УДК 004.023

Важность, факторы, подходы, обобщенная модель оптимизации расписания в высших учебных заведениях

Головизов Денис Иванович – студент магистратуры направления «Информатика и вычислительная техника» Самарского государственного технического университета

Аннотация: Данная статья посвящена рассмотрению предпосылок создания системы автоматизации расписания занятий, подходам для решения данной задачи. В результате анализа предметной области приведены факторы процесса планирования, метрики и ограничения. Рассмотрены и проанализированы три основных компонента модели оптимизации.

Ключевые слова: оптимизация, учебный процесс, расписание, студент, ВУЗ, факторы, подходы, модель.

Качество подготовки специалистов в вузах и особенно эффективность использования научно-педагогического потенциала зависят в определенной степени от уровня организации учебного процесса. Немалую роль в котором играет учебное расписание [1].

Современный переход на новые образовательные стандарты требует изменить систему подготовки специалистов и оценки ее качества [2].

Автоматизация составления расписания является классической задачей в системах по управлению учебными заведениями, но пока что не существует единого и общепринятого способа её решения [3].

Составление расписания – это реальная проблема оптимизации, которая связана с планированием событий с фиксированным количеством временных интервалов и ресурсов, удовлетворяющих мягким и жестким ограничениям и максимально приближенным к необходимым целям. Задача составления расписания является NP-сложной (задача с ответом «да» или «нет», к которой можно свести любую другую задачу из этого класса за полиномиальное время) и требует огромного объема вычислений для поиска решений, который экспоненциально растет с увеличением размера задачи.

Оптимизация расписания занятий в высших учебных заведениях важна по нескольким причинам:

  1. Оптимизированное расписание занятий может помочь студентам пройти нужные им программы обучения без задержек по времени, что может привести к большему удовлетворению, вовлеченности и, в конечном итоге, к лучшим академическим результатам.
  2. Оптимизация расписания занятий может помочь высшим образовательным учреждениями более эффективно использовать свои ресурсы, такие как пространство в аудиториях, а также рабочее время преподавателей, что может привести к экономии средств и повышению эффективности работы организации.
  3. Повышение производительности преподавателей. Оптимизированное расписание занятий может помочь преподавателям более эффективно управлять своим временем, гарантируя, что они преподают курсы, соответствующие их опыту и интересам.
  4. Хорошо оптимизированное расписание занятий может помочь учебным заведениям привлекать и удерживать высококвалифицированных студентов и преподавателей, что может повысить их репутацию и конкурентоспособность в сфере высшего образования.

Подытоживая важность оптимизации расписания занятий в высших учебных заведениях, можно отметить, что она имеет решающее значение для обеспечения успеха студентов, повышения эффективности учебного заведения и улучшения результатов как студентов, так и преподавателей. Эта задача требует тщательного планирования, анализа данных и использования соответствующих стратегий и инструментов.

Важно понимать, что в России ВУЗы составляют расписание студентов и преподавателей одновременно. У данного подхода имеется огромный минус, ведь работа ведется довольно монотонным и однообразным образом, допускающим возникновение ошибок и приводящим к необоснованному расходу времени [4].

Оптимизация расписания занятий в высших учебных заведениях может быть сложной задачей из-за большого количества задействованных ограничений и переменных. Однако существует несколько подходов, которые можно использовать для решения этой задачи:

  1. Программное обеспечение для автоматического планирования. Использование программного обеспечения для автоматического планирования может помочь оптимизировать расписания занятий, принимая во внимание такие факторы, как доступность курсов, наличие помещений (аудиторий) и преподавателей, а также предпочтения и ограничения учащихся.
  2. Блокировка по времени. Одной из стратегий оптимизации расписания занятий является использование блокировки по времени, когда определенные блоки времени назначаются для определенных курсов, что может помочь уменьшить конфликтность в расписании и гарантировать, что учащиеся имеют доступ к нужным им курсам.
  3. Последовательность курсов. Оптимизация последовательности курсов также может помочь улучшить расписание занятий. Например, планирование подготовительных курсов позволяет гарантировать, что учащиеся обладают необходимыми знаниями и навыками для успешного прохождения основного курса.
  4. Гибкость. Предоставление студентам различных вариантов расписания, таких как разное время занятий и форматы (например, онлайн, гибридные), может помочь оптимизировать расписание занятий и удовлетворить потребности разнообразного студенческого контингента.

Рассмотрим основные факторы процесса планирования:

  • доступные ресурсы могут включать персонал, оборудование, программное обеспечение, помещения и т. д.;
  • объем работы, который необходимо выполнить, может относиться к прогнозируемому уровню спроса на учебные часы, который необходимо удовлетворить, количеству теоретических и практических занятий и т.д.;
  • денежные расходы – это любые операционные или капитальные затраты, влияющие на результат: начисление заработной платы, компенсации сверхурочных рабочих часов, амортизация оборудования, затраты на хранение и так далее.;
  • жесткие операционные ограничения – это ограничения, которые нельзя изменить и которые необходимо учитывать. они включают трудовые нормы (например, количество рабочих и сверхурочных часов в неделю), физические ограничения, точное количество и состав оборудования, количество преподавателей и студентов.

