基于Python的教室座位自動(dòng)安排探究

龍治國(guó) 龔勛 孟華 羅榮

摘要：在高校教學(xué)中，上課和考試均涉及安排教室的座位。對(duì)于上課，通常的做法是讓學(xué)生自由選擇座位，但由此也帶來多個(gè)問題，如考查出勤情況時(shí)難以快速精準(zhǔn)定位缺勤學(xué)生、學(xué)生集中坐在后排、熟悉的同學(xué)坐在一起交頭接耳等。對(duì)于考試，通常的做法是按順序依次安排座位，但也存在需要花費(fèi)較多時(shí)間根據(jù)教室確定具體的安排，以及部分學(xué)生利用這種安排方式進(jìn)行舞弊等問題。本文主要介紹和分析了一種較為簡(jiǎn)便實(shí)用的教室座位自動(dòng)安排技術(shù)，為解決以上的問題給出了可行的解決方案，并以“離散數(shù)學(xué)”的課程教學(xué)實(shí)踐為例，驗(yàn)證其可行性（展示結(jié)果）和實(shí)際效果（時(shí)間對(duì)比、課堂表現(xiàn)對(duì)比）。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)；座位安排；Python編程

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2024）02-0107-06

引言

座位安排是一個(gè)古老的問題，但在現(xiàn)代大學(xué)的教學(xué)中對(duì)座位安排的關(guān)注卻十分不足。實(shí)際上，座位安排對(duì)教學(xué)效果和效率、考試公平性等有較大的影響。例如，預(yù)先確定的座位安排可以幫助教師快速定位缺勤學(xué)生，以極高的效率掌握學(xué)生出勤情況，也可以避免學(xué)生集中在后排落座或熟悉的學(xué)生坐在一起交頭接耳的情況，還可以快速掌握記住學(xué)生的姓名；又如考試時(shí)高效快速根據(jù)教室情況做好座位安排，一方面可以減少監(jiān)考人員在座位安排上的時(shí)間和精力投入，另一方面也可以避免學(xué)生根據(jù)推測(cè)的座位順序準(zhǔn)備舞弊。

對(duì)于座位安排方式和自動(dòng)化的問題，有不少學(xué)者究進(jìn)行了相關(guān)研究。有研究[1]針對(duì)高校全?？荚嚨拇笠?guī)模座位安排進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于Web技術(shù)設(shè)計(jì)了一套支持導(dǎo)入學(xué)生名單和教室布局基本信息、進(jìn)行考試隨機(jī)排位、自動(dòng)生成打印座位表等功能的自動(dòng)考試排位系統(tǒng)；有研究[2]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PHP的系統(tǒng)，來為考生、監(jiān)考人員分配考場(chǎng)，并自動(dòng)生成考場(chǎng)布置；有研究[3]利用蟻群算法對(duì)考場(chǎng)座位編排進(jìn)行了優(yōu)化；有研究[4]基于VBA實(shí)現(xiàn)了一個(gè)隨機(jī)編排考場(chǎng)座位的程序；而有研究[5]則基于VBA實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對(duì)多組少量考生的穿插混排算法，用以減少舞弊現(xiàn)象，保證考試公平。

也有研究[6]注意到了現(xiàn)有點(diǎn)名方式可以通過座位安排進(jìn)行優(yōu)化，提出了“考試座位法”來將學(xué)生對(duì)號(hào)入座，從而實(shí)現(xiàn)快速檢查出勤情況。但該研究沒有針對(duì)課堂教學(xué)的需求，進(jìn)一步將座位安排方式進(jìn)行優(yōu)化，如固定部分學(xué)生的座位等，在實(shí)際使用中存在不便。有研究[7]對(duì)基于座位安排的點(diǎn)名方法進(jìn)行了分析，指出了全員固定座位導(dǎo)致遠(yuǎn)離教師的學(xué)生開小差、被邊緣化的問題。

在注意到了做好座位安排的重要性之后，針對(duì)以上問題，筆者提出一種基于Python的教室座位自動(dòng)安排方法，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能，并開發(fā)了簡(jiǎn)單易用的程序，還在“離散數(shù)學(xué)”課程的課堂上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了其可行性和效果。

