張麗芝

摘要：隨著“互聯(lián)網(wǎng)+教育”技術的普及，教學模式發(fā)生了變革，線上線下相結合的互聯(lián)網(wǎng)教學模式逐步替代傳統(tǒng)的面對面教學模式。適用于傳統(tǒng)教學模式的排課系統(tǒng)已不能滿足教學管理實際需求。在互聯(lián)網(wǎng)教學模式下，學生選課需求、教學排課管理、教學資源配置都在互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)動態(tài)調配。排課不再是在開學前根據(jù)教學計劃、教學資源編排課程表，而是根據(jù)學生上課需求，動態(tài)調動教學資源。

關鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)+教育；教學管理；排課算法

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0099-03

1 概述

隨著我國高等教育飛速發(fā)展，高等教育毛入學率快速提升，各類高等院校辦學規(guī)模不斷擴大，專業(yè)和課程設置越來越細化，教學管理工作變得越來越繁瑣，傳統(tǒng)的依靠人工+計算機輔助來完成排課工作，工作量繁重復雜，而且還會出現(xiàn)許多的錯誤，給教學管理工作帶來諸多不便，完全不能適應互聯(lián)網(wǎng)+面授教學的模式。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)技術發(fā)展和普及，電子商務、各行業(yè)政府的網(wǎng)絡服務平臺已經(jīng)逐漸融入人們生活方方面面，我國政府在2016年提出“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，各級政府大力發(fā)展網(wǎng)上政務，一方面是人民群眾迫切需求，另一方面是政府層面推動，在此背景下，Mooc、網(wǎng)絡教育等信息化教育產業(yè)也在快速發(fā)展。在高校里原有的針對學年制的排課系統(tǒng)已不能滿足實際工作需要，也在一定程度限制了教學模式的改革，急需升級改造。適應新時代發(fā)展的排課軟件的建設，是各個普通高等院校都會面臨的問題，也是每所高校都急需解決的問題。運用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)信息技術手段輔助教學管理，促進教學模式改革，已經(jīng)成為各高校創(chuàng)新教學管理重要抓手。

2 設計理念

2.1“云+端”設計理念

在云端應用上按照微服務的形式部署在虛擬化應用和數(shù)據(jù)庫服務器上，在客戶端按用戶角色、電子渠道提供多種客戶端，如：教務管理版APP，教師版APP，學生版APP，角色不同功能不同。應用層采用微服務架構，方便應用局部隨時升級，單一功能出錯的情況下不影響其他應用功能使用，基礎設施層應支持在虛擬化資源上部署。

2.2以人為本理念

1）統(tǒng)一用戶資源設計。系統(tǒng)提供一套全局的用戶注冊管理、身份識別體系，供全網(wǎng)使用。采用實名認證方式。

2）統(tǒng)一服務管理設計。系統(tǒng)提供一套全局的服務質量監(jiān)督、管理體系，確保平臺所提供的服務質量能夠有效管控，跟蹤學生評價（好評、中評、差評）和投訴情況。

3）全電子渠道覆蓋設計。系統(tǒng)提供門戶、微信、手機APP、自助一體機等多種電子服務渠道，讓學生自由選擇可及服務。

4）移動服務業(yè)務設計。系統(tǒng)提供手機線上服務，課程申請、查詢等大部分業(yè)務實現(xiàn)移動服務。

5）大數(shù)據(jù)應用設計。一方面為每個人提供數(shù)據(jù)畫像，比如，根據(jù)學生缺勤率排名，教師課時排名，勤奮度排名，好學度（咨詢數(shù)量排名），給學生標識特征標簽。另一方面進行服務監(jiān)控，比如通過大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以分析出服務平臺各子系統(tǒng)模塊以及移動端APP的使用情況包括使用用戶、使用頻率、使用時間、登錄地點、登錄IP、瀏覽頁面、功能操作等進行記錄，根據(jù)記錄結果分析各子系統(tǒng)模塊的使用情況；比如接入渠道分析、使用熱度分析、用戶行為分析等為業(yè)務調整和功能修正提供參考，通過以上數(shù)據(jù)的實時采集和用于提高用戶體驗及軟件功能優(yōu)化。

