CN110837976A - 一种走班制下智能选科分班方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种走班制下智能选科分班方法，可以根据校方要求及学生选科情况进行智能化分班，通过智能化算法计算，使全部学生能在同一时间走班上课，不产生额外自习课，节约学校教室及教师资源。应用该方法的系统，包括服务层模块、数据处理模块、数据访问层模块，数据库集群模块及算法模块，模块之间进行数据交互，对学生选科分班实现自动化的快速解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及教学管理领域，尤其涉及一种走班选科分班方法及应用该方法的系统。
背景技术
教育部在2014年12月16日发布了《关于普通高中学业水平考试的实施意见》（以下简称《意见》），明确对高考进行改革，由于《意见》中表示，从2017年开始全国都将开始高考综合改革，不再文理分科，即在高考中实施语文、数学、外语3门必修学科全国统考，政治、历史、地理、物理、化学、生物6门学科任选3科考试，部分地区（如浙江省）在7门学科（多出一门“技术”学科）中任选3科。6选3会产生20种学科组合，7选3会产生35种学科组合，为每一种学科组合设置一个上课班级的方案在实际学校场地及教师资源有限的情况下无法实现，走班制应运而生。
根据不同的地域特点，走班制在全国也不会完全一致。但总的原则就是应该更有利于学生的学业规划，有利于学生自主决定学习内容。至于走班制具体的方案，应该会很灵活，既可以实行分学科的走班制，也可以所有学科都实行走班制，但目前肯定还没有一个定案，这对学校的教学管理和学生是否能进行充分的自主意愿选择都作出了挑战。
一般情况下，学校在学生入学时就固定了学生的行政班级，学校以每个行政班级为单位分配班主任进行该班级学生的统一管理，并且学生在自己的行政班级中统一上3门必修学科（语文、数学、英语），当需要上选修科目时进行走班制，此时需要针对学生的选科情况进行学生分班。走班制下的选科分班常用的解决方案及产生的问题如下：
方案1：学校限制学生选科，给出有限几种固定的学科组合，然后根据固定的组合来分班。
方案1产生的问题：限制了学生选课的自由，无法充分满足学生的意愿及学习的主动权。
方案2：将全学年学生进行分组，每个组合中包含全部选修科目，每组按学生数量分为多个班级，每个班级包含1门或多门选修科目，学生在每个组的其中一个班级中上其中一个学科，比如某学年学生除行政课之外，只需要学习多门选修科目中的任意3门学科，因此将本学年的学生分为3组，学生小明选择了物理、化学、地理3门学科进行选修，系统进行自动分组，最终将小明分配为组1中上物理，组2中上化学，组3中上地理，这样可以保证每个学生都可以自主选择想要修习的科目。
方案2产生的问题：由于分班算法不佳，导致部分学生在正常课时内无法适配课程，只能上自习课的情况，增加额外的自习课时会使学生每周上课的课时数会增加，同时上自习课的学生可能来源于不同的行政班级，由不同的班主任负责，班级管理难度增大，对学校的场地也产生额外的要求。
目前市面上的智能选课分班系统，多采用方案2的方法，产生了相应的问题无法解决，为了解决方案1、方案2的缺陷，优化走班制下的选科分班方法，本发明提出了一种新的选科分班方案，设计了更合理的分班方法及应用该方法的软件系统，帮助学校进行便捷的教学管理。
发明内容
本发明的目的包括但不限于：1.让所有学生可以按照自身意愿进行选科；2.同一上课时间所有学生可以同时上课，不额外产生自习课；3.节约学校教室及教师资源；4.按学校要求对班级内的学生进行调配；5.学校可以利用软件系统对学生选科分班实现自动化的快速解决方案。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）提供可选择的科目，数量为y；
（2）限制学生需要选择的科目数量为x；
（3）统计学生信息并匹配其选科信息，确认信息数据有效；
（4）根据所述选科信息计算各科学生人数a，∑a为所有科目学生人数之和，
为参加
选科的学生总人数；
（5）根据所述选科信息计算各选科组合的学生人数b；
（6）设置可以走班的班级数n的上限nmax；
（7）设置每个班级上课人数m的上限mmax，及上限可增加的偏移量σ的范围；
（8）根据各科学生人数计算各科班级数k，∑k为所有科目班级数之和；
（9）优化各科班级数k，得到
；
（10）将优化后的各科班级数按上课时间t进行分配；