基于Python的教室座位自動(dòng)安排

筆者設(shè)計(jì)的座位自動(dòng)安排方法主要有以下功能：設(shè)置教室可選座位、設(shè)置學(xué)生名單、設(shè)置固定座位、設(shè)置按座位列優(yōu)先或排優(yōu)先安排座位、設(shè)置隨機(jī)或按名單順序（正序或逆序）安排座位、設(shè)置輸出順序（講臺(tái)在上或下）。這些功能可以讓教師能十分方便快捷地自動(dòng)化安排座位，并較為有效地解決上課、考試中因座位安排導(dǎo)致的教學(xué)質(zhì)量、誠信問題。

下面，對(duì)這些功能做詳細(xì)說明。

1.設(shè)置教室可選座位

教室一般存在不同的情況，如行數(shù)、列數(shù)、座位有損壞情況等。在安排座位前，首先需要確定教室可選座位的情況。筆者設(shè)計(jì)的程序支持便捷地設(shè)置教室可選座位，包括通過指定列數(shù)和排數(shù)、利用csv格式進(jìn)行設(shè)置等方式。

（1）指定列數(shù)和行數(shù)

對(duì)于這一方式，用戶只需給程序指定教室的列數(shù)和行數(shù)，程序?qū)⒆詣?dòng)生成對(duì)應(yīng)列數(shù)和行數(shù)的方塊形可選座位分布，用于進(jìn)一步的自動(dòng)安排。這種方式雖然十分簡(jiǎn)單，但實(shí)際中教室的可選座位往往并不呈方塊形分布，如列與列之間存在行數(shù)差異、部分座位由于損壞或教室結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不可用等。

（2）csv格式輸入

csv的全稱是comma separated values，這是一種通用的純文本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，數(shù)據(jù)之間用逗號(hào)“，”（也可以是其他符號(hào)）分割，如“1，0，1，”，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是“1”“0”“1”和“空”（最后一個(gè)逗號(hào)后面沒有值，因此是“空”）。本文設(shè)計(jì)的程序支持用戶通過這一格式來便捷指定可選座位。具體地，在csv的一行中，若某一位置的值是1，則代表對(duì)應(yīng)行的相應(yīng)位置的座位是可選的，若是0或空，則代表不可選。為了避免歧義，程序要求每行的數(shù)據(jù)數(shù)量必須相同。用戶可以通過常用的電子表格軟件，如Excel、WPS，通過表格的方式方便地編輯存儲(chǔ)csv文件，從而給出教室可選座位數(shù)據(jù)。需要注意的是，如圖1所示，程序假設(shè)csv中的座位順序是以教師視角指定的，要求csv中第一行對(duì)應(yīng)教室座位的最后一排，csv中最后一行對(duì)應(yīng)教室座位的第一排，csv中第一列對(duì)應(yīng)教師面向?qū)W生時(shí)的從左數(shù)第一列。

2.設(shè)置學(xué)生名單

學(xué)生的名單也是一個(gè)csv文件，但只有一列。學(xué)生名單的內(nèi)容可以是學(xué)號(hào)或姓名，也可以是其他任何可以唯一確定學(xué)生身份的文本。該csv文件中行的順序即為學(xué)生名單的順序，即第一行為第一個(gè)學(xué)生，最后一行為最后一個(gè)學(xué)生。用戶可以通過為“student_list”參數(shù)指定學(xué)生名單csv文件名將學(xué)生名單傳給程序。

3.設(shè)置固定座位

學(xué)生或教師有時(shí)需要指定座位，如某位近視的學(xué)生希望坐得離講臺(tái)近一點(diǎn)、考試時(shí)教師希望將某位學(xué)生安排到前排等。用戶可以通過為“specified_positions”參數(shù)傳入一個(gè)3列的csv文件來設(shè)置固定座位，其中第一列為學(xué)生名單中對(duì)應(yīng)學(xué)生的身份文本（如學(xué)號(hào)），第二列和第三列分別對(duì)應(yīng)教室座位的行和列的序號(hào)。例如，“2022112378，3，2”表示學(xué)號(hào)為“2022112378”的學(xué)生需要安排在第三行第二列的座位。需要注意的是，若用戶在設(shè)置教室可選座位時(shí)，指定了行的順序，則行的序號(hào)對(duì)應(yīng)的是用戶指定的順序。另外，若設(shè)置的固定座位對(duì)應(yīng)的座位不可選或多個(gè)人指定了同一座位，則程序?qū)?bào)錯(cuò)。

