智慧課堂學(xué)生考勤管理研究與設(shè)計

摘? 要：隨著教育信息化的不斷推進(jìn)，智慧校園正在成為校園新的發(fā)展趨勢。學(xué)生考勤管理是建設(shè)智慧校園過程必須解決的普遍存在而又重要的課題。目前，不管是傳統(tǒng)的還是利用現(xiàn)代智能設(shè)備、技術(shù)設(shè)計的考勤方式都或多或少地存在一些問題。綜合考慮成本和效率，提出了一種將校園一卡通、智能電子設(shè)備和選座機(jī)器與管理系統(tǒng)相結(jié)合的方式全方位地進(jìn)行學(xué)生考勤，有效的避免了學(xué)生缺勤，特別是虛假考勤的現(xiàn)象，提高了高校對學(xué)生的管理效率，從而有效地降低了學(xué)生在教學(xué)時段出現(xiàn)的一系列安全問題。

關(guān)鍵詞：教育信息化;學(xué)生考勤;智慧課堂;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP311.52? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）09-0001-05

0? 引? 言

2010年7月，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》明確了國家的教育信息化發(fā)展戰(zhàn)略：到2020年將基本建成覆蓋城鄉(xiāng)各級各類學(xué)校教育信息化體系，使教育往智能化、服務(wù)化、個性化和開放化等方向發(fā)展[1]。近年來興起的依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園正在逐步取代數(shù)字校園，成為現(xiàn)今校園信息化發(fā)展的趨勢。它通過整合物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化和云計算等技術(shù)，構(gòu)建出一個集科研、教學(xué)、生活、管理于一體的智能教育、學(xué)習(xí)和生活環(huán)境。教學(xué)是智慧校園建設(shè)中的一個重要組成部分，而課堂考勤作為教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)，一直是學(xué)校亟待解決的難題。近年來，高校學(xué)生的安全問題日益凸顯，安全事故頻頻發(fā)生，而這些事故有相當(dāng)一部分是發(fā)生在教學(xué)時段。安全問題無小事，學(xué)校除了運用行政手段加強(qiáng)安全教育外，確保學(xué)生的到課率也是一個重要舉措[2]。為了提高到課率，各大高校屢出奇招，其中最常規(guī)的手段是考勤。單單考勤方式也是五花八門，與時俱進(jìn)，但或多或少都存在一些問題。

0.1? 人工點名

人工點名是最傳統(tǒng)也是目前最常用的考勤方式，通常是由任課老師、輔導(dǎo)員或者班干部輔以紙質(zhì)點名表完成這項工作。但是人工點名方式存在的問題如下[3]：

（1）效率低下，老師需抽出一部分原屬于上課的時間用于點名。

（2）可靠性低，無法有效地避免學(xué)生代簽到的情況。

（3）缺勤信息匯總不及時，輔導(dǎo)員、家長、學(xué)校無法及時掌握缺勤學(xué)生的情況。

（4）缺勤信息記錄格式不統(tǒng)一，可利用率低。

0.2? 校園一卡通刷卡

輔以課堂管理系統(tǒng)，一卡通刷卡考勤方式解決了人工點名中缺勤信息記錄格式不統(tǒng)一的情況，也能夠?qū)⒖记谛畔⒓皶r傳送到相關(guān)人員手中，及時對問題做出應(yīng)對[4]。但是，一卡通刷卡簽到最大的問題是無法解決代簽到的問題?？记跀?shù)據(jù)的真實性、可靠性較差。

0.3? 固定座位

教師沿用中小學(xué)時期的做法，給學(xué)生安排固定座位，可以較準(zhǔn)確地獲知當(dāng)堂課缺勤人員情況，但是大學(xué)教育是相對中小學(xué)時期而言較為自由的教育，長期固定座位的做法不利于學(xué)生間的自由選擇和交流。

0.4? 移動設(shè)備考勤

隨著智能機(jī)的廣泛應(yīng)用，GPS定位技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟。移動設(shè)備考勤[5]方式借助移動設(shè)備的GPS定位功能，教師一鍵啟動中心設(shè)備，即可把考勤圈定在一個較小范圍內(nèi)，通常是一棟教學(xué)樓或者一間小教室中，學(xué)生必須手持移動設(shè)備在中心范圍內(nèi)才能正常簽到，否則系統(tǒng)后臺將把該生信息顯示為缺席。移動設(shè)備考勤方式極大地改進(jìn)了簽到方式，提高了考勤效率。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，學(xué)生同時擁有兩部以上移動設(shè)備的比例不小，仍然無法很好地解決代簽到的問題。

