AUTOMATIZACIÓN DE SOFTWARE
DE CARGA ACADEMICA
Héctor Antonio Molina Ulloa 2005
El presente Informe ha sido aprobado con la siguiente calificación:
Hector Molina Ulloa Informe :
Defensa :
Sr. Carlos Arias Director Departamento De Ingeniería En Computación
Jueves, 14 de abril de 2005
AUTOMATIZACIÓN DE SOFTWARE
DE CARGA ACADEMICA
“Proyecto de Aplicación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título Técnico Nivel Superior en Computación e Informática”.
"Profesor Guía: Sr. Carlos Arias"
Héctor Antonio Molina Ulloa 2005
Capitulo I
INTRODUCCION
Capitulo II
CLASIFICACION
Capitulo III
ORGANIZACIÓN EDUCACIONAL
Capitulo IV
SITUACION ACTUAL
Capitulo V
HORARIO DE CLASES
Capitulo VI
ALGORITMO GENÉTICO
Capitulo VII
CASO DE ESTUDIO
Capitulo IX
CONCLUSION
RESUMEN
Este trabajo presenta un modelo computacional capaz de encontrar en forma total o parcial la asignación óptima de asignaturas, docentes utilizando un algoritmo genético.
En el desarrollo de este trabajo podrá encontrar un ejemplo práctico con datos reales del 5to año “A” del Liceo San José.
En el capitulo 3 y 4 se explica detalladamente la organización interna de un colegio y los objetos y partes que forman un horario de clases; en el capitulo 7 se desarrolla paso a paso la partes de un AG describiendo cuidadosamente los procedimientos seguidos para la obtención de un horario.
En un apartado especial se informara sobre los aportes a este estudio para implementar con un modelo matemático la función de aptitud.
INDICE
RESUMEN ... 1
INDICE... 2
INTRODUCCION... 4
1.1 ANTECEDENTES ... 5
1.2 DEFINICION DEL PROBLEMA... 6
1.3 OBJETIVO DEL PROYECTO ... 6
1.3.1 OBJETIVO GENERAL ... 6
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 6
1.4 JUSTIFICACIÓN... 7
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES... 8
1.5.1 ALCANCES ... 8
1.5.2 LIMITACIONES... 8
1.6 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO ... 9
CLASIFICACIÓN... 10
ORGANIZACIÓN EDUCACIONAL... 11
3.1 DIRECTOR ... 11
3.2 UTP... 12
3.3 INSPECTORIA GENERAL ... 12
SITUACION ACTUAL ...13
HORARIO DE CLASES... 14
5.2 COMPONENTES DE UN HORARIO DE CLASES ... 15
5.2.1 Asignaturas ... 15
5.2.2 Docentes ... 17
5.2.3 Cursos ... 18
5.2.4 Salas... 19
ALGORITMO GENÉTICO ... 20
6.1 INTRODUCCIÓN... 20
6.2 ALGORITMO GENÉTICO SIMPLE ... 22
CASO DE ESTUDIO ... 23
7.1 DATOS DE EJEMPLO ... 24
7.1.1 Asignaturas ... 24
7.1.2 Asignatura Docentes... 24
7.2 DEFINICIONES... 25
7.4 POBLACIÓN INICIAL ... 30
7.3 DEFINICIÓN DE LA FUNCIÓN APTITUD... 32
7.5 OPERADORES GENÉTICOS... 34
7.5.1 Cruza... 34
7.5.2 Mutación... 36
7.5.3 Elitismo... 37
CONSIDERACIONES DE DESARROLLO ...40
CONCLUSION ...42
BIBLIOGRAFIA ... 43
Capitulo 1
INTRODUCCION
Cualquier institución o empresa que se dedique a la educación debe procurar sustentar debidamente un proyecto educativo, en donde están insertos los estamentos y distintas dimensiones que esto conlleva, esto también incluye la optimización de los recursos tanto financieros como humanos, una de las materias primas son los docentes que se consideran como un recurso critico dentro de los colegios.
En este capítulo se expone de forma general el problema de asignación de carga académica en los colegios de enseñanza básica. Este problema es parte fundamental de una buena gestión educativa, además se presentan los antecedentes, la definición del problema que se desea resolver, seguida de la justificación que sustenta el trabajo de titulación.
1.1 ANTECEDENTES
En todas las instituciones educativas existe la necesidad de asignar y coordinar los recursos económicos, materiales y humanos en directo beneficio de los estudiantes. En cada inicio de periodo escolar se debe organizar y distribuir los horarios de los docentes y alumnos, esta es una de las tareas más engorrosas de la educación debido a la cantidad de restricciones que se presentan y el criterio con el que se aplican.
Para la creación de un horario de clases se debe contar con la participación de los siguientes objetos: docentes, asignaturas, cursos, salas de clases; luego disponerlos de tal forma que se logre optimizar los recursos como la disponibilidad de los docentes, cantidad de salas disponibles, asignaturas autorizadas a impartir por los docentes, cantidad de horas contratadas y disponibles, etc.
Actualmente estos horarios de clases son realizados a modo de ensayo y error, ya que dependemos de la buena memoria y anotaciones que realiza en este caso un grupo de educandos y la persona encargada del área académica, este proceso tarda aproximadamente 4 a 5 días y sujeto a modificaciones.
1.2 DEFINICION DEL PROBLEMA
El problema a solucionar con el desarrollo de esta tesis se plantea de la siguiente manera:
“Plantear una solución total o parcial de un horario de clases, utilizando algoritmos genéticos, a partir de las restricciones implícitas para el caso”
Se plantea el problema de horario de clases como un problema de asignación y se desarrolla un algoritmo genético con características elitistas para realizar la caracterización.
1.3 OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo general y los objetivos específicos que se desean cubrir con el desarrollo de este proyecto son los siguientes:
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
El proyecto buscar una forma de automatizar el proceso de asignaciones de carga académica, mediante el uso de algoritmos genéticos y de ordenamientos; ofreciendo a la comunidad escolar una posible solución que reduce considerablemente los tiempos para el diseño de horarios de clases.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Definir las restricciones implícitas para el caso.
• Definir la función aptitud, tipo de operadores genéticos, evaluación y parámetros del algoritmo genético que ofrezcan los mejores resultados.
1.4 JUSTIFICACIÓN
Se realizó una encuesta a los jefes de las diferentes áreas de un colegio semiparticular de la ciudad, la encuesta estaba enmarcada en la idea de lograr automatizar algún proceso manual que requiriera el procesamiento de información.
Se obtuvo como resultado un común denominador, era la creación de los horarios de clases, debido a su constante dificultad para la confección y complejidad presente en cada colegio. Esta encuesta fue reforzada con un cuestionario de preguntas a las distintas dimensiones involucradas en ella (docencia, inspectoría, coordinación académica), los cuales nos dieron las pautas para la creación del software.
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES
En este apartado se presentaran los alcances que cubrirá el desarrollo del proyecto, como así mismo sus limitaciones.