4.設(shè)置座位列優(yōu)先或排優(yōu)先

在實(shí)際安排座位時(shí)，有時(shí)需要按一列一列（列優(yōu)先）來安排，或按一行一行（行優(yōu)先）來安排，同時(shí)，列可以從左至右或從右至左，行也可以從前至后或從后至前。筆者設(shè)計(jì)的程序允許用戶通過指定“arrange_order”來設(shè)置該順序，上頁表給出了arrange_order的值對(duì)應(yīng)的安排方式。

5.設(shè)置隨機(jī)或按順序安排

根據(jù)用戶的實(shí)際需求，筆者設(shè)計(jì)的程序允許用戶指定座位安排的順序，程序默認(rèn)以隨機(jī)方式打亂學(xué)生順序來安排座位，用戶可以通過指定“student_order=1”或“student_order=-1”來設(shè)置程序以學(xué)生名單順序的正序或逆序進(jìn)行安排。

6.設(shè)置輸出順序

在不同的使用場(chǎng)景下，用戶可能需要以從講臺(tái)往下看的視角輸出座位安排結(jié)果，也可能需要以從教室最后面往講臺(tái)看的視角輸出結(jié)果。因此，筆者為用戶提供了一個(gè)選項(xiàng)“output_order”來實(shí)現(xiàn)該功能，如上頁圖2所示.若設(shè)置為“output_order=1”，則程序?qū)唇處熞暯禽敵觯唇淌业淖詈笠慌旁诘谝恍?，第一排在最后一行；若設(shè)置為“output_order=-1”，則程序?qū)磳W(xué)生視角輸出，即教室的第一排在第一行，最后一排在最后一行，同時(shí)列的順序也變?yōu)槟嫘颉?/p>

案例分析：“離散數(shù)學(xué)”課程課堂座位安排

筆者將提出的座位自動(dòng)安排方法，在“離散數(shù)學(xué)”課程中進(jìn)行了實(shí)踐。接下來，通過舉例、對(duì)比使用該方法前后的情況進(jìn)行分析，說明該方法的可行性和實(shí)際效果。

筆者基于包含116名學(xué)生的名單、有9排14列的教室進(jìn)行測(cè)試，教室的可選座位情況如上頁圖3所示，其中也展示了固定座位情況，如036號(hào)學(xué)生固定坐在第一排第七列。

上頁圖4展示了“arrange_order=0，student_order=0，output_order=1”的結(jié)果圖，可以看到，所有學(xué)生都被唯一地安排了座位，并且座位是隨機(jī)安排的，固定座位也全部正確分配給了相應(yīng)的學(xué)生。

圖5展示了“arrange_order=3，student_order=1，output_order=1”的結(jié)果圖，在這一配置下，學(xué)生按名單順序從右至左列優(yōu)先，從后至前進(jìn)行安排，最終結(jié)果以教師視角（假設(shè)講臺(tái)在最下面，第一排在最后一行）輸出?？梢钥吹?，空座位被留在了左邊靠前的位置。

圖6展示了“arrange_order=7，student_order=-1，output_order=1”的結(jié)果圖，在這一配置下，學(xué)生按名單順序的逆序從后至前行優(yōu)先，從右至左進(jìn)行安排，最終結(jié)果以教師視角輸出?？梢钥吹剑兆槐涣粼诹说谝慌牛ㄗ詈笠恍校┛孔蟮奈恢?。

上頁圖7展示了“arrange_order=7，student_order=-1，output_order=-1”的結(jié)果圖，在這一配置下，學(xué)生按名單順序的逆序從后至前行優(yōu)先，從右至左進(jìn)行安排，最終結(jié)果以學(xué)生視角（假設(shè)講臺(tái)在最上面，第一排在第一行）輸出?？梢钥吹?，空座位被留在了最后一排（最后一行）靠左的位置。

