованием вычислительной техники и программного обеспечения Microsoft Excel. Практическое внедрение планирования учебного процесса с использованием веб-технологий имеет место лишь в немногих вузах. Анализ состояния этих разработок позволяет сделать следующие выводы:

— разработка и внедрение вузами задач АСУ осуществляется в инициативном порядке и эти работы, как правило, направлены на решение отдельных проблем. Разобщенность групп исследователей и разработчиков привела к созданию множества систем, направленных на разработку алгоритмов и программ, рассчитанных на обслуживание только конкретного вуза.

— многие системы возлагают на разработчика расписания всю ответственность за учет реальных требований. В частности, учет требований преподавателей, ограничений на количество проводимых занятий в день, в неделю — все эти и многие другие рутинные задачи в таких системах приходится решать человеку чаще всего методами перебора.

— имеющиеся программы не предполагают многопользовательский режим работы и не поддерживают весь необходимый электронный документооборот.
— не внедряется разработка типовых унифицированных элементов для создания единой автоматизированной системы управления высшей школой.
— имеющиеся программы имеют весьма неудобный интерфейс для ввода исходных данных и редактирования полученного расписания.

В связи с расширением работ по совершенствованию системы управления высшей школой путем создания и внедрения в вузах различных автоматизированных систем управления возникает необходимость в унифицировании средств составления учебного расписания на вычислительной технике. Для этого необходимо четко формализовать требования к расписанию и разработать соответствующее алгоритмическое обеспечение.

При разработке алгоритмов автоматизированного составления расписания занятий остро стоит проблема создания универсальных алгоритмов, учитывающих специфику условий каждой конкретной задачи. Такие алгоритмы должны быть достаточно «гибкими», т.е. без существенного их изменения можно было бы включать и исключать требования из системы требований к расписанию. Однако попытка решать задачу каким-либо одним единственным универсальным алгоритмом на данный момент не представляется возможной. Алгоритмы, позволяющие решать широкий класс задач, не дают той эффективности, которую обеспечивают более конкретные, адаптированные с учётом конкретных условий алгоритмы.

Для систем составления расписания занятий характерна сильная зависимость от специфики конкретных учебных заведений уже на уровне математических моделей и представления данных, что затрудняет использование типовых систем. Систему, созданную в одном вузе, обычно без изменения и доработки невозможно эффективно использовать в другом. К тому же многие из них создавались достаточно давно и с их помощью невозможно эффективно решать поставленную задачу.

Для решения существующих проблем требуется построение гибкой и легко адаптируемой системы на основе новых принципов, с использованием современных веб-технологий. Необходима система, составляющая расписание в соответствии с выбранными критериями и заданными требованиями. Данные возможности должны осуществляться также без изменения исходного кода системы. Для покрытия наиболее типичных случаев необходимо создание нескольких типовых алгоритмов, реализующих составление расписаний. Данная система должна иметь возможность дополнения и изменения существующей базы данных и пользовательского интерфейса. Всё это давало бы возможность задавать в каждом вузе требования, отвечающие его условиям, и с помощью подбора и настройки подходящего алгоритма получать требуемое расписание.

1.3 Сравнительный анализ подходов к автоматизации составления расписаний учебных занятий в образовательных учреждениях

В общей постановке задача составления расписания представляет собой процесс распределения некоторого конечного набора событий во времени в условиях ресурсных и других ограничений.

В качестве исходных данных для составления расписания выступают перечень специальностей, списки групп студентов, дисциплин, а также учебная нагрузка на группы. Имеющийся ресурс выражен в качестве списка профессорско-преподавательского состава, которые могут читать некоторые предметы в заданных группах, списка аудиторий, количества учебных дней в неделю, максимального количества занятий в день.

Необходимо составить оптимальное расписание занятий для каждой группы по дням недели, распределить учебные аудитории в каждый из дней недели, распределить нагрузку на преподавателей по дням с учетом их пожеланий. То есть наиболее удобным образом распределить имеющиеся ресурсы в соответствии с запросами и выделить время для занятий каждой группы.

Существование удачно составленных расписаний говорит о том, что задача составления оптимального расписания разрешима, или хотя бы о том, что для нее существуют допустимые решения.

Составление расписания относится к задачам целочисленного программирования, сложность решения которых растет экспоненциально с ростом числа и возможных значений варьируемых. Кроме того, для нее характерно наличие большого объема различной по своему составу исходной информации и большого числа трудноформализуемых требований. Указанные сложности препятствуют автоматизации процедуры составления расписания, несмотря на наличие широкого спектра методов целочисленного программирования.

С помощью точных (классических) методов и алгоритмов целочисленного программирования возможно получение точной математической модели, отвечающей всем ограничениям, но в силу NP-сложного характера задачи составления расписания эта модель будет громоздкой и сложной. Чтобы избежать этого, применяется имитационное моделирование. В этом случае алгоритм оперирует непосредственно расписанием и списком занятий, которые необходимо включить в расписание (учебным планом). Процесс составления начинается с пустого расписания, когда все занятия находятся в списке неучтенных занятий.

Далее алгоритм переходит от одного незаконченного расписания к другому, стремясь наилучшим образом расставить все занятия, включенные в список.

Процесс продолжается до тех пор, пока не будет сформировано полное расписание или выполнится фиксированное количество итераций.

При реализации алгоритма, основанного на принципах имитационного моделирования, особое внимание уделяется разработке эвристических правил выбора очередного занятия из списка, определения наилучшей для него позиции в расписании и оценке получаемого расписания.

К положительным чертам такого подхода можно отнести возможность детального учета специфики решаемой задачи в случае составления расписания для конкретного вуза. Однако при этом сильно ограничивается возможность применения разработанной системы в других учебных заведениях. Кроме того, по-видимому, понадобится вносить существенные изменения в алгоритм при незначительных внутренних изменениях в вузе.

Так как алгоритм основан на действиях, совершаемых диспетчером при составлении расписания, то существует возможность организации деятельного диалога между пользователем и системой при поиске оптимального расписания.

Подходы к автоматизации составления расписания. Во многих университетах расписание формируется в ручном режиме, составляется оно на картонных планшетах, мелким почерком карандашом на них наносится сетка расписания. В таком же виде они распространяются по факультетам и кафедрам. Найти нужную информацию или сделать определенную выборку в такой ситуации крайне затруднительно. Поэтому как минимум необходимо автоматизировать ввод и хранение информации о расписании занятий.

Программные продукты позволяют достаточно успешно формировать расписание занятий в автоматическом режиме, но при этом теряются опыт и устойчивая привычная структура расписания, полученные при ручном составлении.

Кроме того, такие программы чаще всего используют локальный подход, т.е. автоматизацию только одного отдела, ответственного за составление расписания. Сотрудникам этого отдела требуется провести трудоемкий процесс ввода исходной информации в единую базу данных.

Рисунок 1.1 — Потоки данных при локальном подходе

Как видно из схемы на рисунке 1.1, соотношение объема входных и выходных данных настолько велико, что имеют место необоснованные потери времени, возникающие при подготовке значительного объема входных данных только для составления расписания. Возможность же использования базы данных для решения других задач отсутствует.

