基于启发式方法和自适应策略的新高考教学班分班方法与流程

1.本发明涉及分班技术领域，特别是涉及一种基于启发式方法和自适应策略的新高考教学班分班方法。


背景技术：

2.随着新高考改革在各个省份的推行，摒弃了传统的文理只分成两个课程系列的模式(文科为政治、历史、地理，理科为物理、化学、生物)，每个学生需要根据自身能力水平和兴趣从6门课(浙江省为7门，包括技术)中任选三门作为高考科目，这造成了每个学生的选课组合由原来的2种变成20种甚至35种。“走班制”模式以行政班为单位，大部分课程在行政班上课，例如语文、数学、英语、美术、音乐、体育和班会等，还有一部分课程要求学生去其他教学班上课，例如政治、历史、地理、物理、化学和生物等。在该种教学模式下，教学班分班涉及到的难度呈指数级增加，学生们的选课组合多种多样，而学校的教室以及教师资源有限，亟需一种智能、高效的教学班分班方法能在短时间之内获取合理的教学班分班方案，最大化减少课时的浪费(如尽量保证每个行政班的所有同学不会出现有需要单独上自习的)，尽可能保证每名同学都能按照自己所选择的选课方案进行上课。
3.教学班是指有学科属性的班级，分为选考教学班和学考教学班。通常一个班级只上一门科目，如物理1班——由于行政班部分学生不需要上物理课、因此另一部分学生则走班至物理1班上物理。
4.与行政班不同的是，教学班选考和学考具有两种不同的教学模式。一种模式为选学分开，即同一科目的选考和学考，教学内容和周课时数均不同。例如，在物理学考考完之前，选物理的学生，一周物理上5节课；没选物理的学生，一周物理上2节课。这类情况选学考肯定是分开班级教学。另一种模式为选学合一，即同一科目的选考和学考，教学内容和周课时相同。例如，在物理学考考完之前，选物理和没选物理的学生，一周都上3节物理课。此时无论学生组合是什么，物理都可以在行政班上课，无需走班。然后在物理学考考完之后，只需要将选了物理的人分出去，走班上物理选考班。此类情况，在某科目没结束学考前，均在行政班上课、在结束之后，分出该科选考教学班。优势在于无需分学考教学走班班级。
5.教学班分班相比于行政班分班有两个重要挑战。一个难点在于需要保证学生上两门课的时间不能有冲突，即不能在同一时间给学生安排两门课。另一个难点在于要满足最小集合同时上课方案。因为如果教学班分不好的话会对排课会有影响：课时数需求较多；学生单独上自习的情况多。因此我们的期望是分班之后，可以将行政班的学生走班课在最小课时的情况下安排完，不存在部分学生上自习的情况。例如，班内所有学生都要上3门走班学考，不同组合学生科目有所不同，三门学考需在3个课时内上完(如果在4个课时上完，就会出现有部分学生上自习的情况)。
6.该问题本质上是一个np
‑
难问题，用传统的基于人工手动分班、调整的方法效率太低，有些学校学生数据量较大，人工方式甚至已经无法完成一个合理有效的分班任务，对学校的日常教学管理带来了极大的挑战。目前，有些学校引入了一些信息化管理软件，而这些
软件由于受其算法能力的局限，针对教学班分班存在以下问题和缺点：1.智能化很低，需要大量的人工调整和干预，对一所学校的分班需求通常都要花费几天甚至十余天的时间进行优化来满足基本要求，导致分班效率低，不能满足学校在集中的时间段分班管理要求。2.得到的分班结果往往需要牺牲一部分学生的第一选择，退而求其次选择第二、第三感兴趣的课程，无法得到问题的最优解，协调学生选课组合调换也需要大量的人力和时间成本。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于启发式方法和自适应策略的新高考教学班分班方法，解决了教学班分班需要大量的人工调整和干预，无法得到问题的最优解，协调学生选课组合调换也需要大量的人力和时间成本的问题。
8.为了达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
9.一种基于启发式方法和自适应策略的新高考教学班分班方法，该方法是基于定二走一选课模式设定的分班方法，具体包括以下步骤：
10.s1，数据预处理：根据行政班分班后得到的结果，对每个同学的基础信息和选课情况进行筛选统计；
11.s2，策略分班：根据选学考为选学合一或选学分开的教学模式以及学考是否上完的信息，利用分班函数进行教学班分班，分班函数包括选考教学班分班函数和学考教学班分班函数，所述选考教学班分班函数用于判断每个学生的选考课上课时间是否冲突并将其未固的一门选考科目划分到指定的节次以实现分班；所述学考教学班分班函数用于判断选课人数是否高于设定上阈值，若是，则利用蛇形分班策略使每个科目达到节次均衡与上课人数均衡，若选课人数高于设定下阈值则根据每个科目的选课人数多少排序优先级，以优先级从高到低的顺序分班；
