網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)監(jiān)督輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧琳，崔玉坤，李靈鴿，張東生

摘要：2020年新冠肺炎疫情期間，中小學(xué)生不得不停課居家學(xué)習(xí)，在教育部的統(tǒng)一組織下，一場(chǎng)史無(wú)前例的全民網(wǎng)課在中國(guó)的城市和鄉(xiāng)村廣泛展開(kāi)，積累了十余年在線教育終于迎來(lái)歷史性的大爆發(fā)，在線教育乘勢(shì)而上，成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展“新名片”。對(duì)于學(xué)生而言教室搬到了釘釘在線課堂，家里書(shū)房變成了直播間。但是，在線堂和線下課堂性質(zhì)不同，線上課堂學(xué)習(xí)氛圍缺失、不利誘惑增多、課堂監(jiān)管失效。很大程度影響了課堂效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。面對(duì)這種新型的授課方式，學(xué)生的參與度和學(xué)習(xí)的有效性令人擔(dān)憂，針對(duì)上述問(wèn)題，項(xiàng)目組擬研究一款可以強(qiáng)制鎖定手機(jī)頁(yè)面，檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)以及輔助教師教學(xué)活動(dòng)的網(wǎng)上學(xué)習(xí)監(jiān)督輔助系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)上學(xué)習(xí);學(xué)習(xí)監(jiān)督;課堂輔助;人臉識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）19-0056-02

1 設(shè)計(jì)背景

2020年10月29日中國(guó)共產(chǎn)黨第十九屆中央委員會(huì)第五次全體會(huì)議通過(guò)了《中共中央關(guān)于制定國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》。作為全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家新征程的第一個(gè)五年，“十四五”規(guī)劃首次提出要發(fā)揮在線教育優(yōu)勢(shì)，完善終身學(xué)習(xí)體系，建設(shè)學(xué)習(xí)型社會(huì)的目標(biāo)。據(jù)中國(guó)科學(xué)院大數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示：預(yù)計(jì)整個(gè)中國(guó)在線教育行業(yè)2020年的市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)5400億元，已成為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新動(dòng)能。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)不利于老師監(jiān)管，學(xué)習(xí)效率往往得不到保障，這樣的學(xué)習(xí)特點(diǎn)也困擾著老師和家長(zhǎng)。

2 設(shè)計(jì)目的

目前國(guó)內(nèi)主要用于網(wǎng)上學(xué)習(xí)辦公、教師直播的平臺(tái)有：阿里旗下的釘釘、騰訊方面的騰訊會(huì)議、騰訊課堂、智慧樹(shù)、優(yōu)課在線等，這些學(xué)習(xí)平臺(tái)有直播工具、學(xué)習(xí)學(xué)科工具、學(xué)情分析工具，但一些學(xué)生們?cè)谥辈フn程下表現(xiàn)出缺乏自主性、獨(dú)立性和自控力。教師在實(shí)施教學(xué)過(guò)程中主要把注意力集中在知識(shí)內(nèi)容組織、網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)資源提供等方面， 對(duì)學(xué)生難于進(jìn)行學(xué)習(xí)監(jiān)控。針對(duì)上述現(xiàn)象，本項(xiàng)目組擬研究一款可以強(qiáng)制鎖定手機(jī)頁(yè)面，檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)以及輔助教師教學(xué)活動(dòng)的“天眼守衛(wèi)者”監(jiān)督系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)控和反饋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，以起到學(xué)習(xí)中的督促作用，幫助學(xué)習(xí)者更加專(zhuān)注學(xué)習(xí)。

本項(xiàng)目符合科學(xué)規(guī)劃推動(dòng)教育專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)，能夠完善國(guó)家數(shù)字教育資源公共服務(wù)體系，促進(jìn)國(guó)家中小學(xué)生網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)建設(shè)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間應(yīng)用普及深入、師生信息素養(yǎng)持續(xù)提升的效果。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

教學(xué)（監(jiān)督者）終端：學(xué)習(xí)任務(wù)發(fā)布（預(yù)設(shè)鎖定的頁(yè)面和鎖定時(shí)長(zhǎng)），查看學(xué)生端學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋信息;

通訊模組：數(shù)據(jù)傳輸;

學(xué)習(xí)終端：監(jiān)測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)（人臉動(dòng)態(tài)識(shí)別檢測(cè)），反饋教學(xué)（監(jiān)督者）終端的鎖定指令（執(zhí)行手機(jī)頁(yè)面的鎖定）讓學(xué)生準(zhǔn)確了解并完成相對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)任務(wù)，向教學(xué)（監(jiān)督者）終端反饋學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示。

