教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下智慧無感知考勤系統(tǒng)研究與應用

摘 "要 "教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，智慧無感知考勤系統(tǒng)的構(gòu)建成為提升教學管理效率的關鍵舉措。研究旨在探討一種基于人臉識別技術的智慧考勤系統(tǒng)，系統(tǒng)在不被用戶察覺的情況下，通過動態(tài)人臉識別終端進行實時掃描和抓拍，從而自動完成課堂考勤并迅速反饋結(jié)果。系統(tǒng)的設計和應用有效解決傳統(tǒng)考勤方法中存在的效率低下、考勤不實和學生逃課率高等問題。智慧考勤系統(tǒng)的實施，不僅為智慧教學環(huán)境的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)基礎，也為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了實踐案例和理論參考。

關鍵詞 "教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型；智慧無感知考勤；人臉識別技

術；智慧教學環(huán)境

中圖分類號：G647 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）24-00-07

0 "引言

黨的二十大首次將“教育數(shù)字化”寫進報告，提出“推進教育數(shù)字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國”，為新時代新征程進一步發(fā)展教育數(shù)字化指明了方向。2023年2月，世界數(shù)字教育大會在北京召開，以“數(shù)字變革與教育未來”為主題，圍繞數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字學習資源開發(fā)與應用、師生數(shù)字素養(yǎng)提升、教育數(shù)字治理等進行深入交流探討，并發(fā)布中國智慧教育藍皮書和智慧教育發(fā)展指數(shù)、發(fā)布智慧教育平臺標準規(guī)范、發(fā)布成立世界數(shù)字教育聯(lián)盟倡議和世界數(shù)字教育發(fā)展合作倡議等，獲得國際社會積極關注[1]。教育數(shù)字化是數(shù)字化技術在教育場景中的應用，教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以理解為在5G環(huán)境下，以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)為載體，以數(shù)字資源為關鍵要素，數(shù)字技術與教育要素深度融合，推動教育變革創(chuàng)新的過程[2]。教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成功標志是人機融合，學生和教師都得到更好的發(fā)展。

面對學校教學環(huán)境的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，重點是5G、

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術的應用，通過優(yōu)化和升級基礎設施、硬件設備、網(wǎng)絡條件、智能工具、學習平臺等，持續(xù)建設智慧校園、智慧教室和智慧生活場所，其中智慧考勤系統(tǒng)建設就是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的課堂考勤方式是教師或?qū)W委點名，這種方式不僅會耗費大量的課堂教學時間和教師上課的精力，還會存在學生冒名頂替、中途逃課等現(xiàn)象，整個操作過程易導致教學效率低下、教學效果不顯著[3] ?；谛乱淮畔⒓夹g，依托物聯(lián)網(wǎng)控制技術，人臉識別技術在日常生活中得到了廣泛應用，如刷臉支付、身份驗證、門禁系統(tǒng)等。相較于指紋等生物特征，臉部特征更易于采集，具有非強制性、精準度高等特點，特別在后疫情時代，避免直接接觸其他使用者和設備的數(shù)據(jù)收集方式，不僅更衛(wèi)生，還能提高數(shù)據(jù)采集效率。

人臉識別技術相較于對硬件要求較高的虹膜技術等而言，信息采集難度相對較低，也較為成熟[4]。

隨著信息技術與大數(shù)據(jù)的發(fā)展，以及神經(jīng)網(wǎng)絡具有強大的泛化能力，使得人臉識別的準確度能達到90%以上。這一優(yōu)勢讓人臉識別有機會滲透于生活的方方面面。但目前常運用的個人人臉識別系統(tǒng)依然無法解決課堂考勤效率低等核心問題。

針對傳統(tǒng)校園考勤方式的弊端，提出并設計了一種基于新一代信息技術的智慧考勤系統(tǒng)，采用設置高清可變焦距監(jiān)控攝像頭的方式，通過人臉識別技術、物聯(lián)網(wǎng)控制技術和自動化技術，進一步提高教學效率和學生自主學習的積極性。互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)控制技術、大數(shù)據(jù)分析技術等在教學環(huán)境中的廣泛應用，體現(xiàn)了新一代信息技術與教育教學全方位的深度融合，推動了教育教學系統(tǒng)性變革，實現(xiàn)精準推送，優(yōu)化教學服務質(zhì)量和效率，使傳統(tǒng)教室建設朝著智慧化、精細化、人性化的方向發(fā)展。

