ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN ĐỨC VIỆT
GIẢI BÀI TOÁN LẬP LỊCH THEO TÍN CHỈ SỬ
DỤNG GIẢI THUẬT TÌM KIẾM TABU
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN ĐỨC VIỆT
GIẢI BÀI TOÁN LẬP LỊCH THEO TÍN CHỈ SỬ
DỤNG GIẢI THUẬT TÌM KIẾM TABU
Nghành:
Chuyên nghành:
Mã số:
Công nghệ thông tin
Kỹ thuật phần mềm
60480103
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ NGUYÊN KHÔI
Hà Nội – 2014
Lời cảm ơn
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Nguyên Khôi đã tận tâm hướng
dẫn chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài luận văn này. Một lần nữa, em xin
chân thành cảm ơn thầy.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin gửi đến quý thầy cô ở khoa Công nghệ
Thông tin, phòng Đào tạo trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội
đã tạo điều kiện thuận lợi, dồn bao công sức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức
quý báu cho các học viên cao học như tôi trong suốt thời gian học tập tại trường.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những
người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề
tài nghiên cứu của mình.
Tuy đã có những cố gắng nhất định, tiếp cận với thực tế để tìm hiểu và áp
dụng khoa học vào cuộc sống, nhưng do thời gian và trình độ còn nhiều hạn chế
nên luận văn này khó tránh khỏi các thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý
kiến của thầy cô và các bạn.
Sau cùng, tôi xin kính chúc quý thầy cô trong khoa Công nghệ Thông tin
cũng như Ban Giám đốc Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội dồi dào
sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt
kiến thức cho thế hệ mai sau.
Trân trọng.
Hà Nội, ngày 11 tháng 08 năm 2014
Học viên
Nguyễn Đức Việt
4
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác của cá nhân tôi, được thực hiện
dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lê Nguyên Khôi.
Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Học viên
Nguyễn Đức Viêt
MỤC LỤC
Lời cảm ơn ........................................................................................................................... 3
Lời cam đoan ........................................................................................................................ 4
MỤC LỤC ............................................................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................9
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 10
1.
Lý do chọn đề tài: ............................................................................................................... 10
2.
Mục đích nghiên cứu........................................................................................................... 10
3.
Nhiệm vụ nghiên cứu .......................................................................................................... 11
4.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................................... 11
5.
Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................... 11
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH HIỆN NAY VÀ CÁC CÁCH
TIẾP CẬN .......................................................................................................................... 12
1.1 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường phổ thông (School timetabling) ............................. 13
1.2 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học (University timetabling) ........................... 13
1.3 Bài toán lập lịch thi (Examination timetabling) ................................................................... 14
1.4 Bài toán lập lịch theo tín chỉ ................................................................................................ 15
1.5 Ưu điểm của phương thức đào tạo theo tín chỉ .................................................................... 17
1.6 Các cách tiếp cận hiện nay ................................................................................................... 18
Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM KIẾM ..................................21
2.1 Xung đột tối thiểu (Min-conflict) ........................................................................................ 21
2.2 Thuật giải mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing) ..................................................... 21
2.3 Thuật giải leo đồi (Hill-climbing) ........................................................................................ 22
2.4 Tìm kiếm Tabu (Tabu search).............................................................................................. 22
2.5 Thuật giải di truyền (Genetic Algorithm) ............................................................................ 23
6
2.6 Kết luận ................................................................................................................................ 23
Chương 3: CƠ SỞ TÌM KIẾM TABU ............................................................................... 24
3.1 Lược Sử Về Tabu Search ..................................................................................................... 24
3.1.1 Giới Thiệu ..................................................................................................................... 24
3.1.2 Tabu Search – Một Dạng Meta-heuristic ...................................................................... 25
