唐明偉　蘇翠

摘要：本文首先對目前高校課堂的簽到方法進行了分析，針對現有方法的不足，結合“互聯網+”時代信息技術的應用特點，對高校課堂簽到進行了流程重組，并提出了面向課堂簽到的GPS位置聚類方法，最后通過實證分析指出了驗證方法的有效性。

關鍵詞：課堂簽到;位置聚類;GPS定位;云服務

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

● 引言

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

移動互聯網技術的飛速發(fā)展以及教學環(huán)境的全面信息化，催生了各種新穎的自動化簽到方式。目前，國外高校主要通過SaaS教學平臺來實現簽到。以美國北德克薩斯大學為例，該校應用Canvas平臺進行教學管理。教師通過該平臺的簽到模塊，將學生的到課情況記錄在系統(tǒng)中實現簽到。然而，這種方式僅解決了簽到信息的存儲和利用問題，它在本質上依然是傳統(tǒng)簽到模式。Canvas平臺在美國高校應用較為廣泛，因此該校的點名方式具有一定的代表性。國內部分高校則已經采用了便攜的分布式簽到方式。以“藍墨云班課”簽到APP為例，教師在手機上根據課程發(fā)起簽到后，學生即可在手機上自行簽到，軟件將自動收集和匯總簽到記錄，完成簽到。該方式可以解決因人數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，學術界對簽到也做了大量研究。國外主要結合生物識別技術進行簽到信息的采集。文獻1提出了一種基于人臉識別的自動考勤系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過安裝在教室前部的攝像頭連續(xù)拍攝學生的圖像，將檢測圖像中的面部與數據庫中預存的學生照片進行對比，從而判斷學生是否出勤。[1]文獻2提出了一種能夠將參與者映射到座位圖的考勤管理系統(tǒng)，學生需要用到兩張FeliCa卡和一部Android智能手機，使用時一張卡放在手機正面，另外一張卡放在手機反面，兩張卡與手機必須始終保持接觸表明學生在位置上。[2]文獻3則提出了一種通過掃描學生指紋來進行考勤的系統(tǒng)。[3]國內的研究形式則較為多樣。文獻4設計了基于APP Inventor的GPS課堂點名應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用GPS定位技術實現準確定位，但所用的網絡微數據庫的服務器是公用的，可能會發(fā)生應用數據被別的應用覆蓋的情況。[4]文獻5設計了基于WIFI的高校課堂考勤系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過獲取手機的MAC地址，來確保一部手機只能簽到一次。[5]文獻6設計了一種防替代遠程簽到系統(tǒng)，通過登錄用戶的IP地址和實時捕獲人臉圖像兩種技術進行身份驗證，實現了遠程簽到和防替代功能。[6]

綜上所述，應用領域對簽到系統(tǒng)的設計針對性不強，而且并未準確地實現身份識別、位置定位及實時追蹤等功能，學術領域雖已做了初步嘗試，但部分研究實施成本較高，同時還會面臨因人數較多而引起簽到秩序混亂的問題，如指紋識別簽到要求學生掃描指紋，這不可避免地會影響課堂的教學秩序。部分研究雖然也利用了手機的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校互聯網和智能手機全面普及的現狀，提出了一種通過對比教師和學生GPS位置的方式來實現簽到的方法。

● 移動互聯時代的教育信息化應用現狀

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，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，要大力建設我國信息化發(fā)展，以信息化驅動現代化。經過近5年的建設，我國的信息化程度有了明顯的提升。2020年4月中國互聯網絡信息中心（CNNIC）發(fā)布的第45次《中國互聯網絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》顯示，截至2020年3月，我國網民規(guī)模為9.04億，互聯網普及率達64.5%，網民中使用手機上網的比例達到99.3%。[7]在網絡硬件建設的基礎上，以信息為中心，以網絡為媒介，任何人都可以進行高效互動[8]，這同時也為教育信息化的發(fā)展奠定了基礎。

