面向課堂簽到的GPS位置聚類應(yīng)用研究

唐明偉　蘇翠

摘要：本文首先對目前高校課堂的簽到方法進(jìn)行了分析，針對現(xiàn)有方法的不足，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代信息技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，對高校課堂簽到進(jìn)行了流程重組，并提出了面向課堂簽到的GPS位置聚類方法，最后通過實(shí)證分析指出了驗(yàn)證方法的有效性。

關(guān)鍵詞：課堂簽到;位置聚類;GPS定位;云服務(wù)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）17-0000-05

● 引言

課堂簽到是評定學(xué)生平時(shí)成績的關(guān)鍵指標(biāo)之一，是保障教學(xué)秩序的重要手段。目前，大部分高校仍然采取教師呼叫學(xué)生姓名、手工記錄出勤的簽到方式。這種方式簡單、直接，但在學(xué)生人數(shù)較多的情況下，會(huì)占據(jù)較多課堂時(shí)間，也無法解決代替簽到或簽到后離開課堂的問題。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及教學(xué)環(huán)境的全面信息化，催生了各種新穎的自動(dòng)化簽到方式。目前，國外高校主要通過SaaS教學(xué)平臺來實(shí)現(xiàn)簽到。以美國北德克薩斯大學(xué)為例，該校應(yīng)用Canvas平臺進(jìn)行教學(xué)管理。教師通過該平臺的簽到模塊，將學(xué)生的到課情況記錄在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)簽到。然而，這種方式僅解決了簽到信息的存儲和利用問題，它在本質(zhì)上依然是傳統(tǒng)簽到模式。Canvas平臺在美國高校應(yīng)用較為廣泛，因此該校的點(diǎn)名方式具有一定的代表性。國內(nèi)部分高校則已經(jīng)采用了便攜的分布式簽到方式。以“藍(lán)墨云班課”簽到APP為例，教師在手機(jī)上根據(jù)課程發(fā)起簽到后，學(xué)生即可在手機(jī)上自行簽到，軟件將自動(dòng)收集和匯總簽到記錄，完成簽到。該方式可以解決因人數(shù)多而造成的簽到效率低下的問題，但尚未解決代替簽到和簽到后離開教室的問題。

針對這些問題，學(xué)術(shù)界對簽到也做了大量研究。國外主要結(jié)合生物識別技術(shù)進(jìn)行簽到信息的采集。文獻(xiàn)1提出了一種基于人臉識別的自動(dòng)考勤系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過安裝在教室前部的攝像頭連續(xù)拍攝學(xué)生的圖像，將檢測圖像中的面部與數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的學(xué)生照片進(jìn)行對比，從而判斷學(xué)生是否出勤。[1]文獻(xiàn)2提出了一種能夠?qū)⑴c者映射到座位圖的考勤管理系統(tǒng)，學(xué)生需要用到兩張F(tuán)eliCa卡和一部Android智能手機(jī)，使用時(shí)一張卡放在手機(jī)正面，另外一張卡放在手機(jī)反面，兩張卡與手機(jī)必須始終保持接觸表明學(xué)生在位置上。[2]文獻(xiàn)3則提出了一種通過掃描學(xué)生指紋來進(jìn)行考勤的系統(tǒng)。[3]國內(nèi)的研究形式則較為多樣。文獻(xiàn)4設(shè)計(jì)了基于APP Inventor的GPS課堂點(diǎn)名應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，但所用的網(wǎng)絡(luò)微數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器是公用的，可能會(huì)發(fā)生應(yīng)用數(shù)據(jù)被別的應(yīng)用覆蓋的情況。[4]文獻(xiàn)5設(shè)計(jì)了基于WIFI的高校課堂考勤系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過獲取手機(jī)的MAC地址，來確保一部手機(jī)只能簽到一次。[5]文獻(xiàn)6設(shè)計(jì)了一種防替代遠(yuǎn)程簽到系統(tǒng)，通過登錄用戶的IP地址和實(shí)時(shí)捕獲人臉圖像兩種技術(shù)進(jìn)行身份驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程簽到和防替代功能。[6]

綜上所述，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)灥较到y(tǒng)的設(shè)計(jì)針對性不強(qiáng)，而且并未準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)身份識別、位置定位及實(shí)時(shí)追蹤等功能，學(xué)術(shù)領(lǐng)域雖已做了初步嘗試，但部分研究實(shí)施成本較高，同時(shí)還會(huì)面臨因人數(shù)較多而引起簽到秩序混亂的問題，如指紋識別簽到要求學(xué)生掃描指紋，這不可避免地會(huì)影響課堂的教學(xué)秩序。部分研究雖然也利用了手機(jī)的GPS定位功能，但在效率和便捷性方面的考慮并不徹底。針對這些問題，本文充分利用目前高?；ヂ?lián)網(wǎng)和智能手機(jī)全面普及的現(xiàn)狀，提出了一種通過對比教師和學(xué)生GPS位置的方式來實(shí)現(xiàn)簽到的方法。