3.1.3 Các Giai Đoạn Phát Triển Của Tabu Search ................................................................. 25
3.2 Nguyên Lý Chung Của Tabu Search ................................................................................... 26
3.3 Cách Sử Dụng Bộ Nhớ ........................................................................................................ 27
3.3.1 Một Minh Họa ............................................................................................................... 28
3.4 Chiến Lược Tăng Cường (Intensification) và Chiến Lược Đa Dạng (Diversification) ...... 30
3.5 Lập Trình Với Bộ Nhớ Tương Thích (Adaptive Memory Programming)........................... 31
3.6 Các Nhân Tố Của Bộ Nhớ Tương Thích ............................................................................. 31
Chương 4: BÀI TOÁN LẬP LỊCH THEO TÍN CHỈ ......................................................... 33
4.1 Các khái niệm ...................................................................................................................... 33
4.2 Mô hình của bài toán............................................................................................................ 35
4.3 Các ràng buộc cứng.............................................................................................................. 36
4.4 Các ràng buộc mềm ............................................................................................................. 36
4.5 Ví dụ minh họa: ................................................................................................................... 37
4.6 Hướng tiếp cận cho bài toán ................................................................................................ 38
4.6.1 Bước 1: Khởi tạo lời giải ban đầu ngẫu nhiên .............................................................. 39
4.6.2 Bước 2: Cải thiện chất lượng lời giải bằng giải thuật tìm kiếm Tabu ........................... 40
4.7 Định dạng tập tin dữ liệu CSV đầu vào: .............................................................................. 44
4.8 Khảo sát và thống kê kết quả thực nghiệm thực tế .............................................................. 45
4.9 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả của phần mềm Open Course Timetable ............. 47
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................50
7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Ký hiệu / Chữ viết tắt
AI
AMP
CS
CSP
CSV
GA
LP
MC
MCRW
OR
SA
TS
Dạng đầy đủ / Ý nghĩa
Artificial Intelligent
Adaptive Memory Programming
Constraint Satisfaction
Constraint Satisfaction Problem
Comma-separated values
Genetic Algorithms
Linear Programming
Min-conflict
Min-conflict Random Walk
Operation Research
Simulated Annealing
Tabu Search
8
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 - Mô tả cách tính của hàm mục tiêu ........................................................... 38
Bảng 2 – Bảng mô tả ánh xạ tập dữ liệu và mô hình hệ thống ................................ 45
Bảng 3 – Ví dụ ánh xạ từ tập dữ liệu vào mô hình hệ thống ................................... 45
Bảng 4 – Thống kê kết quả thực nghiệm ................................................................. 46
Bảng 5 – So sánh giữa phần mềm vTimeTabler và Open Course TimeTabler ....... 47
9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1 – Biểu diễn khái niệm bài toán sắp thời khóa biểu ...................................... 13
Hình 2 – Bốn chiều Tabu Search ............................................................................. 28
Hình 3 – Bài toán cây tối ưu minh họa .................................................................... 29
Hình 4 – Tăng cường và Đa dạng ............................................................................ 30
Hình 5 – Mối quan hệ giữa Giảng viên, Lớp học và Môn học ................................ 33
Hình 6 – Khởi tạo lời giải ngẫu nhiên ban đầu ........................................................ 39
Hình 7 – Sơ đồ cài đặt giải thuật.............................................................................. 42
Hình 8 – Phép chuyển mới....................................................................................... 43
Hình 9 – Biểu đồ minh họa quá trình tìm kiếm lời giải ........................................... 46
10
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Bài toán lập lịch luôn là một bài toán cổ điển thuộc lớp bài toán NP-khó. Từ
lâu đã thu hút được sự quan tâm, nghiên cứu và phát triển của nhiều tổ chức giáo
dục, các nhà khoa học bởi tính ứng dụng cao và độ phức tạp của nó. Các bài toán
lập lịch thường rất phong phú, đa dạng bởi các ràng buộc và yêu cẩu của từng
doanh nghiệp, tổ chức, trường học.
Trong nhiều thập niên qua đã có rất nhiều các phương pháp giải được đưa
ra. Tuy nhiên, tính hiệu quả của lời giải cho lớp bài toán vẫn còn nhiều bàn cãi. Bài
toán lập lịch có thể được dịnh nghĩa là một bài toán tìm kiếm chuỗi tối ưu để thực
hiện một tập các hoạt động chịu tác ñộng của một tập các ràng buộc cần phải được
thỏa mãn. Người lập lịch thường cố gắng thử đến mức tối đa sự sử dụng các tài
nguyên nhân lực, vật lực, máy móc và tối thiểu thời gian đòi hỏi để hoàn thành toàn
bộ quá trình nhằm sắp xếp lịch tối ưu nhất. Vì thế bài toán lập lịch là một vấn đề rất
khó để giải quyết.
