劉湘煜

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

現(xiàn)階段普遍存在于高校教育中的問題，首當(dāng)其沖的就是課堂效率以及課后鞏固。由于高等教育資源的稀缺，一個(gè)教師不僅肩負(fù)著科研任務(wù)，還需要管理多個(gè)班級(jí)，應(yīng)到課人數(shù)的大大增加，使得高校課堂的管理并不輕松。相比于中小學(xué)教育的嚴(yán)格管理，高等教育更傾向于讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)與自主管理。也因此，高校課堂的教學(xué)質(zhì)量往往與學(xué)生自主性更為相關(guān)。換言之，教師不能再像中小學(xué)教育那樣督促管理學(xué)生，而今，很多大學(xué)生經(jīng)過了高中緊繃神經(jīng)的學(xué)習(xí)生活都有所松懈，往往自主學(xué)習(xí)與自律能力還沒有跟進(jìn)，寶貴的時(shí)間卻已經(jīng)流失殆盡。學(xué)生們有些自控能力不強(qiáng)，都有或多或少的原因?qū)τ谡n堂教學(xué)內(nèi)容的吸收鞏固有所欠缺。

在高等教育中的學(xué)風(fēng)建設(shè)中，如何有效保證到課率，是本課題的重心。目前，各大高校普遍所認(rèn)可和采用的學(xué)分評(píng)定方式，往往由考試分與平時(shí)分結(jié)合。旨在檢驗(yàn)學(xué)生平時(shí)課堂是否認(rèn)真，以及課堂表現(xiàn)情況。管理的理念方向并沒有問題，難點(diǎn)在于教師無(wú)暇顧及所有的學(xué)生。

當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)深入各行各業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)+更是各個(gè)行業(yè)的階段性目標(biāo)。隨著移動(dòng)設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的層次更加豐富，重心也逐漸轉(zhuǎn)移。教育事業(yè)作為國(guó)家的根基之一，理應(yīng)緊跟時(shí)代，通過互聯(lián)網(wǎng)+來(lái)更為合理的提高教學(xué)質(zhì)量與秩序[1]。

目前，就課堂考勤的現(xiàn)狀來(lái)說，大部分高校還是采取的教師口頭點(diǎn)名，再通過手寫記錄來(lái)維持學(xué)生到課率。同時(shí)，少部分教育先鋒梯隊(duì)也曾嘗試不同的“智能考勤”方式。

（1）射頻技術(shù)（RFID），通過無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫該目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)輔以拍照檢測(cè)，確保簽到的高效與準(zhǔn)確性。不過由于需要大量的基站鋪設(shè)，使得前期成本過高，并沒有普及開來(lái)。

（2）基于移動(dòng)設(shè)備的位置信息服務(wù)（LBS），主要是網(wǎng)絡(luò)定位與GPS定位，有著低成本，方便普及的優(yōu)點(diǎn)。

（3）基于手機(jī)藍(lán)牙的智能考勤，與射頻技術(shù)相似，但是省去了前期大量鋪設(shè)基站的過程，以教師的手機(jī)作為基站，大大減少了成本。

（4）基于二維碼的簽到，通過掃描二維碼識(shí)別用戶ID，保證每臺(tái)手機(jī)簽到一個(gè)人，有著方便快捷的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是限制條件太少，虛假簽到情況較為嚴(yán)重[4]。

本課題基于互聯(lián)網(wǎng)+的思想，利用如今已經(jīng)大面積普及的智能手機(jī)移動(dòng)端，提供一個(gè)簡(jiǎn)便快捷的考勤與課堂管理方式。望能有效提高高校課堂效率，減輕教師負(fù)擔(dān)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 需求分析

（1）主要業(yè)務(wù)功能需求

主要業(yè)務(wù)功能是為了提供一個(gè)方便簡(jiǎn)介的課堂管理的移動(dòng)端平臺(tái)，有效減少教師當(dāng)堂考勤所需時(shí)間，簡(jiǎn)化流程，同時(shí)準(zhǔn)確高效的上傳學(xué)生簽到信息?？偨Y(jié)已有的智能考勤方式，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的思路為：結(jié)合大眾化的二維碼技術(shù)和手機(jī)終端提供的LBS服務(wù)來(lái)完成考勤。確保學(xué)生考勤的準(zhǔn)確率，也簡(jiǎn)化教師的操作流程。

（2）LBS服務(wù)基本功能需求

分析移動(dòng)端定位的需求，課堂考勤基本在室內(nèi)活動(dòng)，GPS在室內(nèi)的效果并不理想，而考慮到高校自身或者各大通信商已經(jīng)建立了完備的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，所以Wi-Fi定位與GPS定位相結(jié)合，再輔以基站定位。三種定位方式，可根據(jù)用戶不同的條件來(lái)選擇合適的定位方法，進(jìn)而得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果[7]。