1.5.1 ALCANCES
La finalidad del proyecto es encontrar un sistema que aporte a la creación de los horarios de clases, así se evitara la forma manual que hasta ahora es usado para la creación de los horario de clases, debido a que son muchos los parámetros que el diseñador debe tener en cuenta al momento de la creación. Usando los procesos de los algoritmos genéticos con características elitistas se lograra realizar la tediosa tarea de la creación de horarios de clases.
1.5.2 LIMITACIONES
Debido a la complejidad de las limitaciones, este trabajo esta orientado a encontrar una solución parcial o total para un horario de clases, siendo este trabajo de titulación una pauta para futuras versiones que incluyan el resto de los niveles académicos.
1.6 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO
Este documento esta organizado de la siguiente manera:
En los capítulos 3, 4 y 5 se presenta el marco teórico en el que está sustentada la Investigación, abordando los temas de clasificación, organización educacional, diseño de horario de clases, Algoritmos genéticos y métodos evolutivos aplicados al diseño de horario de clases, respectivamente.
En el capítulo 7 se presentan las pruebas realizadas y los resultados obtenidos en las mismas, las conclusiones a las que se llegó y los trabajos futuros.
Posteriormente, se enlista la bibliografía revisada durante el desarrollo de este proyecto y por último se presenta el glosario del documento.
Capitulo 2
CLASIFICACIÓN
La formulación y desarrollo del presente proyecto es considerado de carácter externo, esto obedece al origen de los antecedentes, material de investigación y apoyo logístico.
La metodología para el desarrollo corresponde a un proyecto de investigación ya que el proyecto pretende demostrar la utilidad de los algoritmos genéticos en la asignación de carga académica.
DIRECTOR
UTP ORIENTACION
INSPECTORIA GENERALCapitulo 3
ORGANIZACIÓN EDUCACIONAL
En toda organización sea o no educacional existen estamentos responsables que velan por el cumplimiento de todas y cada una de las normas que permiten llevar acabo los objetivos propuestos. A nivel educacional, el cúmulo de estos objetivos lleva por nombre Proyecto Educativo Institucional (PEI), en el cual están implícitas todas y cada una de las dimensiones de un colegio.
A continuación desarrollaremos una pequeña reseña de cada una de esas dimensiones básicas que pertenecen a estas instituciones, aledaños a estos existen otros departamentos como orientación, pastoral, actividades de libre elección, desarrollo comunitario, centro de alumnos. Pero que no son necesarios nombrar para el desarrollo de la tesis.
3.1 DIRECTOR
Es la persona encargada de administrar y organizar cada uno de los departamentos, al igual que orientar o reorientar de ser necesario los objetivos específicos de cada uno de ellos, de tal forma que se priorice el cumplimiento de los objetivos que se plantearon como establecimiento.
3.2 UTP
UNIDAD TECNICA PEDAGOGICA, El departamento de UTP es el responsable de velar por el cumplimiento de los planes y programas educacionales, al igual que orientar la labor docente, administrar y suministrar los recursos técnicos requeridos por los docentes para buen cumplimiento de su labor. Dentro de las funciones del departamento de UTP están las elaboraciones de los planes y programas propios, los cuales una vez completados se presentan al ministerio de educación, razón por la cual cada colegio puede tener asignaturas similares en contenido pero distintas en su aplicación, y por ende con distinto nombre. Además de procurar las atenciones necesarias para aquellos alumnos que están en riesgo académico y de ser necesario trabajar en conjunto con el departamento de orientación, el cual resguarda la seguridad social del alumno.
3.3 INSPECTORIA GENERAL
La inspectoría general es la entidad que procura el cumplimiento de las normativas tanto doctrinales como disciplinarias, llevar a cabo la coordinación de reuniones de curso, citación y atención de apoderados, libros de clases (anotaciones, asistencia, firma docente, entre otros), organización de eventos tanto recreativos como los orientados a la comunidad escolar, además de coordinar y distribuir equitativamente la carga horaria de los docentes.
Capitulo 4
SITUACION ACTUAL
En el mes de febrero son convocados los docentes para dar inicio a las actividades escolares, para esta fecha la coordinación académica ya ha realizado algunos aprontes como la programación de actividades, la contratación, ampliación o reducción horas de clases para los docentes, asignación de salas, profesores jefes de los nuevos cursos, en fin, un sinnúmero de preparativos necesarios para comenzar las actividades académicas, en la primera semana del mes de marzo, cuando el panorama docente es mas claro, el departamento de inspectoría comienza la recopilación de datos como:
cursos, docentes, asignaturas impartidas por los docentes, las asignaturas impartidas para los cursos cotejado con los planes y programas.
Una vez recopilados los datos necesarios realizan una aproximación del horario de clases en donde “se negocia” con los docentes su disponibilidad horaria, este proceso lleva aproximadamente 3 a 4 días, durante este periodo la o las personas que conforman el equipo de trabajo, distribuyen a los docentes considerando sus horas contratadas asignando en orden descendente a los profesores con mayor carga horaria, ya que son los mas complejos, durante este proceso deben tener en cuenta los recursos críticos del establecimiento, como lo son el gimnasio y laboratorios.
Otra arista que debe permanecer presente durante la confección de los horarios de clases es la dificultad implícita de cada asignatura, una vez sorteado todos estos obstáculos, y al cabo de aproximadamente 1 semana se obtiene el horario de clases
“sujeto a cambios”.
Capitulo 5
HORARIO DE CLASES
En el 100% de los establecimientos educacionales se establece que las asignaturas deben ser impartidas en periodos de 45 minutos, como unidad mínima, esto debido a que el ser humano no logra mantener la concentración por un periodo mayor, por lo tanto la horas académicas tiene un fundamento psicológico y social, a esta asignación se le reconoce como hora académica, la unión de 2 horas académicas comprende un bloque de clases, entre estos bloques existe un recreo o break de 15 a 20 minutos aproximadamente.
Para el caso estudiado, las clases comienzas a las 08:15 horas y terminan 18:00 horas, dejando el horario distribuido de la siguiente forma:
Bloque Horas Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes
1
1
2
Recreo
3
2
4
Recreo
5
3
6
Almuerzo
7
4
8
Recreo
9
5
10
5.2 COMPONENTES DE UN HORARIO DE CLASES
En este apartado explicaremos en detalle los objetos, sus divisiones y caracterización, también se dejaran explicitas las restricciones propias de cada caso, de tal forma de remarcar las restricciones para el desarrollo del Algoritmo Genético.
5.2.1 Asignaturas
La recopilación de información para el desarrollo de esta tesis, fue hecha a fines del año 2003, en ese momento eran 4767 asignaturas autorizadas por el ministerio de educación, esto obedece a la creación individual de planes y programas propios de cada proyecto educativo, por lo tanto se hace necesario refinar la cantidad de asignaturas impartidas en cada colegio, en primera instancia será dividido en asignaturas Mineduc, impartidas y autorizadas.
• Mineduc: aquellas autorizadas por el Ministerio de Educación.
• Impartidas: Es una selección de las asignaturas Mineduc, y son aquellas que forman parte del proyecto educativo.
• Autorizadas: Al docente se le autoriza a impartir estas asignaturas de acuerdo a su currículum y estas pueden ser tomadas de las impartidas o mineduc.