0.5? 指紋考勤

指紋識別是生物識別技術(shù)的一種，它利用人體固有的生理特性進(jìn)行個人身份的鑒定，由于每個人的生物特征的唯一性和穩(wěn)定性，相較于前面三種考勤方式，具有如下優(yōu)點：

（1）不會遺忘或者丟失。

（2）防偽性能較高，不容易偽造或盜用。

（3）隨時隨地可用。

但是，不易偽造不代表不能偽造，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，市面上出現(xiàn)了越來越多的自制的可攜帶指紋。復(fù)制的指紋雖然識別率不高，但仍然是可以用的。指紋的個體唯一性特征遭遇前所未有的挑戰(zhàn)。因此，指紋考勤仍然無法很好的解決學(xué)生的代簽到問題。

0.6? 虹膜考勤

虹膜識別技術(shù)也是生物識別技術(shù)的一種，具有和指紋識別考勤同樣的優(yōu)勢，甚至在相同情況下有更好的識別效果，但是，虹膜識別考勤較顯著的問題是成本較高，考勤機(jī)器體型較大。

以上各種考勤方式對比如表1所示。

1? 考勤管理設(shè)計

近年來，校園一卡通和智能手機(jī)已成為現(xiàn)代學(xué)生校園生活必帶的隨身物品，綜合考慮考勤成本和效率，本文采用校園一卡通結(jié)合移動設(shè)備的方式進(jìn)行考勤管理設(shè)計，既不會給教師的教和學(xué)生的學(xué)帶來額外的沉重負(fù)擔(dān)，又能有效地解決現(xiàn)今普遍存在的虛假簽到現(xiàn)象。整體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中的智能手機(jī)、便攜式電腦和平板電腦等移動設(shè)備用于學(xué)生登錄考勤管理系統(tǒng)后在線選擇課程、教室和座位，已經(jīng)選好座位的學(xué)生在上課之前到達(dá)教室用自己的一卡通到打卡機(jī)進(jìn)行打卡確認(rèn)后即可就座準(zhǔn)備上課，尚未在線選擇座位的同學(xué)仍然可以在上課之前就近選擇一臺選座機(jī)進(jìn)行教室、課程和座位的選擇和確認(rèn)后準(zhǔn)備上課。教師登錄考勤管理系統(tǒng)可以查看本次課程的實到人數(shù)，系統(tǒng)界面顯示的座位列表即為現(xiàn)場學(xué)生的實際座位表，一旦有刷卡代簽，人卻未實際到場的情況出現(xiàn)時，教師通過對比即可一眼看出，有效地避免了學(xué)生拿卡和手機(jī)代簽到現(xiàn)象的發(fā)生。具體流程如圖2所示。

2? 功能設(shè)計

校園一卡通是學(xué)生在學(xué)校生活中不可或缺、出行必備的物品，集個人身份、消費、簽到、安全等功能于一體。所以，本文設(shè)計的考勤方式不會給學(xué)生帶來額外的負(fù)擔(dān)。另外，手機(jī)和校園一卡通一樣已經(jīng)成為學(xué)生出門必帶的物品。充分利用了現(xiàn)有的資源進(jìn)行考勤，不僅降低了考勤成本，也提高了考勤效率。

2.1? 選座系統(tǒng)

由圖1和圖2可看出，本文設(shè)計的選座包含兩種方式：先選座后就座和先就座后確認(rèn)座位。

2.1.1? 先選座后就座

學(xué)生通過智能手機(jī)等移動設(shè)備注冊通過后登錄系統(tǒng)在線選擇本時段所上課程、教師和所在教室的位置。系統(tǒng)中如果位置已被占用顯示為灰色，座位空閑則顯示為綠色。學(xué)生只能選擇顏色為綠色的座位。已選擇座位且已經(jīng)到所在教室就座的學(xué)生姓名在系統(tǒng)中將顯示為綠色，已選座但未到所選位置就座或者未選座位的學(xué)生在系統(tǒng)中相應(yīng)的姓名將顯示為紅色。