（11）将各选科组合的学生数按学生需要选择的科目数量x进行分批，将选科组合中的各科进行排序，各批次内的学生与选科组合中的科目进行顺次搭配，以确定该批次内学生所选科目的上课顺序规则；
（12）将所述上课顺序、上课时间、科目与学生进行一对一匹配，得到某一课时下某一科目的上课学生集；
（13）根据约束条件将所述学生集与班级进行匹配，完成学生分班。
进一步的，步骤（3）中所述学生信息包括但不限于学生姓名、性别、学号、成绩。
进一步的，步骤（3）中所述确认信息数据有效包括确认学生信息准确、确认所有学生进行了选科、确认学生按规定选科数量进行选科、确认选科信息不再更改。
进一步的，步骤（5）中所述选科组合，是指学生在全部可选科目中按规定选择一定
数量的科目，所形成的无序科目组合，组合数量为
。
进一步的，步骤（8）中所述根据各科学生人数计算班级数的算法包括但不限于为：
，班级数向上取整；预估班级数
，预估班级数向下取
整；判断是否
，是则接受k值，否则增加预估班级数w，直至满足判断条件或w=
nmax ，当w=nmax时仍然无法满足判断条件，则进行微调增加m的上限，直至满足判断条件，得
到可接受的w、mmax和k值。
进一步的，步骤（9）中
的算法包括但不限于：
，
向上取整；
判断是否
，其中w为权利要求5中经计算得到的可接受的预估班级数，是则接
受
的值，否则从其他科目的班级数中调配到本科目中，调配原则为：调配后满足
，其中mmax为权利要求5中经计算得到的可接受的班级人数上限。
进一步的，步骤（10）中所述的分配方法包括但不限于：将优化后的各科班级数
按上课时间t进行均匀分配，其中t=x，均匀分配公式为各课时的单科班级数，判断
是否为整数，若不为整数，则对均分后的剩余班级数进行调配，调配原则为同一上课时间
t内，所有科目班级数之和，其中w为权利要求5中经计算得到的可接受的预估班
级数。
进一步的，步骤（11）所述的分批方法包括但不限于：将各选科组合的学生数均匀
分为x批，均匀分批公式为各选科组合在各批次的人数为，判断
是否为整数，若不
为整数，则对均分后的剩余班级数进行调配。
进一步的，步骤（13）所述的匹配方法包括但不限于：根据学校的需求，将成绩好的学生与成绩差的学生均匀分配到各个班级内，将男生数量与女生数量均匀分配到各个班级内。
一种走班制下智能选科分班系统，其特征在于包括选科系统和分班系统，所述选科系统与所述分班系统之间能够实现数据交换；其中，所述选科系统包括依次连接的第一应用服务层模块、第一数据处理模块、第一数据访问层模块，第一数据库集群模块，所述第一应用服务层模块用于与外部数据的交换，所述第一数据处理模块用于对选科数据的处理，所述第一数据访问层模块用于对数据库的访问，所述第一数据库集群模块用于数据的存储；其次，所述分班系统包括依次连接的第二应用服务层模块、第二数据处理模块、第二数据访问层模块、算法模块、第二数据库集群模块；所述第二应用服务层模块用于与外部数据的交换，所述第二数据处理模块用于对分班条件的处理，所述第二数据访问层模块用于对数据库的访问、所述算法模块用于对学生分班，所述数据库集群模块用于数据的存储。
本发明的有益效果是：应用于软件系统，使需要花费大量人工时间的复杂分班瞬间可以完成，并且可以提供多种优选方案；另外本方法不仅适用于普通的6选3或7选3选科，只要调整x和y值，可以适用于学考、选考同时分班，通过调整分班条件也同样适用于大学选课，并且同样保证所有学生自主选科且同时上课，不额外产生自习课，快速、有效、智能。
附图说明
图1是本发明公开的一种走班制下智能选科分班方法的流程图。
图2是本发明公开的一种走班制下智能选科分班系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
走班制下智能选科分班系统如图2所示包括选科系统和分班系统，两系统之间能够实现数据交换。
其中，选科系统包括依次连接的第一应用服务层模块、第一数据处理模块、第一数据访问层模块，第一数据库集群模块，所述第一应用服务层模块用于与外部数据的交换，第一数据处理模块用于对选科数据的处理，第一数据访问层模块用于对数据库的访问，第一数据库集群模块用于数据的存储；
其次，分班系统包括依次连接的第二应用服务层模块、第二数据处理模块、第二数据访问层模块、算法模块、第二数据库集群模块；第二应用服务层模块用于与外部数据的交换，第二数据处理模块用于对分班条件的处理，第二数据访问层模块用于对数据库的访问、算法模块用于对学生分班，数据库集群模块用于数据的存储。
