| 标题 | “云+端”智能排课系统设计 |
| 范文 | 张丽芝 摘要：随着“互联网+教育”技术的普及，教学模式发生了变革，线上线下相结合的互联网教学模式逐步替代传统的面对面教学模式。适用于传统教学模式的排课系统已不能满足教学管理实际需求。在互联网教学模式下，学生选课需求、教学排课管理、教学资源配置都在互联网平台实现动态调配。排课不再是在开学前根据教学计划、教学资源编排课程表，而是根据学生上课需求，动态调动教学资源。 关键词：互联网+教育；教学管理；排课算法 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）10-0099-03 1 概述 随着我国高等教育飞速发展，高等教育毛入学率快速提升，各类高等院校办学规模不断扩大，专业和课程设置越来越细化，教学管理工作变得越来越繁琐，传统的依靠人工+计算机辅助来完成排课工作，工作量繁重复杂，而且还会出现许多的错误，给教学管理工作带来诸多不便，完全不能适应互联网+面授教学的模式。 随着移动互联网、云计算、大数据技术发展和普及，电子商务、各行业政府的网络服务平台已经逐渐融入人们生活方方面面，我国政府在2016年提出“互联网+”战略，各级政府大力发展网上政务，一方面是人民群众迫切需求，另一方面是政府层面推动，在此背景下，Mooc、网络教育等信息化教育产业也在快速发展。在高校里原有的针对学年制的排课系统已不能满足实际工作需要，也在一定程度限制了教学模式的改革，急需升级改造。适应新时代发展的排课软件的建设，是各个普通高等院校都会面临的问题，也是每所高校都急需解决的问题。运用现代互联网信息技术手段辅助教学管理，促进教学模式改革，已经成为各高校创新教学管理重要抓手。 2 设计理念 2.1“云+端”设计理念 在云端应用上按照微服务的形式部署在虚拟化应用和数据库服务器上，在客户端按用户角色、电子渠道提供多种客户端，如：教务管理版APP，教师版APP，学生版APP，角色不同功能不同。应用层采用微服务架构，方便应用局部随时升级，单一功能出错的情况下不影响其他应用功能使用，基础设施层应支持在虚拟化资源上部署。 2.2以人为本理念 1）统一用户资源设计。系统提供一套全局的用户注册管理、身份识别体系，供全网使用。采用实名认证方式。 2）统一服务管理设计。系统提供一套全局的服务质量监督、管理体系，确保平台所提供的服务质量能够有效管控，跟踪学生评价（好评、中评、差评）和投诉情况。 3）全电子渠道覆盖设计。系统提供门户、微信、手机APP、自助一体机等多种电子服务渠道，让学生自由选择可及服务。 4）移动服务业务设计。系统提供手机线上服务，课程申请、查询等大部分业务实现移动服务。 5）大数据应用设计。一方面为每个人提供数据画像，比如，根据学生缺勤率排名，教师课时排名，勤奋度排名，好学度（咨询数量排名），给学生标识特征标签。另一方面进行服务监控，比如通过大数据分析系统可以分析出服务平台各子系统模块以及移动端APP的使用情况包括使用用户、使用频率、使用时间、登录地点、登录IP、浏览页面、功能操作等进行记录，根据记录结果分析各子系统模块的使用情况；比如接入渠道分析、使用热度分析、用户行为分析等为业务调整和功能修正提供参考，通过以上数据的实时采集和用于提高用户体验及软件功能优化。 3 实现思路 首先將学校教育资源按照类型、大小、座位、上课时间、拆分为最小可分配资源，根据学生申请需求按课程，座位、时间拆分，通过智能排课系统动态平衡供需关系。教师、教学管理者中间可查询、干预、监控排课信息。 1）资源精准分配。利用移动手机动态申请，动态更新学生教学资源使用情况，系统后台自动重新计算课堂剩余资源，重新释放座位，接受其他学生申请。 2）服务智能化。面向学生，每天通过数据分析，主动发现有课程服务的学生，动态推送教学资源，包括网上教学课程，未来几天的教学任务。