2.教育信息化的大力建設

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行動計劃》，計劃提出了到2022年實現“三全兩高一大”的發(fā)展目標。[9]在這一計劃的支持下，經過數字化、智能化的資源平臺、管理平臺和服務平臺建設，眾多高校擁有了基礎網絡建設和硬件設施，校園網已經普遍達到了較大規(guī)模，基本可以為校園內的所有教學樓提供網絡接入，公共區(qū)域及重要區(qū)域也均實現了無線網絡全覆蓋，這為高校課堂的信息化提供了良好的軟硬件基礎。

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現了全面信息化，高校學生幾乎人手一部具有GPS模塊可以接入互聯網的智能手機，無處不在的校園網絡又為學生接入互聯網提供了便利的環(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APP，師生之間可以方便地進行交流，這些均為新型的課堂簽到及教學方式創(chuàng)造了條件。

● 移動互聯時代基于GPS位置聚類的簽到方法

1.基于GPS的位置聚類方法

從上述現狀可知，目前高校師生人手一部具有GPS模塊的智能手機，可輕易獲取師生的大體位置，據此本文提出了基于GPS的位置聚類方法。該方法以教師GPS位置為中心，通過比較學生與教師的相對距離，來判斷學生是否出勤。從地理學角度而言，GPS位置為地球表面的經緯度坐標信息，將地球抽象成一個球體后，一個GPS位置可表示為地球上的一個點。通過手機GPS，可以將教師和任一學生抽象成球面上的兩個點，那么通過計算球面上這兩個點之間的弧線距離，即可判斷師生之間的相對位置，從而實現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，角（Ja-Jb）為兩點之間的經度差，角Wa為點A的緯度，角Wb為點B的緯度，AB之間的球面弧線距離可用公式（1）進行計算。

假設點A和B分別表示教師和學生的位置，R為球體的半徑，Ja-Jb為A、B兩點的經度夾角，Wa-Wb為A、B兩點的緯度夾角。若以位置A作為標準點，通過對位置B和位置A的比較，設定一個合理的閾值，即可判斷學生是否在教師附近，即是否在教室內。而手機GPS位置實時更新，又可以動態(tài)更新學生的位置，以此判斷學生是否離開教室。此處，教師的GPS位置為聚類中心，多個學生的GPS為對比點，形成了位置聚類的效果。

2.位置聚類簽到應用設計

根據上述原理，在實際課堂簽到中，其應用框架如圖2所示，該架構包含教師端、學生端和云端。當教師發(fā)起簽到時，教師端會發(fā)送GPS位置至云端的服務器上。學生端點擊簽到時，會把各自的GPS位置同樣發(fā)送至云端。云端服務器收到學生位置后，將其與教師位置進行計算，從而得出每個學生與教師的物理距離，并以此作為考勤的依據。只要教師不停止簽到，學生不退出簽到程序，那么服務器會定時讀取這兩者的位置，從而實現追蹤功能。據此，教師可在手機及電腦上實時追蹤學生是否離開教室。

3.位置聚類簽到邏輯設計

根據上述框架，實現基于位置聚類的簽到按照先后順序有如下三個步驟。

（1）教師位置信息的采集

如圖3所示，教師發(fā)起簽到時，教師端會自動讀取教師手機的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將會與教師的GPS位置數據一同存入云服務端中。簽到記錄ID是實現聚類簽到登錄功能的關鍵，云端據此ID可判斷教師是否開啟簽到，以及是針對哪門課程的簽到，從而直接跳轉至針對當前課程的簽到界面。

（2）學生位置信息的采集

如圖4所示，當學生點擊簽到時，學生端將自動發(fā)送學生手機的MAC地址和GPS位置數據，其中MAC地址用于獲取數據庫中與該手機已綁定的學號，手機MAC地址的全球唯一性，可確保一部手機對應一個學號，這可避免一位學生用多部手機替其他學生簽到的情況。待服務器接收到學生簽到請求時，先判斷學號是否正確，再讀取云端文件中的最新簽到記錄ID，連同學生GPS位置數據存入數據庫中，再將該學生的GPS位置與教師的GPS位置，應用公式（1）進行計算，從而得到學生與教師的相對距離，根據位置閾值來判斷是否在教室范圍內。