Những năm gần đây, đã có nhiều hướng phát triển phong phú của các giải
thuật nhằm đưa ra lời giải tốt nhất cho bài toán này. Với đề tài “Giải bài toán lập
lịch theo tín chỉ sử dụng giải thuật tìm kiếm Tabu”, khóa luận mạnh dạn nghiên cứu
một phương pháp mới cho việc giải các bài toán lập lịch cho mô hình các đơn vị,
các cơ sở đào tạo có hình thức tổ chức, hoạt động giống với các Trung tâm Đào tạo
Chứng chỉ Quốc tế theo Tín chỉ.
2. Mục đích nghiên cứu
Bài toán lập lịch đã từ lâu trở thành một bài toán nổi tiếng và thu hút được
sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu, nhiều chuyên gia trong các lĩnh vực liên
quan. Sự “nổi tiếng” của bài toán này không chỉ được đo bởi độ phức tạp của vấn
đề, mà còn ở tính thực tiễn, khả năng áp dụng rất cao trên thực tế. Do đó mục tiêu
của luận văn là: Nghiên cứu kỹ thuật của giải thuật tìm kiếm Tabu cho bài toán lập
lịch theo tín chỉ.
Luận văn sẽ xem xét áp dụng kỹ thuật này vào việc xây dựng chương trình
lập lịch cho mô hình một trung tâm đào tạo theo tín chỉ.
11
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu, tìm hiểu giải thuật tìm kiếm Tabu và trên cơ sở đó tiếp cận để
giải bài toán lập lịch, sắp xếp thời khóa biểu cho mô hình giảng dạy trong các trung
tâm đào tạo theo tín chỉ hiện nay.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu bài toán lập lịch và các hướng giải quyết truyền thống
Tìm hiểu về giải thuật tìm kiếm Tabu
Ứng dụng thuật giải tìm kiếm Tabu vào bài toán lập lịch
Xây dựng ứng dụng lập thời khóa biểu cho các trung tâm đào tạo theo tín
chỉ
5. Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên tài liệu thu thập từ nhiều nguồn (tài liệu, bài báo do giảng viên
hướng dẫn cung cấp, sách, báo, tạp chí, internet…) tổng hợp, phân tích và trình bày
lại theo sự hiểu biết của bản thân
Mở rộng các cách tiếp cận trước đây trên cơ sở phân tích đặc thù bài toán
cần giải quyết để đưa ra những ý kiến, đề xuất cải tiến hợp lý.
Ứng dụng những kết quả dựa trên nghiên cứu trên vào thực tế.
12
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN LẬP LỊCH HIỆN NAY VÀ CÁC
CÁCH TIẾP CẬN
Bài toán lập lịch luôn là một bài toán khó, mang tính khoa học đồng thời
tính thực tiễn cũng rất cao. Không chỉ Việt Nam mà trên toàn cầu từ lâu việc lập
lịch đã trở thành một vấn đề có tính thời sự, một bài toán gây được sự chú ý, quan
tâm của nhiều người.
Bài toán lập thời khóa biểu là một nhánh của bài toán lập lịch trong đó đưa
ra một chuỗi các sự kiện (thông thường là các môn học, bài giảng hoặc các môn
thi) và bao gồm các giáo viên và học viên trong một khoảng thời gian định trước và
thỏa mãn một tập hợp các ràng buộc của từng loại thời khóa biểu khác nhau.