1 "研究現(xiàn)狀

隨著信息技術的發(fā)展，自動化考勤系統(tǒng)實現(xiàn)的方式主要分為兩大類，一類是基于物聯(lián)網(wǎng)，另一類是基于生物特征識別[5]。目前主流的考勤方式有人工紙質(zhì)考勤、一卡通電子考勤、手機掃碼考勤、人臉識別考勤等。

人工紙質(zhì)考勤存在統(tǒng)計和處理數(shù)據(jù)效率低、缺乏及時反饋和動態(tài)跟蹤功能等問題，限制了班主任對缺勤嚴重的學生進行有效督促、警示和教育的能力，進而影響學風的改善和教學質(zhì)量的提升[6]。相較于傳統(tǒng)的人工考勤技術，數(shù)字識別考勤技術更為準確、高效和及時，自動化程度高，如沈小鳳等[7]研究的基于射頻識別（RFID）技術的課堂考勤系統(tǒng)，可以簡單快速地自動點到和記錄到課人數(shù)。

人臉識別技術作為生物特征識別領域中一種基于生理特征的識別，是通過計算機提取人臉特征，并根據(jù)這些特征進行身份驗證的一種技術[8] 。該技術是以人的生物特征作為數(shù)據(jù)的集合，并對其進行非接觸性識別的方法，具有廣泛性、唯一性、非接觸性、穩(wěn)定性、可采集性等特點，比其他特征識別具有更獨特的優(yōu)勢[9]。收集的信息更全面、更安全，并且在實際應用中也會更靈活方便[10]。 在人臉識別課堂考勤系統(tǒng)研究中，荊洲等[11]提出利用人的面部信息來確定身份，比指紋和虹膜識別更易于采集樣本，設備部署成本也較低，但是該系統(tǒng)的實現(xiàn)算法較為落后，準確率不足。

通過文獻分析，智慧考勤的技術主要集中在物聯(lián)網(wǎng)及生物特征技術，考勤方式主要是記錄到課人數(shù)。智能無感知考勤系統(tǒng)在技術上綜合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)應用、區(qū)塊鏈等新一代信息技術，通過無感、智能感知的方式實現(xiàn)，除了能記錄到課人數(shù)，還能精準統(tǒng)計每個學生的出勤時間、分析每門課的出勤率，并進行精確的信息推送。智慧無感知考勤系統(tǒng)的創(chuàng)新應用進一步完善了國內(nèi)智慧考勤生態(tài)，經(jīng)過一段時間的試點應用，結(jié)合考勤補登等手段，考勤準確率可達100%。

2 "智慧無感知考勤系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

在智慧教學環(huán)境的構(gòu)建中，面向5G的智慧考勤系統(tǒng)扮演著核心角色。廣東工業(yè)大學智慧考勤系統(tǒng)基于曠視科技算法的優(yōu)化，在用戶無感知的情況下自動完成人臉掃描和抓拍，后臺自動分析統(tǒng)計，生成考勤結(jié)果，并通過企業(yè)號實時推送給教師和學生，解決了傳統(tǒng)考勤的打卡慢、代打卡、代簽以及占用教學時間等問題。系統(tǒng)的識別準確率高達96%，處于國內(nèi)領先水平，結(jié)合企業(yè)號通知和小程序補登機制，考勤率可達100%。整個系統(tǒng)由六大模塊組成，形成完整的生態(tài)鏈，包括樣本采集、人臉識別、智慧考勤、行為分析、精準推送和信息補登，這些模塊協(xié)同工作，構(gòu)成了一個高效、智能、互動的智慧教學管理生態(tài)系統(tǒng)。