Se considera necesario expresar que a pesar de estas divisiones en las asignaturas que no obedece a otra cosa que no sea enfocar adecuadamente la materia de estudio.
Caracterización
La forma mas cómoda de clasificar un objeto es estructurando sus características únicas, como existen mas de 4 mil asignaturas posibles debemos lograr una adecuada descripción que nos permita buscar su mejor región de vida. A continuación veremos sus propiedades que debería estandarizar los requerimientos para formar un horario de clases: nivel de dificultad, disponibilidad horaria, nivel, cantidad de horas.
Nivel de dificultad: Al implantar el nivel de dificultad en las asignaturas nos permite establecer de mejor forma las horas de lucidez necesaria para estas asignaturas.
1. asignaturas que pueden ser impartidas en cualquier momento. (Ed. Fisica, artes manuales)
2. Son aquellas que se imparten solo en las mañanas y el primer bloque de la tarde. (física, química)
3. Asignaturas impartidas solo en las mañanas. (matemática, lenguaje y comunicación)
4. Casos especiales en las que la asignatura necesite previa preparación de material y sea indispensable ser impartida con un día de diferencia.
Disponibilidad Horaria: por disposición de coordinación académica una asignatura puede ser impartida solo en ciertos bloques de clases.
Nivel: Determina a que nivel educativo pertenece la asignatura (5º,6º,7º ó 8º)
Cantidad de horas: determina la cantidad de horas académicas que debe cumplir las asignaturas en la semana.
Restricciones de Asignatura
• Se imparten tantas asignaturas como salas disponibles.
• No se considera el tema del gimnasio para la tesis.
• Todas las asignaturas son mixtas.
• Las asignaturas impartirán hasta dos horas consecutivas. (1 bloque).
• Las asignaturas son impartidas por un docente en cada curso.
5.2.2 Docentes
Los docentes son resucesos críticos de un establecimiento, de este manera son muchas las variantes que debemos estandarizar para los docentes, ya que este el elemento presenta mayor movilidad dentro de nuestro esquema, la situación ideal de un colegio es que los docentes tenga la totalidad del horario como disponibilidad para impartir sus asignaturas, de esta forma solo seria necesario crear un solo horario y perpetuarlo en el tiempo.
Analizando a los docentes como un objeto, logramos discriminar debidamente sus propiedades entre las cuales es necesario considerar: horas contratadas, disponibilidad horaria, asignaturas autorizadas.
Horas contratadas: Son horas de clases que el docente debe realizar en la semana.
Disponibilidad horaria: La disponibilidad horaria son las horas que el docentes tiene disponibles para realizar sus horas de clases, esto es debido a que por lo general los docentes imparten clases en las de un colegio, la cantidad de horas disponible debe ser igual o mayor a la cantidad de horas contratadas, entre mayor sea la diferencia entre la cantidad de horas contratadas y las disponibles mas fácil es encontrar un horario solución.
Asignaturas Autorizadas: dentro del proyecto curricular existen departamentos los cuales están compuestos de docentes titulados en esa área, por ejemplo los docentes de lenguaje y comunicación esta autorizado por el Ministerios de Educación para impartir aquellas asignaturas que son competencia de su departamento.
Restricciones
• Solo imparte 1 asignatura por hora.
• Las horas de deben ser asignadas dentro de su disponibilidad y en lo posible sin ventanas.
• La cantidad de horas no debe ser superior a las horas contratadas.
• Los docentes solo imparten sus asignaturas autorizadas.
• Las horas disponibles son mayor o igual a sus horas contratadas.
• El docente puede tener un contrato de hasta 44 horas.
5.2.3 Cursos
Para el caso de estudio, se determino tomar el curso como un contenedor de asignaturas, debido a que el estudio de sus características y propiedades determino que aislar este elemento de nuestro método lográbamos un algoritmo genético mas general y a la vez valido para cualquier tipo de enseñanza, es así como el objeto curso solo participa para la elaboración de restricciones grupales.
• Los datos necesario recopilados para los cursos fueron lo siguientes:
• Los 5º y 6º básicos tiene 40 horas de clases.
• Los 7º y 8º básicos tiene 42 horas de clases.
• Horas disponibles es igual a horas impartidas.
• Al día pueden llegar a impartirse 10 horas pedagógicas.
Restricciones
En cada curso y hora se imparte a lo más una asignatura.
Los bloques de la mañana deben ser completos.
La disponibilidad es entregada por el usuario.
El curso es un contenedor de asignaturas.
5.2.4 Salas
Las salas no serán consideradas como materia del estudio debido a que no representa un problema de asignación, ya que cada colegio crea una relación directa entre la cantidad de salas y los cursos, en cuanto a los laboratorios y gimnasios estos se controla desde la disponibilidad docente de estas áreas.
Capitulo 6
ALGORITMO GENÉTICO
6.1 INTRODUCCIÓN
Algoritmo de búsqueda basado en la mecánica de la genética y la selección natural. Un algoritmo genético puede resolver problemas que aún no están completamente caracterizados o son demasiado complejos para permitir una completa caracterización.
Es decir, problemas para los cuales no necesariamente conocemos cómo llegar a una buena solución, pero si podemos evaluar por alguna medida cuantificable el valor relativo de una solución, o al menos compararla con otra potencial solución.
Podemos decir que los algoritmos genéticos modelan el fenómeno natural de herencia genética y la teoría de la evolución de Darwin, biólogo e investigador de la naturaleza quien escribió el libro El origen de las especies. En este se presentan dos teorías:
• Mediante la evolución biológica todas las plantas y animales existentes descienden de formas anteriores mas primitivas.
• La segunda teoría dice que la vida se desarrolló por azar a partir de materia inorgánica y luego creció gradual y continuamente en complejidad y variedad, transfiriendo en sus genes su conocimiento llenando la tierra con todas las especies que hoy existen.
La computación evolutiva interpreta la naturaleza como una inmensa máquina de resolver problemas y trata de encontrar el origen de dicha potencialidad para utilizarla en nuestros programas. La idea de algoritmos genéticos surgió en la Universidad de Michigan, Estados Unidos por el profesor matemático John Holland en los años ’70. Él comenzó en 1975 con la publicación de su libro Adaptation in Natural and Artificial Systems. En dicho libro comparaba su método de evolucionar soluciones, con el método que utiliza la naturaleza para hacer evolucionar a especies en otras más
fuertes. Desde los 60’s estuvo trabajando en la manera de aplicar la teoría de Darwin a una técnica que permitiese incorporar la idea a un programa de computadora.
El concepto básico de un algoritmo genético es la codificación de una solución potencial. Un conjunto de valores de parámetros es tratado como el genoma o material genético de una solución individual.
Se crea una gran población de soluciones candidatas, inicialmente con valores de parámetros al azar. Estas soluciones son esencialmente apareadas unas con otras por varias generaciones simuladas bajo el principio de supervivencia del más apto.
El apareamiento tiene lugar haciendo uso de operadores tales como la cruza y mutación el tercer operador básico es la reproducción. Los Algoritmos Genéticos explota eficientemente la información histórica para especular sobre nuevos puntos de búsqueda con la esperanza de un mejor rendimiento.