Mỗi bài toán có các tính chất riêng, khi sắp lịch thi bài toán đặt ra là phải
đáp ứng được yêu cầu về thời gian (như không được trùng hay quá sát nhau) giữa
các lần thi liên tiếp của cùng một học sinh, sinh viên. Còn khi sắp lịch cho trường
phổ thông thì chúng ta cần quan tâm giờ rảnh mà giáo viên đăng ký và các tiết
trống giữa giờ học của học sinh đóng vai trò rất quan trọng cho việc đánh giá kết
quả của thời khóa biểu. Đối với đại học, bài toán cần giải quyết cũng là việc tránh
xung đột giữa các thành phần tham gia trong thời khóa biểu (giáo viên, lớp học,
phòng học và thiết bị). Vì thế, mục tiêu cuối cùng của người sắp thời khóa biểu là
tạo ra một thời khóa biểu với ít xung đột nhất.
Cũng đã có các khảo sát về bài toán sắp thời khóa biểu. Như việc đưa ra
tổng quan các vấn đề về sắp thời khóa biểu thuộc ba dạng ta đã đề cập ở trên của
Schaerf, 1995 [1]. Các khảo sát về sắp lịch thi Carter & Laporte, 1996 [2] và sắp
lịch cho trường đại học Carter & Laporte, 1998 [3] Bardadym, 1996 [4].
13
Người
(a)
(b)
Lớp học
Sự kiện
Thời gian
Giáo viên
Buổi học
Địa điểm
Môn học
Phòng học
Hình 1 – Biểu diễn khái niệm bài toán sắp thời khóa biểu
Khái niệm được thể hiện bằng hình hộp, các quan hệ là các đường nối các
hình hộp đó. Các khái niệm và các quan hệ giữa các khái niệm đó trong một bài
toán lập lịch được mô tả tổng quát ở hình (a) và được mô tả cụ thể hơn ở hình (b)
1.1 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường phổ thông (School timetabling)
Bài toán lập thời khóa biểu cho trường phổ thông hay bài toán phân chia
giáo viên, lớp học trong một tuần đối với tất cả các môn học của một trường học.
Với ba tập hợp cho trước là tập giáo viên, tập lớp học và tập tiết học và một ma trận
ràng buộc số bài giảng một giáo viên được phân công dạy một lớp.
Bài toán yêu cầu phân chia các bài giảng vào các tiết sao cho không giáo
viên hay lớp học nào có cùng một bài giảng trong cùng một thời gian và mỗi giáo
viên đều có một số lượng nhất định các bài giảng với mỗi lớp học.
1.2 Bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học (University timetabling)
Bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại học là bài toán lập lịch cho các
bài giảng (lectures) vào từng khóa học với một số lượng phòng học và tiết học cho
trước. Điểm khác biệt chính với bài toán lập thời khóa biểu trường phổ thông là đặc
trưng của các khóa học ở trường đại học, các sinh viên tham dự khóa học, trong khi
các lớp học ở trường phổ thông được tạo bởi tập hợp các học sinh và có thể coi như
là một thực thể đơn. Ở các trường đại học, hai khóa học khác nhau có thể có trùng
sinh viên tham dự và điều đó có thể tạo ra xung đột và sẽ không thể lập lịch được
14
trong cùng một tiết học. Thêm vào đó, các giáo viên ở trường phổ thông luôn dạy
nhiều hơn một lớp trong khi ở trường đại học một giảng viên thường chỉ dạy một
vài khóa học hay một vài môn học trong một kỳ. Cuối cùng, với bài toán trường đại
học kích cỡ các phòng học chiếm một vai trò quan trọng trong khi với bài toán
trường phổ thông vấn đề này là không quan trọng bởi vì trong hầu hết các trường
phổ thông mỗi lớp có một phòng học riêng.
1.3 Bài toán lập lịch thi (Examination timetabling)
Bài toán lập lịch thi tương tự như bài toán lập thời khóa biểu cho trường đại
học nhưng ta cần phân biệt sự khác nhau giữa hai bài toán này. Bài toán lập lịch thi
có những đặc điểm khác sau đây:
• Chỉ có một kỳ thi cho mỗi một môn thi.
• Các điều kiện xung đột nói chung là hạn chế. Thực tế, chúng ta có thể chấp
nhận một sinh viên có thể bỏ qua một bài giảng do sự chồng chéo các môn
học; nhưng không có sinh viên nào được phép bỏ qua một kỳ thi hết môn đã
học vì nếu sinh viên không qua được kỳ thi này coi như trượt môn đó.