12.s3，分班优化：对分班结果进一步优化，并保存教学班分班结果。
13.优选的，步骤s1数据预处理过程中设置数据预处理函数，设输入为学生行政班的分班数据class_info和用户设置的规则数据rule_info，输出为选课组合统计结果，具体包括以下步骤：
14.s110，调用读取函数从分班数据class_info读取到行政班分班结果；
15.s120，基于行政班分班结果以及规则数据rule_info的信息，对每个同学的基础信息和选课情况进行筛选统计；
16.s130，返回选课组合信息并计算得到满足最小集合上课条件的安排课时数量。
17.优选的，所述选考教学班分班函数的输入为学生选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出为选考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao，所述选考教学班分班函数具体包括以下步骤：
18.s210，计算当前输入情况下最多所需要开课的节次；
19.s220，以每个固2行政班为基本单位进行遍历；
20.s221，判断该固2行政班是否为固3情况；如果非固3情况，以每个选考组合为单位；
21.s222，判断选考科目是否为固2的两科，将上课节次进行等概率拆分，将不是固2科目的那一门选考科目划分到对应节次；
22.s230，返回选考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao。
23.优选的，若选课人数高于设定上阈值，所述学考教学班分班函数的输入为学生选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出为学考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao，所述学考教学班分班函数具体包括以下步骤：
24.a1)计算当前输入情况下最多所需要开课的节次；
25.a2)遍历每个固2教学班；
26.a3)判断是否为固3情况；
27.a4)若非固3情况，判断是否有每个学生都选的学考科目，如果有的话该科目将在行政班上课而不需要额外划分；
28.a5)将每个学考选课组合中的学生进行等概率划分到对应节次；
29.a6)返回教学班学考分班结果jiaoxue_class_xuekao。
30.优选的，若选课人数高于设定下阈值，所述学考教学班分班函数的输入为学生选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出为学考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao，所述学考教学班分班函数具体包括以下步骤：
31.b1)判断选课人数是否达到阈值；
32.b2)计算当前输入情况下最多所需要开课的节次；
33.b3)遍历每个固2教学班；
34.b4)判断是否为固3情况；
35.b5)若非固3情况，判断是否有每个学生都选的学考科目，如果有的话该科目将在行政班上课而不需要额外划分；
36.b6)将所有科目的选课人数进行统计排序，人数越少的科目优先级越高；
37.b7)以每一个学考选课科目组合为基本单位，优先划分包含以上3个科目的选课组合，其次划分包括2个的选课组合，依次类推；
38.b8)返回教学班学考分班结果jiaoxue_class_xuekao。
39.优选的，若选课人数高于设定下阈值具体指的是选课人数高于两倍班额。
40.优选的，步骤s3，分班优化：对分班结果进一步优化，并保存教学班分班结果具体指的是
41.s3，分班优化：通过成绩均衡、合并或置换方式对分班结果进一步优化，若选课人数高于设定上阈值，通过成绩均衡方式对分班结果进一步优化；若选课人数高于设定下阈值，通过合并或置换方式对分班结果进一步优化，并保存教学班分班结果。
42.优选的，成绩均衡具体包括以下步骤：
43.c1找出所有科目安排在同一节次的班级；
44.c2)若安排在同一节次的班级个数大于等于2，则进行以下操作；
45.c2.1)将这些班级的学生按照成绩进行排序；
46.c2.2)按照u型分班策略重新分班；
47.c3)返回jiaoxue_classes。
48.本发明的有益效果在于：
49.1、基于启发式思想的分班方法，将选课人数多少按照优先级进行排序，接下来，对所有科目的选课人数进行统计排序，其中人数最少且低于一个班级的最大班额的科目优先级最高，以达到最优的分班结果。
50.2、基于选课人数的自适应策略分班算法，针对可能遇到的选课人数较少和较多两种情况，分别定制化采取不同分班算法，进而根据不同情况进行问题优化。
51.3、教学班分班框架流程，即数据预处理、基于选课人数的自适应策略分班粗粒度优化、针对问题的结果再优化。
附图说明
52.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
53.图1是本发明一种基于启发式方法和自适应策略的新高考教学班分班方法的流程图。
具体实施方式
54.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作出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.定二走一指两门选考科目相同的学生组成行政班，语数外三门必考科目，以及两门选考科目和其他科目在行政班上课，剩下一门选考科目在教学班上课，而学考如何固定和走班取决于行政班的组合情况。例如，选课组合为物化生、物化政、物化地的学生组成一个行政班，则物化两门课可以在行政班上课，各个学生分别要走生、政、地的选考。至于学考班，结合不同教学模式对教学班分班的影响，如果教学模式全部为选学分开，那么每名学生将要走3或4科学考(取决于该地区是6选3方式还是7选3方式)。如果教学模式为选学合一，意味着只有某一科学考考完之后，才需要分出对应的选考教学班。如果无学考考完，则不需要分学考教学班。定二走一是目前大多数学校都采用的一种选课模式。
56.如图1所示，本发明提出了一种基于启发式方法和自适应策略的新高考教学班分班方法，该方法是基于定二走一选课模式设定的分班方法，能根据学生基础信息(姓名、学号、性别)、选课科目、各科成绩，通过满足各种规则条件的均衡、结合一定班额范围，划分出学生所在教学班。具体包括以下步骤：
57.s1，数据预处理：根据行政班分班后得到的结果，对每个同学的基础信息和选课情况进行筛选统计；为接下来教学班分班奠定基础。
58.s2，策略分班：根据选学考为选学合一或选学分开的教学模式以及学考是否上完的信息，利用分班函数进行教学班分班，分班函数包括选考教学班分班函数和学考教学班分班函数，所述选考教学班分班函数用于判断每个学生的选考课上课时间是否冲突并将其未固的一门选考科目划分到指定的节次以实现分班；所述学考教学班分班函数用于判断选课人数是否高于设定上阈值，若是，则利用蛇形分班策略使每个科目达到节次均衡与上课人数均衡，若选课人数高于设定下阈值则根据每个科目的选课人数多少排序优先级，以优先级从高到低的顺序分班；
59.结合规则文件里选学考不同的教学模式(选学合一或者选学分开)以及学考是否上完等信息，用分班函数进行教学班分班。对于选考课，对固2行政班中每个学生未固的一门选考科目划分到指定的某一节次，保证每名学生的选考课上课时间不会冲突且在同一时间上课。对于学考课，提出了一种基于选课人数的自适应分班策略。对于选课人数较多的情况，基于均衡思想，利用蛇形分班策略尽可能使每个科目达到节次均衡与上课人数均衡；对于选课人数较少的情况，根据每个科目的选课人数多少排序优先级，以优先级从高到低的顺序灵活分班以尽可能使分班效果达到最好。
60.s3，分班优化：对分班结果进一步优化，并保存教学班分班结果jiaoxue_classes。
61.优选的，步骤s1数据预处理过程中设置数据预处理函数，设输入为学生行政班的分班数据class_info和用户设置的规则数据rule_info，输出为选课组合统计结果，具体包括以下步骤：
62.s110，调用读取函数从分班数据class_info读取到行政班分班结果；
63.s120，基于行政班分班结果以及规则数据rule_info的信息，对每个同学的基础信息和选课情况进行筛选统计；
64.s130，返回选课组合信息并计算得到满足最小集合上课条件的安排课时数量。
65.优选的，所述选考教学班分班函数的输入为学生选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出为选考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao，所述选考教学班分班函数具体包括以下步骤：
66.s210，计算当前输入情况下最多所需要开课的节次；
67.s220，以每个固2行政班为基本单位进行遍历；
68.s221，判断该固2行政班是否为固3情况；如果非固3情况，以每个选考组合为单位；
69.s222，判断选考科目是否为固2的两科，将上课节次进行等概率拆分，将不是固2科目的那一门选考科目划分到对应节次；
70.s230，返回选考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao。
71.针对定二走一的场景，在满足最小集合同时上课的条件下尽量做到节次间均衡与人数均衡。其中输入是选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出是选考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao。首先计算当前输入情况下最多所需要开课的节次，然后以每个固2行政班为基本单位，先判断其是否为固3行政班，因为如果是固3情况的话选考科目将不需要划分。如果不是固3情况，再以该班的每个选考科目组合为基本单位，判断选考科目是否为固2行政班所固定的两个科目，如果是则不需要划分选考教学班；如果不是则将该选考组合的学生划分到某一节次选考教学班。这一过程将上课节次进行等概率拆分，以尽可能让每个科目达到节次均衡与上课人数均衡。
72.对于学考教学班分班，本发明提出了一种基于选课人数的自适应分班策略。对于选课人数较多的情况，基于均衡思想，利用蛇形分班策略尽可能使每个科目达到节次均衡与上课人数均衡；对于选课人数较少的情况，根据每个科目的选课人数多少排序优先级，以优先级从高到低的顺序灵活分班以尽可能使分班效果达到最好。
73.优选的，若选课人数高于设定上阈值(即选课人数较多)，所述学考教学班分班函数的输入为学生选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出为学考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao，所述学考教学班分班函数具体包括以下步骤：
74.a1)计算当前输入情况下最多所需要开课的节次；
75.a2)遍历每个固2教学班；
76.a3)判断是否为固3情况；
77.a4)若非固3情况，判断是否有每个学生都选的学考科目，如果有的话该科目将在行政班上课而不需要额外划分；
78.a5)将每个学考选课组合中的学生进行等概率划分到对应节次；
79.a6)返回教学班学考分班结果jiaoxue_class_xuekao。
80.针对定二走一的场景，在满足最小集合同时上课的条件下尽量做到节次间均衡与人数均衡。其中输入是选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出是选考教学班分班结果jiaoxue_class_xuekao。首先计算当前输入情况下最多所需要开课的节次，然后以每个固2行政班为基本单位，先判断其是否为固3行政班，因为如果是固3情况的话学考科目将在该行政班上课而不再需要划分。如果不是固3情况，再以该班的每个学考选课科目组合为基本单位，判断所有组合中是否有大家都需要上的学考科目，如果有的话该科目将在行政班上课而不需要额外划分；之后将每个学考选课组合中的学生进行等概率划分到对应节次，以尽可能让每个科目达到节次均衡与上课人数均衡，这里将举个例子以说明该过程：假如该行政班有一学考选课组合物理、化学、生物、技术(该地区为选考7选3要求，6选3的情况均可以按照以下方法进行处理)，那么对应该组合第一个学生，在满足最小集合同时上课的条件下将其按照物理第一节次、化学第二节次、生物第三节次、技术第四节次进行划分；对于第二个学生，将其按照物理第二节次、化学第一节次、生物第四节次、技术第三节次进行划分；对于第三个学生，将其按照物理第三节次、化学第四节次、生物第一节次、技术第二节次进行划分；对于第四个学生，将其按照物理第四节次、化学第三节次、生物第二节次、技术第一节次进行划分。这样以四个学生为一组，可以达到每个科目的节次间均衡与每门课的人数均衡。
81.优选的，若选课人数高于设定下阈值(即选课人数较少)，所述学考教学班分班函数的输入为学生选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出为学考教学班分班结果jiaoxue_class_xuankao，所述学考教学班分班函数具体包括以下步骤：
82.b1)判断选课人数是否达到阈值；
83.b2)计算当前输入情况下最多所需要开课的节次；
84.b3)遍历每个固2教学班；
85.b4)判断是否为固3情况；
86.b5)若非固3情况，判断是否有每个学生都选的学考科目，如果有的话该科目将在行政班上课而不需要额外划分；
87.b6)将所有科目的选课人数进行统计排序，人数越少的科目优先级越高；
88.b7)以每一个学考选课科目组合为基本单位，优先划分包含以上3个科目的选课组合，其次划分包括2个的选课组合，依次类推；
89.b8)返回教学班学考分班结果jiaoxue_class_xuekao。
90.针对定二走一的场景，在满足最小集合同时上课的条件下尽量做到节次间均衡与人数均衡。其中输入是选考组合统计以及用户选择的规则设置，输出是选考教学班分班结果jiaoxue_class_xuekao。选课人数较少情况是教学班分班的难点之一，主要原因在于每
个选课组合的学生个数非常少，往往小于10人且选课组合分布差距大，很难满足班级人数要求。针对这种问题，本发明提出了一种基于选课人数的自适应分班策略。首先本发明根据选课人数是否超过本发明所设阈值(一般为两倍班额)来判断是否使用选课人数较少的分班策略。假如属于这样情况，首先计算当前输入情况下最多所需要开课的节次，然后以每个固2行政班为基本单位，先判断其是否为固3行政班，因为如果是固3情况的话学考科目将在该行政班上课而不再需要划分。接下来，对所有科目的选课人数进行统计排序，其中人数最少且低于一个班级的最大班额的科目优先级最高，这样本发明可以得到所有科目的分班优先级。本发明选择符合以上条件的3个选课人数最少的科目，选择3个是因为如果过少的话分班效果不明显，过多的话会引起课程冲突。以每一个学考选课科目组合为基本单位，优先划分包含以上3个科目的选课组合，其次划分包括2个的选课组合，依次类推。对于每个选课组合，优先将选课人数最少的科目划分到指定节次以尽量保证所有选择改课的学生在同一节次上课，之后按照优先级依次划分剩余的科目。遍历所有选课组合后得到分班结果jiaoxue_class_xuekao。
91.优选的，若选课人数高于设定下阈值具体指的是选课人数高于两倍班额。
92.优选的，步骤s3，分班优化：对分班结果进一步优化，并保存教学班分班结果具体指的是
93.s3，分班优化：通过成绩均衡、合并或置换方式对分班结果进一步优化，若选课人数高于设定上阈值，通过成绩均衡方式对分班结果进一步优化；若选课人数高于设定下阈值，通过合并或置换方式对分班结果进一步优化，并保存教学班分班结果。
94.优选的，成绩均衡具体包括以下步骤：
95.c1找出所有科目安排在同一节次的班级；
96.c2)若安排在同一节次的班级个数大于等于2，则进行以下操作；
97.c2.1)将这些班级的学生按照成绩进行排序；
98.c2.2)按照u型分班策略重新分班；
99.c3)返回jiaoxue_classes。
100.在教学分班的过程中，在完成基于选课人数的自适应策略分班步骤后，尤其是对于选课人数较少的情况，分班结果还需要针对一些问题进行优化。这里的问题包括选课人数较多情况下对成绩的均衡以及选课人数较少时通过合并、置换等方式使人数不满足要求的班级数尽可能减少。针对定二走一的场景，目前的成绩均衡性优化主要在同一节次上课的班级间进行。
101.1.本发明提出了一种智能教学班分班算法，能根据学生基础信息(姓名、学号、性别)、选课科目、各科成绩，通过满足各种规则条件的均衡、结合一定班额范围，划分出学生所在教学班。该方法智能高效，能够满足绝大多数学校的分班时间要求(1000名学生的教学班分班方案实现的时间可以控制在1分钟内)，同时保证学生上两门课的时间不会有冲突，并尽可能满足最小集合同时上课方案(即没有学生出现单独上自习情况)，该方法已经投入到实际应用中，已在数百所学校进行验证。
102.2.对于可能出现的某一科目选课人数较少的棘手情况，本发明提出了一种基于选课人数的自适应分班策略。对于选课人数较多的情况，基于均衡思想，利用蛇形分班策略尽可能使每个科目达到节次均衡与上课人数均衡；对于选课人数较少的情况，根据每个科目
的选课人数多少排序优先级，以优先级从高到低的顺序灵活分班以尽可能使分班效果达到最好。
103.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。