陳智文，黃智偉

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，人們獲取知識(shí)的方式和途徑發(fā)生了巨大的變化，帶來的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”使得在線教育用戶數(shù)量不斷攀升，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。在線教育不受時(shí)間、空間和地點(diǎn)條件的限制，通過對(duì)線下學(xué)習(xí)模式中的授課內(nèi)容進(jìn)行電子化、視頻化，大大提高了學(xué)習(xí)的便利性。受新冠肺炎疫情影響，2020年春季學(xué)期延期開學(xué)，我國近3億師生根據(jù)教育部“停課不停學(xué)”的要求開展了史上最大規(guī)模的群體在線學(xué)習(xí)，全國本科高校108萬教師開出課程合計(jì)1 719萬門次，在線學(xué)習(xí)的大學(xué)生共計(jì)35億人次[1]。

1 研究現(xiàn)狀與問題

在線教學(xué)最核心的本質(zhì)是學(xué)習(xí)者學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)[2]。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)投入程度顯著影響其學(xué)業(yè)成績和認(rèn)知發(fā)展[3]。在線學(xué)習(xí)是一種需要學(xué)習(xí)者具有高度自覺性的學(xué)習(xí)，沒有實(shí)體課堂，教師的“氣場(chǎng)”無法有效帶動(dòng)學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)者難以及時(shí)告知學(xué)習(xí)困難，教師也無法隨時(shí)感受到學(xué)習(xí)者的眼神和表情[4]。

在開展在線教育的過程中，網(wǎng)絡(luò)中的功能元素太過多樣化，信息量十分龐大，導(dǎo)致自控力不足的學(xué)習(xí)者無法專心學(xué)習(xí)，在打開在線教育平臺(tái)的同時(shí)可能打開娛樂軟件。學(xué)習(xí)者習(xí)慣于傳統(tǒng)的面授課堂，當(dāng)置身于虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中時(shí)難免出現(xiàn)目標(biāo)偏離、學(xué)習(xí)效率低下等情況。當(dāng)學(xué)習(xí)者的行為指向背離學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)往往不能像在傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)時(shí)那樣及時(shí)被教師矯正，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)所謂的信息迷航現(xiàn)象，學(xué)習(xí)者不愿或不能自覺回到計(jì)劃的學(xué)習(xí)進(jìn)程中。在線學(xué)習(xí)的這一特殊性決定了監(jiān)督的重要性。

目前各大在線教育平臺(tái)的監(jiān)督學(xué)習(xí)功能有限，部分平臺(tái)如釘釘、雨課堂、騰訊課堂等僅有打卡簽到功能，只能確定學(xué)習(xí)者進(jìn)入了在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)平臺(tái)，不能確定是不是本人打卡，且學(xué)習(xí)者打卡后是否一直在屏幕前也無從得知。當(dāng)教師一對(duì)多進(jìn)行學(xué)習(xí)指導(dǎo)時(shí)，學(xué)習(xí)過程更是難以監(jiān)督，無法保證每個(gè)學(xué)習(xí)者都能認(rèn)真學(xué)習(xí)在線教學(xué)內(nèi)容，當(dāng)學(xué)習(xí)者出現(xiàn)異常學(xué)習(xí)行為時(shí)，教師無法及時(shí)提醒及糾正。

2 系統(tǒng)的功能描述

針對(duì)在線學(xué)習(xí)中教師一對(duì)多授課時(shí)無法進(jìn)行有效監(jiān)督的情況，本文提出一種監(jiān)督管理系統(tǒng)，可應(yīng)用在移動(dòng)端及PC端，全自動(dòng)監(jiān)督學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程，當(dāng)出現(xiàn)異常學(xué)習(xí)行為時(shí)進(jìn)行警報(bào)提醒。

異常學(xué)習(xí)行為主要包括：其他人代上課，非活人上課（貼本人照片），上課中途離開、睡覺；在理論課程直播過程中，學(xué)習(xí)端設(shè)備顯示內(nèi)容包含非教師講授視頻窗口；在計(jì)算機(jī)實(shí)際操作課程中（教師未開啟課件窗口），打開非教師允許使用的軟件。

本系統(tǒng)能夠協(xié)助教師對(duì)學(xué)習(xí)者的在線學(xué)習(xí)行為進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督，對(duì)學(xué)習(xí)者的異常學(xué)習(xí)行為進(jìn)行警示及記錄，協(xié)助教師管理學(xué)習(xí)者，提高教師在線教學(xué)效率及學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)效率。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的在線學(xué)習(xí)監(jiān)督輔助系統(tǒng)，包括學(xué)習(xí)端、教學(xué)端、后臺(tái)管理三大部分。數(shù)據(jù)挖掘是一種決策支持過程，它主要基于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)庫、可視化技術(shù)等高度自動(dòng)化地分析數(shù)據(jù)，作出歸納性的推理，從中挖掘出潛在的模式，幫助決策者調(diào)整策略，減少風(fēng)險(xiǎn)，作出正確的決策。