2.1 "樣本采集

廣東工業(yè)大學智慧無感知考勤系統(tǒng)中，樣本采集環(huán)節(jié)是確保整個系統(tǒng)高效運作的基礎。該環(huán)節(jié)涉及人臉圖像的采集和特征提取兩個關鍵步驟，旨在獲取清晰、全面的人物圖像樣本，以支持高精度的人臉識別。入學時，學生通過安裝在關鍵位置的高分辨率攝像頭進行臉部圖像采集，這些攝像頭配備自動曝光控制、自動白平衡和增益控制功能，確保在各種光照條件下均能捕獲高質(zhì)量圖像。對于標準容量約100人的教室，攝像頭安置在講臺正上方，以實現(xiàn)對教室內(nèi)所有座位的全覆蓋。在容納約200人的大教室中，除了講臺上方的攝像頭外，還在教室中部增設了額外的攝像頭，確保后排學生也能被有效識別，實現(xiàn)無死角監(jiān)控。這些攝像頭的可變焦距、可旋轉(zhuǎn)特性以及網(wǎng)絡連接功能，使得從教室各個區(qū)域采集的高分辨率圖像能夠迅速傳輸至服務器，為后續(xù)的人臉識別和數(shù)據(jù)分析提供堅實的基礎，確保系統(tǒng)在實際應用中的高度適應性和準確性。攝像頭樣本采集流程的示意圖如圖1所示。

2.2 "人臉識別

智慧無感知考勤系統(tǒng)的核心在于其先進的人臉識別技術，該技術涵蓋人臉檢測、人臉表征、人臉識別、面部表情分析和生理分類等關鍵領域。人臉識別模塊運用物聯(lián)網(wǎng)技術，自動同步教室課程信息，以確?？记趯ο蟮臏蚀_性。在考勤執(zhí)行階段，系統(tǒng)部署的攝像頭陣列持續(xù)進行面部圖像的掃描與抓拍，捕獲包含智慧教學環(huán)境全面信息的學生面部樣本，并對收集到的圖像進行提取，再通過曠視科技算法進行優(yōu)化匹配，根據(jù)提取樣本的年齡、性別、膚色、人臉幾何特征等與后臺人臉特征數(shù)據(jù)庫中存在的圖像樣本進行一一比對并快速分析出考勤結(jié)果。盡管人臉識別技術已經(jīng)相當成熟，但在實際操作中仍會遇到一些挑戰(zhàn)，如照片質(zhì)量不達標、學生未到場、面部遮擋、算法限制等；此外，環(huán)境因素如光照強度、圖像噪點、頭部偏角、臉部大小、情緒變化、飾品遮擋等也會影響識別效果。人臉識別模塊的流程圖如圖2所示。

2.3 "智慧考勤

將上述人臉識別技術應用于教育領域，特別是在廣東工業(yè)大學的智慧無感知考勤系統(tǒng)中，實現(xiàn)了教務管理的現(xiàn)代化和自動化。系統(tǒng)與教務系統(tǒng)深度融合，根據(jù)教室課程的時間和地點信息，自動激活攝像頭進行工作。系統(tǒng)持續(xù)捕捉上課學生的圖像，從中提取人臉數(shù)據(jù)，并分析面部表情和生理特征，然后將這些信息與人臉特征數(shù)據(jù)庫中的記錄進行匹配，以驗證學生的身份信息，包括人臉、姓名、性別和學號。一旦確認信息一致，系統(tǒng)便自動完成考勤并記錄。對于未能被系統(tǒng)自動識別的學生，通過企業(yè)號通知、教師的人工判定以及小程序補登機制來確?？记诘臏蚀_性和完整性。這一過程不僅提高了考勤的準確性，還增強了系統(tǒng)的靈活性和用戶友好性。課程結(jié)束后，系統(tǒng)會自動生成最新的考勤表，為教務管理和教學評估提供實時、準確的數(shù)據(jù)支持?？记诹鞒痰倪壿嫼筒僮鞑襟E如圖3所示。