● 移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代的教育信息化應(yīng)用現(xiàn)狀

在國家信息化規(guī)劃的支持下，我國的信息化發(fā)展能力明顯增強(qiáng)，教育信息化水平持續(xù)提升。

1.國家信息化發(fā)展的戰(zhàn)略支持

2016年國務(wù)院發(fā)布了《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》，綱要明確指出，要大力建設(shè)我國信息化發(fā)展，以信息化驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代化。經(jīng)過近5年的建設(shè)，我國的信息化程度有了明顯的提升。2020年4月中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）發(fā)布的第45次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》顯示，截至2020年3月，我國網(wǎng)民規(guī)模為9.04億，互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)64.5%，網(wǎng)民中使用手機(jī)上網(wǎng)的比例達(dá)到99.3%。[7]在網(wǎng)絡(luò)硬件建設(shè)的基礎(chǔ)上，以信息為中心，以網(wǎng)絡(luò)為媒介，任何人都可以進(jìn)行高效互動(dòng)[8]，這同時(shí)也為教育信息化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2.教育信息化的大力建設(shè)

中華人民共和國教育部2018年4月發(fā)布了《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，計(jì)劃提出了到2022年實(shí)現(xiàn)“三全兩高一大”的發(fā)展目標(biāo)。[9]在這一計(jì)劃的支持下，經(jīng)過數(shù)字化、智能化的資源平臺、管理平臺和服務(wù)平臺建設(shè)，眾多高校擁有了基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和硬件設(shè)施，校園網(wǎng)已經(jīng)普遍達(dá)到了較大規(guī)模，基本可以為校園內(nèi)的所有教學(xué)樓提供網(wǎng)絡(luò)接入，公共區(qū)域及重要區(qū)域也均實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，這為高校課堂的信息化提供了良好的軟硬件基礎(chǔ)。

3.高校課堂信息化全面普及

在國家和教育部政策的支持下，目前高校課堂基本實(shí)現(xiàn)了全面信息化，高校學(xué)生幾乎人手一部具有GPS模塊可以接入互聯(lián)網(wǎng)的智能手機(jī)，無處不在的校園網(wǎng)絡(luò)又為學(xué)生接入互聯(lián)網(wǎng)提供了便利的環(huán)境，也打通了師生之間課上課下的交流障礙。通過各類手機(jī)APP，師生之間可以方便地進(jìn)行交流，這些均為新型的課堂簽到及教學(xué)方式創(chuàng)造了條件。

● 移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代基于GPS位置聚類的簽到方法

1.基于GPS的位置聚類方法

從上述現(xiàn)狀可知，目前高校師生人手一部具有GPS模塊的智能手機(jī)，可輕易獲取師生的大體位置，據(jù)此本文提出了基于GPS的位置聚類方法。該方法以教師GPS位置為中心，通過比較學(xué)生與教師的相對距離，來判斷學(xué)生是否出勤。從地理學(xué)角度而言，GPS位置為地球表面的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，將地球抽象成一個(gè)球體后，一個(gè)GPS位置可表示為地球上的一個(gè)點(diǎn)。通過手機(jī)GPS，可以將教師和任一學(xué)生抽象成球面上的兩個(gè)點(diǎn)，那么通過計(jì)算球面上這兩個(gè)點(diǎn)之間的弧線距離，即可判斷師生之間的相對位置，從而實(shí)現(xiàn)師生位置的聚類功能，具體原理如圖1所示。

圖中，A、B分別為球面上兩點(diǎn)，角（Ja-Jb）為兩點(diǎn)之間的經(jīng)度差，角Wa為點(diǎn)A的緯度，角Wb為點(diǎn)B的緯度，AB之間的球面弧線距離可用公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)點(diǎn)A和B分別表示教師和學(xué)生的位置，R為球體的半徑，Ja-Jb為A、B兩點(diǎn)的經(jīng)度夾角，Wa-Wb為A、B兩點(diǎn)的緯度夾角。若以位置A作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，通過對位置B和位置A的比較，設(shè)定一個(gè)合理的閾值，即可判斷學(xué)生是否在教師附近，即是否在教室內(nèi)。而手機(jī)GPS位置實(shí)時(shí)更新，又可以動(dòng)態(tài)更新學(xué)生的位置，以此判斷學(xué)生是否離開教室。此處，教師的GPS位置為聚類中心，多個(gè)學(xué)生的GPS為對比點(diǎn)，形成了位置聚類的效果。

