課堂自動(dòng)考勤及手機(jī)使用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付 濤，易 宏，汪 維，鄧儉鋒

（1.云南財(cái)經(jīng)大學(xué)，昆明 650000；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)外語(yǔ)學(xué)院，長(zhǎng)春 130012）

1 大學(xué)課堂點(diǎn)名方式及學(xué)生課堂使用手機(jī)分析

課堂點(diǎn)名作為高校課堂教學(xué)工作中的重要環(huán)節(jié)，其實(shí)施的效果直接影響著學(xué)校的教學(xué)管理規(guī)范。目前高校的課堂點(diǎn)名普遍采用兩種方式，一是傳統(tǒng)的采用花名冊(cè)點(diǎn)名的方式，這樣的點(diǎn)名方式效率低下，占用課堂教學(xué)時(shí)間。二是利用新技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)名，如謝明華等 研究的基于面部圖像識(shí)別的點(diǎn)名技術(shù)，楊洪章 等利用嵌入式設(shè)備收集學(xué)生手機(jī)藍(lán)牙信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)名。Chang 等采用的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動(dòng)讀取學(xué)生身份證實(shí)現(xiàn)點(diǎn)名，還有很多的學(xué)校采用指紋打卡進(jìn)行點(diǎn)名。這些采用現(xiàn)代信息技術(shù)的課題考勤方式，在很大程度上提高了點(diǎn)名的效率，但是同樣存在一些問(wèn)題。例如采用面部識(shí)別技術(shù)的點(diǎn)名方式，雖然在學(xué)生進(jìn)入課題的時(shí)候可以自動(dòng)完成點(diǎn)名，但是如果學(xué)生面部表情夸張或者容貌改變過(guò)大會(huì)導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別；基于射頻物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的需要學(xué)生攜帶身份證、一卡通等相關(guān)證件；采用單一藍(lán)牙模塊進(jìn)行點(diǎn)名會(huì)存在學(xué)生在教室外完成點(diǎn)名。連同包含采用指紋識(shí)別的點(diǎn)名方式在內(nèi)，這些點(diǎn)名方式都會(huì)存在學(xué)生點(diǎn)名后又離開教室的情況發(fā)生。此外這些技術(shù)及系統(tǒng)，都只能解決點(diǎn)名的問(wèn)題，對(duì)于上課時(shí)候?qū)W生使用手機(jī)的情況，沒(méi)有辦法解決。截至2017年6月，我國(guó)手機(jī)網(wǎng)民用戶達(dá)到了7.24億人，而大學(xué)生手機(jī)的使用率接近100%。張秀萍 進(jìn)行了大學(xué)生課堂使用現(xiàn)狀的調(diào)查分析，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，53.5%的學(xué)生上課必須攜帶手機(jī)，43.6%的學(xué)生課堂上經(jīng)常使用手機(jī)，而且64.3%的學(xué)生在課堂上使用手機(jī)聊天。為了避免手機(jī)對(duì)課堂教學(xué)的影響，石松偉 研發(fā)了一種帶有點(diǎn)名功能的手機(jī)保管箱，集成了課堂點(diǎn)名與禁止攜帶手機(jī)進(jìn)入教室的功能。但是張秀萍的調(diào)查也發(fā)現(xiàn)，也有41.9%的學(xué)生在課堂上使用手機(jī)進(jìn)行與課堂教學(xué)相關(guān)的活動(dòng)，而對(duì)學(xué)校禁止將手機(jī)帶入課堂，有72.5%的學(xué)生持反對(duì)意見。而且目前很多學(xué)校與教師，也都通過(guò)手機(jī)與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，來(lái)提高課堂教學(xué)質(zhì)量，因此，如果一刀切的禁止學(xué)生將手機(jī)帶入課堂是一種不可行的方式。

2 系統(tǒng)需求分析

通過(guò)上一章節(jié)對(duì)目前高校課堂點(diǎn)名的及學(xué)生在課堂上使用手機(jī)的情況分析可以發(fā)現(xiàn)，目前的高校課堂教學(xué)管理，在對(duì)課堂點(diǎn)名及學(xué)生手機(jī)使用的管理具有很強(qiáng)的需求。

對(duì)于課堂點(diǎn)名，至少應(yīng)該滿足如下幾點(diǎn)需求：（1）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的點(diǎn)名，教師和學(xué)生操作盡量減少，不占用課堂時(shí)間；（2）具有身份識(shí)別功能，杜絕代簽到的情況發(fā)生；（3）能夠滿足課堂全程的監(jiān)控需求，避免學(xué)生在教室外簽到或者簽到后早退的現(xiàn)象發(fā)生；（4）系統(tǒng)部署盡量成本低廉。