2.4 "行為分析

在智慧無感知考勤系統(tǒng)的行為分析模塊中，AI智能行為分析技術的應用不僅提升了考勤的自動化水平，還擴展了系統(tǒng)功能，以監(jiān)測和分析學生在課堂上的行為模式。行為分析模塊能夠?qū)崟r捕捉并區(qū)分學生的學習行為（如聽講、應答、舉手、讀寫、互動）和非學習行為（如玩手機、睡覺、吃東西）。通過整合這些行為數(shù)據(jù)，系統(tǒng)生成學生上課行為狀態(tài)的綜合信息，為學生考核和教學方法的改進提供了客觀的數(shù)據(jù)支持。對于學生的非學習行為，系統(tǒng)能夠統(tǒng)計特定課程中學生非學習行為的發(fā)生頻率和持續(xù)時間。例如，在某一節(jié)課上，系統(tǒng)可能記錄到全班有X名學生玩手機超過10分鐘，Y名學生睡覺超過10分鐘。同時，系統(tǒng)還能夠通過數(shù)字畫像構(gòu)建，整合學生的基礎信息、考勤情況和課堂行為數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的學生數(shù)據(jù)識別，進而為每個學生提供個性化的教學方案。這種個性化的教學支持不僅基于學生的出勤情況，還考慮了學生在課堂上的行為表現(xiàn)，使教學更加貼合學生實際需求。

2.5 "精準推送

智慧無感知考勤系統(tǒng)中的精準推送模塊扮演著信息傳遞的關鍵角色。系統(tǒng)通過學校企業(yè)號及短信發(fā)送通知的方式，在上課五分鐘后把智慧無感知考勤的結(jié)果發(fā)送給相應任課教師及考勤對象，以便師生第一時間掌握考勤狀況。與此同時，智慧無感知考勤系統(tǒng)與智慧班牌系統(tǒng)已完成對接。學生不僅可以通過無感考勤系統(tǒng)進行打卡，還可以通過智慧班牌系統(tǒng)進行打卡。此外，智慧班牌系統(tǒng)可與學校一卡通中心、教務處等職能部門對接，通過系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)中臺，對一卡通中心、無感考勤系統(tǒng)等收集到的各類基礎信息進行對接與整合，并通過RESTful API方式為教務處、教師等需求者及時、安全地輸送考勤結(jié)果，如圖4所示。智慧班牌還可取代紙質(zhì)課表，對應課室的所有課表都能在班牌中動態(tài)顯示，并通過兩大系統(tǒng)的后臺分析與統(tǒng)計以數(shù)字化形式呈現(xiàn)不同班級的考勤結(jié)果，為教務部門與任課教師提供極大便利。攝像頭首輪捕捉結(jié)束后，會及時把考勤情況反饋給任課教師和考勤對象，并為考勤失敗對象提供解決方案。教師可通過輸入課程相關信息，在查詢界面收集到需要的數(shù)據(jù)，如上課日期、上課時間、課程名稱、應到人數(shù)、監(jiān)控實際人數(shù)、到課率、抓拍人數(shù)、識別率等。同時，智慧班牌系統(tǒng)還可以實時顯示學校及班級的各類通知信息，顯示正在進行的課程狀態(tài)、課程內(nèi)容，并實時展示日期、時間、溫度、天氣，形成校園智慧考勤系統(tǒng)。

2.6 "信息補登

在確?？记跀?shù)據(jù)的準確性和完整性方面，智慧考勤系統(tǒng)進一步增設了信息補登功能，以增強系統(tǒng)的靈活性和用戶友好性。通過這一功能，學生可以在初次識別失敗后，通過調(diào)整姿態(tài)、減少面部遮擋等方式，請求系統(tǒng)進行二次識別以完成考勤補登。若二次識別仍然無法成功，學生有權(quán)向教師提出異議，教師可在小程序中進行人工判定，并協(xié)助完成補登操作。此外，學生在獲得教師同意后，也可以利用智慧班牌系統(tǒng)進行補登，增加了補登的靈活性和便捷性。針對因人臉特征數(shù)據(jù)庫樣本與學生當前面貌存在較大差異導致的重復識別失敗問題，學生可以通過小程序隨時更新人臉樣本，從而提高識別的準確性。這一設計不僅克服了技術識別的局限性，還體現(xiàn)了系統(tǒng)對用戶體驗的重視。廣東工業(yè)大學的智慧課堂小程序通過整合以上功能為教師和學生提供了專門的操作界面，確保不同角色的用戶都能通過同一平臺獲取所需信息。這樣的設計使考勤管理更加高效，為教學管理和教學決策提供了強有力的數(shù)據(jù)支持，進一步增強了智慧無感知考勤系統(tǒng)的實用性和有效性。