Los algoritmos genéticos han estado mostrando la solución de problemas lineales y no lineales por exploración de todas las regiones del espacio y exponencialmente explotando áreas prometedoras a través de las operaciones de la mutación, cruzamiento y selección aplicados a los individuos de la población.
Su principal objetivo era lograr que las computadoras aprendieran por sí mismas. A la técnica inventada por Holland se le llamó inicialmente Planes Reproductivos, pero se hizo popular bajo el nombre de Algoritmos Genéticos (A.G.) En la actualidad, los AG’s son preferentemente utilizados como métodos de búsqueda de soluciones óptimas que simulan la evolución natural y han sido usados con éxito en la solución de problemas de explosión combinatoria, optimizando funciones reales y como mecanismos de aprendizaje de máquina (machine learning). Esto último les ha ganado un lugar en el campo de la inteligencia artificial.
Los AGs, teórica y prácticamente han probado que proveen una búsqueda robusta en espacios complejos. Son simples computacionalmente y no están limitados por suposiciones restrictivas acerca del espacio de búsqueda.
6.2 ALGORITMO GENÉTICO SIMPLE
El comienzo de los algoritmos genéticos esta dado por un conjunto de soluciones posibles, a lo que se le denomina población, y cada una de las soluciones posible recibe el nombre de individuo. Mediante la utilización de operadores genéticos los individuos de la población inicial van evolucionando en cada generación a mejores poblaciones. Es así como en un instante dado de la evolución, se encontrara un individuo que sea la solución óptima para el problema planteado.
A continuación se representa un pseudo-código de algoritmo genético simple
hahghsdh
Generación Población
Inicial
Evaluación de la
Función Objetivo Criterios de Optimización
alcanzados ? Mejor
Individuo
Solución Selección
No
Si
Recombinación
Mutación
Generar Nueva Población
Inicio
Capitulo 7
CASO DE ESTUDIO
En el capitulo 5 se hacían referencia a la estructura, propiedades y objetos necesario para confección de un horario de clases para un curso, en este capitulo se explica paso a paso los métodos utilizados para encontrar un horario solución, es oportuno señalar que este algoritmo puede ser aplicado tanto a un curso como a todos sus niveles, pero al castigar al cromosoma en función de las restricciones, el proceso es muchísimo mas lento que al encontrar una función objetivo. La metodología utilizada para explicar este AG esta basada en el orden de los proceso del diagrama de flujo.
INICIO
GENERAR POBLACION
SELECCIÓN MEJORES CROMOSOMAS
APLICAR CRUZA UNIFORME
APLICAR MUTACION
EVALUAR CROMOSOMAS FOR I=1 TO TOTAL POBLACION
APLICAR ELITISMO ARCHIVAR
CROMOSOMA
FIN
V
F
7.1 DATOS DE EJEMPLO:
Para poder fundamentar adecuadamente esta teoría, la estructura del diagrama de flujo se continuara con los datos de ejemplo pertenecen al 5º año “A” del Liceo San José, para asegurar una mejor comprensión sobre la materia.
7.1.1 Asignaturas
En la siguiente tabla se muestra las asignaturas impartidas para el curso en cuestión.
Código
asignatura Nombre asignatura 5Matemáticas
10Educación Musical 11Educación Física 13Religión
14Lenguaje y Comunicación 17Educación Tecnológica 19Idioma Extranjero (Inglés)
20Estudio y Comprensión de la Naturaleza 21Estudio y Comprensión de la Sociedad 33Educación Técnico Manual
7.1.2 Asignatura Docentes
Código asignatura
Código
docente Nombre Apellido Paterno Apellido Materno
5 40 Margot Del Carmen Rojas Villarroel 5 26Matilde Flora Illanes Relusnante 5 46Blanca Esther Cardenas Velasquez 5 32Rosario Del Carmen Uribe Mansilla
10 24Danilo Andres Montes Andrade
11 72Rodrigo Alejandro Diaz Dunoguier 11 20Mauricio Alexi Alvial Saravia
Código asignatura
Código
docente Nombre Apellido Paterno Apellido Materno 14 31Maria Josefina Menendez Glasinovic
14 32Rosario Del Carmen Uribe Mansilla 14 40Margot Del Carmen Rojas Villarroel 14 61Jeannette Rossana Ibarra Low 14 62Ema Beatriz Maldonado Pacheco 17 21Hector Antonio Molina Ulloa 19 70Carolina Andrea Flores Rodriguez 19 36Victoria Del Carmen Retamales Espinoza 20 40Margot Del Carmen Rojas Villarroel 20 32Rosario Del Carmen Uribe Mansilla 21 73Danilo Antonio Tobar Salinas 21 40Margot Del Carmen Rojas Villarroel 21 32Rosario Del Carmen Uribe Mansilla 33 46Blanca Esther Cardenas Velasquez
7.2 DEFINICIONES
Definir adecuadamente los genes y cromosomas nos permite saber cual es el individuo objetivo, ya que conocemos cual es la necesidad. Establecemos sus características cuantitativas para luego evaluar si el individuo solución es la princesa que nosotros esperamos o se trata tan solo de un engendro.
Los horarios están conformados por horas distribuidas según la figura XX, en cada hora se conjuga un docente y la asignatura a ser impartida.
Horas Lunes 1 5 40 2 5 40 3 10 24
4 10 24
5 11 20
6 11 20
7 14 40
8 14 40
9 33 46
10 33 46
Según el ejemplo de la figura XX, en el primer bloque esta siendo impartida la asignatura de matemática con la profesora Margot Rojas, en el segundo bloque se encuentra ubicado la asignatura de música impartida por el profesor Danilo Montes, y así sucesivamente.
En la tabla XX, encontraremos un pequeño diccionario de definiciones sobre Algoritmos genéticos.
Algoritmo Genético Significado Cromosomas(cadena,
individuo)
Solución (código)
Genes (bits) Parte de la
solución.
Locus Posición del Gen
Gen: Dentro de un horario de clases en una hora pedagógica se conjugan 3 elementos [Hora, Cod_Asignatura, Cod_Docente] (ver diccionario de datos)
H or a (1 al 50 )
Cod_Asignat ura
Cod_Doce nte
Ejemplo:
Hora
Asignatura Docente
Según la figura XX, este gen estaria representado a la cuarta hora del día lunes en la cual se esta impartiendo la asignatura de Ed. Musical con el profesor Danilo Montes
Cromosoma: contiene el esquema de representación del horario, la codificación tradicional planteada por John Holland esta compuesta por 1 y 0s, sin embargo como en nuestro caso existen aplicaciones en las cuales es necesario trabajar con valores alfanuméricos en los genes.
Apti tud
La figura XX, contiene la representación de un cromosoma, además contiene un campo llamado aptitud, el cual nos permite calificar cuantitativamente sus posibilidades de sobre vivencia.
En resumen, los cromosomas representaran un horario solución para el colegio completo, definiremos el largo del cromosoma como la multiplicación de la cantidad de horas de clases de cada curso por la cantidad de cursos en el colegio:
Recordemos que:
• Los 5º y 6º básicos tiene 40 horas de clases.