• Và một số ràng buộc khác như hầu hết một sinh viên sẽ chỉ có một môn thi
trong một ngày và không có nhiều quá các môn thi liên tiếp nhau với một
sinh viên.
• Thời gian thi của các môn thi có thể khác nhau, ngược lại với bài toán lập
thời khóa biểu cho trường đại học thì thời gian học được tính bằng tiết (45 –
50 phút tùy quy định của trường).
• Có thể có nhiều hơn một môn được thi trong một phòng nhưng lại thì không
thể có nhiều bài giảng được diễn ra trong một phòng tại một thời điểm.
15
1.4 Bài toán lập lịch theo tín chỉ
Trước hết để xây dựng được mô hình bài toán lập lịch theo tín chỉ ta cần
phải tìm hiểu và trả lời được câu hỏi “Tín chỉ là gì?”
Có rất nhiều định nghĩa về tín chỉ, khoảng 60 định nghĩa khác nhau, có định
nghĩa coi trọng khía cạnh định tính, có định nghĩa coi trọng khía cạnh định lượng,
có định nghĩa nhấn mạnh vào chuẩn đầu ra của sinh viên, có định nghĩa lại nhấn
mạnh vào các mục tiêu của chương trình học. Một định nghĩa về tín chỉ được các
nhà quản lý và nhà nghiên cứu giáo dục ở Việt Nam biết đến nhiều nhất có lẽ là của
học giả người Mỹ gốc Trung Quốc James Quann thuộc ĐH Washington. Cách hiểu
của ông về tín chỉ được theo bảo dịch của Bộ Giáo dục và Đào tạo như sau:
“Tín chỉ học tập là một đại lượng đo toàn bộ thời gian bắt buộc của một
người học bình thường để học một môn cụ thể, bao gồm: 1. Thời gian lên lớp; 2.
Thời gian ở trong phòng thí nghiệm, thực tập hoặc các phần việc khác đã được quy
định ở thời khoá biểu; 3. Thời gian dành cho đọc sách, nghiên cứu giải quyết vấn
đề, viết hoặc chuẩn bị bài...; đối với môn học lý thuyết một tín chỉ là một gìờ lên
lớp (với 2 giờ chuẩn bị bài) trong tuần và kéo dài trong một học kỳ 15 tuần; đối với
các môn học ở sudio hay phòng thí nghiệm, ít nhất là 2 giờ trong một tuần (với 1
giờ chuẩn); đối với các môn tự học, ít nhất là 3 giờ trong một tuần. “
Theo cách hiểu của PGS.TS Hoàng Văn Vân khoa sau ĐH – ĐH Quốc gia
Hà Nội như sau:
“Tín chỉ là đại lượng dùng để đo khối lượng kiến thức, kỹ năng của một
môn học mà người học cần phải tích luỹ trong một khoảng thời gian nhất định
thông qua các hình thức: 1. Học tập trên lớp; 2. Học tập trong phòng thí nghiệm,
thực tập hoặc làm các phần việc khác (có sự hướng dẫn của giáo viên); 3. Tự học
ngoài lớp như đọc sách, nghiên cứu, giải quyết vấn đề hoặc chuẩn bị bài... Tín chỉ
còn được hiểu là khối lượng lao động của người học trong một khoảng thời gian
nhất định trong những điều kiện học tập tiêu chuẩn.”
Như vậy, có 7 điểm cần phải làm rõ từ định nghĩa về tín chỉ này.