而對(duì)于學(xué)生在課堂上使用手機(jī)的管理，由于目前手機(jī)已經(jīng)成為必不可少一樣工具，很多學(xué)生也將手機(jī)作為學(xué)習(xí)的工具使用，因此不應(yīng)當(dāng)杜絕學(xué)生將手機(jī)帶入教室，理想的方式是對(duì)學(xué)生使用手機(jī)的權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)的控制，這至少在3個(gè)層次上對(duì)學(xué)生的手機(jī)使用權(quán)限進(jìn)行控制，（1）互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)限制。由于目前手機(jī)的很多功能，如游戲、聊天、購(gòu)物等，均依賴于網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)，因此，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)的限制對(duì)學(xué)生手機(jī)進(jìn)行管理；（2）APP 訪問(wèn)限制，可以通過(guò)限制學(xué)生手機(jī)只能訪問(wèn)特定APP 或者完全不能夠使用APP 來(lái)控制學(xué)生對(duì)手機(jī)的使用；（3）完全放開學(xué)生手機(jī)的使用。以上三個(gè)層次的手機(jī)使用權(quán)限，任課教師應(yīng)當(dāng)可以根據(jù)課程教學(xué)的需要來(lái)自行設(shè)定。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

由于目前智能手機(jī)的普及率相當(dāng)高，且系統(tǒng)集中在Android及iOS 兩大系統(tǒng)，因此，通過(guò)開發(fā)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的APP 并輔助相應(yīng)的外部設(shè)備，就能滿足上一章節(jié)分析的相應(yīng)需求。考勤及控制學(xué)生手機(jī)使用權(quán)限涉及到的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案如下：

3.1 學(xué)生只能在教室內(nèi)進(jìn)行簽到

對(duì)于該需求的解決，由于目前的智能手機(jī)具備多種傳感器及網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，因此，利用智能手機(jī)就可以解決這一需求。例如利用手機(jī)的NFC 傳感器，在學(xué)生進(jìn)入教室后“刷卡”簽到。但是利用傳感器進(jìn)行簽到，并不能解決學(xué)生簽到后離開教室的情況發(fā)生。因此，采用近距離傳感并不是最優(yōu)方案。

第二種方案可以利用手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備進(jìn)行3點(diǎn)定位，利用手機(jī)上的APP 判斷手機(jī)獲取到的wi-Fi熱點(diǎn)或藍(lán)牙終端的信號(hào)強(qiáng)度，來(lái)確定手機(jī)處于教室內(nèi)。

3.2 學(xué)生課堂教學(xué)期間始終在教室內(nèi)

傳統(tǒng)的點(diǎn)名方式，由于只在上課或者下課時(shí)候進(jìn)行簽到，不能避免學(xué)生簽到后離開教室，解決這一問(wèn)題，可以利用智能手機(jī)與簽到系統(tǒng)在整個(gè)上課期間保持?jǐn)?shù)據(jù)交換來(lái)實(shí)現(xiàn)。

智能手機(jī)與簽到系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換可以有兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，一是持續(xù)的長(zhǎng)連接，二是上課期間不定期的進(jìn)行間接性短連接。

選用長(zhǎng)連接，則需要選擇wi-Fi 的方式進(jìn)行連接。優(yōu)勢(shì)在于可以連接速率高，可以依靠布置的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)校園網(wǎng)或局域網(wǎng)進(jìn)行教師與學(xué)生之間的互動(dòng)教學(xué)，同時(shí)，也便于教師控制學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的限制，如進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)、校園網(wǎng)、教室局域網(wǎng)的訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置。但是劣勢(shì)也是非常突出的，由于教學(xué)樓屬于人員密集度非常高的場(chǎng)所，一間教室通常不低于40人，一棟教學(xué)樓會(huì)有數(shù)千人同時(shí)在線的需求，這不僅對(duì)AP 提出很高的負(fù)載需求，還涉及到wi-Fi頻道的干擾問(wèn)題，這對(duì)無(wú)線網(wǎng)的部署提出很高的要求，以現(xiàn)有技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)，即使通過(guò)信號(hào)屏蔽等方式實(shí)現(xiàn)部署，部署成本也將非常高昂。選用間接性短連接，考勤終端可以選用藍(lán)牙外圍設(shè)備（peripheral），通過(guò)ACL 鏈路與學(xué)生手機(jī)之間采用輪循的方式進(jìn)行短連接，考勤終端只與一臺(tái)學(xué)生手機(jī)連接數(shù)秒，傳輸完相關(guān)數(shù)據(jù)后斷開連接，連接下一臺(tái)手機(jī)。而在整個(gè)上課期間，每臺(tái)學(xué)生手機(jī)將不定期的與考勤終端多次傳輸數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)在于硬件設(shè)備部署成本低廉，同時(shí)由于藍(lán)牙設(shè)備功率低，不容易產(chǎn)生干擾問(wèn)題，但是如果需要進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)，則只能使用手機(jī)的Wifi 或3G/4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