• Los 7º y 8º básicos tiene 42 horas de clases
• Cada nivel tiene 3 cursos.
El largo del cromosoma esta dado por la cantidad de horas de clases que tiene el curso.
7.4 POBLACIÓN INICIAL
La población inicial usualmente se genera aleatoriamente dentro del dominio de las variables independientes del problema. Si se tiene conocimiento previo sobre algunas posibles soluciones o regiones en el dominio donde éstas pueden estar localizadas, la población original puede ser construida a partir de estas regiones; sin embargo, es conveniente mantener elementos de otras regiones en el dominio, con el propósito de ampliar las posibilidades de la búsqueda manteniendo la diversidad.
Disponibilidad Horaria del Docente Disponibilidad Horaria del Curso
Inicialmente se debe genera una población inicial de N individuos, N es la cantidad de población que se generar en cada generación. Para generar la población inicial se toma una asignatura de cada curso, y se le asigna un docente autorizado para impartir dicha asignatura, luego se le asigna una hora donde será impartida esa asignatura, dicha hora también es asignada en forma aleatoria. Para el caso de estudio se ha establecido una población de 300 individuos por cada generación.
Para generar asignar la cantidad de individuos de cada población se consideran la cantidad de combinatoria posible y un promedio de la estructura del computador que se utilizaran, ya que estos registro son trasformados y combinados en arreglos y matrices para acelerar el proceso, lo cual demanda realiza una alta demanda de recursos del sistema.
Región de búsqueda
7.3 DEFINICIÓN DE LA FUNCIÓN APTITUD
La función aptitud es el parámetro que evalúa una solución y permite que el AG mejore su rendimiento a medida que los cromosomas elevan su aptitud, existen varios métodos para generar una función aptitud una es creando un modelo matemático que represente primero en forma individual las restricciones y luego creando una función objetivo que represente el cúmulo de restricciones para evaluar a las posibles soluciones, conciente de que esta seria una solución mas estructurada y rápida en cuanto a tiempos de proceso, en un apartado extra se entregaran las herramientas encontradas durante esta investigación para próximos estudios sobre el caso, debido a que no se contaba con el conocimiento ni las herramientas necesarias para su desarrollo. Sin embargo una segunda solución implica que los cromosomas serán evaluados con un conjunto de penalizaciones, una a la vez. Las diferencias con respecto al primer método de función aptitud solo esta en el tiempo de proceso ya que en vez de evaluar cada cromosoma de una sola vez se deberá hacer por cada restricción. A continuación se dan a conocer cuales son las penalizaciones de a cuerdo a los siguientes puntos:
• Los docentes solo imparte 1 asignatura por hora. los empalmes se castiga con 3 puntos.
• Las horas de deben ser asignadas dentro de su disponibilidad, se castiga con 1 punto.
• En cada curso y hora se imparte a lo más una asignatura. Los empalmes de curso se castigan con 4 puntos.
• Las horas de la mañana deben ser completas. Se castigan con 1 puntos las horas libres o sin asignar.
• Nivel de dificultad de asignatura. Se castigaran con el índice de su nivel en puntos los que no estén en su región solución.
La aptitud es inversamente proporcional a la suma de las penalizaciones mencionadas, es decir, los cromosomas con el menor número de penalizaciones son los más aptos.
Según la bibliografía consultada sobre penalizaciones de los AG, la cantidad de puntos con los cuales serán penalizados los cromosomas está relacionado con su comportamiento, de esta manera es más grave que existan asignaturas asignadas fuera de la disponibilidad horaria del curso, que empalmes en un docente.
Una vez creada la población inicial, se evaluó con la función aptitud cada uno de los cromosomas, el resultado de esta evaluación están en el grafico XX, según el grafico el individuo con mejor aptitud es el 148, con una aptitud de -30, y el peor de esta generación son los individuos 57, 125 y 136 con una aptitud de -50.
GRAFICO DE POBLACION
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
1 8 15 22 29 36 43 50 57 64 71 78 85 92 99 106 113 120 127 134 141 148
INDIVIDUOS
AP T IT UD
7.5 OPERADORES GENÉTICOS
Se le conocen con este nombre porque trabajan sobre los individuos de la población y son los responsables de la modificación del individuo para su mejoramiento. Aquellos cromosomas resultantes de los operadores genéticos son llamados cromosomas hijos, ya que su material genético es tomado de dos o más padres. Como se vera mas adelante, estos cromosomas hijos serán utilizados para reemplazar a la población con una aptitud insuficiente. Los operadores más comunes son:
7.5.1 Cruza
Se tienen dos padres, que fueron seleccionados previamente por su aptitud, se genera un punto de cruza para cada uno de ellos y se intercambian su material genético generando así dos nuevos hijos, permaneciendo con las mismas características que sus padres. Para el caso de estudio la cruza se define como el intercambio del material genético entre las mismas asignaturas, de esta forma se selecciona las asignaturas, y se cambia la asignación del docente si es distinta y la hora que acompaña a este gen.
+ =
Padre Padre
Hijo
Hijo
H CA D H CA D H CA D H CA D 4 5 46 2 5 32 4 5 46 2 5 32
1 5 46 21 5 32 1 5 46 21 5 32 47 5 46 49 5 32 47 5 46 49 5 32 46 5 46 32 5 32 46 5 46 32 5 32 5 5 46 12 5 32 5 5 46 12 5 32 21 5 46 30 5 32 21 5 46 30 5 32 37 5 46 16 5 32 37 5 46 16 5 32 2 5 46 11 5 32 2 5 46 11 5 32 45 11 20 33 11 72 33 11 72 45 11 20 14 11 20 22 11 72 22 11 72 14 11 20
H = Horas
CA= Código Asignatura D = Docente
Nota: Cabe recordar que el largo del cromosoma es igual a la cantidad de horas de clases.
El proceso de cruza para el caso de estudio se encuentra explicado en la tabla XX, Ubicados a la izquierda encontramos 2 cromosomas llamados padres ya que son elegidos de la población inicial y de las poblaciones sucesorias en las siguientes fases.
A la derecha se ven 2 cromosomas que reciben el nombre de cromosomas hijos debido a que copian el material genético de los padres, en la tabla aparecen 10 genes de un cadena de cromosoma, de la cual 8 pertenecen a la asignatura de matemática, y 2 genes de la asignatura de Educación Física, el primer hijo copia los genes de la asignatura de matemática del primer padre y la asignatura de educación física del segundo, y el proceso inverso para el segundo hijo, quien copia los genes de matemática del segundo padre y los de educación física del primero.
Cromosomas Padres Cromosomas Hijos
Este método de cruza recibe el nombre de cruza uniforme, ya que se establecen los puntos de cruza en lugares específicos dentro de la cadena cromosoma.
7.5.2 Mutación
Este operador tiene la característica de modificar el material genético de un cromosoma; básicamente, permite la introducción de nuevos espacios de búsqueda para no hacer que el algoritmo genético no converja en una solución prematura.