2.1.2? 先就座后確認(rèn)座位

設(shè)計采用的設(shè)計思路為：感知層由HC-SR501和Arduino Uno組成的人體紅外感應(yīng)模塊檢測座位上是否有人;連接層通過Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交換;應(yīng)用層即為本文所設(shè)計的考勤管理系統(tǒng)，如圖3所示。

HC-SR501是根據(jù)人體發(fā)出的特定波長10μm左右的紅外線（人體都有恒定的體溫，一般在37攝氏度，所以會發(fā)出這樣的紅外線）工作的。早期的解決辦法大都采用紅外線屏障傳感器輔助攝像頭的模式，主要工作原理是利用前方物體的反射確定是否有人。但是，這種方法存在缺陷，如果使用者提前離開或者用一個可以替代自身的障礙物放置在傳感器前面，傳感器并不能識別出前方到底是人還是物。所以，并不能達(dá)到解決虛假簽到的效果。本文在設(shè)計中采用的HC-SR501將判定規(guī)則聚焦于人而不是物，它比傳統(tǒng)的紅外屏障傳感器加攝像頭的感應(yīng)模式更有優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在：

（1）不需要攝像頭，降低了成本。

（2）解決了使用者在座位上放置其他物體代替本人的問題。

2.1.3? 選座機(jī)選座

學(xué)生課前若未通過移動設(shè)備選座或者忘記攜帶移動設(shè)備時還可以通過教學(xué)樓門口放置的選座機(jī)進(jìn)行座位的選擇。參照航空公司航班座位選擇系統(tǒng)，本文設(shè)計的選座管理系統(tǒng)采用全景化的座位分布顯示，按座位實際布局在界面上直接顯示特定區(qū)域的座位狀態(tài)，空閑座位顯示為白色，其他不可選的座位都采用灰色顯示，學(xué)生可直觀、方便地點選座位，或轉(zhuǎn)到其他區(qū)域、樓層、教室的座位平面圖。

系統(tǒng)采用區(qū)域像素點坐標(biāo)的定位方式，根據(jù)用戶所點擊位置的坐標(biāo)，對應(yīng)到相應(yīng)的座位區(qū)域，從而可以定位各種形狀的座位布局，且不受座位方向的限制。具體如圖4所示。

另外，選座系統(tǒng)上實時座位使用情況數(shù)據(jù)需通過網(wǎng)絡(luò)與整個考勤管理系統(tǒng)連接，移動設(shè)備、Web和選座機(jī)器端同時運行，更好地為學(xué)生和教師提供便捷服務(wù)。

2.2? 移動設(shè)備簽到

微信小程序（Mini Program），是一種不需要下載安裝即可使用的應(yīng)用，它實現(xiàn)了應(yīng)用“觸手可及”的夢想，用戶掃一掃或者搜一下即可打開應(yīng)用。也體現(xiàn)了“用完即走”的理念，用戶不用關(guān)心是否安裝太多應(yīng)用的問題。應(yīng)用將無處不在，隨時可用，但又無需安裝卸載。對于開發(fā)者而言，小程序開發(fā)門檻相對較低，難度不及APP，能夠滿足簡單的基礎(chǔ)應(yīng)用。

待學(xué)生完成選座、刷卡確認(rèn)，在選定位置就座后，課堂正式開始前，教師和學(xué)生同時搜索打開微信小程序端的考勤管理系統(tǒng)，利用LBS（Location Based Service）一鍵簽到功能。教師在上課時發(fā)布LBS簽到，設(shè)置簽到的范圍米數(shù)及簽到的時間范圍，學(xué)生在時間范圍內(nèi)在指定的地點打開微信小程序簽到即為正常簽到，否則記為曠課、請假、遲到等狀態(tài)。使用界面如圖5、圖6和圖7所示。

所有的這些考勤記錄將保存到系統(tǒng)中作為教師、教務(wù)處、學(xué)校學(xué)生工作處實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，管理用戶可以根據(jù)需要查看缺勤人員，及時了解并掌握他們的動態(tài)，對一些突發(fā)情況也能準(zhǔn)確地做出應(yīng)對。