2.位置聚類簽到應(yīng)用設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，在實(shí)際課堂簽到中，其應(yīng)用框架如圖2所示，該架構(gòu)包含教師端、學(xué)生端和云端。當(dāng)教師發(fā)起簽到時(shí)，教師端會(huì)發(fā)送GPS位置至云端的服務(wù)器上。學(xué)生端點(diǎn)擊簽到時(shí)，會(huì)把各自的GPS位置同樣發(fā)送至云端。云端服務(wù)器收到學(xué)生位置后，將其與教師位置進(jìn)行計(jì)算，從而得出每個(gè)學(xué)生與教師的物理距離，并以此作為考勤的依據(jù)。只要教師不停止簽到，學(xué)生不退出簽到程序，那么服務(wù)器會(huì)定時(shí)讀取這兩者的位置，從而實(shí)現(xiàn)追蹤功能。據(jù)此，教師可在手機(jī)及電腦上實(shí)時(shí)追蹤學(xué)生是否離開教室。

3.位置聚類簽到邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)上述框架，實(shí)現(xiàn)基于位置聚類的簽到按照先后順序有如下三個(gè)步驟。

（1）教師位置信息的采集

如圖3所示，教師發(fā)起簽到時(shí)，教師端會(huì)自動(dòng)讀取教師手機(jī)的GPS位置以及所簽到課程的基本信息，并以此生成簽到記錄ID。該簽到記錄ID將會(huì)與教師的GPS位置數(shù)據(jù)一同存入云服務(wù)端中。簽到記錄ID是實(shí)現(xiàn)聚類簽到登錄功能的關(guān)鍵，云端據(jù)此ID可判斷教師是否開啟簽到，以及是針對哪門課程的簽到，從而直接跳轉(zhuǎn)至針對當(dāng)前課程的簽到界面。

（2）學(xué)生位置信息的采集

如圖4所示，當(dāng)學(xué)生點(diǎn)擊簽到時(shí)，學(xué)生端將自動(dòng)發(fā)送學(xué)生手機(jī)的MAC地址和GPS位置數(shù)據(jù)，其中MAC地址用于獲取數(shù)據(jù)庫中與該手機(jī)已綁定的學(xué)號，手機(jī)MAC地址的全球唯一性，可確保一部手機(jī)對應(yīng)一個(gè)學(xué)號，這可避免一位學(xué)生用多部手機(jī)替其他學(xué)生簽到的情況。待服務(wù)器接收到學(xué)生簽到請求時(shí)，先判斷學(xué)號是否正確，再讀取云端文件中的最新簽到記錄ID，連同學(xué)生GPS位置數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，再將該學(xué)生的GPS位置與教師的GPS位置，應(yīng)用公式（1）進(jìn)行計(jì)算，從而得到學(xué)生與教師的相對距離，根據(jù)位置閾值來判斷是否在教室范圍內(nèi)。

（3）簽到信息的驗(yàn)證邏輯

簽到成功后，學(xué)生位置的實(shí)時(shí)追蹤則由云服務(wù)端系統(tǒng)通過Ajax刷新，不斷檢查中間文件來實(shí)現(xiàn)，其邏輯如圖5所示。

由圖5可知，云端系統(tǒng)在自我刷新過程中讀取最新簽到記錄ID，從數(shù)據(jù)庫中重新獲取學(xué)生的簽到位置，再次調(diào)用位置聚類算法檢驗(yàn)是否在教師附近，并將其結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在云端或教師APP上。只要教師未結(jié)束簽到，Web端就會(huì)不斷獲取學(xué)生的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤學(xué)生位置的功能。如果學(xué)生因?yàn)樘厥馇闆r未能完成簽到，教師可根據(jù)情況在云端對簽到記錄進(jìn)行手動(dòng)修改。

● 實(shí)證分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，本文使用Android和Java EE技術(shù)開發(fā)了一套基于位置聚類的課堂簽到系統(tǒng)，該系統(tǒng)由教師端APP、學(xué)生端APP和云端Web系統(tǒng)組成。開發(fā)完成后，系統(tǒng)部署于阿里云服務(wù)器上，其訪問地址為http：//118.24.85.183：8080/wcall，界面如圖6所示。