动态统计教学课程申请数量，动态分配适用教室，提供座位预订服务。面向教室，每天提醒课堂位置。面向教务管理员，每天提醒教学容量变化信息。 4 设计目标 本系统的设计目标是，适用学分制教学模式或者学年学分制教学模式自动排课需求，减少人工参与度，能科学合理地调配各种教学资源，为师生提供一套符合教学规律的课程安排解决方案。以学生自主选择为主要形式，更加人性化，为学生完成人才培养方案，提供有力的技术支撑。为学校教学模式改革提供技术支撑这，进一步提升学校教学管理水平和教育教学质量。 5 总体架构设计 智能排课是教育管理的部分业务，在学生档案、教师档案、教育资源信息等方面与整个教育管理系统信息共享，面向学生、教师、教育管理者提供课程信息服务，其技术架构也与整个教育管理系统一致，本文重点介绍智能排课系统，按照云架构设计理念实现。从用户端、服务层到基础设施均采用当前主流技术实现，包括引入阿里巴巴dubbo微服务技术组件，结合虚拟机技术实现分布式弹性计算，本章重点对智能排课系统的设计目标、场景、业务、技术、应用系统网络部署进行总体规划。 5.1业务模型设计 排课系统不仅要完成排课，而且要给服务对象提供随时随地全程服务。为学生提供包括上课提醒，签到、客后评价、课表查询、通知、找教室、选座等服务，为教师提供课表查询，上课提醒，签到、通知、找教室等服务，为教学管理者提供实时教学资源监控服务，学生上课情况监控服务等。 5.2技术架构设计 根据系统需求分析，遵循统一的教育行业业务标准，数据指标体系、接口规范标准、以及安全防护体系，对系统进行分层设计，整个系统技术架构按云架构设计（即软件即服务SAAS，平台即服务PAAS、基础设施即服务IAAS）理念设计，各层不充许跨层调用，采用本层子系统间或本层子系统与下级子系统产生依赖关系。 1）用户层。是系统服务对象，包括学生、教师、教务管理者（包括各级教学管理部门、校领导）。 2）应用层。本项目所涉及的各种应用模块，为防止互联网安全威胁，将应用层细分为5个层和1个独立的大数据分析平台，分别是前端应用层、安全应用网关、微服务平台、支撑平台、数据平台。 ①前端应用。主要负责数据展示和采集，人机交换，不处理任何业务逻辑，面向服务对象包括学生、教师、教务管理者三种版本，通过手机APP、微信、微信公众号、门户、业务平台体现。不同的服务渠道会用不同展现形式，但面向服务对象的功能一致，由于所有服务逻辑在后端，前端应用只需考虑用户体验，这样后端的服务只需维护一套，实现多渠道共享。 ②安全应用网关。主要负责隔离互联网和内网，确保数据安全，防止WEB攻击数据库，增加应用网关后，内网的所有服务只能通过应用网关对外提供服务，应用网关对所有的服务进行安全封装，对关键数据进行加密，对访问用户进行安全认证。 ③微服务模块。排课系统的核心业务服务以小服务组件方式部署，这种方式符合当前最新的互联网应用架构，按照软件即服务（SAAS）云架构设计，即把一个大的应用拆分成多个小的服务独立部署，当某个服务压力过载时，可增加服务器资源部署，当某个服务失效后，也不会导致整个系统服务中断，根据排课系统需求分析，建议将按照业务访问频度和服务对象对系统功能进行拆分，具体拆分为基础信息管理服务、系统管理服务、课程申请服务、评价服务等。 ④支撑平台。主要包括公共服务组件，按照平台即服务（PAAS）云架构设计，如报表组件、工作流引擎、短信服务、通知服务、统一用户认证服务等，这些服务一部分使用开源组件，一部分直接调用互联网资源。这些服务引入，可有效增强系统功能，同时减少系统开发量，提高系统建设效率。 ⑤大数据分析平台。主要为满足数据可视化需求、人物画像、智能提醒等功能，对数据进行加工、转换、分析后形成分析数据为智能排课系统服务，提高决策支撑、数据服务，大数据平台不是本文讨论的问题，在此只描述其在整个系统作用。 3）基础服务设施层。