3? 關(guān)鍵問題與技術(shù)難點

3.1? 關(guān)鍵問題

3.1.1? 響應(yīng)時間

以一個有20000名師生的大學(xué)為例，同一個上課時間段有50%的學(xué)生需要選座位，總計為10000個訪問量，根據(jù)調(diào)查表明，課前十分鐘是集中訪問的高峰期，針對未通過移動設(shè)備選座的學(xué)生而設(shè)計的選座機(jī)器的響應(yīng)時間問題是一個較大的挑戰(zhàn)。平均每一個學(xué)生在選座機(jī)器前面選擇教室所在區(qū)域、樓棟、教室編號、座位編號的操作時間若為1分鐘，那么，在上課前的高峰期，即課前十分鐘，一臺機(jī)器在10分鐘內(nèi)只能完成10個學(xué)生的選座操作，勢必會造成較為嚴(yán)重的排隊現(xiàn)象，效率低下，所以，為了解決擁擠的問題，學(xué)校在使用上應(yīng)大力宣傳引導(dǎo)學(xué)生自行通過網(wǎng)絡(luò)，不管是移動端或是Web端進(jìn)行在線選座，選座機(jī)器只是為了方便網(wǎng)絡(luò)或者移動設(shè)備出現(xiàn)問題的情況而做的輔助準(zhǔn)備。

3.1.2? 并發(fā)問題

引導(dǎo)學(xué)生、教師通過網(wǎng)絡(luò)方式在線選座和考勤后，問題就轉(zhuǎn)移到并發(fā)上了。所謂并發(fā)指的是在同一時刻與服務(wù)器進(jìn)行了交互的在線用戶數(shù)量。并發(fā)用戶數(shù)量的統(tǒng)計的方法目前還沒有準(zhǔn)確的公式，因為不同系統(tǒng)會有不同的并發(fā)特點。例如：OA系統(tǒng)統(tǒng)計并發(fā)用戶數(shù)量的經(jīng)驗公式為使用系統(tǒng)用戶數(shù)量×（5%～20%）。對于這個公式?jīng)]有必要拘泥于計算的結(jié)果，因為，為了保證系統(tǒng)的擴(kuò)展空間，測試時的并發(fā)用戶數(shù)量要稍微大一些，除非是要測試系統(tǒng)能承載的最大并發(fā)用戶數(shù)量。根據(jù)上面公式測算，在選擇座位的高峰時間段（課前十分鐘）假設(shè)會有2000人同時選座，系統(tǒng)要做的并發(fā)用戶數(shù)測試量為2000×20%=400人即可，這個可以通過軟件性能測試工具LoadRunner實現(xiàn)性能的模擬。

3.2? 技術(shù)難點與解決方案

3.2.1? 選座機(jī)

不管采用何種選座方式都必須事先對學(xué)校里所有可用的教室進(jìn)行座位的編排和設(shè)計。大學(xué)不同于中小學(xué)，教室根據(jù)不同的專業(yè)有不同的設(shè)計思路，自然座位也會有不同的設(shè)置，如何對這些教室進(jìn)行資料收集、分類和繪制是前期設(shè)計要進(jìn)行的比較重要和繁瑣的工作。工作雖然繁瑣，但技術(shù)含量較低，在較短時間內(nèi)就可以完成。

3.2.2? 數(shù)據(jù)傳送

實現(xiàn)對信息的采集只是第一步，如何將采集的數(shù)據(jù)及時有效地傳輸出去是第二關(guān)鍵步驟。本文選擇由HC-05和Arduino Uno搭建的藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳輸，向下分別連接上面提到的人體紅外感應(yīng)模塊和RFID讀卡模塊，向上協(xié)同以太網(wǎng)將底層采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至后端數(shù)據(jù)庫，并將信息即時顯示在微信選座界面和Web選座界面實現(xiàn)信息由獲取到利用的連接。

4? 結(jié)? 論

考勤是課堂教學(xué)過程中重要的一部分，是教師期末評定成績的重要依據(jù)之一，是學(xué)生工作管理部門掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況、了解學(xué)生動態(tài)的重要手段。通過有效結(jié)合校園學(xué)生卡、移動設(shè)備、RFID和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，四位一體對學(xué)生進(jìn)行多方位考勤，有效避免了學(xué)生無故曠課、遲到、早退等不良學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成，迫使學(xué)生在教學(xué)時間段到教室去學(xué)習(xí)。只有保證了足夠的學(xué)習(xí)時間，學(xué)生才能有所收獲，才能學(xué)有所成。

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作者簡介：鄭銀環(huán)（1984-），女，漢族，福建漳州人，就職于計算機(jī)科學(xué)與工程系，碩士，副教授，主要研究方向：高等學(xué)校教育、數(shù)據(jù)挖掘。