3 "智慧無感知考勤系統(tǒng)的應用與分析

廣東工業(yè)大學智慧無感知考勤系統(tǒng)以人臉識別技術為基礎，可以在用戶無感知的情況下完成考勤，為學生、教師和教務人員提供了全面、及時的考勤信息。系統(tǒng)通過短信、微信推送和電子班牌系統(tǒng)，將每節(jié)課的考勤結(jié)果實時通知給相關方，確保了信息的透明度和可訪問性。此外，系統(tǒng)對課程開始后五分鐘未到的學生自動發(fā)送短信提醒，督促學生及時到課。對于對考勤結(jié)果有異議的學生，系統(tǒng)提供了教師判定功能，判定結(jié)果包括考勤成功、缺勤和請假。教師在每節(jié)課結(jié)束后，針對缺勤學生發(fā)送短信提醒，確保學生及時了解并處理缺勤情況，以免影響最終的考試和成績錄入。學校教務管理人員可以通過智慧無感知考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化界面，清晰地看到每門課的考勤情況，如圖5所示。

3.1 "案例分析

對系統(tǒng)實施前后的考勤數(shù)據(jù)進行了詳細的對比分析。通過后臺數(shù)據(jù)匯總，系統(tǒng)提供了教室、日期、課程、到課情況和監(jiān)測人數(shù)等關鍵信息，使管理人員能夠全面了解考勤系統(tǒng)的整體運行狀況。特別是對大學城校區(qū)的教1-314、教3-204和教1-316三間課室的跟蹤分析，反映了系統(tǒng)在不同教室環(huán)境下的表現(xiàn)。在教3-204這間約200人的大教室中，盡管識別難度較大，但考勤統(tǒng)計表顯示，各門課程的考勤識別率均在95.96%以上。例如，高等數(shù)

學（2）課程的識別率最低為95.96%，平均識別率達到97.94%（表1）。同樣，形勢與政策課程的平均識別率也高達98.79（表2）。

隨著時間的推移，同一門課程的識別率趨于穩(wěn)定并呈現(xiàn)上升趨勢。例如，C語言程序設計課程的識別率從三月份最低93.98%上升至五月份最低98.81%（表3）；材料現(xiàn)代分析與測試技術課程的識別率也從93.90%上升至100%（表4）。

數(shù)據(jù)分析表明，三個教室所有課程的平均識別率達到98.10%，顯示出廣東工業(yè)大學智慧無感知考勤系統(tǒng)在國內(nèi)智慧考勤系統(tǒng)中處于先進水平。通過跟蹤分析，大多數(shù)的課程中未被攝像頭監(jiān)控識別到的學生，是因為人臉庫照片與學生人臉近照差別較大，進而導致無法識別。后期通過小程序進行采集補錄，減少人臉庫照片與學生人臉差距，能有效解決因圖像樣本出入大無法識別等學生缺勤問題，從而形成閉環(huán)。

3.2 "應用效果

智慧無感知考勤系統(tǒng)在廣東工業(yè)大學的應用推進了學校信息化、智慧校園的發(fā)展，并得到了一致好評。高識別度的智慧無感知考勤系統(tǒng)具有極大的推廣價值，能廣泛運用到高校智慧教學環(huán)境的建設當中。相較于以往的考勤方式，它既省時省力，又不干擾正常的教學流程，只需考勤對象進入教室區(qū)域即可完成考勤登記，能有效解決傳統(tǒng)考勤方式存在的工作效率低、學生逃課率高等問題。