第一数据处理模块采用第一规则引擎和业务逻辑对数据进行处理；算法模块采用预处理引擎、第二规则引擎、算法引擎对数据进行处理；第一规则引擎用于指导学校如何去选择最佳组合让学生选课，业务逻辑指选科系统自身的各类流程、数据正确性和完整性；预处理引擎是指根据分班数据，得到第二规则引擎所需要的数据格式，第二规则引擎是校验各项数据是否满足分班条件，算法引擎用于对不同的组合选科人进行分班处理。
算法模块包括正态分布算法（科目选择人数按中间高两边低排序）、表格式分组算法（在处理数据完毕后，绘制表格来确定每个格子人数和班级数）、期望-最大算法（每个格子的人数期望值）、分支界定算法（确定每个格子总人数）、合并查找算法（分配学生）。
根据图1将走班制下智能选科分班方法应用于具体实施例进行讲解，如下：
一、学校情况背景：
现有某学校高一年级，高一学年在入学时的行政班级上语数英及其他会考课程，进入高二前学校进行6选3科目选考，总共341个学生，学生们在选科分班系统中进行了3门学科选择，即x=3，系统统计选科组合的学生人数数据如下：
注：物理简称物，化学简称化，生物简称生，政治简称政，历史简称历，地理简称地。
物生政：142人；物生历：11人；物生地：27人；物政历：27人；物政地：32人；物历地：10人；化生政：30人；化生历：10人；化生地：8人；化政历：18人；化政地：20人；化历地：6人。
系统统计各科学生人数数据如下：
物：249人；化：92人；生：228人；政：269人；历：82人；地：103人。
二、学校分班要求：
可用于走班的班级数上限12个，每个班级上课人数上限30人，班级上课人数上限可增加的偏移量范围是0~3人。
三、运行分班系统，自动计算并分班：
计算各科班级数
：以物理为例，
，经计算
各科班级数为：物8个；化3个；生7个；政9个；历3个；地4个；∑k=34，即总共34个班级。
计算预估班级数
，34＞11*3，因此将预估班级数
加1，即w=12，再次判断，34＜12*3，即满足
，得到可接受的w值为12，可接受的
mmax值为30，可接受的k值为34。
计算优化的各科班级数
：继续以物理为例，
，
经计算优化的各科班级数为：物9个；化3个；生8个；政9个；历3个；地4个；
，判断
36=12*3，满即足
，方案可行。
将优化后的各科班级数
按上课时间t进行均匀分配（由于t=x，本实施例中t=
3），各课时的单科班级数
，以物理为例
，本实施例中生物和地理不
能均分，调配原则为同一上课时间t内，所有科目班级数之和
，即所有科目班级数
之和
，调整后上课时间、科目、班级数的对应关系如下表所示。
将各选科组合的学生数分为3批，将各科目组合中的各科进行1,2,3的排序，各批次人数尽量均分，无法均分的人数进行调配，本实施例中的调配原则为：调配后使各批次总人数比为5:4:3，最终调配结果如下表所示。
如上表所示，本实施实例中假设李四的选科组合为物政生，并且分班系统将李四分配到批次A中，则李四的索引位置为（A1,A2,A3）。如下表所示系统将t1时间的上课组合规定为（A1B2C3）位置的人在该时间上所对应的学科的课程，由于李四在A1位置，因此李四在t1时间上物理课；系统将t2时间的上课组合规定为（A2B3C1）位置的人在该时间上所对应的学科的课程，由于李四在A2位置，因此李四在t2时间上政治；同理，李四在t3时间上生物。以此类推，所有学生在各个时间都在上课，没有自习课的产生，并且保证同一时间每个学生不可能出现在多门课堂、多个班级。
根据上表，对每个课时的每个科目上课人数进行分班，例如李四所在的t1时间物理科目共有51+4+6+10+6+4=81个学生，按班级最高容量30人，最少可分为3个班，每班人数可根据需求均分或调配，假设学校要求上课班级按成绩划分班级，李四成绩优异，与其他优秀学生划分为物1班、生6班、政4班，如下表所示。
本技术内容不限制科目数及选科数，将优化后的各科班级数按上课时间进行平均分配后的调配的方法不仅限于实施例的方法；将各选科组合的学生数分批后的各批次人数调配方法不同也会得出不同的分班结果，但都落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）提供可选择的科目，数量为y；
（2）限制学生需要选择的科目数量为x；
（3）统计学生信息并匹配其选科信息，确认信息数据有效；
（4）根据所述选科信息计算各科学生人数a，∑a为所有科目学生人数之和，
为参加选
科的学生总人数；
（5）根据所述选科信息计算各选科组合的学生人数b；
（6）设置可以走班的班级数n的上限nmax；
（7）设置每个班级上课人数m的上限mmax，及上限可增加的偏移量σ的范围；