Для решения этой проблемы необходимо вменить в обязанности ввод каждого блока информации соответствующим службам, непосредственно отвечающим за эти данные, которые будут контролировать, поддерживать актуальность и нести ответственность за вводимую информацию. Сведения о преподавателях – отдел кадров; учебные планы и дисциплины – учебно-методический отдел; группы и студенты – деканаты факультетов. Кроме того, необходимо заинтересовать эти службы во вводе данных в информационную систему, например, возможностью автоматизировать их бизнес-процессы, наладить поиск и устранение критических ошибок, а также возможностью формировать различные выборки, используя консолидированные данные из различных блоков информации.

Таким образом, схема потоков данных примет вид, представленный на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Потоки данных при системном подходе

Это и есть принципиальная схема системного подхода к автоматизации составления расписаний вуза, т.е. автоматизации всех бизнес-процессов, связанных с предметной областью расписания. И именно это позволит автоматизировать рутины, а окончательный выбор при принятии решения оставить за пользователем.

При локальном подходе процесс автоматизации составления расписания достаточно трудоемок. К положительным моментам можно отнести, что разработать информационную систему, реализующую данный подход, вуз может своими силами, в достаточно короткий срок и с минимальными финансовыми затратами.

Примером системы с применением системного подхода будет служить, разработанное в рамках данной дипломной работы, автоматизированное расписание занятий высшего учебного заведения с использованием CMS/CMF Drupal 7.

База данных содержит 3 справочника, хранящих необходимый для составления расписания минимум информации. Главные задачи при разработке информационной системы: автоматизация ввода расписаний занятий с учетом специфики вуза, автоматизация поиска при составлении расписания и предоставление расписаний занятий пользователям с помощью удобного web-интерфейса.

Данная информационная система является примером отдельной части всего учебного процесса. При этом, с помощью встроенных средств экспорта-импорта существует возможность взаимосвязи между другими объектами деятельности университета. Система административных прав и ролей CMS Drupal 7 позволяет сотрудникам различных служб заполнять различные справочники и таблицы, содержащих информацию, которая относится к их службам, но напрямую используется и в других подразделениях.

В результате анализа существующих методов и подходов составления расписания можно сделать вывод об экономической целесообразности применения полностью автоматизированных систем составления расписаний в средних и крупных вузах при построении точных математических моделей. Наиболее эффективным решением задачи является применение системы диалогового процесса составления расписания, построенного с использованием системного подхода и являющегося частью корпоративной управленческой информационной системы. Этот подход обеспечит хранение всей необходимой и актуальной информации для составления расписания, а окончательное решение будет принимать сотрудник отдела по составлению расписаний.

2 Постановка задачи и выбор средства разработки

2.1 Требования к разрабатываемой системе

Одной из целей преследуемых при проведении автоматизации ВУЗа является создание единой информационной системы. Наличие единого центра хранения информации (базы данных) с целью минимизировать функции отдельных пользователей – не менее важная задача при создании автоматизированных систем. В связи с наличием в высших учебных заведениях единой базы данных, одним из главных требований к разрабатываемой системе является возможность интеграции в данную базу, для использования хранящейся в ней информации о студентах, кафедрах и учебных планах.

В приложении A представлена структура программного продукта.

Краткое описание назначений основных объектов:

«База данных» — объект, содержащий информацию о специальностях, группах, преподавателях, учебных планах, дополнительную справочную информацию.
«Пользовательский интерфейс» — объект, обеспечивающий высокую информативность выводимой на экран информации, организующий удобство ее вывода и обработки пользователем автоматизированной системы.

Также одним из требований, предъявляемых к разрабатываемой системе, является создание и настройка удобного пользовательского интерфейса, обеспечивающего легкое восприятие и обработку информации, а также минимизирующего пользовательские операции.

Разрабатываемая система при расчете нагрузки и штатной численности кафедр университетов учитывает принятые нормы времени в вузах Республики Беларусь.

Отчетные формы предоставляют администратором подробную информацию:

• нагрузки специальностей и кафедр за год;
• нормативном количестве штатных единиц по кафедрам за определенный промежуток времени;
• Таким образом, методами достижения поставленных задач можно считать:
• создание единой базы данных автоматизированной системы высшего учебного заведения;
• создание и настройка пользовательского интерфейса;
• генерация отчетных форм.

2.2 Выбор средства разработки и системы управления базами данных

Выбор системы управления базами данных является одним из важных этапов при разработке автоматизированной системы расписания занятий. Выбранный программный продукт должен удовлетворять как текущим, так и будущим потребностям учебного заведения, при этом следует учитывать затраты разработку и настройку необходимого программного обеспечения, а также обучение персонала.

Наиболее правильный подход при выборе СУБД основан на оценке того, в какой мере существующие системы удовлетворяют основным требованиям создаваемого проекта информационной системы.

Существует несколько критериев выбора системы управления базами данных:

• моделирование данных;
• особенности архитектуры и функциональные возможности;
• контроль работы системы;
• особенности разработки приложений;
• производительность;
• надежность;
• требования к рабочей среде;
• смешанные критерии.

При рассмотрении критерия моделирования данных обычно обращают внимание на используемую модель данных. Существует множество моделей, самые распространенные из них — иерархическая, сетевая, реляционная, объектно-реляционная и объектная. Вопрос об использовании той или иной модели должен решаться на начальном этапе проектирования информационной системы. Важным критерием является средства поиска, поддерживаемые типы данных, заложенные в систему, а также наличие и возможность расширение типов.

Критерий, определяющий особенности архитектуры и функциональные особенности, предполагает оценку:

• мобильности системы, ее независимость от среды, в которой она работает;
• масштабируемости, возможности соответствовать росту информационной системы;
• распределенности, возможности управления распределенными базами данных;
• сетевых возможностей, возможностей использования системами широкого диапазона сетевых протоколов и служб для работы и администрирования.

Критерий контроля работы подразумевает контроль использования памяти компьютера, когда система может управлять использованием, как оперативной памяти, так и дискового пространства, что может выражаться, например, в сжатии баз данных, или удалении избыточных файлов. Многие современные системы включают в себя возможности самоконфигурирования, как правило, опирающиеся на результаты работы сервисов самодиагностики производительности. Данная возможность позволяет выявить слабые места конфигурации системы и автоматически настроить ее на максимальную производительность.

Многие производители СУБД выпускают также средства разработки приложений для своих систем. Как правило, эти средства позволяют наилучшим образом реализовать все возможности сервера, поэтому при анализе СУБД стоит рассмотреть также и возможности средств разработки приложений. Некоторые системы имеют средства автоматического проектирования, как баз данных, так и прикладных программ.

Поддержка большого количества национальных языков и возможности разработки web-интерфейса расширяют область применения системы и приложений, построенных на ее основе, а наличие широкого спектра используемых языков программирования повышает доступность системы для разработчиков и существенно влияет на быстродействие и функциональность создаваемых приложений.

Для тестирования производительности применяются различные средства, и существует множество тестовых рейтингов. Одним из самых популярных и объективных является TPC-анализ производительности систем. Показатель TPC – это отношение количества запросов обрабатываемых за некий промежуток времени к стоимости всей системы.

Наличие возможности обеспечения параллельной обработки данных в СУБД играет не менее важную роль при выборе системы. Можно выделить два подхода: распараллеливание обработки последовательности запросов на несколько процессоров, либо использование нескольких компьютеров-клиентов, работающих с одной БД, которые объединяют в так называемый параллельный сервер.

Желательно, чтобы выбранная система позволяла производить оптимизацию запросов.

Критерий надежности системы включает возможность:

• восстановления системы после сбоев;
• резервного копирования;
• отката изменений;
• наличие многоуровневой системы защиты.