Thứ nhất, hoạt động dạy - học theo tín chỉ được tổ chức theo ba hình thức:
lên lớp, thực hành, và tự học. Trong ba hình thức tổ chức dạy - học này, hai hình
thức đầu được tổ chức có sự tiếp xúc trực tiếp giữa giáo viên và sinh viên (giáo
16
viên giảng bài, hướng dẫn, sinh viên nghe giảng, thực tập dưới sự hướng dẫn của
giáo viên...), hình thức thứ ba không có sự tiếp xúc giữa giáo viên và sinh viên
(giáo viên giao nội dung để sinh viên tự học, tự nghiên cứu, tự thực hành). Ba hình
thức tổ chức dạy - học này tương ứng với ba kiểu giờ tín chỉ: giờ tín chỉ lên lớp, giờ
tín chỉ thực hành và giờ tín chỉ tự học. Theo đó, một giờ tín chỉ lên lớp bao gồm 1
tiết (50 phút) giáo viên giảng bài và 2 tiết sinh viên tự học, tự nghiên cứu ở nhà;
một giờ tín chỉ thực hành bao gồm 2 tiết giáo viên hướng dẫn, điều khiển và giúp
đỡ sinh viên thực hành, thực tập; và một giờ tín chỉ tự học bao gồm 3 tiết sinh viên
tự học, tự nghiên cứu, tự thực hành theo những nội dung giáo viên giao và những gì
sinh viên thấy cần phải nghiên cứu hoặc thực hành thêm (những hoạt động học tập
này có thể được thực hiện ở nhà hoặc ở trong phòng thí nghiệm, trong studio...).
Thứ hai, trong ba hình thức tổ chức dạy - học, cụ thể là trong ba kiểu giờ tín
chỉ, lượng kiến thức sinh viên thu được có thể khác nhau nhưng để thuận tiện cho
việc tính toán (giờ chuẩn cho giáo viên, kinh phí cho từng môn học, nhân lực để
phục vụ cho dạy - học...), ba kiểu giờ tín chỉ này được coi là có giá trị ngang nhau.
Thứ ba, có hai thuật ngữ dễ gây nhầm lẫn: đó là, một giờ tín chỉ (a credit
hour) và một tín chỉ (a credit). Trong các tài liệu nghiên cứu của các nhà nghiên
cứu Âu - Mỹ, hai thuật ngữ này thường được sử dụng thay cho nhau, chỉ chung một
giá trị. Trong cách hiểu của chúng tôi, tín chỉ và giờ tín chỉ là hai khái niệm có nội
dung khác. Theo đó, một tín chỉ gồm 15 giờ tín chỉ, thực hiện trong một học kỳ,
kéo dài 15 tuần, mỗi tuần 01 giờ tín chỉ.
Thứ tư, có thể có những môn học chỉ gồm một kiểu giờ tín chỉ, nhưng có
thể có những môn học gồm nhiều hơn một kiểu giờ tín chỉ. Trong mọi trường hợp,
công thức tính cho mỗi môn học là không đổi: 1+ 0 + 2 cho môn học thuần lý
thuyết, 0+ 2 + 1 cho môn học thuần thực hành, thực nghiệm, và 0+ 0 + 3 cho môn
học thuần tự học.
Thứ năm, người học trong phương thức đào tạo theo tín chỉ được cấp bằng
theo hình thức tích lũy đủ tín chỉ, và đánh giá theo thang điểm A, B, C, D, F trong
đó F là mức chưa đạt yêu cầu phải học và thi lại tín chỉ đó.
Thứ sáu, định nghĩa tín chỉ trên mới đo năng lực học tập của người học
thông qua thời lượng và số lượng tín chỉ được tích luỹ, nó chưa đo được mục tiêu
hay chất lượng đầu ra của quá trình học tập. Tuy nhiên người học được cấp bằng
17
không chỉ phụ thuộc vào số tín chỉ mà họ tích lũy đủ mà còn phụ thuộc vào điểm
trung bình chung quy định cho từng thời kỳ, từng kiểu văn bằng (cử nhân, thạc sĩ,
tiến sĩ). Những quy định này phần lớn là do từng trường ĐH quyết định.
Cuối cùng, thứ bảy, khác với phương thức đào tạo truyền thống, phương
thức đào tạo theo tín chỉ xem tự học như là một thành phần hợp pháp trong cơ cấu
giờ học của sinh viên: ngoài việc nghe giảng và thực hành trên lớp, sinh viên được
giao những nội dung để tự học, tự thực hành, tự nghiên cứu; những nội dung này
được đưa vào thời khoá biểu để phục vụ cho công tác quản lý và phải đưa vào nội
dung các bài kiểm tra thường xuyên và bài thi hết môn học.