В эту категорию также могут быть включены ограничения вместимости аудиторий и пропускной способности лабораторных стендов, количество студентов, которых может принять аудитория, количество времени, необходимое для объяснения учебного материала и т.д.

Мягкие ограничения – это те, которые желательны, но не обязательны, например, индивидуальные предпочтения сотрудников учебных заведений, приоритезация направлений подготовки и т.д.

Метрики или ключевые показатели эффективности – это измерения, которые показывают эффективность расписания, и их можно сравнивать для поддержки принятия решений.

Оптимизированный график расписания – это тот, который не только соответствует максимальному количеству ограничений, но и помогает достичь определенных целей.

Составление расписания относится к области оперативных исследований и включает в себя такие известные задачи оптимизации. Они нацелены на поиск решения/графика в рамках набора ограничений, которые были бы оптимальным балансом затраченных ресурсов и объема произведенной работы. Все они изучались десятилетиями, и сегодня существует ряд технологических подходов, помогающих решить проблему планирования.

Традиционным подходом к оптимизации расписания является создание модели оптимизации. Выделяют три основных компонента обобщенной модели оптимизации (рисунок 1):

  • набор возможных переменных решения (управляемые решения, такие как, число занятий в неделю, длительность курса, число групп на занятии);
  • набор ограничений, которые накладываются на переменные, исключая определенные значения (общее количество студентов, преподавателей, аудиторий, их максимальная вместимость);
  • целевая функция, которая представляет собой математическое выражение, описывающее цель модели, например, максимизировать загрузку аудиторий или минимизировать издержки на заработную плату преподавателей.

1

Рисунок 1. Входные и выходные данные обобщенной модели оптимизации.

Таким образом, на выходе модели оптимизации будут значения переменных, которые позволяют минимизировать или максимизировать целевую функцию, при этом соблюдая ограничения.

Задача оптимизации учебного процесса ищет наилучшее расписание, удовлетворяющее заданным критериям, в виде набора заданных ресурсов, которые могут содержать лекторов, группы студентов, аудитории и/или лаборатории. Разработка расписания является фундаментальным требованием для нормального функционирования всех образовательных учреждений. Однако такие факторы, как наличие часов, количество предметов и распределение преподавателей, делают проблему расписания очень сложной.

Создание бесконфликтного расписания, которое могут использовать преподаватели, является одной из проблем, с которыми сталкивается большинство университетов. Как правило, расписание представляет собой таблицу различных событий и их даты и время.

Таким образом, в университетском расписании учебное заведение распределяет курсы, пройденные студентами и проводимые преподавателями, по определенному конечному набору ресурсов, включая временные интервалы и классы. Этот процесс сопряжен со многими проблемами.

Например, в типичном ВУЗе имеется несколько групп учащихся, которые могут или не могут изучать один и тот же курс в одно и то же время. Таким образом, при планировании лекций необходимо убедиться, что учащиеся, лекторы и лекционные залы не конфликтуют между собой. Эта необходимость делает составление расписания сложной и трудоемкой задачей.

В целом, оптимизация расписания занятий в высших учебных заведениях требует тщательного рассмотрения широкого круга факторов, включая доступность курсов, наличие помещений, наличие преподавателей, предпочтения и ограничения студентов и многое другое. Используя комбинацию стратегий, таких как программное обеспечение для автоматизированного планирования, временная блокировка, последовательность курсов, гибкость и анализ данных, учебные заведения могут создавать расписания занятий, отвечающие потребностям как студентов, так и преподавателей.

Список литературы

  1. Шишканова Т. А. Алгоритм оптимизации учебного расписания в вузе». – Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2015. – С. 416-421.
  2. Иванченко И. В. Проблема повышения качества образования в вузе // Молодой ученый. – 2016. – № 5.1. – С. 18-21. – URL https://moluch.ru/archive/109/26315/ (дата обращения: 13.08.2018).
  3. Назарова, О. Б. Расписание учебного процесса в вузе: автоматизация и оптимизация / О. Б. Назарова, Р. Р. Усманова // Наука. Информатизация. Технологии. Образование: материалы XI международной научно-практической конференции, г. Екатеринбург, 26 февраля – 2 марта 2018 г. – Екатеринбург: Издательство РГППУ, 2018. – С. 557-563.
  4. Задорнова Н.А., Хамдамова Д.Т., Дементьева А.М., Шаипова Л.А. Процессы повышения качества образования путем оптимизации порядка составления расписания. – Системные технологии. – 2018. – № 29. – С. 131-135.

Интересная статья? Поделись ей с другими: