系统需求简介
1.1需求分析
实现一个具体的课程管理系统。按照软件工程思路设计简化的专业课数据库,尽量模拟现有专业课程一个学期的选课排课原型实际情况。(注:本系统由本人单独设计、开发完成)
1.2 数据结构需求分析
课程管理系统需要完成功能主要有:
(1) 学生基本信息的查询,学生可以对本人的系统登陆密码进行修改。
(2) 学生定制专属课表,可以查看整个学期本人的课程安排,包括课程名称、上课时间、上课地点、任课老师、学分等等。
(3) 学生可以进行选课,专业必修课程系统会提前帮助学生们选上。
(4) 学生可以进行退课,专业必修课程不允许退课。
(5) 学生可以查看自己选上的课的成绩,以及各个课程的得分、绩点,并给出其平均绩点,但不允许查看年级其他人的成绩。
(6) 任课教师基本信息的查询,老师可以对本人的系统登陆密码进行修改。
(7) 任课教师可以查看本人所任教课程信息,包括课程名称、上课时间、上课地点、上课班级等等。
(8) 任课教师可以对其任教课程进行调课,调课在全部课程时间无冲突下可以成功调课。
(9) 任课教师可以查看其教的每一个课程的学生名单。
(10) 任课教师可以对其教的课程的学生进行登分以及修改分数。
(11) 任课教师可以对其任教的班级成绩进行排序。
(12) 系主任拥有包括以上所有任课教师所拥有权限,以及以下的额外权限。
(13) 系主任可以查看整个系的全部学生以及他们的平均绩点,可以对每个班进行排名,或者也可以对整个系进行排名。
(14) 系主任可以查看整个系的任教教师名单,以及他们所负责的课程数目。
(15) 系主任可以查看整个学期所开设的所有课程,包括这些课程的全部详细信息。
(16) 系主任可以查看每个班的课程安排表。
1.3系统功能设计
课程管理系统主要分为三个客户端登陆,分别是学生、任课教师和系主任,每个客户端的功能是不同的。这三个客户端的登陆拥有自己的功能实现。下面三个图分别是三个客户端的功能模块图。
图1.1 学生的客户端功能
图1.2 任课教师的客户端功能
图1.3 系主任的客户端功能
第二章 需求描述
2.1 数据流图
系统的全局数据流图
系统的全局数据流图,在具体的设计工具中往往也称为第0层或顶层数据流图,主要是从整体上描述系统的数据流,反映系统中数据的整体流向,是设计者针对用户和开发者表达出来的一个总体描述。
经过对课程管理的调查、数据的收集和信息流程分析处理,明确了该系统的主要功能,分别为:
(1)学生
查看、修改个人信息;
查看个人课表;
选课、退课;
查看个人成绩、绩点;
(2)任课教师
查看、修改个人信息;
查看任教课程信息;
调整任教课程上课时间;
登记、修改所教课程的学生成绩;
对班级学生成绩进行排序;
(3)系主任
查看、修改个人信息;
查看任教课程信息;
调整任教课程上课时间;
登记、修改所教课程的学生成绩;
对班级学生成绩进行排序;
查看所有学生信息;
查看所有任课教师信息;
查看所有课程信息;
查看所有班级课程表;
图2.1 顶层数据流图
2.2 数据字典
数据流图清楚的表达了数据和处理数据的关系,但是没有清楚的描述出个数据处理的细节。通过数据字典来说明数据流图中出现的元素的详细定义和描述。包括数据流、加工处理、数据存储、数据的起点和终点或外部实体等。下面是数据存储的描述。
数据存储
表2-2-1 课程组信息模块存储的描述
序号 | 数据文件 | 文件组成 | 关键标识 | 组织 |
---|---|---|---|---|
1 | 课程组信息 | 课程代码+课程名称+课程性质+考察方式+课时+学分 | 全部 | 按课程代码排序 |
表2-2-2 班级模块存储的描述
序号 | 数据文件 | 文件组成 | 关键标识 | 组织 |
---|---|---|---|---|
1 | 班级信息 | 班级号+班别名称+班主任 | 全部 | 按班级号编号排序 |
表2-2-3 个人信息模块存储的描述
序号 | 数据文件 | 文件组成 | 关键标识 | 组织 |
---|---|---|---|---|
1 | 学生信息 | 学号+姓名+性别+专业+班别号+入学日期+登陆密码 | 全部 | 按学号编号排序 |
2 | 教师信息 | 教师编号+姓名+性别+登陆密码 | 全部 | 按教师号编号排序 |
表2-2-4 课程信息模块存储的描述
序号 | 数据文件 | 文件组成 | 关键标识 | 组织 |
---|---|---|---|---|
1 | 课程信息 | 课程号+课程代码+教师编号+课程名称+上课地点+上课时间+任教班级 | 全部 | 按课程号排序 |
2 | 学生选课信息 | 课程号+学号+分数 | 全部 | 按课程号、学号编号排序 |
3 | 班级课程信息 | 班级号+课程号 | 全部 | 按班级号、课程号编号排序 |
第三章 概念设计
3.1 实体
由前面分析得到的数据流图和数据字典,可以抽象得到实体主要有8个:课程组、班级、学生、教师、课程、班级课程、课程组教师、分数。
- 课程组实体属性有:课程代码、课程名称、课程性质、考察方式、课时、学分。
- 班级类型实体属性有:班级编号、班级名称、班主任教师号。
- 教师实体属性有:教师编号、姓名、性别、登陆密码。
- 学生实体属性有:学号、姓名、性别、专业、班级编号、入学日期、登陆密码。
- 课程实体属性有:课程号、教师编号、课程代码、课程名称、上课时间、上课地点、上课班级。
- 班级课程实体属性有:班级号、课程号、班主任。
- 课程组教师属性有:课程代码、教师号、课题组组长标记。
- 分数实体属性有:学号、课程号、分数。
3.2 系统全局E-R图
- 课程组实体和课程组教师实体存在归属的联系,一个课程组可以包含多个教师,且有一个课程组组长,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
- 教师实体和课程组教师实体存在归属的联系,一个教师可以任教多门不同课程,可以在不同课程组内,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
- 课程组实体和课程实体存在单对多的关系,一个课程组可以开设多个该课程,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
- 教师实体和课程实体存在单对多的关系,每个教师可以任教多门课程,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
- 班级实体和班级课程实体存在单对多的关系,一个班级可以选择多门课程,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
- 课程实体和班级课程实体存在单对多的关系,一个课程可以被多个班级同时选择,所以他们之间是一对多的联系(1:n)。
- 班级实体和学生实体存在单对单的关系,一个班级内有多个学生,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
- 学生实体和分数实体存在单对多的关系,一位学生可以选择多门课程,每一门课程都有相应的分数,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
图3.2.1 系统全局E-R图
3.3 概念数据模型设计
图3.3.1 课程管理系统的概念数据模型图
第四章 逻辑设计
4.1 ER图到关系模式的转换
课程管理系统功能大,实体多,这里列举重要的关系模式的转换过程:
(1)课程组实体和课程组教师实体存在归属的联系,一个课程组可以包含多个教师,且有一个课程组组长,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。课程组教师实体和教师实体存在联系,一个教师可以同时在多个课程组。设计成如下的关系模式:
- 课程组(课程代码,课程组名称,课程性质,考察方式,总课时,学分)
- 课程组教师(课程代码,教师编号,组长标记)
- 教师(教师编号,名字,性别,主任标记,登陆密码)
(2)班级实体和学生实体存在单对单的关系,一个班级内有多个学生,所以它们之间是一对多的联系(1:n)。
- 班级(班级号,班级名称,班主任)
- 学生(学号,姓名,性别,专业,班级,入学时间,登陆密码)
(3)课程实体和班级课程实体存在单对多的关系,一个课程可以被多个班级同时选择,所以他们之间是一对多的联系(1:n)。设计成如下的关系模式:
- 课程(课程号,课程代码,教师号,课程名,上课时间,上课地点,上课班别)
- 班级课程(班级号,课程号)
(4)一位学生可以选择多门课程,每一门课程都有相应的分数,分数实体由学号与课程号确定分数。
- 分数(学号,课程号,分数)
4.2 各个数据表的表结构设计
表4-1 数据库表清单
数据库表名 | 关系模式名称 | 备注 |
---|---|---|
group | 课程组 | 课程组表 |
group_teacher | 课程组教师 | 课程组教师表 |
teacher | 教师 | 教师表 |
class | 班级 | 班级表 |
student | 学生 | 学生表 |
course | 课程 | 课程表 |
class_course | 班级课程 | 班级课程表 |
score | 分数 | 分数表 |
表4-2 课程组表
表4-3 课程组教师表
表4-4 教师表
表4-5 班级表
表4-6 学生表
表4-7 课程表
表4-8 班级课程表
表4-9 分数表
五 物理设计
5.1 数据库软件
SQLite,是一款轻型的数据库,是遵守ACID的关系型数据库管理系统,它包含在一个相对小的C库中。它是D.RichardHipp建立的公有领域项目。它的设计目标是嵌入式的,而且已经在很多嵌入式产品中使用了它,它占用资源非常的低,在嵌入式设备中,可能只需要几百K的内存就够了。它能够支持Windows/Linux/Unix等等主流的操作系统,同时能够跟很多程序语言相结合,比如 Tcl、C#、PHP、Java等,还有ODBC接口,同样比起Mysql、PostgreSQL这两款开源的世界著名数据库管理系统来讲,它的处理速度比他们都快。
官网下载sqlite3即可,打开方式为-》终端-》输入sqlite3,即可进入操作。
5.2 创建数据表
图5.2.1 创建教师表
图5.2.2 创建课程组表
图5.2.3 创建课程组教师表
图5.3.4 创建课程表
图5.3.5 创建班级表
图5.3.6 创建班级课程表
图5.3.7 创建学生表
图5.3.8 创建得分表
六 处理数据
6.1 数据需求
由前面分析以及课程设计提供的数据,我们可以直接获得的数据主要为课程组信息、教师信息、学生信息。
课程组信息:通过整理我们专业六个班级的课程表可以获得;
教师信息:通过整理我们专业的老师信息表可以获得;
学生信息:通过整理六个班级的信息可以获得。
不可以直接获得的信息主要为开设课程的信息,这个进一步分析获得,通过教师的数目,班级的数目,确定每个课程组应当开设的课程数目,整理获得。
6.2 读取数据
(1)读取课程组信息
import os
list1 = os.listdir('./20-21(1)班级课表(正式版)2020-8-27')
for i in list1:data = pd.read_excel('./20-21(1)班级课表(正式版)2020-8-27/'+i)
(2)读取教师信息
import pandas as pd
teacher = pd.read_csv('./teacher.csv')
(3)读取学生信息
import pandas as pd
name181 = pd.read_excel('./2018级各班花名册.xlsx',header=None,sheet_name = '计科181(36)')
name182 = pd.read_excel('./2018级各班花名册.xlsx',header=None,sheet_name = '计科182(41)')
name183 = pd.read_excel('./2018级各班花名册.xlsx',header=None,sheet_name = '计科183(41)')
name184 = pd.read_excel('./2018级各班花名册.xlsx',header=None,sheet_name = '计科184(40)')
name185 = pd.read_excel('./2018级各班花名册.xlsx',header=None,sheet_name = '计科185(40)')
name186 = pd.read_excel('./2018级各班花名册.xlsx',header=None,sheet_name = '计科186(40)')
通过导入前面的表格,经过简单预处理,可以得到以下表格数据。
表6-3-1 课程组表(显示全部)
表6-3-2 教师表(仅显示部分)
表6-3-3 课程组教师表(显示全部)
表6-3-4 学生表(仅显示部分)
表6-3-5 班级表(显示全部)
前面5个表格的数据可以通过简单的数据预处理即可获得,重点阐述表6-3-6是如何处理获得的。分析课程组一共有11个,与每个课程组所拥有的老师数量,以及所任教的班级数量。当只有1个老师,该老师需开设两个课程,分别教3个班;当有2个老师,一人开一个课程,分别教3个班;当有3个老师,则一人开一个课程,分别教2个班。分析完毕,处理数据可得,需开设课程为26个,课程设置如表6-3-6所示。
表6-3-6 课程表(显示全部)
6.4 制作Sql语句
由前面分析得到的表格,可以生成导入数据库的sql语句,为了避免繁琐的操作,可使用python生成大量的导入语句。注:我们有八个表格,其中课程表格需要智能排课后获得上课时间,班级课程表格、分数表格需要课程号作为外码,但我提前给出sql语句,排课算法将会介绍上课时间如何得来。
处理程序如下:
for index,row in name181[5:].iterrows():print(f"INSERT INTO student VALUES({row[1]},'{row[2]}','{row[3]}',date('2018-09-01'),'计算机科学与技术','{row[1][5:]}',{row[4][2:]});")
for index,row in name182[5:].iterrows():print(f"INSERT INTO student VALUES({row[1]},'{row[2]}','{row[3]}',date('2018-09-01'),'计算机科学与技术','{row[1][5:]}',{row[4][2:]});")
for index,row in name183[5:].iterrows():print(f"INSERT INTO student VALUES({row[1]},'{row[2]}','{row[3]}',date('2018-09-01'),'计算机科学与技术','{row[1][5:]}',{row[4][2:]});")
for index,row in name184[5:].iterrows():print(f"INSERT INTO student VALUES({row[1]},'{row[2]}','{row[3]}',date('2018-09-01'),'计算机科学与技术','{row[1][5:]}',{row[4][2:]});")
for index,row in name185[5:].iterrows():print(f"INSERT INTO student VALUES({row[1]},'{row[2]}','{row[3]}',date('2018-09-01'),'计算机科学与技术','{row[1][5:]}',{row[4][2:]});")
for index,row in name186[5:].iterrows():print(f"INSERT INTO student VALUES({row[1]},'{row[2]}','{row[3]}',date('2018-09-01'),'计算机科学与技术','{row[1][5:]}',{row[4][2:]});")
图6.4.1 插入学生表语句(部分)
处理程序如下:
for row in course['name'].value_counts().keys():k+=1name = rowlinshi = course[course['name']==row]['bixiu'].value_counts().keys()[0]ddd = course[course['name']==row]['duoshaojieke'].value_counts().keys()[0]jilu = courses_courses[courses_courses['course_name']==row]print(f"INSERT INTO groups VALUES({list(jilu['course_id'])[0]},'{name}','{linshi}','{list(jilu['exam_method'])[0]}',{list(jilu['class_hour'])[0]},{list(jilu['credit'])[0]});")
图6.4.2 插入课程组语句
处理程序如下:
import numpy as np
for row in course['name'].value_counts().keys():pp = 0k+=1name = rowlinshi = course[course['name']==row]['teacher_name'].value_counts().keys()jilu = courses_courses[courses_courses['course_name']==row]for j in linshi:ids = np.array(course[course['teacher_name']==j]['teacher_id'])[0]if pp==0:print(f"INSERT INTO group_teacher VALUES({list(jilu['course_id'])[0]},'{ids}',1);")else:print(f"INSERT INTO group_teacher VALUES({list(jilu['course_id'])[0]},'{ids}',0);")pp+=1
图6.4.4 插入课程语句
处理程序如下:
for index,row in teacher.iterrows():print(f"INSERT INTO teacher VALUES({row[0]},'{row[1]}','{1111}','{row[2]}',{row[4]});")
图6.4.5 插入教师语句(部分)
处理程序如下:
for index,row in all_course.iterrows():print(f"INSERT INTO course VALUES({row[0]},'{row[8]}',{row[1]},{row[7]},'{row[13]}','{row[6]}','{row[14]}');")
图6.4.6 插入课程语句(部分)
处理程序如下:
for index,row in all_course.iterrows():for i in row[6].split(','):print(f"INSERT INTO class_course VALUES({row[0]},{i});")
图6.4.7 插入班级课程语句(部分)
处理程序如下:
for index,row in all_course.iterrows():if row[9] =='专业必修课程' and '181' in row[6]:for index,rowst in name181[5:].iterrows():num = np.random.randint(50, 100)print(f"INSERT INTO score VALUES({rowst[1]},{row[0]},{num});")