Немаловажно определить и требования к рабочей среде такие как:

• поддерживаемые аппаратные платформы;
• минимальные требования к оборудованию;
• максимальный размер адресуемой памяти;
• операционные системы, под управлением которых способна работать СУБД.

К смешанным критериям можно отнести:

• качество и полноту документации;
• локализованность, возможность использования национальных языков;
• модель формирования стоимости производителем СУБД;
• стабильность производителя;
• распространенность СУБД.

Четкий и глубокий сравнительный анализ на основании вышеперечисленных критериев в любом случае поможет рационально выбрать подходящую систему для конкретного проекта, и затраченные усилия не будут напрасными. Перечень критериев поможет осознать масштабность задачи и выполнить ее адекватную постановку.

В качестве системы управления базами данных в автоматизированной системе расписания занятий используется наиболее популярная СУБД MySQL. Кроме того, проект, разработанный при помощи  фреймворка CMS Drupal 7, позволяет создавать и разворачивать на веб-сервере установочный профиль и использовать базы данных PostgreSQL и SQLite.

MySQL — свободная система управления базами данных. Разработку и поддержку MySQL осуществляет корпорация Oracle, имеющая на данный момент права на торговую марку. Продукт распространяется как под GNU General Public License, так и под собственной коммерческой лицензией. Помимо этого разработчики создают функциональность по заказу лицензионных пользователей, именно благодаря такому заказу почти в самых ранних версиях появился механизм репликации.

MySQL является решением для малых и средних приложений. Входит в состав серверов WAMP, AppServ, LAMP и в портативные сборки серверов Денвер, XAMPP. Обычно MySQL используется в качестве сервера, к которому обращаются локальные или удалённые клиенты, однако в дистрибутив входит библиотека внутреннего сервера, позволяющая включать MySQL в автономные программы.

Гибкость СУБД MySQL обеспечивается поддержкой большого количества типов таблиц: пользователи могут выбрать как таблицы типа MyISAM, поддерживающие полнотекстовый поиск, так и таблицы InnoDB, поддерживающие транзакции на уровне отдельных записей. Более того, СУБД MySQL поставляется со специальным типом таблиц EXAMPLE, демонстрирующим принципы создания новых типов таблиц. Благодаря открытой архитектуре и GPL-лицензированию, в СУБД MySQL постоянно появляются новые типы таблиц.

MySQL является наиболее приспособленной для применения в среде веб системой управления базами данных. При этом она стала незыблемым стандартом в области СУБД для веб, в которой развиваются возможности для использования ее в любых критичных бизнес-приложениях, что создает конкуренцию на равных с СУБД таких производителей, как Oracle, IBM, Microsoft и Sybase.

Основные преимущества MySQL:

— многопоточность, поддержка нескольких одновременных запросов;
— оптимизация связей с присоединением многих данных за один проход;
— записи фиксированной и переменной длины;
— ODBC драйвер;
— гибкая система привилегий и паролей;
— гибкая поддержка форматов чисел, строк переменной длины и меток времени;
— интерфейс с языками C и Perl, PHP;
— быстрая работа, масштабируемость;
— совместимость с ANSI SQL;
— бесплатна в большинстве случаев;
— хорошая поддержка со стороны провайдеров услуг хостинга;
быстрая поддержка транзакций через механизм InnoDB.

Руководствуясь тем, что одним из главных требований при создании автоматизированной системы расписания занятий является интеграция в единое информационное пространство, а также единую базу данных ВУЗа, и в связи выявленными преимуществами распространённой СУБД, было принято решение об использовании в основе разрабатываемой системы СУБД MySQL.

3 Разработка и реализация автоматизированной системы расписания занятий учебного заведения

3.1 Структура проекта и базы данных MySQL

Общая схема структуры базы данных CMS Drupal 7, включая подсистемы хранения страниц (нод), блоков, иерархии, таксономии, меню, пользовательских прав и ролей пользователей приведена в приложении Б.

Мы рассмотрим основные типовые структуры, включающие данные учебных планов специальностей, кафедр и профессорско-преподавательского состава, а также подсистему хранения различной справочной информации.

Таксономия (Taxonomy)

Таксономия — это встроенный классификатор добавляемых в Drupal 7 материалов. Таксономия позволяет создавать термины и подтермины, которые входят в словари. Таксономия применяется для создания структуры сайта, для классификации добавляемых материалов по разделам/категориям/типам. Пользователи с соответствующими правами могут добавлять словари и термины на странице таксономии. Страницы со списками терминов предоставляют возможности по настройке каждого термина и их упорядочивания. Термины могут вкладываться друг в друга представляя собой иерархию из подтерминов. Каждый словарь имеет набор необходимых полей.

В рамках автоматизированной системы используется 3 типа словарей: вид занятий, преподаватель, факультет.

В состав словаря «вид занятий» входит термины:

— лабораторное занятие
— лекция
— полевая практика
— практическое занятие
— производственная практика
— семинар

В состав словаря «Преподаватель» входят термины с профессорско-преподавательском составом. Каждый термин содержит следующие поля:

— Ф.И.О. преподавателя
— Резюме
— Должность
— E-mail
— Телефон
— Факультет
— Кафедра

Словарь «Факультет» включает весь перечень специальностей и подчиняющимся им учебным группам.

Нода (Node)

Нода является структурной единицей материала (контента) в Drupal 7. Стандартные типы материалов, такие как заметка (story), запись блога (blogs), страница (page) являются нодами. Для создания учебных занятий мы разработали собственный тип нод с названием «Расписание занятий». Основные типы полей и их назначение продемонстрированы в таблице 1.

Таблица 1 ­ Структура ноды «Расписание занятий»

Метка	Машинное имя	Тип поля	Виджет
Название	Title	Элемент модуля Node
Описание занятия	body	Текст с анонсом	Текстовая область
Начало	field_date_rasp	Дата	Pop-up calendar
Окончание	field_date_rasp_end	Дата	Pop-up calendar
Преподаватель	field_teacher	Ссылка на термин	Выбор из списка
Место проведения	field_adress	Список (текст)	Выбор из списка
Аудитория	field_place	Текст	Текстовое поле
Факультет	field_faculty	Ссылка на термин	Выбор из списка
Кафедра	field_kafedra	Ссылка на термин	Выбор из списка
Вид занятий	field_course	Список (текст)	Выбор из списка

Представления (views)

Модуль Views позволяет создавать и управлять списками содержания (документами, пользователями, таблицами с дополнительными полями). В общем смысле, Views — это инструмент для создания запросов, который позволяет создавать запросы, выполнять их и выводить полученный результат разнообразными способами.

Кроме создания списков для представления какой-либо информации, с помощью видов можно генерировать отчёты, выводить коллекций изображений, создавать страницы для управления различным содержанием и использовать виды для любых других целей.

В рамках целей и задачей дипломной работы нами был создан отдельный views, который использует плагин FullCalendar jQuery для отображения сетки расписания занятий и вывод информации из типа материала «Расписание занятий» по дате с использованием взаимосвязанных фильтров таксономии «Специальность – Группа» (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Общий вид настройки представления Views

3.2 Технология разработки автоматизированной системы расписания занятий и описание интерфейса системы управления сайтом CMS Drupal 7

Интерфейс автоматизированной системы представляет собой веб-приложение, разработанное на языке программирования PHP с использованием популярного CMF фреймворка Drupal 7. Интерфейс предоставляет пользователю автоматизированной системы возможность в удобной форме обрабатывать необходимую информацию.