基础服务设施层细分为四层，本系统按照基础设施即服务（IASS）的云架构设计，只要包括中间件及开源框架、操作系统、虚拟化平台，硬件基础设施，主要包括数据库、中间件、操作系统、虚拟化平台软件以及服务器、网络、安全设备等硬件资源。通过虚拟化平台软件将存储、服务器、网络切割成许多对立资源，分配给不同微服务，从而实现硬件资源高可用性。 5.3应用架构设计 应用架构反映应用系统直接的调用关系，系统调用关系是用户请求→前端应用（手机、微信、门户等）→应用网关→分布式智能排课系统→生产数据库。 PC客户端使用IE9以上浏览器、火狐等主流浏览器作为客户端，客户无需考虑应用升级带来的影响。移动客户端支持安卓，苹果主流手机，用户也可通过微信公众号访问部分功能，如信息通知反馈。 系统使用流量均衡器实现高并发时负载均衡，后端应用服务器根据负载情况，可随时增加服务器部署数量。 应用网关用于隔离互联网请求和核心应用，防止外网用户通过应用服务器直接攻击数据库。同时应用网关对用户终端进行安全控制，采用MD5加密技术对数据进行防篡改校验。 应用网关之后是分布式排课系统，处理前段发来的各种请求，由应用系统查询、修改数据库。 5.4网络架构设计 考虑系统安全性，将中心机房分为核心区和非涉密区，之间用防火墙隔离，核心区部署应用服务器、数据库服务器、外部用户分为校园内网用户和互联网用户，通过浏览器访问应用服务提供功能，外部用户也可通过手机访问。系统部署逻辑架构如下图，实际部署时，考虑系统可靠性，所有设备可进行双机冗余部署，然而双机冗余部署需要双倍硬件投资。用户可根据建设资金情况从数据库层向外逐步投入双机冗余部署方案。 6关键算法及技术 6.1排课算法 排课问题是一个典型的NP完全问题（NP-C），NP（非决定性多项式时间）问题已经是世界上最难解决的数学问题之一了，但NP完全问题又是NP-C中最难解决的问题，可想难度较大，直到现在任没有一个解决的很好的通用算法，只能依据实际情况采用近似的算法。综合各种算法的优缺点，结全本系统的实际需求，采用遗传算法、模拟退火算法和回溯算法相结合的形式处理排课问题。 6.2关键技术 1）分布式计算技术。使用阿里巴巴开源分布式组件dubbo+nginx+Zookeeper做为微服务技术框架。 2）缓存技术。为了提高系统访问效率，系统采用多级缓存技术，减少服务请求对系统之间的调用，主要措施如下： ①页面缓存。将静态页面和动态页面分离，将静态页面如图片、JS、静态网页部署在nginx服务器上，nginx会将经常访问的页面缓存到内存，访问效率将提升到毫秒级。 ②数据库缓存。数据库访问经常成为系统瓶颈问题，为了减少访问频度，将数据库中不经常变化的常用的小表按对象放入内存中，目前有许多开源的数据库缓存框架支持，本系统使用Ehcache+Redis作为数据库缓存。 ③服务路由技术。系统使用微服务架构，微服务部署在不同应用服务器上，需要一个总的代理对外提供统一服务入口，本系统使用nginx开源软件作为服务路由代理。 ④消息队列技术。互联网系统另一个要解决的问题是如何处理高并发时的流量控制问题，高并发容易造成后端服务过载，为有效控制流量，引入消息队列缓存访问请求，通过对访问请求排队，异步消息调用服务，从而实现后端服务容量控制。本系统使用ActiveMQ开源框架作为消息对象组件。 7结束语 本论文提出了按照互联网“云+端”的思路重构排课系统的设计思路，并在多個角度对系统设计进行总体策划，体现“以人为本”的设计理念，并结合最新业务理念和技术方向对业务模型、技术架构、应用架构、网络架构进行总体设计，为系统详细设计与实现提供指导。 参考文献： [1] 郑建明，万里鹏.关于中国高校现代远程教育技术架构的构想[J].情报科学，2003（2）：113-117，122. |
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