3 實現(xiàn)思路

首先將學校教育資源按照類型、大小、座位、上課時間、拆分為最小可分配資源，根據(jù)學生申請需求按課程，座位、時間拆分，通過智能排課系統(tǒng)動態(tài)平衡供需關系。教師、教學管理者中間可查詢、干預、監(jiān)控排課信息。

1）資源精準分配。利用移動手機動態(tài)申請，動態(tài)更新學生教學資源使用情況，系統(tǒng)后臺自動重新計算課堂剩余資源，重新釋放座位，接受其他學生申請。

2）服務智能化。面向學生，每天通過數(shù)據(jù)分析，主動發(fā)現(xiàn)有課程服務的學生，動態(tài)推送教學資源，包括網(wǎng)上教學課程，未來幾天的教學任務。動態(tài)統(tǒng)計教學課程申請數(shù)量，動態(tài)分配適用教室，提供座位預訂服務。面向教室，每天提醒課堂位置。面向教務管理員，每天提醒教學容量變化信息。

4 設計目標

本系統(tǒng)的設計目標是，適用學分制教學模式或者學年學分制教學模式自動排課需求，減少人工參與度，能科學合理地調配各種教學資源，為師生提供一套符合教學規(guī)律的課程安排解決方案。以學生自主選擇為主要形式，更加人性化，為學生完成人才培養(yǎng)方案，提供有力的技術支撐。為學校教學模式改革提供技術支撐這，進一步提升學校教學管理水平和教育教學質量。

5 總體架構設計

智能排課是教育管理的部分業(yè)務，在學生檔案、教師檔案、教育資源信息等方面與整個教育管理系統(tǒng)信息共享，面向學生、教師、教育管理者提供課程信息服務，其技術架構也與整個教育管理系統(tǒng)一致，本文重點介紹智能排課系統(tǒng)，按照云架構設計理念實現(xiàn)。從用戶端、服務層到基礎設施均采用當前主流技術實現(xiàn)，包括引入阿里巴巴dubbo微服務技術組件，結合虛擬機技術實現(xiàn)分布式彈性計算，本章重點對智能排課系統(tǒng)的設計目標、場景、業(yè)務、技術、應用系統(tǒng)網(wǎng)絡部署進行總體規(guī)劃。

5.1業(yè)務模型設計

排課系統(tǒng)不僅要完成排課，而且要給服務對象提供隨時隨地全程服務。為學生提供包括上課提醒，簽到、客后評價、課表查詢、通知、找教室、選座等服務，為教師提供課表查詢，上課提醒，簽到、通知、找教室等服務，為教學管理者提供實時教學資源監(jiān)控服務，學生上課情況監(jiān)控服務等。

5.2技術架構設計

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，遵循統(tǒng)一的教育行業(yè)業(yè)務標準，數(shù)據(jù)指標體系、接口規(guī)范標準、以及安全防護體系，對系統(tǒng)進行分層設計，整個系統(tǒng)技術架構按云架構設計（即軟件即服務SAAS，平臺即服務PAAS、基礎設施即服務IAAS）理念設計，各層不充許跨層調用，采用本層子系統(tǒng)間或本層子系統(tǒng)與下級子系統(tǒng)產生依賴關系。

1）用戶層。是系統(tǒng)服務對象，包括學生、教師、教務管理者（包括各級教學管理部門、校領導）。

2）應用層。本項目所涉及的各種應用模塊，為防止互聯(lián)網(wǎng)安全威脅，將應用層細分為5個層和1個獨立的大數(shù)據(jù)分析平臺，分別是前端應用層、安全應用網(wǎng)關、微服務平臺、支撐平臺、數(shù)據(jù)平臺。