（8）根据各科学生人数计算各科班级数k，∑k为所有科目班级数之和；
（9）优化各科班级数k，得到；
（10）将优化后的各科班级数
按上课时间t进行分配；
（11）将各选科组合的学生数按学生需要选择的科目数量x进行分批，将选科组合中的各科进行排序，各批次内的学生与选科组合中的科目进行顺次搭配，以确定该批次内学生所选科目的上课顺序规则；
（12）将所述上课顺序、上课时间、科目与学生进行一对一匹配，得到某一课时下某一科目的上课学生集；
（13）根据约束条件将所述学生集与班级进行匹配，完成学生分班。
2.根据权利要求1所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（3）中所述学生信息包括但不限于学生姓名、性别、学号、成绩。
3.根据权利要求1所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（3）中所述确认信息数据有效包括确认学生信息准确、确认所有学生进行了选科、确认学生按规定选科数量进行选科、确认选科信息不再更改。
4.根据权利要求1所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（5）中所述
选科组合，是指学生在全部可选科目中按规定选择一定数量的科目，所形成的无序科目组
合，组合数量为
。
5.根据权利要求1所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（8）中所述
根据各科学生人数计算班级数的算法包括但不限于为：，班级数向上
取整；预估班级数，预估班级数向下取整；判断是否
，是则接
受k值，否则增加预估班级数w，直至满足判断条件或w=nmax ，当w=nmax时仍然无法满足判断
条件，则进行微调增加m的上限，直至满足判断条件，得到可接受的w、mmax和k值。
6.根据权利要求5所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（9）中
的
算法包括但不限于：
，
向上取整；判断是否
，其中w为权
利要求5中经计算得到的可接受的预估班级数，是则接受
的值，否则从其他科目的班级
数中调配到本科目中，调配原则为：调配后满足
，其中mmax为权利要求5中经计
算得到的可接受的班级人数上限。
7.根据权利要求5所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（10）中所述
的分配方法包括但不限于：将优化后的各科班级数
按上课时间t进行均匀分配，其中t=
x，均匀分配公式为各课时的单科班级数
，判断
是否为整数，若不为整数，则对均
分后的剩余班级数进行调配，调配原则为同一上课时间t内，所有科目班级数之和
，其中w为权利要求5中经计算得到的可接受的预估班级数。
8.根据权利要求1所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（11）所述的
分批方法包括但不限于：将各选科组合的学生数均匀分为x批，均匀分批公式为各选科组合
在各批次的人数为
，判断
是否为整数，若不为整数，则对均分后的剩余班级数进
行调配。
9.根据权利要求1所述一种走班制下智能选科分班方法，其特征在于，步骤（13）所述的匹配方法包括但不限于：根据学校的需求，将成绩好的学生与成绩差的学生均匀分配到各个班级内，将男生数量与女生数量均匀分配到各个班级内。
10.一种走班制下智能选科分班系统，其特征在于包括选科系统和分班系统，所述选科系统与所述分班系统之间能够实现数据交换；其中，所述选科系统包括依次连接的第一应用服务层模块、第一数据处理模块、第一数据访问层模块，第一数据库集群模块，所述第一应用服务层模块用于与外部数据的交换，所述第一数据处理模块用于对选科数据的处理，所述第一数据访问层模块用于对数据库的访问，所述第一数据库集群模块用于数据的存储；其次，所述分班系统包括依次连接的第二应用服务层模块、第二数据处理模块、第二数据访问层模块、算法模块、第二数据库集群模块；所述第二应用服务层模块用于与外部数据的交换，所述第二数据处理模块用于对分班条件的处理，所述第二数据访问层模块用于对数据库的访问、所述算法模块用于对学生分班，所述数据库集群模块用于数据的存储。
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2019
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