3.2.1 "學生層面

系統(tǒng)通過自動搜索比對，就能識別出考勤對象是否在教室之內(nèi)，學生無需任何操作。比手機考勤、ID卡考勤等智能考勤方式更方便快捷，不存在沒有網(wǎng)絡信號造成的無法打卡、打卡時間慢等問題。同時，學生無需任何操作便可通過短信和微信企業(yè)號推送，在第一時間知悉自己的課堂考勤結(jié)果，考勤失敗者可及時實施補登措施。另外，相對于強制性考勤，智慧無感知考勤更強調(diào)引導和指引，引導學生“自覺”“自動”接受考勤，更容易讓學生接受，養(yǎng)成準時到教室上課的良好學習習慣。

3.2.2 "任課教師層面

系統(tǒng)節(jié)省了傳統(tǒng)紙質(zhì)考勤占用的上課時間，提高了課堂效率。同時，任課教師可通過出勤數(shù)據(jù)了解學生所需，及時調(diào)整教學安排與方式，有助于提高學生滿意度，激發(fā)學生學習熱情。對學生曠課、遲到現(xiàn)象進行記錄，有助于更好地開展后面的課程。智慧無感知考勤系統(tǒng)有助于任課教師統(tǒng)計一門課所有學生的考勤情況，更加方便教師實施個性化精準教學。

3.2.3 "教學層面

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析得出的對學校資源管理、教學管理有參考價值的結(jié)論，有助于教學管理部門有效掌握班級的出勤情況和課堂的教學效果。教學管理員可根據(jù)系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)，對經(jīng)常遲到、曠課的學生進行指導教育，減少逃課頻率，并針對學生出勤狀況分析其學習情況。

通過智慧無感知考勤與學生行為分析等數(shù)據(jù)構(gòu)建的學生數(shù)字畫像，有助于快速發(fā)現(xiàn)學生的學習特點，針對不同類型的學生制定個性化教學方案，實現(xiàn)因材施教。研究不僅可以為教師提供教學思路，完善教學方法，還可以讓教務管理者更直觀地了解學生課堂吸收效果。同時，研究還可以實現(xiàn)后期持續(xù)性跟進個性化教學方案的實施效果，并及時作出教學改進，提升教學效率，促進教育教學改革。

3.2.4 "管理層面

智慧無感知考勤能夠促進管理方面的提升，目前高分辨率的攝像頭能精準識別在教室的人員、統(tǒng)計使用教室的人數(shù)，可以作為校園安全管理的技術手段，進行安全預警。同時，借助新一代信息技術，通過大數(shù)據(jù)比對，可以根據(jù)教室的人數(shù)實施節(jié)能策略，定時開關或調(diào)節(jié)教室燈光、空調(diào)、風扇，實現(xiàn)校園節(jié)能管理等，提升智慧校園的治理水平。

4 "結(jié)束語

在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，廣東工業(yè)大學實施的智慧無感知考勤系統(tǒng)，依托新一代信息技術，顯著提升了校園考勤的效率和準確性。系統(tǒng)通過信息化和智慧化的教學設施設備，有效解決了傳統(tǒng)考勤過程中的痛點和難點。系統(tǒng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)對學校的教學管理、智慧校園建設和教室文化建設等方面具有深遠影響。此外，智慧無感知考勤系統(tǒng)的應用潛力不僅限應用于課堂考勤，還可以廣泛推廣到高校的其他應用場景，如宿舍管理、會議簽到等，成為智慧校園建設中不可或缺的一部分。

未來，廣東工業(yè)大學的智慧無感知考勤系統(tǒng)將在節(jié)能管理方面發(fā)揮更大作用。通過高識別度的攝像頭自動識別教室中的自習人數(shù)和就座位置，然后根據(jù)不同的人數(shù)和位置自動調(diào)節(jié)燈光、空調(diào)等設施，進一步完善校園節(jié)能管理體系，為構(gòu)建一個全面的智慧校園生態(tài)系統(tǒng)作出貢獻。

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