該系統(tǒng)的軟件功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。監(jiān)督功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)學(xué)習(xí)前系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)自動(dòng)鎖定應(yīng)用頁(yè)面;學(xué)習(xí)時(shí)通過(guò)圖像檢測(cè)和人臉動(dòng)態(tài)識(shí)別檢測(cè)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài);統(tǒng)計(jì)與反饋功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)結(jié)合監(jiān)督功能反饋的記錄，按照提前預(yù)設(shè)的算法形成量化評(píng)分，反饋給監(jiān)督者，同時(shí)監(jiān)督者可以根據(jù)評(píng)分情況對(duì)學(xué)生端進(jìn)行學(xué)習(xí)情況的提醒;記錄功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)結(jié)合監(jiān)督模塊的監(jiān)督情況，按照預(yù)設(shè)的算法給出的相對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)，并按照監(jiān)督者的需求給出獎(jiǎng)懲措施。

4 創(chuàng)新與特色

1）將關(guān)注點(diǎn)聚焦到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)缺少的監(jiān)控學(xué)習(xí)功能上，豐富了現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)的輔助學(xué)習(xí)功能。

2）相較于一些家庭或機(jī)構(gòu)采用的安裝攝像頭方式監(jiān)控學(xué)習(xí)，該軟件系統(tǒng)僅僅是強(qiáng)制鎖定應(yīng)用使用權(quán)、屏幕前圖像的隨機(jī)動(dòng)態(tài)識(shí)別，較前者更加人性化，不侵犯學(xué)習(xí)者其他方面的隱私。

3）同時(shí)該系統(tǒng)可以在一定程度上改善目前網(wǎng)上學(xué)習(xí)中的教-學(xué)分離問(wèn)題，有了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)識(shí)別抽查功能，老師在用心地講，隔著屏幕，學(xué)生不看屏幕、跑神的情況也會(huì)得到減少。

4）系統(tǒng)通過(guò)積分反饋和評(píng)價(jià)機(jī)制表現(xiàn)學(xué)習(xí)者的聽(tīng)課狀態(tài)，在一方面也彌補(bǔ)了線上教學(xué)相比線下教學(xué)里所缺少的老師反饋與評(píng)價(jià)作用。

5）系統(tǒng)首次將人臉動(dòng)態(tài)識(shí)別技術(shù)結(jié)合到在線學(xué)習(xí)的監(jiān)督作用中。

5 同類(lèi)產(chǎn)品分析

現(xiàn)如今市場(chǎng)中使用較多的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)輔助軟件，如Forest、Timing、番茄ToDo。其中Forest與番茄ToDo功能簡(jiǎn)單，由于在學(xué)習(xí)期間仍然可以隨意切換屏幕，強(qiáng)制性過(guò)低，且缺少督學(xué)者作用，對(duì)于大多數(shù)注意力不集中的學(xué)習(xí)者，仍然無(wú)法起到很好的督促學(xué)習(xí)作用;Timing面對(duì)當(dāng)下網(wǎng)民強(qiáng)烈的展示欲望時(shí)，淡化了其監(jiān)督方面的效果，仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)較為合理的監(jiān)督學(xué)習(xí)作用。

6 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)以上想法與設(shè)計(jì)，項(xiàng)目組通過(guò)使用Axure平臺(tái)設(shè)計(jì)制作系統(tǒng)的原型展示，使用PhotoShop、LightRoom等軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的UI界面，系統(tǒng)軟件部分具體開(kāi)發(fā)環(huán)境在Android Studio以及Xcode平臺(tái)上進(jìn)行，前端頁(yè)面使用VUE和SSM框架在Visual Studio Code平臺(tái)上使用HTML + CSS + JavaScript等前端語(yǔ)言完成前端的構(gòu)建，其數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL和Navicat Premium搭建并管理。系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能圖像檢測(cè)與人臉動(dòng)態(tài)識(shí)別模塊的實(shí)現(xiàn)方法為采用百度API（云開(kāi)發(fā)）、Face++和自主研發(fā)的模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。同時(shí)關(guān)鍵技術(shù)代碼已獲得國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作版權(quán)登記，相關(guān)軟硬件組合的產(chǎn)品也已申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)利（已獲得專(zhuān)利號(hào)），整套產(chǎn)品的軟硬件組合均受到國(guó)家法律保護(hù)。

7 技術(shù)特點(diǎn)

1）實(shí)現(xiàn)鎖定學(xué)習(xí)應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)：利用Android Service后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程，啟用監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)Screen廣播，Activity要存在于activity的棧中，故需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)全新的activity棧，使學(xué)習(xí)應(yīng)用的進(jìn)程始終處于優(yōu)先級(jí)最高的位置，結(jié)合滑動(dòng)閥值來(lái)實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)應(yīng)用軟件的鎖定功能。使用標(biāo)志位，需在AndroidManifest中首先聲明taskAffinity。所用的標(biāo)志位FLAG_ACTIVITY_EXCLUDE_FROM_RECENTS，是為了避免在最近使用程序列表出現(xiàn)Service所啟動(dòng)的Activity，但這個(gè)標(biāo)志位不是必需的，其使用依情況而定。