①前端應用。主要負責數(shù)據(jù)展示和采集，人機交換，不處理任何業(yè)務邏輯，面向服務對象包括學生、教師、教務管理者三種版本，通過手機APP、微信、微信公眾號、門戶、業(yè)務平臺體現(xiàn)。不同的服務渠道會用不同展現(xiàn)形式，但面向服務對象的功能一致，由于所有服務邏輯在后端，前端應用只需考慮用戶體驗，這樣后端的服務只需維護一套，實現(xiàn)多渠道共享。

②安全應用網(wǎng)關。主要負責隔離互聯(lián)網(wǎng)和內網(wǎng)，確保數(shù)據(jù)安全，防止WEB攻擊數(shù)據(jù)庫，增加應用網(wǎng)關后，內網(wǎng)的所有服務只能通過應用網(wǎng)關對外提供服務，應用網(wǎng)關對所有的服務進行安全封裝，對關鍵數(shù)據(jù)進行加密，對訪問用戶進行安全認證。

③微服務模塊。排課系統(tǒng)的核心業(yè)務服務以小服務組件方式部署，這種方式符合當前最新的互聯(lián)網(wǎng)應用架構，按照軟件即服務（SAAS）云架構設計，即把一個大的應用拆分成多個小的服務獨立部署，當某個服務壓力過載時，可增加服務器資源部署，當某個服務失效后，也不會導致整個系統(tǒng)服務中斷，根據(jù)排課系統(tǒng)需求分析，建議將按照業(yè)務訪問頻度和服務對象對系統(tǒng)功能進行拆分，具體拆分為基礎信息管理服務、系統(tǒng)管理服務、課程申請服務、評價服務等。

④支撐平臺。主要包括公共服務組件，按照平臺即服務（PAAS）云架構設計，如報表組件、工作流引擎、短信服務、通知服務、統(tǒng)一用戶認證服務等，這些服務一部分使用開源組件，一部分直接調用互聯(lián)網(wǎng)資源。這些服務引入，可有效增強系統(tǒng)功能，同時減少系統(tǒng)開發(fā)量，提高系統(tǒng)建設效率。

⑤大數(shù)據(jù)分析平臺。主要為滿足數(shù)據(jù)可視化需求、人物畫像、智能提醒等功能，對數(shù)據(jù)進行加工、轉換、分析后形成分析數(shù)據(jù)為智能排課系統(tǒng)服務，提高決策支撐、數(shù)據(jù)服務，大數(shù)據(jù)平臺不是本文討論的問題，在此只描述其在整個系統(tǒng)作用。

3）基礎服務設施層?；A服務設施層細分為四層，本系統(tǒng)按照基礎設施即服務（IASS）的云架構設計，只要包括中間件及開源框架、操作系統(tǒng)、虛擬化平臺，硬件基礎設施，主要包括數(shù)據(jù)庫、中間件、操作系統(tǒng)、虛擬化平臺軟件以及服務器、網(wǎng)絡、安全設備等硬件資源。通過虛擬化平臺軟件將存儲、服務器、網(wǎng)絡切割成許多對立資源，分配給不同微服務，從而實現(xiàn)硬件資源高可用性。

5.3應用架構設計

應用架構反映應用系統(tǒng)直接的調用關系，系統(tǒng)調用關系是用戶請求→前端應用（手機、微信、門戶等）→應用網(wǎng)關→分布式智能排課系統(tǒng)→生產數(shù)據(jù)庫。

PC客戶端使用IE9以上瀏覽器、火狐等主流瀏覽器作為客戶端，客戶無需考慮應用升級帶來的影響。移動客戶端支持安卓，蘋果主流手機，用戶也可通過微信公眾號訪問部分功能，如信息通知反饋。

系統(tǒng)使用流量均衡器實現(xiàn)高并發(fā)時負載均衡，后端應用服務器根據(jù)負載情況，可隨時增加服務器部署數(shù)量。

應用網(wǎng)關用于隔離互聯(lián)網(wǎng)請求和核心應用，防止外網(wǎng)用戶通過應用服務器直接攻擊數(shù)據(jù)庫。同時應用網(wǎng)關對用戶終端進行安全控制，采用MD5加密技術對數(shù)據(jù)進行防篡改校驗。

應用網(wǎng)關之后是分布式排課系統(tǒng)，處理前段發(fā)來的各種請求，由應用系統(tǒng)查詢、修改數(shù)據(jù)庫。

5.4網(wǎng)絡架構設計

考慮系統(tǒng)安全性，將中心機房分為核心區(qū)和非涉密區(qū)，之間用防火墻隔離，核心區(qū)部署應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、外部用戶分為校園內網(wǎng)用戶和互聯(lián)網(wǎng)用戶，通過瀏覽器訪問應用服務提供功能，外部用戶也可通過手機訪問。系統(tǒng)部署邏輯架構如下圖，實際部署時，考慮系統(tǒng)可靠性，所有設備可進行雙機冗余部署，然而雙機冗余部署需要雙倍硬件投資。用戶可根據(jù)建設資金情況從數(shù)據(jù)庫層向外逐步投入雙機冗余部署方案。

6關鍵算法及技術

6.1排課算法

排課問題是一個典型的NP完全問題（NP-C），NP（非決定性多項式時間）問題已經(jīng)是世界上最難解決的數(shù)學問題之一了，但NP完全問題又是NP-C中最難解決的問題，可想難度較大，直到現(xiàn)在任沒有一個解決的很好的通用算法，只能依據(jù)實際情況采用近似的算法。綜合各種算法的優(yōu)缺點，結全本系統(tǒng)的實際需求，采用遺傳算法、模擬退火算法和回溯算法相結合的形式處理排課問題。

6.2關鍵技術

1）分布式計算技術。使用阿里巴巴開源分布式組件dubbo+nginx+Zookeeper做為微服務技術框架。

2）緩存技術。為了提高系統(tǒng)訪問效率，系統(tǒng)采用多級緩存技術，減少服務請求對系統(tǒng)之間的調用，主要措施如下：

①頁面緩存。將靜態(tài)頁面和動態(tài)頁面分離，將靜態(tài)頁面如圖片、JS、靜態(tài)網(wǎng)頁部署在nginx服務器上，nginx會將經(jīng)常訪問的頁面緩存到內存，訪問效率將提升到毫秒級。

②數(shù)據(jù)庫緩存。數(shù)據(jù)庫訪問經(jīng)常成為系統(tǒng)瓶頸問題，為了減少訪問頻度，將數(shù)據(jù)庫中不經(jīng)常變化的常用的小表按對象放入內存中，目前有許多開源的數(shù)據(jù)庫緩存框架支持，本系統(tǒng)使用Ehcache+Redis作為數(shù)據(jù)庫緩存。

③服務路由技術。系統(tǒng)使用微服務架構，微服務部署在不同應用服務器上，需要一個總的代理對外提供統(tǒng)一服務入口，本系統(tǒng)使用nginx開源軟件作為服務路由代理。

④消息隊列技術?；ヂ?lián)網(wǎng)系統(tǒng)另一個要解決的問題是如何處理高并發(fā)時的流量控制問題，高并發(fā)容易造成后端服務過載，為有效控制流量，引入消息隊列緩存訪問請求，通過對訪問請求排隊，異步消息調用服務，從而實現(xiàn)后端服務容量控制。本系統(tǒng)使用ActiveMQ開源框架作為消息對象組件。

7結束語

本論文提出了按照互聯(lián)網(wǎng)“云+端”的思路重構排課系統(tǒng)的設計思路，并在多個角度對系統(tǒng)設計進行總體策劃，體現(xiàn)“以人為本”的設計理念，并結合最新業(yè)務理念和技術方向對業(yè)務模型、技術架構、應用架構、網(wǎng)絡架構進行總體設計，為系統(tǒng)詳細設計與實現(xiàn)提供指導。

參考文獻：

[1] 鄭建明，萬里鵬.關于中國高校現(xiàn)代遠程教育技術架構的構想[J].情報科學，2003（2）：113-117，122.