Código asignatura
Código docente
Nombre Apellido Paterno Apellido Materno
14 31Maria Josefina Menéndez Glasinovic 14 32Rosario Del Carmen Uribe Mansilla 14 40Margot Del Carmen Rojas Villarroel 14 61Jeannette Rossana Ibarra Low 14 62Ema Beatriz Maldonado Pacheco
H CA D H CA D
38 14 61 3 14 62
10 14 61 29 14 62
50 14 61 22 14 62
17 14 61 12 14 62
15 14 61 35 14 62
25 14 61 17 14 62
48 14 61 6 14 62
19 14 61 28 14 62
Como se menciono al principio de este capitulo, las regiones de búsqueda pueden estar orientadas a una región que nosotros conocemos como solución, e esta forma al generar la mutación asignamos horas de clases que se encuentran como horas disponibles del nuevo docente.
7.5.3 Elitismo
La estrategia elitista es un mecanismo que se usa en algunos algoritmos evolutivos para asegurar que los cromosomas de los miembros más aptos de la población pasen a la siguiente generación sin ser alterados por ningún operador genético. Usar elitismo asegura que la aptitud máxima de la población nunca se reducirá de una generación a la siguiente, el elitismo también suele repercutir en una convergencia más rápida en la población, aunque en general, puede decirse que no siempre mejora la posibilidad de localizar a un individuo óptimo.
De esta forma logramos seleccionar una solución, que si bien es cierto, desconocemos como debe ser, hemos podido implantar en sus genes el orden necesario para
representar una solución potencial con respecto de otros cromosomas.
ELITISMO
-60 -50 -40 -30 -20 -10 0
1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101
GENERACIONES
APTITUD
Serie1
Para aplicar elitismo se debía generar una “Población Auxiliar”, a la cual llamamos colonos, debido a que estos nuevos individuos productos de los operadores genéticos debía suplir a los individuos menos aptos dentro de la población, el primer paso fue lograr determinar una aptitud respetable. Que no significara el reemplazo de colonos sobre la población, pero que tampoco perpetuara a la población hasta el término de las generaciones.
La forma en que se evaluó el valor de la aptitud, fue analizando casos con valores promedios dentro de una población, entre -33 y -43, se tomaron 20 cromosomas con un mismo valor dentro de ese rango, finalmente se considero el valor de -35, ya que este valor representaba un 71,3% del horario terminado, este porcentaje es calculado en base a las asignaturas y docentes que faltan o están mal asignados dentro de la solución. lo que se consideraba dentro de los objetivos de esta demostración.
Una vez establecido el valor de la aptitud, se evaluó a cada uno de los cromosomas de la población, todos aquellos de valor inferior al promedio eran reemplazados por el mejor cromosoma de los colonos o “Población Auxiliar”, luego de ser reemplazado, la aptitud del cromosoma colono era reemplazada por el valor del cromosoma de la
población, de esta forma el mismo cromosoma no seria perpetuamente elegido como el de mejor aptitud.
En el grafico XX, podemos apreciar que en uno de los intentos, la posible solución es encontrada en la séptima generación con un valor de -29 para su aptitud.
Capitulo 8
CONSIDERACIONES DE DESARROLLO
Durante el desarrollo de la demostración se debieron tener en cuenta varios puntos que no aparecen dentro de la literatura teórica y menos práctica, debido a que la aplicación de algoritmos genéticos esta basado en un concepto de la evolución natural; todos los textos encontrados estaban orientados a la aplicación de estas ideas a problemas complejos que requerían ser evaluados en forma referente y no directa.
Debido a que la manipulación debía ser del tipo alfanumérica, se opto por el uso de arreglo y matrices. Se presumió que al hacerlos mediante consultas a la base de datos el proceso era extremadamente lento y engorroso, en virtud del tiempo no se logro optimizar el uso de las matrices, durante el proceso de estudio del algoritmo genético se encontraron herramientas de ejemplo y optimización tales como:
• Modulo GAOT: este es un modulo de MATLAB, utilizado para evaluar funciones multiobjetivos, una vez que se ha logrado representar las restricciones en una formula matemática y alimentando el sistema de la información necesaria, es capaz de simular los resultados de la función resultante, la ventaja de este modulo es que permite evaluar en pocos minutos algo que seria complejo de programar en la función aptitud. En este punto se debe señalar que al no tener conocimiento sobre modelos matemáticos, fue imposible su utilización t se opto por una segunda opción que fue la de evaluar cada una de las restricciones en forma separada.
• Ejemplo de Vida: En el universo de Internet aparecen muchos ejemplos de cómo funciona un algoritmo genético, uno de ellos es el ejemplo de vida,
programado en Visual Basic 5.0 ilustra en forma practica y concreta la utilización de un algoritmos genético, este pequeño código permite analizar las
asignaciones y optimizaciones mínimas para el correcto funcionamiento del mismo.
Capitulo 8
CONCLUSION
Los resultados reportados demuestran claramente la utilidad y confiabilidad del método propuesto, el paralelismo natural implícito con el que cuentan los Algoritmos genéticos lo convierten en una sólida estrategia para los problema de asignación, además de ser excelentes descartando regiones de vida complejos.
La teoría dice que cada cierto tiempo, la población vuelve dar el un salto evolutivo y se produce un incremento en la velocidad de convergencia excepcional. La razón de esto es que algunas veces aparece una mutación altamente beneficiosa, o un individuo excepcional, que propaga algún conjunto de cromosomas excepcional al resto de la población.
Es sin duda, un método interesante, un algoritmo alternativo al de “prueba y error”
usado en el área probabilística, de igual manera se presentó una estrategia en la cual no se requieren datos adicionales para realizar la asignación de carga académica, bastando con la caracterización de los objetos fundamentales e incluso contar con datos faltantes, ofreciendo una ventaja adicional sobre otros métodos existentes.
Otro punto que es sumamente necesario recalcar es que a diferencia de otros métodos de ordenamiento que forman parte activa del proceso y de las soluciones, los AG analizan las potenciales soluciones aplicando restricciones desde fuera del cromosoma actuando así como un alfarero dando la forma necesaria para que las poblaciones generadas sean soluciones potenciales a nuestro problema.
BIBLIOGRAFIA
Enrique Castillo, Antonio J. Conejo, Pablo Pedregal, Ricardo García y Natalia Alguacil
“Formulación y Resolución de Modelos de Programación Matemática en Ingeniería y Ciencia
. “
Polak, E., “Optimization: Algorithms and Consistent Approximations”, Springer, New York, 1997.
Bruno López Takeyas Articulo: “Modelos de asignación de carga académica”
Reforma Sur 2007, C.P. 88250, Nuevo Laredo, Tamps. México
Capitulo 1
INTRODUCCION
Cualquier institución o empresa que se dedique a la educación debe procurar sustentar debidamente un proyecto educativo, en donde están insertos los estamentos y distintas dimensiones que esto conlleva, esto también incluye la optimización de los recursos tanto financieros como humanos, una de las materias primas son los docentes que se consideran como un recurso critico dentro de los colegios.