3.3 不能代替簽到

對(duì)于該需求，可以采用綁定學(xué)生手機(jī)IMEI 號(hào)的方式來(lái)解決，在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)每個(gè)學(xué)生的IMEI 號(hào)進(jìn)行登記，每個(gè)學(xué)生只能使用唯一的登記過(guò)的手機(jī)才能進(jìn)行考勤。如果需要換手機(jī)，學(xué)生可以自行更換，但可以通過(guò)限制只能登記一臺(tái)設(shè)備并限制更換頻率的方式進(jìn)行控制。

3.4 手機(jī)權(quán)限使用控制

無(wú)論是Android 還是ios 的手機(jī)，APP 均能夠獲取到手機(jī)的相關(guān)狀態(tài)信息，如是否連接網(wǎng)絡(luò)，考勤APP 是否處于前臺(tái)工作、手機(jī)是否處于黑屏休眠狀態(tài)等。通過(guò)APP 返回手機(jī)的相關(guān)狀態(tài)，來(lái)判定學(xué)生手機(jī)的使用情況，配合相關(guān)的教學(xué)制度對(duì)學(xué)生手機(jī)使用權(quán)限進(jìn)行控制與管理，如學(xué)生未按照課程規(guī)定使用手機(jī)，不能進(jìn)行考勤或者課程平時(shí)成績(jī)分受影響等。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

本章節(jié)采用一個(gè)最常見的60人課堂作為實(shí)例，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

4.1 考勤終端設(shè)置

每間教室布置最少3個(gè)考勤終端，考勤終端可以選用藍(lán)牙外圍設(shè)備（peripheral）進(jìn)行開發(fā)，考勤終端與后臺(tái)服務(wù)器連接，并且將每個(gè)考勤終端的設(shè)備識(shí)別號(hào)與教室進(jìn)行綁定。具體布置方式如圖1，如果教室過(guò)大或者教室內(nèi)上課人數(shù)過(guò)多，可以增加考勤終端數(shù)量。

圖1 藍(lán)牙考勤終端布置圖

4.2 支撐數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本系統(tǒng)需要獲取相關(guān)基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)包括：課程的上課時(shí)間段、教室內(nèi)考勤終端的設(shè)備號(hào)A1-An、應(yīng)該上課的學(xué)生人數(shù)n 及相應(yīng)學(xué)生的手機(jī)IMEI 序列號(hào)B1-Bn（不包括請(qǐng)假的學(xué)生）、該堂課任課教師對(duì)學(xué)生手機(jī)使用權(quán)限的要求（完全不控制、禁止使用網(wǎng)絡(luò)、不能使用手機(jī)等）。

4.3 具體實(shí)現(xiàn)方法

（1）判斷學(xué)生是否進(jìn)入教室

每間教室分別在三個(gè)角落處安裝一個(gè)藍(lán)牙考勤終端，每個(gè)考勤終端的設(shè)備號(hào)與教室綁定，考勤終端為A1，A2，A3。

當(dāng)學(xué)生的智能手機(jī)進(jìn)入教室后，學(xué)生打開APP，APP 控制手機(jī)掃描藍(lán)牙考勤終端，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度的三角定位判定相應(yīng)智能手機(jī)是否進(jìn)入了應(yīng)該進(jìn)入的教室，避免學(xué)生未進(jìn)入教室簽到。

（2）藍(lán)牙考勤終端與每個(gè)學(xué)生的智能手機(jī)的綁定及數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)方法見圖2，具體如下：

圖2 手機(jī)APP與藍(lán)牙終端之間的數(shù)據(jù)傳輸方式

①?gòu)暮笈_(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的課程信息獲取每間教室上課的學(xué)生名單，從而獲取到相應(yīng)時(shí)間段每間教室需要與藍(lán)牙終端綁定并傳輸數(shù)據(jù)的最大智能手機(jī)數(shù)量n 以及相應(yīng)的藍(lán)牙考勤終端；