Drupal (Друпал) – одна из самых популярных систем управления сайтом с открытым исходным кодом. Благодаря огромному функционалу и активному сообществу, многие крупные организации и образовательные учреждения выбирают данную CMS в качестве главной составляющей развития компании в сети Интернет. Среди самых высокопосещаемых Интернет-проектов можно выделить сайт Белого Дома (http://www.whitehouse.gov/), сайт Гарвардского университета (http://www.harvard.edu/), официальный сайт операционной системы Ubuntu (http://www.ubuntu.com/), сайт Стенфордского университета (http://stanford.edu), сайт Колумбийского университета (http://columbia.edu), сайт Аризонского университета (http://arizona.edu) и многие другие.

Архитектура CMS/СMF Drupal построена по принципу объектно-ориентированного программирования. Структурной единицей материалов является Node (нода), на её основе строятся остальные типы материалов. Чтобы классифицировать и структурировать ноды в Drupal, введено понятие «Таксономия». Путем создания словарей и терминов можно построить любую структуру будущего веб-проекта.

Разработка сложной автоматизированной системы, как правило, предполагает внедрение разнообразных сервисов, разграничения прав доступа к разделам и материалам,  большой объем информации  с возможностью семантического поиска, единую авторизацию пользователей во всех сервисах и постоянное развитие проекта в дальнейшем.

Чтобы реализовать указанные требования, в CMS Drupal существует огромное количество модулей, с помощью которых можно построить сложную информационную систему.

В рамках дипломной работы использовались следующие модули Drupal 7:

1. ССK. Позволяет создавать типы материалов и добавлять к ним различные типы полей (текстовое поле, текстовая область, поле даты, изображение, ссылка, скрытые поля).

2. Views. Основной модуль для создания запросов и вывода их на сайте с применением разнообразных фильтров по выбранным полям. В комплексе с различными модулями дает возможность проектировать все виды представлений на сайте.

3. Image. Позволяет редактировать изображения и добавляет поле «Изображение» в содержание материалов. Благодаря поддержке библиотеки Graphics Library (GD) появляются уникальные возможности для обработки изображений с созданием различным стилей и привязки их к определенным полям типов материалов.

4. Node Reference. Модуль для организации связи между материалами.

5. Date. API для работы с датой и гибкое поле «времядата» для модуля CCK.

6. Calendar. Добавляет на сайт вид с календарём. В календаре можно настроить форматы дат, переключаться между просмотром по годам, неделям и дням. Календарь является видом, все выводимые им данные настраиваются через модуль Views.

7. Feeds. Модуль позволяет собирать данные из различных источников и сохранять их в виде документов, пользователей, терминов или просто записей в базе данных. Основным назначением модуля в автоматизированной системе является экспорт данных расписания занятий в формате .csv.

Для разработки пользовательского интерфейса был применен FullCalendar — jQuery плагин, который использует технологию AJAX. Он имеет широкие функциональные возможности, легок в конфигурации, работает с большинством форматов даты и времени. Так же FullCalendar является плагином с открытым исходным кодом и находиться под лицензией MIT или GPL Version 2.

При открытии главной страницы веб-интерфейса (рисунок 3.2) пользователю предоставляется возможность выбора направления работы:

— выбор факультета и группы;
— просмотр сетки расписания занятий по месяцам, неделям и дням;
— просмотр подробной информации об учебных занятиях;
— просмотр всех занятий по данному предмету в пределах учебного периода;
— просмотр контактной информации о профессорско-преподавательском составе.

Рисунок 3.2 — Главная страница веб-интерфейса автоматизированной системы

Переход к работе по выбранным направлениям осуществляется нажатием на ссылку левой кнопкой мыши.

Каждое учебное занятие обозначается соответствующим маркером-цветом, который наглядно обозначает тип занятия: лекция, лабораторное занятие, семинар, практическое занятие, производственная практика, полевая практика (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 — Обозначение цветовых маркеров типов учебных занятий

При нажатии на соответствующее учебное занятие, можно увидеть информацию о времени начала и окончания занятия по изучаемому предмету, аудиторию проведения занятия, место проведения, тип учебного занятия, закрепленного преподавателя (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 — Информация о текущем занятии учебной группы

При нажатии на пункт «Преподаватель», система дает возможность просмотреть контактную информацию о преподавателе и весь учебный план. Контактная информация включает в себя Ф.И.О преподавателя, должность, e-mail, контактный телефон, аудиторию, специальность и общее резюме (рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 — Информация о преподавателе и закрепленных учебных предметах

Для централизованной настройки и управления автоматизированной системой расписания занятий система управления сайтом CMS Drupal 7 имеет удобную административную панель и различные инструменты для удобного назначения административных прав и ролей.

В системе существует один суперпользователь (admin) у которого нет ограничений на все действия в системе, он может редактировать и удалять любые материалы, управлять конфигурацией проекта и ограничивать действия других пользователей.

Анонимные пользователи и зарегистрированные пользователи являются ролями. Таким образом, суперпользователь (admin) может добавлять неограниченное количество ролей, в которых можно назначить права доступа к различным областям автоматизированной системы.

На рисунке 3.6 можно увидеть все роли с набор прав доступа к различным сущностям веб-проекта (анонимный пользователь, авторизованный пользователь, администратор, редактор расписания биологического факультета).

Таким образом, с учетом основных требований к безопасности автоматизированной системы можно выделить основные преимущества данной СMS:

— безопасность кода системы управления регулярно проверяется независимыми исследователями;
— политика учетных записей, разделение пользователей на группы;
— разграничение уровней доступа для различных групп пользователей;
— вводимые пользователем данные фильтруются и проверяются на предмет попыток взлома;
— защита от попытки взлома паролей «перебором»;

Для различных типов ролей предусмотрена возможность работы с определенными специальностями и группами. В административном интерфейсе было разработано и несколько различных инструментов для работы с расписанием занятий. Для быстрого редактирования изменений в расписании занятий имеется визуальный редактор, в котором можно быстро изменить время начала занятия, дату и аудиторию. Каждое учебное занятие имеет собственный уникальный идентификатор, что позволяет использовать одни и те же названия учебных предметов на различных факультетах, при этом для каждого словаря и термина настраиваются соответствующие права на создание и редактирование материалов.

Рисунок 3.7 — Импорт расписания занятий в формате .csv

Для массового заполнения предусмотрен импорт готового файла в формате .csv с набором ячеек, согласно разработанному интерфейсу администрирования расписания занятий (рисунок 3.7).

Веб-проект спроектирован с использованием современной адаптивной верстки (responsive web design)  и применением медиа-запросов CSS3 для отображения на различных типах устройств – персональные компьютеры, планшеты и смартфоны. Кроме того, архитектура темы очень широко использует drupal_static методы кеширования, которые ускоряют рендеринг страницы и снижают количество запросов.

Адаптивный веб-дизайн – это концепция разработки сайта, при которой веб-проект сайт адаптируется под различные устройства, например, планшеты, смартфоны, телевизоры с выходом в интернет. В связи с огромным ростом мобильных устройств за последнее время, адаптивный, или отзывчивый дизайн стал крайне необходимым для многих образовательных учреждений.