從圖6可知，系統(tǒng)可成功按照GPS進(jìn)行簽到，橙色大頭釘代表教師位置，紅色小頭釘代表簽到成功的學(xué)生，藍(lán)色小頭釘代表簽到失敗的學(xué)生，紫色大圓代表簽到成功范圍。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，筆者將該系統(tǒng)應(yīng)用至南京審計(jì)大學(xué)信息管理專業(yè)本科教學(xué)的課堂點(diǎn)名中。

1.實(shí)證對象

所選實(shí)證課堂為南京審計(jì)大學(xué)信息管理專業(yè)于2017—2018學(xué)年上學(xué)期開設(shè)的“信息系統(tǒng)開發(fā)工具”課程，參與對象為1位任課教師和27位信息管理專業(yè)本科生。

2.實(shí)證過程與驗(yàn)證方法

實(shí)證過程由教師和學(xué)生共同參與，教師和學(xué)生事先安裝好簽到APP，由教師發(fā)起簽到，學(xué)生自行簽到。系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果則使用系統(tǒng)可用性尺度算法（System Usability Scale，SUS）來評估。SUS是由Brooke[10]于1986年編制，量表包含了5個(gè)奇數(shù)項(xiàng)的正面陳述和5個(gè)偶數(shù)項(xiàng)的反面陳述，要求參與者在使用系統(tǒng)或產(chǎn)品后對每個(gè)題目進(jìn)行評分。

基于SUS規(guī)則，筆者設(shè)計(jì)了一份問卷來收集本科生對該系統(tǒng)有效性和易用性的評價(jià)。該問卷由10個(gè)問題組成，每個(gè)問題對應(yīng)的答案均對應(yīng)一個(gè)1～5之間的數(shù)值，將這10道題目的分值按照SUS的計(jì)算規(guī)則相加，最終得到一個(gè)1～100之間的分?jǐn)?shù)。當(dāng)SUS的平均得分大于68分時(shí)，系統(tǒng)的易用性超過平均水平。問卷的具體內(nèi)容可通過網(wǎng)址https：//www.wjx.cn/jq/99808664.aspx查看。在進(jìn)行問卷調(diào)查之前，該實(shí)證并未告訴學(xué)生SUS的具體規(guī)則，僅僅簡單告知該套系統(tǒng)的使用方法，以確保結(jié)果的客觀真實(shí)。

3.結(jié)果和討論

經(jīng)過實(shí)證，本實(shí)驗(yàn)共收回27份有效問卷，經(jīng)過計(jì)算，SUS值為71.0，該分?jǐn)?shù)超過68分，這意味著該簽到應(yīng)用系統(tǒng)有效且易于使用。此外，根據(jù)調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果，測試對象對該套系統(tǒng)具有較高的認(rèn)可度，學(xué)生首次使用對簽到模式可能會(huì)因不熟悉流程而影響簽到時(shí)間，但經(jīng)過多次簽到后，簽到時(shí)間均穩(wěn)定在1分鐘左右。同時(shí)，通過學(xué)生的走動(dòng)，實(shí)驗(yàn)也觀察到了系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤學(xué)生的實(shí)時(shí)位置。由此可知，本文提出的位置聚類方法可極大提高課堂簽到的效率。

● 結(jié)論

本文首先對目前高校的主流課堂簽到方式進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，然后結(jié)合目前高校教育信息化全面普及的現(xiàn)狀，利用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)對高校課堂簽到進(jìn)行了流程重組，并提出了基于GPS的位置聚類方法，在該方法上設(shè)計(jì)了一種基于位置聚類的簽到方法。最后，筆者將該方法應(yīng)用至南京審計(jì)大學(xué)本科教學(xué)的實(shí)際簽到中，進(jìn)行了實(shí)證分析，并設(shè)計(jì)了基于SUS方法的調(diào)查問卷，對參與簽到的27名本科生進(jìn)行問卷調(diào)查，通過計(jì)算得到了該系統(tǒng)的SUS值為71.0，該分值表明，系統(tǒng)功能有效且易用，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)證也表明，基于位置聚類的簽到系統(tǒng)可以極大提高課堂簽到效率，真正實(shí)現(xiàn)課堂簽到的自動(dòng)化。然而通過實(shí)證也發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)暫時(shí)還不支持多位教師同時(shí)發(fā)起簽到的應(yīng)用情況，要將該系統(tǒng)應(yīng)用至更大范圍的課堂簽到中，還需要考慮多教師和多課程等復(fù)雜情況，這些將是該方法大規(guī)模應(yīng)用之前需要解決的重要問題。

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作者簡介：唐明偉，系主任，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼?/p>