for index,row in all_course.iterrows():if row[9] =='专业必修课程' and '182' in row[6]:for index,rowst in name182[5:].iterrows():num = np.random.randint(50, 100)print(f"INSERT INTO score VALUES({rowst[1]},{row[0]},{num});")
for index,row in all_course.iterrows():if row[9] =='专业必修课程' and '183' in row[6]:for index,rowst in name183[5:].iterrows():num = np.random.randint(50, 100)print(f"INSERT INTO score VALUES({rowst[1]},{row[0]},{num});")
for index,row in all_course.iterrows():if row[9] =='专业必修课程' and '184' in row[6]:for index,rowst in name184[5:].iterrows():num = np.random.randint(50, 100)print(f"INSERT INTO score VALUES({rowst[1]},{row[0]},{num});")
for index,row in all_course.iterrows():if row[9] =='专业必修课程' and '185' in row[6]:for index,rowst in name185[5:].iterrows():num = np.random.randint(50, 100)print(f"INSERT INTO score VALUES({rowst[1]},{row[0]},{num});")
for index,row in all_course.iterrows():if row[9] =='专业必修课程' and '186' in row[6]:for index,rowst in name186[5:].iterrows():num = np.random.randint(50, 100)print(f"INSERT INTO score VALUES({rowst[1]},{row[0]},{num});")
图6.4.8 插入分数语句(部分)
七 智能排课算法
7.1 排课要求
- 1-16周,周一到周五,1-9节; 课程安排的时间长度必须和课程学分一致;
- 同个班同个小节不能上多门课,不同班同门课可能一起上;
- 同个老师不能在同一小节同时上两个课;
- 上课时间尽可能分散开,不要集中于某一天,减缓学生压力;
7.2 准备工作
(1)划分每天的1-9节课为四大节,白天三大节,每节2课时;晚上一大节,每节3课时,如下表7-2-1。
表7-2-1 课程表划分
星期一 | 星期二 | 星期三 | 星期四 | 星期五 | |
---|---|---|---|---|---|
第一大节8:30~10:05 | |||||
第二大节10:25~12:00 | |||||
第三大节15:00~16:35 | |||||
第四大节18:00~20:25 |
(2)将每周2课时的课程与3课时的课程分开排课,用同一套算法,每周2课时的课程在白天进行排课,每周3课时的课程在晚上进行排课,当白天或晚上排课效率不高时,再调整多余部分课程到另一时间段。
图7.2.1 每周2课时的课程
图7.2.2 每周3课时的课程
7.3 遗传算法
(1)我们以每周2课时的课程为例子,进行下面遗传算法选课流程的介绍。我们注意到存在着只上8周的课程,没有覆盖整个16周,所以选择把两个8周且班级相同的课程并到一起,或者有包含关系的两个课程(前面8周集合元素覆盖或等于后面8周的),算一个16周课程进行以下算法分析。
图7.3.1 课程合并
合并后,我们需要排课的课程号如下:
[101,102,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,121,122,123]
其中合并关系为:117-》119,118-》120,121-》124,122-》125,123-》126
()我们将每天的课程进行编号,以便于下面算法的进行。
星期一 | 星期二 | 星期三 | 星期四 | 星期五 | |
---|---|---|---|---|---|
第一大节8:30~10:05 | 1 | 4 | 7 | 10 | 13 |
第二大节10:25~12:00 | 2 | 5 | 8 | 11 | 14 |
第三大节15:00~16:35 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 |
表7-3-1 课程表标记