Основным преимуществом такого подхода является:

1. HTML5
2. Поддержка адаптивной верстки для различных типов устройств
3. Адаптивный JavaScript
4. Обратная совместимость со старыми браузерами
5. Интеграция с SAAS (мета-язык описания стилей)
6. SEO-оптимизированный код темы
7. Активная поддержка атрибутов RDF, ARIA и «чистая» разметка.

Таким образом, разработанная система упрощает процесс просмотра актуального расписания занятий для студентов и дает возможность сотрудникам вуза оперативно рассчитывать нагрузку на кафедры на основе анализа имеющихся учебных планов специальностей. Результаты работы системы  в дальнейшем можно использовать для планирования анализа структур нагрузки, а также планирования структурной доработки и унификации имеющихся учебных планов.

Заключение

В результате проделанной работы была разработана автоматизированная система расписания занятий учебного заведения с целью ее внедрения в учебный процесс университета.

Данная система имеет удобный пользовательский интерфейс, позволяющий легко освоить работу в программе, гибкость же программного кода в случае необходимости позволит удовлетворить растущие требования к системе.

Преследуемая изначально цель автоматизации процесса расписания занятий достигнута. Разработанную автоматизированную систему можно интегрировать в единую информационную систему ВУЗа, что, несомненно, положительно скажется на работе пользователей при анализе структуры нагрузки, при планировании структурной доработки и унификации имеющихся учебных планов.

Разработанная система позволит повысить скорость обработки информации, сократит сроки формирования отчетов и сэкономит время работы пользователя пользователей.

Автоматизация процесса администрирования расписания занятий и гибкость разработанной автоматизированной системы дают преимущества при её использовании в системе образования, улучшая при этом деятельность персонала, а вместе с тем и повышая качество предоставляемого ВУЗом образования.

Модульная реализация разработанной системы автоматизированного составления расписания в структуре общей автоматизированной системы ведения документооборота обеспечивает возможность общего использования баз данных и внедрения общей политики защиты информационного обеспечения системы.

Разработанная система реализована средствами современных сетевых web-технологий с целью автоматизации организационных процессов и обеспечения возможности одновременного отдаленного доступа пользователей к информационным ресурсам в процессе формирования служебной документации.

Традиционная система построения учебно-­воспитательного процесса в общеобразовательной школе с организационной и методической точек зрения не имеет оптимального и целостного характера. Объясняется это прежде всего отсутствием четкого целевого ориентира, направленного наi комфортность учения школьника. Организация УВП характеризуется чрезмерной многопредметностью, низкой частотностью учебных занятий по предмету, перегрузкой учащихся.

Возможность придания системе организации учебно-воспитательного процесса целостности и оптимальности свя­зана не с ее совершенствованием, а с применением новой модульной системы. Этот подход предусматривает технологичность и вариативность содержания, средств, форм и методов обучения учащихся.

Мобильный  подход основывается на принципах динамичности и гибкости, паритетности, осознанной перспективы, действенности и оперативности знаний, выделения главного.

Не нужно объяснять насколько важно для организации учебно-воспитательного процесса в школе грамотно и оперативно составленное расписание учебных занятий. Однако не все заместители по учебной работе, особенно начинающие, знакомы с системами составления расписания. Мы ставим своей целью познакомить практиков с технологией составления расписания с применением модульного подхода.

 При модульном подходе к составлению расписания появляется возможность организовать учебный день учащихся учетом всех норм и правил психологии, физиологии, гигиены и дидактики:

• равномерно распределять часы развивающих предметов в течение всей недели, а устные и письменные предметы  чередовать в течение одного дня;
• учитывать медико-психологические рекомендации при составлении расписания для работы учителя;
• исключается потеря даже одного часа в расписании учителя, т. к. контроль осуществляется на нескольких этапах составления расписания;
• позволяет учитывать практически любые пожелания учителей о режиме их работы (наличие методического дня, порядок расстановки уроков);
• дает возможность при изменении обстоятельства в школе оперативно менять расписание на один день, два дня и т. д., не меняя всего расписания.

Все перечисленные преимущества позволяют считать, что освоить данный подход к составлению расписания просто необходимо для оптимизации учебно-воспитательного процес­са.

Составление учебного расписания в рамках модульной системы успешно осуществляется как для базисного учебного плана, так и для профильного. Технология построения расписания УВП несложна.

Прежде всего необходимо определить два блока предме­тов для каждого класса или для каждой параллели классов, если последних два или несколько.

Рассмотрим технологию составления расписания для девятого класса (методика составления расписания для других классов идентична).

Первый блок предметов составляют: русский язык и литература, алгебра и геометрия, история, физика, химия, биология, география и т. д. Второй блок предметов составляют: иностранный язык, технология, физическая культура, музыка,  основы информатики и вычислительной техники, изобразительное искусство и т. д. Предметы первого блока делятся на группу А (русский язык и литература, физика, химия, география и т. д.) и группу Б (алгебра и геометрия, история, биология и т.д.) и будут изучаться с удвоенным числом часов через неделю, например, группа А на нечетных, группа Б на четных неделях. Соответственно, предметы группы А не будут изу­чаться на четных и предметы группы Б не будут изучаться на нечетных неделях. Предметы второго блока будут изучаться еженедельно с номинальным числом часов по учебному плану.

Таким образом, снижена многопредметность в неделю на 4-6 предметов или на треть. Сохранение симметричности нагрузки учащихся на нечетных и четных неделях обязатель­но.

Сохранение симметричности нагрузки учителей на нечетных и четных неделях обеспечить достаточно проблематично, но опыт показывает, что разница в 2—3 часа для учителя оказывается удовлетворительной.

Важным оказывается соблюдение двух моментов. В группу А необходимо включить предметы гуманитарного цикла, а в группу Б естественно-математического. При составлении расписания сказывается влияние предметов друг на друга внутри параллели и в учебной нагрузке учителя. Поэтому, следует отдать предпочтение работе учителя в течение одной недели с классами одной параллели и одной возрастной группы, например, учитель математики работает на нечетной неделе в классах 9 «А» и 9 «Б», на четной неделе — в классах 5 «А» и 5 «Б».

Профильные блоки по гуманитарному, экономическому, физико-математическому и биолого-химическому циклам предусматривают построение учебного расписания в течение одного дня в неделю не по классам, а по указанным четырем цикловым группам.

Реализация всего вышеизложенного снижает на 50%  многопредметность,  значительно экономит учебное время, снижает заболеваемость учащихся и учителей.

Модульный подход к составлению  расписания призван помочь созданию гибких модулей образовательного процесса, учитывая особенности каждой школы. В целом же позволяет создать адаптивные условия для получения каждым школьни­ком полноценного среднего образования, а также углубления знаний в том или ином направлении на базе четкого учебного расписания.

Примерные этапы работы над составлением школьного расписания

Организация начала работы над расписанием

1. По базисному плану распределяется нагрузка учителей. 
2. Сбор информации о пожеланиях учителей по режиму их  работы.
3. Составить набор учебных предметов для учащихся всех классов на все дни недели (без учета их порядка расположения в течение дня). 
   Ра­боту можно начинать с 5-х классов или с 11, но пpи этом,  постоянно необходимо контролировать недельную нагрузку в классах, сверяя ее с  контрольным количеством часов по базисному плану (предельно допустимая учебная  грузка), а также контролировать занятость учителя.
4. Составить сводную таблицу занятости каждого учителя в классах в течение недели (без учета их порядка расположения в течение дня).  