1.2 基于Wi-Fi位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)

由于課堂考勤基本在諸如教學(xué)樓的室內(nèi)中完成，因此室內(nèi)定位技術(shù)尤為重要。相對(duì)于室外定位，室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、多徑效應(yīng)嚴(yán)重。而考慮到Wi-Fi覆蓋面廣、速度快、成本低及環(huán)境依賴性小等眾多優(yōu)點(diǎn)，是室內(nèi)定位方法的首要考慮。本章主要對(duì)室內(nèi)定位的相關(guān)原理進(jìn)行研究，為后文研究做理論鋪墊[7]。

（1）室內(nèi)定位原理分類

現(xiàn)階段的室內(nèi)定位算法從原理上來(lái)講，可以歸納為四類：鄰近信息法、位置指紋定位法、幾何特征法和航位推算法。其中幾何特征法按照建立幾何模型的不同又可以細(xì)分為：基于圓周定位、基于三角定位和基于雙曲線定位的模型。

（2）位置指紋定位法

位置指紋定位法通?；谏漕l信號(hào)的場(chǎng)景分析，其核心思想是將不易測(cè)量的位置信息和容易測(cè)量的信號(hào)特征建立映射。即在提供室內(nèi)定位服務(wù)空間（如Wi-Fi、基站）設(shè)置參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)處采集信號(hào)特征參數(shù)（如信號(hào)強(qiáng)度）建立位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。定位時(shí)，將接收到的信號(hào)特征參數(shù)與指紋庫(kù)中位置指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度計(jì)算，最后獲取待定位目標(biāo)空間位置信息。該方法僅需要少許的輔助節(jié)點(diǎn)，定位精度高，但前期必須采集眾多的位置指紋數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，而且易受環(huán)境影響。

（3）基于Wi-Fi位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)

本系統(tǒng)使用的百度LBS服務(wù)，其主要采用基于Wi-Fi位置指紋的室內(nèi)定位技術(shù)。Wi-Fi信號(hào)的本質(zhì)是電磁波，因此，在傳輸過程中由于折射、散射、多徑效應(yīng)等現(xiàn)象被大氣吸收，產(chǎn)生能量衰減。Wi-Fi信號(hào)在大氣傳播中其能量衰減可與傳輸距離建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

由Wi-Fi信號(hào)的路徑損耗傳播模型可知，RSSI（接收的信號(hào)強(qiáng)度指示）會(huì)隨著傳播距離的增加逐漸衰減，當(dāng)室內(nèi)存在障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)受到遮擋，強(qiáng)度的衰減也不再規(guī)律，不同位置獲取AP的RSSI也存在差異。通常在某一固定位置，能同時(shí)獲取到多個(gè)AP的RSS數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)也存在差異。正是由于在不同距離上可以接收不同RSSI數(shù)據(jù)和同一空間位置上可以接收到多個(gè)AP的RSSI數(shù)據(jù)，為基于Wi-Fi實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位提供可能。目前，基于Wi-Fi的室內(nèi)定位技術(shù)按照定位原理可以分為：基于信號(hào)傳播模型的室內(nèi)定位和基于位置指紋算法的室內(nèi)定位。

（4）基于RSSI的測(cè)距原理

為了得到RSSI與距離r之間的關(guān)系，首先可知無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率與接收功率之間的關(guān)系式如下[10]：

其中：PR為無(wú)線信號(hào)的接收功率；Pr為無(wú)線信號(hào)的發(fā)射功率；r為收發(fā)單元之間的距離；n為傳播因子，取決于無(wú)線信號(hào)傳播的環(huán)境。

在上述公式兩邊取對(duì)數(shù)可得：

將發(fā)送功率帶入公式可得

其中A為信號(hào)傳輸1m遠(yuǎn)時(shí)接收信號(hào)的功率。而左半邊等式為接收信號(hào)功率轉(zhuǎn)化為dBm的表達(dá)式，可以直接寫成：

以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)為測(cè)試環(huán)境，最近的路由器Wi-Fi名為“201”。當(dāng)終端與路由器距離為1m時(shí)，掃描Wi-Fi的RSSI數(shù)據(jù)如圖1。