1.5 Ưu điểm của phương thức đào tạo theo tín chỉ
Thứ nhất, việc tự học, tự nghiên cứu của sinh viên được coi trọng được tính
vào nội dung và thời lượng của chương trình. Đây là phương thức đưa giáo dục ĐH
về với đúng nghĩa của nó, người học tự học, tự nghiên cứu, giảm sự nhồi nhét kiến
thức của người dạy, và do đó phát huy được tính chủ động, sáng tạo của người học.
Thứ hai, chương trình được thiết kế theo phương thức đào tạo tín chỉ bao
gồm một hệ thống những môn học thuộc khối kiến thức chung, những môn học
thuộc khối kiến thức chuyên ngành, những môn học thuộc khối kiến thức cận
chuyên ngành. Mỗi khối lượng kiến thức đều có số lượng môn học lớn hơn số
lượng các môn học hay số lượng tín chỉ được yêu cầu. Sinh viên có thể tham khảo
giáo viên hoặc cố vấn để chọn những môn học phù hợp với mình, để hoàn thành
một văn bằng và để phục vụ cho nghề nghiệp tương lai của mình.
Thứ ba, sinh viên được cấp bằng khi đã tích luỹ đầy đủ số lượng tín chỉ do
trường ĐH quy định; do vậy họ có thể hoàn thành những điện kiện để được cấp
bằng tuỳ theo khả năng và nguồn lực của mình.
Thứ tư, phản ánh được những mối quan tâm và những yêu cầu của người
học như là những người sử dụng kiến thức và nhu cầu của các nhà sử dụng lao
động trong các tổ chức quản lý kinh doanh và tổ chức quản lý hành chính nhà
nước.
18
Thứ năm, phương thức đào tạo này sẽ tạo được sự liên thông giữa các cơ sở
đào tạo ĐH trong nước và nước ngoài.
Bên cạnh những ưu điểm cho giáo viên và sinh viên còn có các lợi ích cho
các nhà quản lý giáo dục. Vì nó vừa là thước đo khả năng học tập của người học,
vừa là thước đo hiệu quả của giáo viên; là cơ sở để các trường ĐH tính toán ngân
sách chi tiêu, nguồn nhân lực; và là cơ sở để báo các số liệu của trường cho các cơ
quan cấp trên và các đơn vị liên quan. Một khi thước đo giờ tín chỉ được phát triển
và kiện toàn, việc sử dụng nó như là một phương tiện giám sát bên ngoài, để báo
cáo và quản lý hành chính hữu hiệu hơn.
Chính vì thế mà đào tạo theo tín chỉ có sức hấp dẫn với các nước trên thế
giới trong đó có Việt Nam. Ngày nay, trong xu thế hội nhập vừa tạo ra thời cơ đồng
thời vừa là thách thức đối với nước ta trên lĩnh vực Giáo dục - Đào tạo. Việt Nam
đang trên đà phát triển vì vậy cần có tư duy mới để bứt phá đưa đất nước phát triển
điều đó phụ thuộc rất nhiều vào giáo dục nước nhà, tạo ra con người chủ động, tích
cực, sáng tạo. Muốn vậy, cần có hệ thống giáo dục hợp lý, để nâng cao chất lượng
Giáo dục - Đào tạo cho hệ thống trung học chuyên nghiệp (THCN), CĐ, ĐH cần
chuyển đổi từ phương thức đào tạo theo niên chế sang đào tạo theo hệ thống tín chỉ.
Phương thức đào tạo này có ý nghĩa to lớn trong việc hội nhập và tiến dần đến
phương thức đào tạo tiên tiến, tạo nhiều cơ hội cho người học - chủ nhân tương lai
của đất nước.
1.6 Các cách tiếp cận hiện nay
Bài toán thời khóa biểu nói riêng và các bài toán tối ưu tổ hợp nói chung rất
khó giải. Sự khó khăn của chúng được thể hiện ở độ phức tạp tính toán và với
những bài toán thuộc lớp NP-khó như vậy thời gian để giải thường tăng theo hàm
mũ của kích thước bài toán.