Первый этап работы над расписа­нием

Начинаем составлять расписание для учителей иностранных языков с учетом деления класса на подгруппы (две или три).
Работу выполнять карандашом.

Второй этап работы над расписа­нием

Заполняем таблицу рас­писания с учетом занятости учителей технологии, физической культуры, музыки, ИЗО.
Работу выполнять карандашом.

Обязательное условие — равномерное распределение этих уроков в течение недели. Исключить возможность наличия в расписании одного или двух предметов данного цикла в один день, кроме технологии.

Третий этап работы над расписа­нием

Распределяем учебную недельную нагрузку для учителей, обращая внима­ние на различное распределе­ние уроков в одном классе в течение дня, например, если в 9 классе во вторник русский язык был первым  уроком и третьим, то в другой день его можно поставить вторым и четвертым.
В таблице выделить методи­ческие дни для учи­телей, начало сме­ны и т.д.
Желательно в крайние дни недели количество уроков для учащихся уменьшить или по­ставить уроки бо­лее легкие, чтоб недельная кривая начиналась с подъ­ёма. При изготов­лении таблицы для расписания учите­лей ограничиться на день 6-тью столбцами, тогда в расписании не бу­дет 7-х и 8-х уроков для учащихся.
Работу выполнять карандашом.

Четвертый этап работы над расписанием

Составить расписание учебных занятий на каждый день недели для учащихся.
Для проверки правильности распределения часов по неделям и в соответствии с санитарными нормами.
Работу выполнять карандашом.

Пятый этап Контроль и коррекция

1. Провести проверку распределения нагрузки учителя, в соответствии с тарификацией.
2. По возможности убрать лишнее количество окон в расписании учителя.
3. Проверить количество уроков у учащихся в соответст­вии с учебным планом и сани­тарными нормами.
4. При необходимости от­корректировать расписание.
   Работу выполнять карандашом.

Шестой этап Заключительный этап

1. Составить расписание для учащихся с расстановкой кабинетов.
2.  Красиво его оформить.
3. Составить расписание для учителей 
4. Расписание для учащихся согласовать с медработником школы, а расписание для учителей с профсоюзным комитетом.
5. Оба расписания утвердить приказом директора.   
   Расписание печатается или красиво оформляется от руки.

А.С. Раздвигалова,
гимназия № 3 города Ярославля



Ключевые слова:



генетический алгоритм, составление школьного расписания, автоматическая генерация, описание ограничений.

Одними из важных задач современного мира являются задачи планирования и оптимального распределения ресурсов.

Большинство из них являются NP-трудными, и алгоритмы, применимые для их решения, реализованные на ЭВМ, зачастую требуют неприемлемо большое время работы для задач «большой размерности».

Область применения решений таких задач крайне обширна. Это может быть, как свой личный график работ, запланированных на какой-то промежуток времени, так и более трудные задачи, например, составление расписания для самолетов или поездов. Такие задачи характеризуются большим количеством параметров, ограничений и критериев оптимальности.

В данной статье рассмотрена задача составления оптимального расписания для школьных учебных заведений. Она является детерминированной многокритериальной задачей распределения и относится к классу задач целочисленного линейного программирования.

При составлении расписания занятий школьные завучи зачастую используют самодельную панель с ячейками для карточек, каждая из которых символизирует занятие по указанному предмету, проводимое указанным учителем. Каждой ячейке также ставится в соответствие кабинет.

Рис. 1. Схема составления расписания

При этом, для составления расписания, используется метод перебора и экспертной оценки, основанной на опыте составления расписаний предыдущих лет. Такой подход требует больших временных затрат и не может гарантировать какой-либо уровень качества, а оптимальность результата трудно оценить.

Постановка задачи

Таким образом, целью данной работы является создание автоматизированной системы составления и оптимизации расписания занятий. Система должна быть применима для составления и оптимизации расписаний школьных учебных заведений и позволять

1. Описывать ограничения и критерии оптимальности
2. Автоматически генерировать расписание, удовлетворяющее ограничениям и критериям из пункта [1]
3. Составлять расписание вручную
4. Визуализировать и редактировать составленное расписание

Математическая модель

При описании математической модели составления расписания будут использоваться следующие множества объектов.

1. Множество учебных групп

   

2. Множество учителей

   

3. Множество дисциплин

   

4. Множество кабинетов

   

5. Множество уроков

   

Где

— количество учебных групп (стоит отметить, что речь идет именно об учебных группах, а не о классах, т. е. класс может быть разбит на несколько учебных групп),

— количество учителей, проводящих занятия,

— количество учебных дисциплин, по которым проводятся занятия,

— количество доступных для использования учебных помещений,

— количество уроков в неделю.

Тогда в качестве теоретико-множественной модели будет рассматриваться функция

отображения декартового произведения множеств

на множество

, где

означает, что учитель

проводит занятие у группы

по дисциплине

в кабинете

во время урока

Объединим множества учителей, учебных групп и множество дисциплин в одно композиционное множество

, где

.

Тогда функцию отображения

можно представить как

каждый конечный вариант расписания можно определить двумя векторами:

и

, где

и

соответствуют элементу

.

Ограничения и критерии оптимальности расписания предлагается описывать функциями штрафа

.

Тогда задачу нахождения оптимального расписания можно сформулировать как поиск такого варианта расписания

, при котором достигается минимум функции

.

Генетический алгоритм

Для решения данной задачи могут быть использованы как эвристические алгоритмы, так и точные методы решения, например, метод раскраски графа. Но использование точных методов решения повлечет за собой сильный рост временных затрат, при увеличении объема входной информации. В связи с этим, было принято решение использовать эвристический метод, а именно — генетический алгоритм.

Алгоритм позволяет сформировать оптимальную особь(расписание) путем скрещивания различных особей, их мутации и селекции.

При этом каждая особь должна удовлетворять всем строгим ограничениям, которые задаются до начала работы алгоритма. А оптимальная особь должна наиболее хорошо удовлетворять критериям оптимальности, которые также задаются заранее.

Сам алгоритм состоит из нескольких этапов:

1. Формирование начальной популяции
2. Скрещивание особей
3. Селекция особей и формирование новой популяции
4. Мутация особей
5. Проверка условия остановки алгоритма

В предложенном алгоритме каждая особь состоит из двух хромосом, которые соответствуют определяющим векторам

и

. Каждая из хромосом имеет свой генотип, т. е. состоит из определенного набора генов. В данной реализации каждая из хромосом состоит из

генов. В первой хромосоме — это элементы множества кабинетов

, во второй — элементы множества уроков

. При этом генотип каждый хромосомы упорядочен и имеется взаимно однозначное соответствие между

-ой позицией в хромосоме и

-ым элементом в множестве

.

Рис. 2. Особь

Оптимальность особи оценивается значением целевой функции

. Чем меньше значение функции, тем оптимальнее особь.

Скрещивание представляет из себя процесс формирования новых особей путем смешивания генотипов двух расписаний. Так, каждый потомок содержит в себе признаки обоих родителей. Причем более оптимальные особи имеют большую вероятность дать потомство.

Рис. 3. Скрещивание

Селекция является процессом отбора наилучших особей. Таким образом, каждое последующее поколение формируются из наиболее оптимальных вариантов расписания, полученных в ходе формирования начальной популяции и скрещивания.

После формирования нового поколения, для избегания преждевременной стабилизации популяций, к некоторым из особей нового поколения применяется оператор мутации, который заменяет в случайно выбранных генах значения на другие допустимые.