圖1

得到A值為-26，此時(shí)選取離路由器為2m的一點(diǎn)進(jìn)行再測(cè)量，掃描到Wi-Fi的RSSI值如圖2。

圖2

代入r值為2m，則得出系數(shù)n為2.66。

隨意選取室內(nèi)一點(diǎn)，進(jìn)行第三次測(cè)量，掃描到Wi-Fi的RSSI值如圖3。

圖3

根據(jù)以上得到的數(shù)據(jù)，可算出此時(shí)距離為4.35m，實(shí)際測(cè)量距離約為4.2m，誤差在可接受范圍以內(nèi)。

當(dāng)多個(gè)Wi-Fi熱點(diǎn)的位置信息已確定的情況下，通過終端對(duì)不同Wi-Fi熱點(diǎn)的RSSI值測(cè)距，以此來(lái)獲得平面坐標(biāo)系上的坐標(biāo)，也就是大致算出終端在室內(nèi)的位置信息了。

1.3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

教學(xué)輔助平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。平臺(tái)從邏輯上分為三層，包括數(shù)據(jù)層、中間層、用戶層。

圖4教學(xué)輔助平臺(tái)系統(tǒng)框架圖

（1）用戶層

用戶層是用戶進(jìn)行直接交互的界面，基于Android操作系統(tǒng)；由于移動(dòng)端的位置服務(wù)需求，本系統(tǒng)調(diào)用了百度的Android LBS SDK，它包含一個(gè)定位SDK和地圖SDK，主要負(fù)責(zé)獲取移動(dòng)端的位置信息并顯示當(dāng)前位置。二維碼采用ZXing提供的開源項(xiàng)目，用以通過提供信息來(lái)繪制二維碼，同時(shí)項(xiàng)目中也包含了掃碼解析，使得位置信息能夠快速準(zhǔn)確的解讀并進(jìn)行操作。

（2）中間層

這一層主要是業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的封裝和解析以及使用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行服務(wù)器與客戶端的信息交互。本系統(tǒng)采用HTTP與JSON數(shù)據(jù)格式來(lái)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)交互功能。HTTP協(xié)議具有簡(jiǎn)單快速、無(wú)連接、無(wú)狀態(tài)、數(shù)據(jù)靈活等特點(diǎn)，通過調(diào)用Android SDK中集成的HttpOk方法來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。JSON是一種輕量級(jí)的數(shù)據(jù)交換模式，相比較于XML來(lái)說，JSON沒有嚴(yán)格的閉合標(biāo)簽，故而有效數(shù)據(jù)比例更高，減少了同等數(shù)據(jù)量下的網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，更適合移動(dòng)端用戶。

（3）數(shù)據(jù)層

這一層主要儲(chǔ)存了本系統(tǒng)可能用到的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，用于接收應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)的操作返回結(jié)果。包括：課堂信息、學(xué)生信息、教師信息等。

1.4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

課堂考勤系統(tǒng)是以提升教學(xué)質(zhì)量，維持課堂秩序?yàn)槟繕?biāo)，學(xué)生教師為使用對(duì)象，維護(hù)課堂管理為基礎(chǔ)的平臺(tái)。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，移動(dòng)客戶端分為用戶管理模塊、課堂考勤模塊、課堂管理模塊構(gòu)成。

用戶管理模塊包含登錄、設(shè)置等系統(tǒng)基礎(chǔ)功能；課堂考勤模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，它包含了地圖的顯示與定位，二維碼的繪制與解析，不僅為系統(tǒng)提供基本的LBS位置服務(wù)支持，同時(shí)也使得考勤流程的準(zhǔn)確性得以保證；課堂管理模塊則提供了考勤結(jié)果的可視化，同時(shí)也為教師提供了記錄學(xué)生評(píng)分的功能，用以學(xué)期末的平時(shí)分評(píng)定，大大減少教師的課堂負(fù)擔(dān)。

圖5教學(xué)輔助平臺(tái)功能模塊圖

（1）用戶管理模塊

考慮到管理的便捷性，系統(tǒng)的用戶名與學(xué)號(hào)、教職工號(hào)掛鉤。服務(wù)器提供一個(gè)登錄的接口，師生通過登錄即可查看到個(gè)人信息，并且在系統(tǒng)中進(jìn)行下一步操作。

（2）課堂考勤模塊

程序通過百度SDK調(diào)用LBS服務(wù)，提供移動(dòng)端的位置信息。位置信息與課堂ID等信息結(jié)合為基礎(chǔ)，生成含有效信息的二維碼。生成二維碼則視為發(fā)起簽到，在數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)的表中生成初始簽到信息。學(xué)生通過掃碼得到信息并向數(shù)據(jù)庫(kù)申請(qǐng)操作，完成考勤。