Như chúng ta đã biết, trong thuật toán “vét cạn” (brute force) (tìm kiếm
theo bề rộng hoặc theo độ sâu), thì về mặt nguyên tắc các phương pháp tìm được
nghiệm của bài toán nếu bài toán đó có nghiệm. Song trên thực tế những bài toán
NP-khó không thể áp dụng được phương pháp này vì ta phải phát triển một không
19
gian tìm kiếm rất lớn trước khi tìm được lời giải, nhưng do những hạn chế về thời
gian tính toán và dung lượng bộ nhớ không cho phép chúng ta làm được điều đó.
Bài toán sắp lịch cho trường đại học có mục tiêu chính là việc sắp các phân
công giảng dạy hàng tuần. Bài toán này bao gồm việc sắp các phân công giảng dạy
vào các tiết theo một cách nào đó mà giảng viên (hay lớp học) có liên quan không
được phép tham gia một lúc hai phân công, và các ràng buộc khác cần phải được
thỏa mãn. Bài toán này thuộc loại NP-khó và thường được giải quyết bằng các
phương pháp Heuristic.
Thông thường, người giáo vụ cần phải mất vài ngày để sắp được một thời
khóa biểu bằng tay. Mà lời giải còn có thể chứa những kết quả không tốt lắm, ví dụ
như việc giáo viên bị trống tiết giữa trong một buổi giảng. Ngoài ra trong quá trình
sắp người giáo vụ phải tương tác rất nhiều với giảng viên để thỏa thuận giờ giảng
khi xảy ra việc tranh chấp tài nguyên.
Bởi lý do ở trên, nhu cầu đặt ra là cần một chương trình sắp thời khóa biểu
tự động. Trong hơn bốn mươi năm qua, bắt đầu từ thập niên 60, với Gotlieb (1963)
[5] và những người khác, nhiều bài báo có liên quan đến việc sắp thời khóa biểu tự
động đã xuất hiện ở các hội nghị và tạp chí khoa học, và các ứng dụng đã bắt đầu
được phát triển cho ra các kết quả khá tốt.
Các kỹ thuật sơ khai của Schmidt-Strohlein, 1979 [6]; Junginger, 1986 [7]
được dựa trên việc giả lập quá trình sắp lịch của con người trong việc giải bài toán.
Các kỹ thuật này được gọi là heuristics trực tiếp (direct heuristic) được dựa trên
việc mở rộng liên tục (successive augmentation). Nghĩa là, họ sẽ sắp một phần thời
khóa biểu, lần lượt từng phân công, cho đến khi tất cả các phân công đã được sắp
hoặc không sắp được thêm phân công nào nữa do vi phạm các ràng buộc.
Sau này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu áp dụng các kỹ thuật tổng quát hơn
trên bài toán này. Do đó ta thấy các thuật toán dựa trên lập trình tuyến tính (integer
programming) của Tripathy trong các năm 1984, 1992 [8, 9], luồng mạng (network
flow) của Ostermann-de Werra, 1983 [10], và còn những loại khác nữa. Ngoài ra
bài toán này cũng được giải quyết bằng cách đưa nó về bài toán nổi tiếng: tô màu
đồ thị (graph coloring) của Neufeld-Tartar, 1974 [11].
Gần đây nhất, những tiếp cận dựa trên những hướng nghiên cứu mới bao
gồm tôi luyện thép (simulated annealing) (Abramson, 1991 [12]), Tabu search
20
(Costa, 1994 [13]), thuật giải di truyền (genetic algorithms) (Colorni, Dorigo, và
Maniezzo, 1992 [14]), thỏa mãn ràng buộc (constraint satisfaction) (Yoshikawa,
Kaneko, Nomura và Watanabe, 1994 [15]) và một kết hợp của các phương pháp
khác (Cooper và Kingston, 1993 [16]) nhằm tìm ra lời giải “tốt nhất có thể” cho lớp
các bài toán NP-khó nói chung và có thể áp dụng riêng cho nhánh bài toán lập lịch
được đề cập trong luận văn này. Trong chương 2 chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu
chi tiết hơn một vài thuật toán phổ biến hiện nay.
- Xem thêm -