（3）簽到信息的驗證邏輯

簽到成功后，學生位置的實時追蹤則由云服務端系統(tǒng)通過Ajax刷新，不斷檢查中間文件來實現，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，從數據庫中重新獲取學生的簽到位置，再次調用位置聚類算法檢驗是否在教師附近，并將其結果實時顯示在云端或教師APP上。只要教師未結束簽到，Web端就會不斷獲取學生的位置信息，從而實現實時追蹤學生位置的功能。如果學生因為特殊情況未能完成簽到，教師可根據情況在云端對簽到記錄進行手動修改。

● 實證分析

根據上述設計，本文使用Android和Java EE技術開發(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生，藍色小頭釘代表簽到失敗的學生，紫色大圓代表簽到成功范圍。為了驗證系統(tǒng)的實際運行效果，筆者將該系統(tǒng)應用至南京審計大學信息管理專業(yè)本科教學的課堂點名中。

1.實證對象

所選實證課堂為南京審計大學信息管理專業(yè)于2017—2018學年上學期開設的“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.實證過程與驗證方法

實證過程由教師和學生共同參與，教師和學生事先安裝好簽到APP，由教師發(fā)起簽到，學生自行簽到。系統(tǒng)的實際運行效果則使用系統(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個奇數項的正面陳述和5個偶數項的反面陳述，要求參與者在使用系統(tǒng)或產品后對每個題目進行評分。

基于SUS規(guī)則，筆者設計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。該問卷由10個問題組成，每個問題對應的答案均對應一個1～5之間的數值，將這10道題目的分值按照SUS的計算規(guī)則相加，最終得到一個1～100之間的分數。當SUS的平均得分大于68分時，系統(tǒng)的易用性超過平均水平。問卷的具體內容可通過網址https：//www.wjx.cn/jq/99808664.aspx查看。在進行問卷調查之前，該實證并未告訴學生SUS的具體規(guī)則，僅僅簡單告知該套系統(tǒng)的使用方法，以確保結果的客觀真實。

3.結果和討論

經過實證，本實驗共收回27份有效問卷，經過計算，SUS值為71.0，該分數超過68分，這意味著該簽到應用系統(tǒng)有效且易于使用。此外，根據調查問卷統(tǒng)計結果，測試對象對該套系統(tǒng)具有較高的認可度，學生首次使用對簽到模式可能會因不熟悉流程而影響簽到時間，但經過多次簽到后，簽到時間均穩(wěn)定在1分鐘左右。同時，通過學生的走動，實驗也觀察到了系統(tǒng)能夠準確跟蹤學生的實時位置。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。

● 結論

本文首先對目前高校的主流課堂簽到方式進行了優(yōu)缺點分析，然后結合目前高校教育信息化全面普及的現狀，利用移動互聯技術對高校課堂簽到進行了流程重組，并提出了基于GPS的位置聚類方法，在該方法上設計了一種基于位置聚類的簽到方法。最后，筆者將該方法應用至南京審計大學本科教學的實際簽到中，進行了實證分析，并設計了基于SUS方法的調查問卷，對參與簽到的27名本科生進行問卷調查，通過計算得到了該系統(tǒng)的SUS值為71.0，該分值表明，系統(tǒng)功能有效且易用，達到了預期的設計目標。實證也表明，基于位置聚類的簽到系統(tǒng)可以極大提高課堂簽到效率，真正實現課堂簽到的自動化。然而通過實證也發(fā)現，系統(tǒng)暫時還不支持多位教師同時發(fā)起簽到的應用情況，要將該系統(tǒng)應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雜情況，這些將是該方法大規(guī)模應用之前需要解決的重要問題。

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[10]John Brooke.Usability Evaluation in Industry[M].United Kingdom：Taylor & Francis，1996：189-194.

作者簡介：唐明偉，系主任，副教授，博士研究生，研究方向為智能信息處理。