圖6考勤過程

（3）課堂管理模塊

此模塊只對(duì)教師可見，可用于查看當(dāng)前課堂到課情況，實(shí)時(shí)記錄學(xué)生課堂行為并評(píng)分，同時(shí)也可在課后查看課堂信息。評(píng)分最終記入統(tǒng)計(jì)，用于學(xué)期末平時(shí)分依據(jù)。

2 測(cè)試

2.1 室內(nèi)定位與距離計(jì)算

當(dāng)教師生成二維碼時(shí)則視為發(fā)起簽到，此時(shí)記錄教師經(jīng)緯度。學(xué)生掃碼時(shí)，通過本地獲取的經(jīng)緯度與教師經(jīng)緯度進(jìn)行距離計(jì)算，得到掃碼距離。

設(shè)教師經(jīng)度為a1，緯度為b1，學(xué)生經(jīng)度為a2，緯度為b2，地球橢圓長(zhǎng)半軸為t?？紤]到調(diào)用的LBS定位服務(wù)使用的是WGS84坐標(biāo)系，t取值6378137.0米

實(shí)際考勤過后，獲得掃碼距離如表1，其中教師經(jīng)緯度為 113.011042、28.06285。

表1網(wǎng)絡(luò)定位（室內(nèi)定位）

2.2 考勤結(jié)果測(cè)試

教師選擇課時(shí)后，點(diǎn)擊生成二維碼，發(fā)起考勤，此時(shí)在簽到表中生成學(xué)生的初始考勤信息，默認(rèn)為未簽到。生成的二維碼中包含了教師的經(jīng)緯度以及所算課時(shí)，如圖7所示。

而學(xué)生點(diǎn)擊掃碼簽到跳轉(zhuǎn)到調(diào)用相機(jī)界面進(jìn)行拍照，并獲取縮略圖保存，然后進(jìn)行二維碼解析。考慮到課堂中教師與最遠(yuǎn)學(xué)生的距離，將考勤距離設(shè)置為50米，既掃碼距離在50米以內(nèi)則視為已簽到。

學(xué)生簽到完成后，教師可進(jìn)行查看，如圖8所示。

圖7教師界面

圖8掃碼結(jié)果查看

2.3 響應(yīng)時(shí)間

在系統(tǒng)中分別對(duì)教師端和學(xué)生端進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試，教師端響應(yīng)時(shí)間為從點(diǎn)擊生成二維碼到數(shù)據(jù)庫(kù)中生成學(xué)生初始簽到信息為止，學(xué)生端響應(yīng)時(shí)間為從掃碼成功后到更新數(shù)據(jù)庫(kù)中簽到值為止。響應(yīng)時(shí)間單位為毫秒（ms）。

根據(jù)十次測(cè)試結(jié)果，學(xué)生端響應(yīng)時(shí)間最大為0.308秒，最小為0.112秒，平均0.241秒。

教師端響應(yīng)時(shí)間最大為0.636秒，最小為0.063秒，平均0.353秒。

學(xué)生端響應(yīng)時(shí)間較穩(wěn)定且快速，可滿足實(shí)際需求。

而教師端需要生成多條學(xué)生初始簽到信息，所以響應(yīng)時(shí)間偏慢，如果已有初始信息則響應(yīng)時(shí)間偏快，考慮到測(cè)試版本系統(tǒng)中學(xué)生數(shù)量并不多，如果增加學(xué)生數(shù)量，教師端響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該會(huì)比預(yù)期更長(zhǎng)。不過實(shí)際中課堂人數(shù)并不會(huì)太多，響應(yīng)時(shí)間還在可接受范圍內(nèi)，可滿足需求。

3 結(jié)語(yǔ)

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，分析了時(shí)代趨勢(shì)下教育模式與互聯(lián)網(wǎng)融合的必要性，互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)模式是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的探索創(chuàng)新。教師能夠精簡(jiǎn)考勤流程，節(jié)省時(shí)間，以達(dá)到充分利用課堂上的寶貴時(shí)間，提升教學(xué)的質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與學(xué)習(xí)效率的目的。為教師提供一套適用于當(dāng)下的教學(xué)軟件，能進(jìn)一步改善課堂學(xué)生學(xué)習(xí)的規(guī)范，有效提高學(xué)校的工作效率及管理水平，對(duì)學(xué)校督促教學(xué)質(zhì)量的提升有所幫助。

保證了課堂的質(zhì)量，同時(shí)也有利于學(xué)生課后鞏固，對(duì)學(xué)風(fēng)建設(shè)也是益處頗多。同時(shí)本系統(tǒng)在教師和學(xué)生之間建立了更加緊密的聯(lián)系，讓師生交流溝通不再限于課堂，更是教育發(fā)展的必要。

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