En este capítulo se expone de forma general el problema de asignación de carga académica en los colegios de enseñanza básica. Este problema es parte fundamental de una buena gestión educativa, además se presentan los antecedentes, la definición del problema que se desea resolver, seguida de la justificación que sustenta el trabajo de titulación.
1.1 ANTECEDENTES
En todas las instituciones educativas existe la necesidad de asignar y coordinar los recursos económicos, materiales y humanos en directo beneficio de los estudiantes. En cada inicio de periodo escolar se debe organizar y distribuir los horarios de los docentes y alumnos, esta es una de las tareas más engorrosas de la educación debido a la cantidad de restricciones que se presentan y el criterio con el que se aplican.
Para la creación de un horario de clases se debe contar con la participación de los siguientes objetos: docentes, asignaturas, cursos, salas de clases; luego disponerlos de tal forma que se logre optimizar los recursos como la disponibilidad de los docentes, cantidad de salas disponibles, asignaturas autorizadas a impartir por los docentes, cantidad de horas contratadas y disponibles, etc.
Actualmente estos horarios de clases son realizados a modo de ensayo y error, ya que dependemos de la buena memoria y anotaciones que realiza en este caso un grupo de educandos y la persona encargada del área académica, este proceso tarda aproximadamente 4 a 5 días y sujeto a modificaciones.
1.2 DEFINICION DEL PROBLEMA
El problema a solucionar con el desarrollo de esta tesis se plantea de la siguiente manera:
“Plantear una solución total o parcial de un horario de clases, utilizando algoritmos genéticos, a partir de las restricciones implícitas para el caso”
Se plantea el problema de horario de clases como un problema de asignación y se desarrolla un algoritmo genético con características elitistas para realizar la caracterización.
1.3 OBJETIVO DEL PROYECTO
El objetivo general y los objetivos específicos que se desean cubrir con el desarrollo de este proyecto son los siguientes:
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
El proyecto buscar una forma de automatizar el proceso de asignaciones de carga académica, mediante el uso de algoritmos genéticos y de ordenamientos; ofreciendo a la comunidad escolar una posible solución que reduce considerablemente los tiempos para el diseño de horarios de clases.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Definir las restricciones implícitas para el caso.
• Definir la función aptitud, tipo de operadores genéticos, evaluación y parámetros del algoritmo genético que ofrezcan los mejores resultados.
1.4 JUSTIFICACIÓN
Se realizó una encuesta a los jefes de las diferentes áreas de un colegio semiparticular de la ciudad, la encuesta estaba enmarcada en la idea de lograr automatizar algún proceso manual que requiriera el procesamiento de información.
Se obtuvo como resultado un común denominador, era la creación de los horarios de clases, debido a su constante dificultad para la confección y complejidad presente en cada colegio. Esta encuesta fue reforzada con un cuestionario de preguntas a las distintas dimensiones involucradas en ella (docencia, inspectoría, coordinación académica), los cuales nos dieron las pautas para la creación del software.
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES
En este apartado se presentaran los alcances que cubrirá el desarrollo del proyecto, como así mismo sus limitaciones.
1.5.1 ALCANCES
La finalidad del proyecto es encontrar un sistema que aporte a la creación de los horarios de clases, así se evitara la forma manual que hasta ahora es usado para la creación de los horario de clases, debido a que son muchos los parámetros que el diseñador debe tener en cuenta al momento de la creación. Usando los procesos de los algoritmos genéticos con características elitistas se lograra realizar la tediosa tarea de la creación de horarios de clases.
1.5.2 LIMITACIONES
Debido a la complejidad de las limitaciones, este trabajo esta orientado a encontrar una solución parcial o total para un horario de clases, siendo este trabajo de titulación una pauta para futuras versiones que incluyan el resto de los niveles académicos.
1.6 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO
Este documento esta organizado de la siguiente manera:
En los capítulos 3, 4 y 5 se presenta el marco teórico en el que está sustentada la Investigación, abordando los temas de clasificación, organización educacional, diseño de horario de clases, Algoritmos genéticos y métodos evolutivos aplicados al diseño de horario de clases, respectivamente.
En el capítulo 7 se presentan las pruebas realizadas y los resultados obtenidos en las mismas, las conclusiones a las que se llegó y los trabajos futuros.
Posteriormente, se enlista la bibliografía revisada durante el desarrollo de este proyecto y por último se presenta el glosario del documento.
Capitulo 2
CLASIFICACIÓN
La formulación y desarrollo del presente proyecto es considerado de carácter externo, esto obedece al origen de los antecedentes, material de investigación y apoyo logístico.
La metodología para el desarrollo corresponde a un proyecto de investigación ya que el proyecto pretende demostrar la utilidad de los algoritmos genéticos en la asignación de carga académica.
DIRECTOR
UTP ORIENTACION
INSPECTORIA GENERALCapitulo 3
ORGANIZACIÓN EDUCACIONAL
En toda organización sea o no educacional existen estamentos responsables que velan por el cumplimiento de todas y cada una de las normas que permiten llevar acabo los objetivos propuestos. A nivel educacional, el cúmulo de estos objetivos lleva por nombre Proyecto Educativo Institucional (PEI), en el cual están implícitas todas y cada una de las dimensiones de un colegio.
A continuación desarrollaremos una pequeña reseña de cada una de esas dimensiones básicas que pertenecen a estas instituciones, aledaños a estos existen otros departamentos como orientación, pastoral, actividades de libre elección, desarrollo comunitario, centro de alumnos. Pero que no son necesarios nombrar para el desarrollo de la tesis.
3.1 DIRECTOR
Es la persona encargada de administrar y organizar cada uno de los departamentos, al igual que orientar o reorientar de ser necesario los objetivos específicos de cada uno de ellos, de tal forma que se priorice el cumplimiento de los objetivos que se plantearon como establecimiento.
3.2 UTP
UNIDAD TECNICA PEDAGOGICA, El departamento de UTP es el responsable de velar por el cumplimiento de los planes y programas educacionales, al igual que orientar la labor docente, administrar y suministrar los recursos técnicos requeridos por los docentes para buen cumplimiento de su labor. Dentro de las funciones del departamento de UTP están las elaboraciones de los planes y programas propios, los cuales una vez completados se presentan al ministerio de educación, razón por la cual cada colegio puede tener asignaturas similares en contenido pero distintas en su aplicación, y por ende con distinto nombre. Además de procurar las atenciones necesarias para aquellos alumnos que están en riesgo académico y de ser necesario trabajar en conjunto con el departamento de orientación, el cual resguarda la seguridad social del alumno.
3.3 INSPECTORIA GENERAL
La inspectoría general es la entidad que procura el cumplimiento de las normativas tanto doctrinales como disciplinarias, llevar a cabo la coordinación de reuniones de curso, citación y atención de apoderados, libros de clases (anotaciones, asistencia, firma docente, entre otros), organización de eventos tanto recreativos como los orientados a la comunidad escolar, además de coordinar y distribuir equitativamente la carga horaria de los docentes.
