劉湘煜

（長沙理工大學物理與電子科學學院，長沙 410114）

0 引言

現(xiàn)階段普遍存在于高校教育中的問題，首當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，一個教師不僅肩負著科研任務，還需要管理多個班級，應到課人數(shù)的大大增加，使得高校課堂的管理并不輕松。相比于中小學教育的嚴格管理，高等教育更傾向于讓學生自主學習與自主管理。也因此，高校課堂的教學質量往往與學生自主性更為相關。換言之，教師不能再像中小學教育那樣督促管理學生，而今，很多大學生經過了高中緊繃神經的學習生活都有所松懈，往往自主學習與自律能力還沒有跟進，寶貴的時間卻已經流失殆盡。學生們有些自控能力不強，都有或多或少的原因對于課堂教學內容的吸收鞏固有所欠缺。

在高等教育中的學風建設中，如何有效保證到課率，是本課題的重心。目前，各大高校普遍所認可和采用的學分評定方式，往往由考試分與平時分結合。旨在檢驗學生平時課堂是否認真，以及課堂表現(xiàn)情況。管理的理念方向并沒有問題，難點在于教師無暇顧及所有的學生。

當今大數(shù)據(jù)時代，互聯(lián)網(wǎng)已經深入各行各業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)+更是各個行業(yè)的階段性目標。隨著移動設備的爆炸式增長，互聯(lián)網(wǎng)的層次更加豐富，重心也逐漸轉移。教育事業(yè)作為國家的根基之一，理應緊跟時代，通過互聯(lián)網(wǎng)+來更為合理的提高教學質量與秩序[1]。

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

（1）射頻技術（RFID），通過無線電訊號識別特定目標并讀寫該目標的相關數(shù)據(jù)。同時輔以拍照檢測，確保簽到的高效與準確性。不過由于需要大量的基站鋪設，使得前期成本過高，并沒有普及開來。

（2）基于移動設備的位置信息服務（LBS），主要是網(wǎng)絡定位與GPS定位，有著低成本，方便普及的優(yōu)點。

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

（4）基于二維碼的簽到，通過掃描二維碼識別用戶ID，保證每臺手機簽到一個人，有著方便快捷的優(yōu)點，缺點是限制條件太少，虛假簽到情況較為嚴重[4]。

本課題基于互聯(lián)網(wǎng)+的思想，利用如今已經大面積普及的智能手機移動端，提供一個簡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，減輕教師負擔。

1 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1.1 需求分析

（1）主要業(yè)務功能需求

主要業(yè)務功能是為了提供一個方便簡介的課堂管理的移動端平臺，有效減少教師當堂考勤所需時間，簡化流程，同時準確高效的上傳學生簽到信息?？偨Y已有的智能考勤方式，設計系統(tǒng)的思路為：結合大眾化的二維碼技術和手機終端提供的LBS服務來完成考勤。確保學生考勤的準確率，也簡化教師的操作流程。

（2）LBS服務基本功能需求

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

1.2 基于Wi-Fi位置指紋的室內定位技術

由于課堂考勤基本在諸如教學樓的室內中完成，因此室內定位技術尤為重要。相對于室外定位，室內環(huán)境復雜、多徑效應嚴重。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，是室內定位方法的首要考慮。本章主要對室內定位的相關原理進行研究，為后文研究做理論鋪墊[7]。

（1）室內定位原理分類

現(xiàn)階段的室內定位算法從原理上來講，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信號的場景分析，其核心思想是將不易測量的位置信息和容易測量的信號特征建立映射。即在提供室內定位服務空間（如Wi-Fi、基站）設置參考點，在參考點處采集信號特征參數(shù)（如信號強度）建立位置指紋數(shù)據(jù)庫。定位時，將接收到的信號特征參數(shù)與指紋庫中位置指紋數(shù)據(jù)進行相似度計算，最后獲取待定位目標空間位置信息。該方法僅需要少許的輔助節(jié)點，定位精度高，但前期必須采集眾多的位置指紋數(shù)據(jù)來創(chuàng)建指紋數(shù)據(jù)庫，而且易受環(huán)境影響。

（3）基于Wi-Fi位置指紋的室內定位技術

本系統(tǒng)使用的百度LBS服務，其主要采用基于Wi-Fi位置指紋的室內定位技術。Wi-Fi信號的本質是電磁波，因此，在傳輸過程中由于折射、散射、多徑效應等現(xiàn)象被大氣吸收，產生能量衰減。Wi-Fi信號在大氣傳播中其能量衰減可與傳輸距離建立關聯(lián)關系。

由Wi-Fi信號的路徑損耗傳播模型可知，RSSI（接收的信號強度指示）會隨著傳播距離的增加逐漸衰減，當室內存在障礙物時，信號會受到遮擋，強度的衰減也不再規(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，能同時獲取到多個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AP的RSSI數(shù)據(jù)，為基于Wi-Fi實現(xiàn)室內定位提供可能。目前，基于Wi-Fi的室內定位技術按照定位原理可以分為：基于信號傳播模型的室內定位和基于位置指紋算法的室內定位。

（4）基于RSSI的測距原理

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

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

在上述公式兩邊取對數(shù)可得：

將發(fā)送功率帶入公式可得

其中A為信號傳輸1m遠時接收信號的功率。而左半邊等式為接收信號功率轉化為dBm的表達式，可以直接寫成：

以實驗室內為測試環(huán)境，最近的路由器Wi-Fi名為“201”。當終端與路由器距離為1m時，掃描Wi-Fi的RSSI數(shù)據(jù)如圖1。

圖1

得到A值為-26，此時選取離路由器為2m的一點進行再測量，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。