圖8展示了“arrange_order=7，student_order=-1，output_order=-1”的結(jié)果圖，在這一配置下，學(xué)生按名單順序的逆序從后至前行優(yōu)先，從右至左進(jìn)行安排，最終結(jié)果以學(xué)生視角（假設(shè)講臺(tái)在最上面，第一排在第一行）輸出?？梢钥吹剑兆槐涣粼诹俗詈笠慌牛ㄗ詈笠恍校┛孔蟮奈恢?。

筆者對(duì)程序所需時(shí)間進(jìn)行了分析。首先，在“arrange_order=7，student_order=0，output_order=1”的配置下，重復(fù)運(yùn)行了100次座位安排程序（包括將最終結(jié)果寫入文件），最終得到其平均所用時(shí)間為0.001s。而如果使用人工安排，即使對(duì)每個(gè)學(xué)生花費(fèi)1s的時(shí)間進(jìn)行安排，116名學(xué)生也要花費(fèi)116s。當(dāng)然，該程序還需要準(zhǔn)備可選座位csv、學(xué)生名單csv、固定座位csv，但這些文件結(jié)合Excel或WPS非常容易準(zhǔn)備，而一旦準(zhǔn)備好，安排座位就十分省力，并可以重復(fù)利用?；谠摮绦蜉敵龅淖话才沤Y(jié)果，教師還可進(jìn)行快速考勤——只需讓學(xué)生對(duì)應(yīng)坐好，教師拿起座位安排結(jié)果即可快速定位缺勤學(xué)生，100多人的課堂所花時(shí)間只需不到1分鐘，而如果全員點(diǎn)名，即使每個(gè)學(xué)生只要2秒鐘，總共也需要花費(fèi)200～300秒（5分鐘）。

其次，對(duì)程序做了壓力測(cè)試，將名單中學(xué)生數(shù)量從1000增加到10000，并對(duì)每一學(xué)生數(shù)量進(jìn)行100次重復(fù)運(yùn)行座位安排程序，取運(yùn)行時(shí)間的平均值作為對(duì)應(yīng)學(xué)生數(shù)量的運(yùn)行時(shí)間，結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹?，該程序的運(yùn)行時(shí)間隨學(xué)生數(shù)量增加也以線性增長(zhǎng)，在10000名學(xué)生時(shí)的用時(shí)也僅在0.02s左右。

最后，筆者對(duì)實(shí)施該座位安排方法前后的教學(xué)效果進(jìn)行對(duì)比分析。

①學(xué)校對(duì)學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，共有115名學(xué)生填寫問卷，整體評(píng)價(jià)平均分為4.8分（5分制）。與使用座位安排方法相關(guān)的問題為“該課程的教學(xué)組織得很好，授課教師教導(dǎo)有方”，學(xué)生的評(píng)價(jià)平均分為4.83分，超過了整體評(píng)價(jià)平均分，其中有87%的學(xué)生給了5分，8.7%的學(xué)生給了4分，4.3%的學(xué)生給了3分。

②對(duì)比了實(shí)施前后的學(xué)生平時(shí)成績(jī)（包括課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、期中考試）和課堂表現(xiàn)成績(jī)，其中實(shí)施前的成績(jī)選取的是2018-2019（2）學(xué)期的數(shù)據(jù)，實(shí)施后的是2020-2021（2）學(xué)期的數(shù)據(jù)——2019-2020（2）學(xué)期由于新冠疫情為在線授課。從圖10中可以看到，實(shí)施后成績(jī)較差的學(xué)生數(shù)量明顯變少，平均分也顯著高于實(shí)施前（基于p值為0.01的T檢驗(yàn)）。這在一定程度上說明了實(shí)施本文所提座位安排方法的有效性。

結(jié)語

本文提出了一種基于Python來自動(dòng)安排教室座位的方法，并在“離散數(shù)學(xué)”課程的課堂上進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。該方法對(duì)教學(xué)效果有顯著的提升作用，在實(shí)施該方法后，平時(shí)成績(jī)較差或課堂表現(xiàn)成績(jī)較差的學(xué)生數(shù)量大大減少，整體成績(jī)有顯著提升。隨機(jī)排位算法還可以兼容更多的需求，考慮更多的因素（包括性別、性格、身體狀況等），后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化算法，助力教師做好課堂和考場(chǎng)管理。

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基金項(xiàng)目：西南交通大學(xué)2022年校級(jí)本科教育教學(xué)研究與改革項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：20220306，20220320，20220322。