Capitulo 4
SITUACION ACTUAL
En el mes de febrero son convocados los docentes para dar inicio a las actividades escolares, para esta fecha la coordinación académica ya ha realizado algunos aprontes como la programación de actividades, la contratación, ampliación o reducción horas de clases para los docentes, asignación de salas, profesores jefes de los nuevos cursos, en fin, un sinnúmero de preparativos necesarios para comenzar las actividades académicas, en la primera semana del mes de marzo, cuando el panorama docente es mas claro, el departamento de inspectoría comienza la recopilación de datos como:
cursos, docentes, asignaturas impartidas por los docentes, las asignaturas impartidas para los cursos cotejado con los planes y programas.
Una vez recopilados los datos necesarios realizan una aproximación del horario de clases en donde “se negocia” con los docentes su disponibilidad horaria, este proceso lleva aproximadamente 3 a 4 días, durante este periodo la o las personas que conforman el equipo de trabajo, distribuyen a los docentes considerando sus horas contratadas asignando en orden descendente a los profesores con mayor carga horaria, ya que son los mas complejos, durante este proceso deben tener en cuenta los recursos críticos del establecimiento, como lo son el gimnasio y laboratorios.
Otra arista que debe permanecer presente durante la confección de los horarios de clases es la dificultad implícita de cada asignatura, una vez sorteado todos estos obstáculos, y al cabo de aproximadamente 1 semana se obtiene el horario de clases
“sujeto a cambios”.
Capitulo 5
HORARIO DE CLASES
En el 100% de los establecimientos educacionales se establece que las asignaturas deben ser impartidas en periodos de 45 minutos, como unidad mínima, esto debido a que el ser humano no logra mantener la concentración por un periodo mayor, por lo tanto la horas académicas tiene un fundamento psicológico y social, a esta asignación se le reconoce como hora académica, la unión de 2 horas académicas comprende un bloque de clases, entre estos bloques existe un recreo o break de 15 a 20 minutos aproximadamente.
Para el caso estudiado, las clases comienzas a las 08:15 horas y terminan 18:00 horas, dejando el horario distribuido de la siguiente forma:
Bloque Horas Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes
1
1
2
Recreo
3
2
4
Recreo
5
3
6
Almuerzo
7
4
8
Recreo
9
5
10
5.2 COMPONENTES DE UN HORARIO DE CLASES
En este apartado explicaremos en detalle los objetos, sus divisiones y caracterización, también se dejaran explicitas las restricciones propias de cada caso, de tal forma de remarcar las restricciones para el desarrollo del Algoritmo Genético.
5.2.1 Asignaturas
La recopilación de información para el desarrollo de esta tesis, fue hecha a fines del año 2003, en ese momento eran 4767 asignaturas autorizadas por el ministerio de educación, esto obedece a la creación individual de planes y programas propios de cada proyecto educativo, por lo tanto se hace necesario refinar la cantidad de asignaturas impartidas en cada colegio, en primera instancia será dividido en asignaturas Mineduc, impartidas y autorizadas.
• Mineduc: aquellas autorizadas por el Ministerio de Educación.
• Impartidas: Es una selección de las asignaturas Mineduc, y son aquellas que forman parte del proyecto educativo.
• Autorizadas: Al docente se le autoriza a impartir estas asignaturas de acuerdo a su currículum y estas pueden ser tomadas de las impartidas o mineduc.
Se considera necesario expresar que a pesar de estas divisiones en las asignaturas que no obedece a otra cosa que no sea enfocar adecuadamente la materia de estudio.
Caracterización
La forma mas cómoda de clasificar un objeto es estructurando sus características únicas, como existen mas de 4 mil asignaturas posibles debemos lograr una adecuada descripción que nos permita buscar su mejor región de vida. A continuación veremos sus propiedades que debería estandarizar los requerimientos para formar un horario de clases: nivel de dificultad, disponibilidad horaria, nivel, cantidad de horas.
Nivel de dificultad: Al implantar el nivel de dificultad en las asignaturas nos permite establecer de mejor forma las horas de lucidez necesaria para estas asignaturas.
1. asignaturas que pueden ser impartidas en cualquier momento. (Ed. Fisica, artes manuales)
2. Son aquellas que se imparten solo en las mañanas y el primer bloque de la tarde. (física, química)
3. Asignaturas impartidas solo en las mañanas. (matemática, lenguaje y comunicación)
4. Casos especiales en las que la asignatura necesite previa preparación de material y sea indispensable ser impartida con un día de diferencia.
Disponibilidad Horaria: por disposición de coordinación académica una asignatura puede ser impartida solo en ciertos bloques de clases.
Nivel: Determina a que nivel educativo pertenece la asignatura (5º,6º,7º ó 8º)
Cantidad de horas: determina la cantidad de horas académicas que debe cumplir las asignaturas en la semana.
Restricciones de Asignatura
• Se imparten tantas asignaturas como salas disponibles.
• No se considera el tema del gimnasio para la tesis.
• Todas las asignaturas son mixtas.
• Las asignaturas impartirán hasta dos horas consecutivas. (1 bloque).
• Las asignaturas son impartidas por un docente en cada curso.
5.2.2 Docentes
Los docentes son resucesos críticos de un establecimiento, de este manera son muchas las variantes que debemos estandarizar para los docentes, ya que este el elemento presenta mayor movilidad dentro de nuestro esquema, la situación ideal de un colegio es que los docentes tenga la totalidad del horario como disponibilidad para impartir sus asignaturas, de esta forma solo seria necesario crear un solo horario y perpetuarlo en el tiempo.
Analizando a los docentes como un objeto, logramos discriminar debidamente sus propiedades entre las cuales es necesario considerar: horas contratadas, disponibilidad horaria, asignaturas autorizadas.
Horas contratadas: Son horas de clases que el docente debe realizar en la semana.
Disponibilidad horaria: La disponibilidad horaria son las horas que el docentes tiene disponibles para realizar sus horas de clases, esto es debido a que por lo general los docentes imparten clases en las de un colegio, la cantidad de horas disponible debe ser igual o mayor a la cantidad de horas contratadas, entre mayor sea la diferencia entre la cantidad de horas contratadas y las disponibles mas fácil es encontrar un horario solución.
Asignaturas Autorizadas: dentro del proyecto curricular existen departamentos los cuales están compuestos de docentes titulados en esa área, por ejemplo los docentes de lenguaje y comunicación esta autorizado por el Ministerios de Educación para impartir aquellas asignaturas que son competencia de su departamento.
Restricciones
• Solo imparte 1 asignatura por hora.
• Las horas de deben ser asignadas dentro de su disponibilidad y en lo posible sin ventanas.
• La cantidad de horas no debe ser superior a las horas contratadas.
• Los docentes solo imparten sus asignaturas autorizadas.
• Las horas disponibles son mayor o igual a sus horas contratadas.
• El docente puede tener un contrato de hasta 44 horas.
5.2.3 Cursos
Para el caso de estudio, se determino tomar el curso como un contenedor de asignaturas, debido a que el estudio de sus características y propiedades determino que aislar este elemento de nuestro método lográbamos un algoritmo genético mas general y a la vez valido para cualquier tipo de enseñanza, es así como el objeto curso solo participa para la elaboración de restricciones grupales.