В конце каждой итерации проверяется значение функции штрафа наиболее оптимальной особи. Если оно достигло целевого значения, тогда алгоритм останавливается.

Программная реализация

Система состоит из трех модулей, которые являются независимыми приложениями: модуль описания ограничений, модуль автоматической генерации и модуль управления. Такой подход был выбран для дальнейшего удобства при масштабировании программной реализации. Так, в дальнейшем, эту систему можно будет использовать не только для составления расписаний для школьных учебных заведений, но и для составления расписаний любого назначения.

Рис. 4. Схема взаимодействия модулей

Основное взаимодействие конечного пользователя происходит с управляющем модулем, который в свою очередь обращается к модулю автоматической генерации. Предполагается, что модуль описания ограничений используется пользователем единожды для конфигурации критериев оптимальности и ограничений или, в редких случаях, для их изменения. Эта конфигурация может использоваться модулем автоматической генерации.

Модуль описания ограничений

Данный модуль является настольным приложением для описания критериев оптимальности и ограничений, которые необходимо учитывать, при составлении расписания. Также позволяет описать систему начисления штрафов за нарушение различных ограничений. Основными объектами описания являются сущности: преподаватель, группа, дисциплина, кабинет, урок группы, урок всех групп, учебный день группы, учебная неделя группы. При этом каждая сущность может иметь неограниченное число атрибутов. На выходе пользователь получает конфигурационный файл, который в дальнейшем используется другими модулями.

У каждой сущности есть свое наименование, с помощью которого пользователь может идентифицировать её при описании ограничений и добавлении атрибутов. У некоторых сущностей есть константные атрибуты, которые содержат какое-либо значение или являются ссылками на другие сущности. Например, сущность, представляющая учебную неделю группы, содержит в себе атрибут, показывающий количество дней в учебной неделе.

Таким образом сущности являются представлением реальных объектов, на которые могут накладываться ограничения, при составлении расписания. При этом можно обратиться к любому ее атрибуту, чтобы получить его значение или сравнить с другим значением.

Помимо константных атрибутов, которые нельзя удалить, у каждой сущности можно создавать дополнительные атрибуты, которые можно использовать при описании ограничений. Или же создать его без привязки какой-либо сущности.

Описание атрибута должно содержать его тип (целочисленное число, текстовое значение, ссылка на элемент и т. д.), может содержать значение по умолчанию и функцию вычисления.

Описание ограничений можно разделить на три условные части: подготовка данных, проверка и вычисление штрафа.

В первой части пользователь имеет возможность вычислить дополнительные значение, которые понадобятся ему для описания.

Во второй части пользователь описывает, как расписание проверяется на нарушение данного ограничения. При этом он может использовать данные из первой части, основные арифметические бинарные операторы, основные логические бинарные операторы и функции из набора. Этими функциями являются: вычисление суммы элементов массива, проверка уникальности элемента в массиве и вычисление количества элементов массива.

Третья часть описывается только для нестрогих ограничений и представляет собой правило, по которому вычисляется функция штрафа за нарушение ограничения. В этой части пользователь может использовать все те же объекты и операции, что и в части проверки ограничения.

Рис. 5. Вкладки для описания атрибутов и ограничений

Модуль автоматической генерации

Данный модуль является консольным приложением, позволяющим автоматически генерировать расписание, используя генетический алгоритм.

На входе приложение ожидает описание связей между объектами, а именно: между преподавателями, учебными группами, дисциплинами, уроками и кабинетами. Также на вход можно передатьконфигурационный файл, полученный при помощи модуля описания ограничений.

При отсутствие конфигурационного файла будут использоваться стандартные ограничения, прописанные в исходном коде программы.

После первичной обработки данных и интерпретации конфигурационного файла запускается генетический алгоритм, описанный выше.

Модуль управления

Данный модуль является настольным приложением и основным для взаимодействия с пользователем. Может быть использован отдельно для ручного и полуавтоматического составления расписания.

Рис. 6. Модуль управления

Приложение предоставляет следующий функционал

1. Сохранение, загрузка и создание расписания
2. Ведение справочников
3. Ручное составление расписания
4. Проверка ограничений
5. Визуализация в различных форматах
6. Прочие вспомогательные функции

Создать расписание можно как с нуля так и на основе другого. В первом случае будет создана пустая таблица, а справочники будут пустыми. Во втором случае будут импортированы все настройки и справочники, таблица же будет пустой.

Сохраняется расписание в виде текстового файла в формате stt и загружается открытием этих же файлов.

Приложение позволяет вести справочники классов, учителей, кабинетов и предметов. При привязывании класса и предмета учителю, т. е. назначение его проводить занятие у данного класса по данному предмету, формируется карточка соответствующего цвета — которую в дальнейшем можно будет поместить в таблицу.

Основными объектами при составлении расписания являются таблица и карточки. Пользователь имеет возможность назначить ячейке определенную карточку, поменять карточки местами, или очистить ячейку.

Одной ячейке можно присвоить сразу две карточки. Таким образом реализуется возможность разделять класс на группы для определенных занятий.

При перетаскивании карточки из списка доступных, перетаскивании из таблицы или выборе ячейки, система проверяет установленные ограничения и подсвечивает доступные для назначения ячейки. При попытке назначить карточку недопустимой ячейке система отклонит данное действие и уведомит пользователя о том, какие ограничения нарушаются.

Рис. 7. Подсказка при перетаскивании

Модуль позволяет пользователю настраивать вид таблицы и карточек, масштабировать таблицу, скрывать выбранные классы, фильтровать и сортировать карточки.

Также присутствует возможность экспортировать созданное расписание в формат xlsx. Причем экспортирование можно производить в двух самых распространенных форматах: относительно учебных дней и классов, а также относительно учебных дней и учителей. Размеры и вид всех объектов также можно настроить перед экспортированием.

Также реализован ряд других вспомогательных функций: различные подсказки при составлении расписания, заполнение справочников по шаблону и прочие, описание которых опущено.

Заключение

Система уже сейчас может успешно использоваться для ручного, полуавтоматического и автоматического составления расписаний для школьных учебных заведений, хоть и нуждается в дальнейшей доработке и расширении.

В дальнейшем планируется расширить эту систему так, чтобы она была применима не только для составления расписаний для школьных учебных заведений, но и для составления расписаний произвольного назначения.

Литература:

1. Лазарева А. А., Гафаров Е. Р., Теория расписаний. Задачи и алгоритмы. — М.: МГУ, 2011 г., 224с.
2. Григорьева Н. С., Алгоритм ветвей и границ для задачи составления расписания на параллельных процессорах. [Электронный ресурс] — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/algoritm-vetvey-i-granits-dlya-zadachi-sostavleniya-raspisaniya-na-parallelnyh-protsessorah/viewer
3. Кабальнов Ю. С., Шехтман Л. И., Низамова Г. Ф., Земченкова Н. А., Композиционный генетический алгоритм составления реасписания учебных занятий [Электронный ресурс] — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompozitsionnyy-geneticheskiy-algoritm-sostavleniya-raspisaniya-uchebnyh-zanyatiy
4. Бабкина Т. С., Задача составления расписания: решение на основе многоагентного подхода. [Электронный ресурс] — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/zadacha-sostavleniya-raspisaniy-reshenie-na-osnove-mnogoagentnogo-podhoda/viewer
5. Шлее М., Qt 5.10. Профессиональное программирование на C++. — СПб.: БХВ-Петербург, 2018 г., 1072с.
6. Астахова И. Ф., Фирас А. М., Составление расписаний учебных занятий на основе генетического алгоритма [Электронный ресурс] — URL: http://www.vestnik.vsu.ru/pdf/analiz/2013/02/2013–02–17.pdf

Составление расписания занятий сопровождается обработкой большого объёма данных. Группы, преподаватели, аудитории, дисциплины, дни/недели/месяцы – всё это надо вместить в одну большую сетку, чтобы получился стройный ряд занятий на каждый день. Как это сделать без накладок и ошибок разбираемся на примере системы «Магеллан».