②通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將為所有智能手機(jī)提前隨機(jī)分配綁定連接的順序；

③課程開始后，通過(guò)時(shí)間順序按照提前分配的綁定連接順序讓不同智能手機(jī)與信號(hào)最強(qiáng)的藍(lán)牙考勤終端進(jìn)行首次綁定，綁定后傳輸智能手機(jī)考勤信息、手機(jī)使用狀態(tài)及與各臺(tái)藍(lán)牙考勤終端的信號(hào)強(qiáng)度信息傳回后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)傳輸完成后，斷開連接，綁定下一臺(tái)智能手機(jī)并傳輸數(shù)據(jù)；第一輪綁定并傳輸數(shù)據(jù)后，后臺(tái)服務(wù)器通過(guò)獲得的每臺(tái)智能手機(jī)與三個(gè)藍(lán)牙考勤終端的位置信息，為每臺(tái)藍(lán)牙終端平均分配哪些智能手機(jī)在后續(xù)過(guò)程中與其綁定傳輸數(shù)據(jù)。

按照“綁定—傳輸數(shù)據(jù)—解除綁定”需要大約10秒，共60人上課，首次綁定時(shí)間為600秒，約10分鐘。

④第二輪綁定按照第一輪綁定的方式進(jìn)行，本輪綁定中，將后續(xù)過(guò)程中每臺(tái)智能手機(jī)與哪臺(tái)藍(lán)牙終端綁定及各臺(tái)手機(jī)的綁定順序傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)的APP。完成第二輪綁定的時(shí)間仍然為10分鐘。

⑤如果經(jīng)歷了第一輪及第二輪綁定，課程已經(jīng)過(guò)了20分鐘，此時(shí)仍然沒(méi)有進(jìn)入教室的學(xué)生，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄為缺席。如學(xué)生后續(xù)到達(dá)，將由任課老師視情況判定是否記錄缺席，并手工在系統(tǒng)中為其更改信息。系統(tǒng)將根據(jù)任課老師的手工記錄，將此學(xué)生的手機(jī)信息插入綁定隊(duì)列。

⑥從第三輪綁定開始，將由三臺(tái)藍(lán)牙終端并行對(duì)所有智能手機(jī)進(jìn)行綁定，完成一輪的時(shí)間縮短為10/3分鐘。

按每堂課80分鐘計(jì)算，系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的手機(jī)進(jìn)行了20次數(shù)據(jù)傳輸。

（3）控制學(xué)生使用手機(jī)

由任課教師或教務(wù)管理人員為每堂課設(shè)置學(xué)生的手機(jī)使用權(quán)限，例如包含以下三種情況，1）學(xué)生可以完全自由使用手機(jī)，2）學(xué)生不能使用手機(jī)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，3）學(xué)生完全不能使用手機(jī)；

對(duì)于情況1）：不對(duì)學(xué)生的手機(jī)進(jìn)行控制，手機(jī)僅僅起到簽到點(diǎn)名的作用；

對(duì)于情況2）：手機(jī)上的考勤APP 獲取手機(jī)的Wi-Fi 及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)開啟情況，針對(duì)開放管理權(quán)限的手機(jī)，考勤客戶端直接關(guān)閉手機(jī)的Wi-Fi 及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于不能開放管理權(quán)限的手機(jī)，將提示學(xué)生主動(dòng)關(guān)閉Wi-Fi 及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。如wifi 及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)未關(guān)閉，將把學(xué)生未斷網(wǎng)的情況傳輸回后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以讓任課教師或教務(wù)管理人員對(duì)學(xué)生按相關(guān)處理。

對(duì)于情況3）：APP 除進(jìn)行情況2）的檢測(cè)外，還要求APP 處于前臺(tái)運(yùn)行或者手機(jī)處于休眠狀態(tài)，手機(jī)處于非休眠狀態(tài)且APP處于后臺(tái)工作，可判定為學(xué)生在使用手機(jī)，將把學(xué)生使用的情況傳輸回后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以讓任課教師或教務(wù)管理人員對(duì)學(xué)生按相關(guān)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種利用低成本的藍(lán)牙設(shè)備及智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)課堂全自動(dòng)考勤并對(duì)學(xué)生課堂使用手機(jī)進(jìn)行控制的方法，最大程度的提高了課堂考勤效率，并在一定程度上解決了課堂教學(xué)過(guò)程中對(duì)學(xué)生使用手機(jī)的管理問(wèn)題。