隨意選取室內一點，進行第三次測量，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)，可算出此時距離為4.35m，實際測量距離約為4.2m，誤差在可接受范圍以內。

當多個Wi-Fi熱點的位置信息已確定的情況下，通過終端對不同Wi-Fi熱點的RSSI值測距，以此來獲得平面坐標系上的坐標，也就是大致算出終端在室內的位置信息了。

1.3 系統(tǒng)框架設計

教學輔助平臺體系結構如圖4所示。平臺從邏輯上分為三層，包括數(shù)據(jù)層、中間層、用戶層。

圖4教學輔助平臺系統(tǒng)框架圖

（1）用戶層

用戶層是用戶進行直接交互的界面，基于Android操作系統(tǒng)；由于移動端的位置服務需求，本系統(tǒng)調用了百度的Android LBS SDK，它包含一個定位SDK和地圖SDK，主要負責獲取移動端的位置信息并顯示當前位置。二維碼采用ZXing提供的開源項目，用以通過提供信息來繪制二維碼，同時項目中也包含了掃碼解析，使得位置信息能夠快速準確的解讀并進行操作。

（2）中間層

這一層主要是業(yè)務邏輯的實現(xiàn)，主要負責數(shù)據(jù)的封裝和解析以及使用網(wǎng)絡協(xié)議進行服務器與客戶端的信息交互。本系統(tǒng)采用HTTP與JSON數(shù)據(jù)格式來構建，實現(xiàn)交互功能。HTTP協(xié)議具有簡單快速、無連接、無狀態(tài)、數(shù)據(jù)靈活等特點，通過調用Android SDK中集成的HttpOk方法來具體實現(xiàn)。JSON是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換模式，相比較于XML來說，JSON沒有嚴格的閉合標簽，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)絡傳輸壓力，更適合移動端用戶。

（3）數(shù)據(jù)層

這一層主要儲存了本系統(tǒng)可能用到的大部分數(shù)據(jù)，用于接收應用層的數(shù)據(jù)，并對相應的操作返回結果。包括：課堂信息、學生信息、教師信息等。

1.4 系統(tǒng)功能設計

課堂考勤系統(tǒng)是以提升教學質量，維持課堂秩序為目標，學生教師為使用對象，維護課堂管理為基礎的平臺。根據(jù)系統(tǒng)需求分析，移動客戶端分為用戶管理模塊、課堂考勤模塊、課堂管理模塊構成。

用戶管理模塊包含登錄、設置等系統(tǒng)基礎功能；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位置服務支持，同時也使得考勤流程的準確性得以保證；課堂管理模塊則提供了考勤結果的可視化，同時也為教師提供了記錄學生評分的功能，用以學期末的平時分評定，大大減少教師的課堂負擔。

圖5教學輔助平臺功能模塊圖

（1）用戶管理模塊

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

（2）課堂考勤模塊

程序通過百度SDK調用LBS服務，提供移動端的位置信息。位置信息與課堂ID等信息結合為基礎，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)庫中相應的表中生成初始簽到信息。學生通過掃碼得到信息并向數(shù)據(jù)庫申請操作，完成考勤。

圖6考勤過程

（3）課堂管理模塊

此模塊只對教師可見，可用于查看當前課堂到課情況，實時記錄學生課堂行為并評分，同時也可在課后查看課堂信息。評分最終記入統(tǒng)計，用于學期末平時分依據(jù)。

2 測試

2.1 室內定位與距離計算

當教師生成二維碼時則視為發(fā)起簽到，此時記錄教師經緯度。學生掃碼時，通過本地獲取的經緯度與教師經緯度進行距離計算，得到掃碼距離。

設教師經度為a1，緯度為b1，學生經度為a2，緯度為b2，地球橢圓長半軸為t。考慮到調用的LBS定位服務使用的是WGS84坐標系，t取值6378137.0米

實際考勤過后，獲得掃碼距離如表1，其中教師經緯度為 113.011042、28.06285。

表1網(wǎng)絡定位（室內定位）

2.2 考勤結果測試

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

而學生點擊掃碼簽到跳轉到調用相機界面進行拍照，并獲取縮略圖保存，然后進行二維碼解析。考慮到課堂中教師與最遠學生的距離，將考勤距離設置為50米，既掃碼距離在50米以內則視為已簽到。

學生簽到完成后，教師可進行查看，如圖8所示。

圖7教師界面

圖8掃碼結果查看

2.3 響應時間

在系統(tǒng)中分別對教師端和學生端進行響應時間測試，教師端響應時間為從點擊生成二維碼到數(shù)據(jù)庫中生成學生初始簽到信息為止，學生端響應時間為從掃碼成功后到更新數(shù)據(jù)庫中簽到值為止。響應時間單位為毫秒（ms）。

根據(jù)十次測試結果，學生端響應時間最大為0.308秒，最小為0.112秒，平均0.241秒。

教師端響應時間最大為0.636秒，最小為0.063秒，平均0.353秒。

學生端響應時間較穩(wěn)定且快速，可滿足實際需求。

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

3 結語

在本系統(tǒng)的設計過程中，分析了時代趨勢下教育模式與互聯(lián)網(wǎng)融合的必要性，互聯(lián)網(wǎng)+教學模式是對傳統(tǒng)教學模式的探索創(chuàng)新。教師能夠精簡考勤流程，節(jié)省時間，以達到充分利用課堂上的寶貴時間，提升教學的質量，促進學生的學習積極性與學習效率的目的。為教師提供一套適用于當下的教學軟件，能進一步改善課堂學生學習的規(guī)范，有效提高學校的工作效率及管理水平，對學校督促教學質量的提升有所幫助。

保證了課堂的質量，同時也有利于學生課后鞏固，對學風建設也是益處頗多。同時本系統(tǒng)在教師和學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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