Есть масса факторов, которые необходимо учесть: занятость и нехватка аудиторного фонда, пожелания преподавателей, занятия для потоков групп и многое другое.

КАК ЗАДАЧА СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЯ РЕАЛИЗОВАНА В СИСТЕМЕ «МАГЕЛЛАН»?

Дисциплины
Вы можете загрузить в модуль «Учебно-методическое управление» системы «Магеллан» учебные планы из GosInsp (Шахты), и тогда справочник с дисциплинами будет заполнен автоматически. Либо заполнить справочник «Дисциплины» из файла MSExcel, путём нажатия на две кнопки: «Импортировать», «Сохранить».

Группы обучающихся
Список групп формируется в модуле «Деканат». Там же ведётся списочный состав групп и подгрупп и личные дела обучающихся. Эта информация передаётся в модуль «Расписание», где группам устанавливаются правила и ограничения по времени проведения занятий.

Преподаватели
Учёт профессорско-преподавательского состава в «Магеллане» ведётся в модуле «Отдел кадров». Актуальность преподавательского состава вы сможете поддерживать с помощью приказов о приёме на работу и увольнении. Перед составлением расписания преподаватели подают пожелания по рабочим сменам и дням.

График прохождения дисциплины
В системе «Магеллан» мы разработали модуль «Тематические планы по дисциплинам», в котором преподаватель создаёт план прохождения дисциплины, а специалист учебного управления проверяет соответствие распределённых часов по дисциплине актуальным учебным планам. Данная функция очень важна на этапе формирования графика понедельного прохождения дисциплины и составления расписания в целом.

Аудиторный фонд
Корпуса, этажи и аудитории вводятся и при необходимости редактируются администратором в модуле «Конфигуратор». Занятия в расписании создаются в аудиториях, помеченных специальным флажком «Доступен для проведения занятий». Вместимость кабинетов также указывается, чтобы была возможность контролировать достаточность посадочных мест.

График проведения занятий
Время начала и окончания занятий, праздничные и выходные дни тоже вводятся в модуле «Конфигуратор» на специальной вкладке. Удобно то, что можно для разных периодов обучения создать различный график проведения занятий. Номера пар при составлении расписания будут автоматически разносить занятия по временной шкале в соответствии с графиком проведения занятий.

Вёрстка сетки расписания
Все перечисленные выше составляющие расписания объединяются в модуле «Расписание», каждый в своём разделе для удобства работы с информацией. Вы создаёте редакцию расписания на учебный период и приступаете к формированию сетки занятий.
В каждом созданном занятии указываете параметры: преподаватель, аудитория, тип занятия, группа, время начала (пара). В сетке модуля «Расписание» занятия подкрашиваются разными цветами в зависимости от формы проведения (вида нагрузки): лекции, практические, семинары, экзамены/зачёты. Цвет задаёте вы сами.

ПОРЯДОК РАБОТЫ

Для начала удобнее распределить занятия, которые проводятся на поток групп, и, как правило, являются еженедельными в течение учебного периода. Затем нужно создать занятия для каждой группы в отдельности.

В интерфейсе модуля «Расписание» можно посмотреть расписание в разрезе дня, недели и месяца. А с помощью отчётов можно сформировать его по группе, по преподавателю или за период времени.
Создав расписание на учебный период, вы сможете проверить себя, распечатав отчёт о распределённой нагрузке по преподавателю, по дисциплине и по группам. А также проконтролируете соответствие расписания плану прохождения дисциплины.

ОЧЕВИДНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА МОДУЛЯ «РАСПИСАНИЕ» ПЕРЕД ФАЙЛОМ MSEXCEL

В многих образовательных организациях составление расписания занятий происходит в файле MSExcel, где каждое занятие расположено в своей ячейке. Оно попадает туда путём копирования с уже созданного расписания в прошлом году или вносится с нуля. При этом у специалиста одновременно будет открыта масса дополнительных файлов со списком преподавателей, аудиторий, дисциплин и групп.

Человек, составляющий расписание, практически незаменим, потому что хранит в голове огромное количество знаний по аудиториям, пожеланиям преподавателей и прочих мелочах очень важных для процесса работы над сеткой расписания. Но для многих из этих знаний мы придумали место хранения в системе «Магеллан».

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОГРАММНОГО МЕТОДА СОСТАВЛЕНИЯ РАСПИСАНИЯ

1) Контроль занятых аудиторий. В файле MSExcel данный пункт просто отсутствует, а в «Расписании» системы «Магеллан» при выборе занятой аудитории модуль выдаст сообщение с предупреждением;
2) Контроль занятых групп и преподавателей. MSExcel не расскажет вам, что данные составляющие уже где-то используются, а модуль «Расписание» подскажет и оградит от ошибки.
3) Закрепление преподавателей. Чтобы выбрать преподавателя, закрепленного за определённой кафедрой, вам нужно будет открывать файл MSExcel. А в модуле вы просто откроете окно для выбора преподавателя, где все они очень удобно закреплены за кафедрами.
4) Закрепление групп. Чтобы выбрать группу или несколько групп вы быстро отметите их галочками.
5) Создание повторяющихся занятий. При добавлении групповых занятий вы внесёте информацию в одно окно и легко сформируете сетку из одинаковых занятий для определённых групп на несколько дней или недель вперёд с учетом занятого аудиторного фонда, преподавателей и групп. Файл MSExcel в этом случае вас не проконтролирует, а система «Магеллан» подскажет, где возникло несоответствие.
6) Получение оперативной информации по свободным аудиториям. Как показала практика общения с пользователями, одним из важнейших документов при работе с аудиторным фондом и планировании занятий является документ, в котором отражаются свободные и занятые аудитории. Эта форма за три секунды формируется в модуле «Расписание» и наглядно отражает свободные аудитории, что значительно упрощает работу при планировании занятий и других мероприятий в корпусах, а также при выполнении перестановок.
7) Формирование сводной информации по разным параметрам на основе созданного расписания. Гибкая система отчётности в системе «Магеллан», реализованная на основе инструмента FastReport, позволит легко сформировать любые виды справок, выписок и иных документов из созданного расписания, и не надо будет делать их вручную. Распределённая нагрузка по кафедрам, по преподавателям, по группам и по дисциплинам, загруженность аудиторного фонда и другие срезы данных будут формироваться на основе заданных периодов дат, недель или месяцев с учётом любых других параметров.

ПОСМОТРИТЕ, КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Последнее слово всегда остаётся за пользователем. Часто мы сами себя лишаем возможности улучшить свою жизнь из страха перед неизвестностью. Мы знаем об этом, поэтому готовы провести для вас тур по системе, в процессе которого покажем, что может модуль «Расписание». После тура предоставим доступ на демонстрационный сервер.