(3)如表7-2-1所示,我们每节课安排的时间范围即为1~15,我们需要排课的列表为[101,102,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,121,122,123],长度为16,所以我们可以随机生成一个list,长度为16,数字范围为1~15,这样一个列表可以表示,每一门课程所安排的时间;
(4)显然,随机数的排课具有很大不确定性,可能会导致一些课程冲突、课程集中某个时间段等等,所以我们想要去找到一条list,可以让我们的排课让老师同学们都满意;
(5)这里,引入遗传算法,这里简单介绍遗传算法,遗传算法是一种局部寻优算法,可以根据我们定义的遗传算子,通过交叉、变异等操作,生成更多不同算子,帮助我们在高维空间上寻找局部最优解,这里的最优解的条件由我们实现者根据具体实际情况进行定义。下面给出一些基本操作:
遗传算子-染色体即为一条与需排课列表长度的时间序列,范围为1~15,生成染色体时必须保证同一个时间段的课程老师、班级不能冲突,否则重新生成;
选择种群:优胜劣汰,对低于平均适应度的染色体进行交叉和突变,高于平均适应度的进行保留;
交叉操作:选取两条父母染色体,对母亲随机截取一段S,直接替换父亲的该段,返回拼接后的染色体;
突变操作:对染色体进行随机截取一段,进行翻转操作;突变某个点的时间值,范围为1~15
种群进化:种群内每一根染色体都有可能进行交叉和突变,取决于交叉率和突变率。
7.4 适应度函数
定义适应度函数,也类似于机器学习的目标函数,我们需要优化它,达到最优解,从而获得我们的最优排课顺序。这里,我们的得分函数由三部分组成:
(1)第一部分:时间段权重
根据网上部分资料,一般学生课程安排有权重调整,即早上的课程权重相应大些,特别是第二大节课,对应的下午的课程权重少些,还有星期二下午不开课(广州大学惯例),星期五的课权重少些,这里给出我定义的权重表7-4-1。第一部分得分算法:染色体list点乘对应得分除以[0.9*len(list)]*100,
注:[0.9*len(list)]指的是全部安排在第二大节,得分为满分100分。
表7-4-1 课程表权重
星期一 | 星期二 | 星期三 | 星期四 | 星期五 | |
---|---|---|---|---|---|
第一大节8:30~10:05 | 0.88 | 0.88 | 0.88 | 0.88 | 0.85 |
第二大节10:25~12:00 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.88 |
第三大节15:00~16:35 | 0.85 | 0 | 0.85 | 0.85 | 0.8 |
代码如下:
grade = {1: 0.88, 2:0.9 ,3: 0.85,4:0.88 ,5: 0.9,6: 0,7:0.88, 8:0.9, 9:0.85, 10:0.88,11:0.9,12:0.85,13:0.85,14:0.88,15:0.8}
point1 = 0 #不同时间段不同得分权重,以全部9.0为满分权重
for i in gene:point1 += grade[i]
point1 = point1/(len(gene) *0.9)*100
(2)第二部分:全部课程时间方差
为了保证我们的整个专业排课结果尽可能分散,我们可以通过方差大小来调整,我们计算以刚好15个课程铺满整个课表的方差为基准,基准为ave_var = np.var([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]),我们希望我们所排的课程的方差越接近于这个方差越好,所以我给出的第二部分得分算法为:point2 = (1 - np.abs(np.var(gene) -ave_var) /ave_var) *100。
(3)第三部分:每个班级课程时间方差
第二部分优化的所有课程,我希望每个班级内部的课程也可以得到优化,这里设置一个最大方差max_var = np.var([1,8,15]),每个班级的课程安排时间的方差也此为标准,第三部分得分算法为:分别计算6个班级的课程时间方差相加,除以6*max_var,然后乘以100。
三部分得分函数总结完毕,我们给予各个部分一个权重,以便于我们更倾向于哪一部分时可以进行适当调整。在这里,我给出本次实验所用的最终得分表示:
point = point1 + 0.8* point2 + 0.6* point3
7.5 排课效果
遗传算法参数选择:交叉率0.4、突变率0.3、种群大小20、进化代数100
最优时间序列为:[15, 14, 7, 1, 9, 4, 4, 12, 2, 2, 11, 11, 12, 10, 10, 13]
图7.5.1为遗传算法寻优局部最优解的迭代过程,三部分得分最高为240,局部寻优效果为216.12。图7.5.2为调课时间整理后的部分展示,可以看到课程分布较均匀,且时间、班级、教师完全无冲突。
图7.5.1 智能调课遗传迭代图
图7.5.2 调课时间展示(部分)
八 系统实现
8.1 登陆界面
学生:学号+密码(学号后5位)
教师:教师号+密码(1111)