本系統(tǒng)監(jiān)督檢測(cè)所采用的技術(shù)就是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘就是通過分析每個(gè)數(shù)據(jù)，從大量數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律，主要有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、規(guī)律尋找和規(guī)律表示3個(gè)步驟。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是從相關(guān)的數(shù)據(jù)源中選取所需的數(shù)據(jù)并整合成用于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)集；規(guī)律尋找是用某種方法將數(shù)據(jù)集所含的規(guī)律找出來；規(guī)律表示是盡可能以用戶可理解的方式（如可視化）將找出的規(guī)律表示出來。本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為教學(xué)端、學(xué)習(xí)端的頁面信息，利用學(xué)習(xí)端學(xué)習(xí)頁面信息具有一定統(tǒng)一性這一特征進(jìn)行聚類等算法分析，從而挖掘?qū)W習(xí)端異常學(xué)習(xí)行為信息。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見圖1。學(xué)習(xí)端包括人臉活體檢測(cè)模塊、頁面檢測(cè)模塊、應(yīng)用程序識(shí)別模塊、流量檢測(cè)模塊、信用度模塊和警報(bào)模塊。在給每位學(xué)習(xí)者設(shè)置信用度的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過人臉活體檢測(cè)模塊對(duì)學(xué)習(xí)端學(xué)習(xí)者的唯一性進(jìn)行確認(rèn)，通過頁面檢測(cè)模塊對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)頁面的統(tǒng)一性進(jìn)行檢測(cè)，在學(xué)習(xí)者需要自行練習(xí)操作時(shí)，通過異常程序識(shí)別及異常流量檢測(cè)來確保學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的真實(shí)性，否則，發(fā)出警報(bào)。教學(xué)端包括應(yīng)用程序控制模塊和警報(bào)記錄模塊。對(duì)于需要實(shí)操的課程，教師可自行設(shè)置被允許的應(yīng)用程序，對(duì)學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)異常行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、記錄、分析。后臺(tái)管理用于連接和控制學(xué)習(xí)端、教學(xué)端，儲(chǔ)存并記錄學(xué)習(xí)者的所有信息。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)學(xué)習(xí)端出現(xiàn)異常學(xué)習(xí)行為時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)，根據(jù)相應(yīng)的異常學(xué)習(xí)行為在學(xué)習(xí)設(shè)備上彈出不同的對(duì)話框進(jìn)行警示，具體見圖2。

圖2 學(xué)習(xí)端警報(bào)彈窗圖

在教學(xué)端教學(xué)設(shè)備上也會(huì)有相應(yīng)警示記錄提示（見圖3），并實(shí)時(shí)更新。當(dāng)有學(xué)習(xí)者出現(xiàn)多次警示記錄時(shí)，教師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行點(diǎn)名提醒。

圖3 教學(xué)端警示記錄顯示圖

4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

4.1 信用度模塊設(shè)計(jì)

信用度模塊由學(xué)習(xí)者使用系統(tǒng)學(xué)習(xí)的累計(jì)時(shí)長與學(xué)習(xí)者接收到的警報(bào)次數(shù)加權(quán)所得，它反映了學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)自覺性的高低。信用度模型見第131頁圖4，信用度=k1×信用度1+k2×信用度2。

圖4 信用度模型圖

本系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)者監(jiān)督的頻率、信息采集的頻率會(huì)根據(jù)信用度的高低而變化。信用度越高系統(tǒng)采集信息的頻率越低，信用度越低系統(tǒng)采集信息的頻率越高。也就是說長時(shí)間使用本系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)督后，對(duì)于未檢測(cè)到任何不良學(xué)習(xí)行為的信用度高的學(xué)習(xí)者，沒有必要頻繁進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率會(huì)從原始的5 s/次逐步降低為600 s/次，若后期檢測(cè)到該學(xué)習(xí)者做出了不良的學(xué)習(xí)行為，造成信用度降低，那么檢測(cè)頻率又會(huì)從600 s/次逐步上升；對(duì)于頻繁檢測(cè)到不良學(xué)習(xí)行為的信用度低的學(xué)習(xí)者，檢測(cè)頻率可能一直會(huì)保持最高頻率5 s/次。

4.2 人臉活體識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

目前人臉識(shí)別技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)用廣泛，在在線教育行業(yè)主要被應(yīng)用于在線考試，如職教云考試模塊、阿里培訓(xùn)考試模塊、駕照考試等。人臉活體識(shí)別模塊除了“識(shí)人”外還“識(shí)真”，也就是說在系統(tǒng)面前不僅要確保這張臉是這個(gè)人的臉，還要確保這張臉是活體的人臉，而不是圖片、視頻或帶著面具的人臉?！白R(shí)真”可以通過眨眼、搖頭、點(diǎn)頭等組合動(dòng)作驗(yàn)證用戶是否為真實(shí)活體本人，最大程度監(jiān)督和確保是學(xué)習(xí)者本人在進(jìn)行學(xué)習(xí)。

本系統(tǒng)會(huì)不定時(shí)通過學(xué)習(xí)端攝像頭采集學(xué)習(xí)者圖像，與原始登記照片進(jìn)行匹配，使用人臉關(guān)鍵點(diǎn)定位和人臉追蹤等技術(shù)“識(shí)人”“識(shí)真”。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到面部識(shí)別不匹配、無頭像、非活人等情況時(shí)，學(xué)習(xí)端會(huì)彈出提示框進(jìn)行相應(yīng)的警報(bào)提醒。人臉活體識(shí)別流程見圖5。

圖5 人臉活體識(shí)別流程圖

4.3 頁面檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

目前的頁面檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于在線考試防作弊機(jī)制，使用固有頻率截屏或錄屏，人為監(jiān)控查看異常防止作弊，或者進(jìn)行頁面跳出檢測(cè)，當(dāng)跳出當(dāng)前頁面時(shí)會(huì)自動(dòng)記錄及提醒。本系統(tǒng)的頁面檢測(cè)模塊主要針對(duì)在線理論課程，當(dāng)教學(xué)端與學(xué)習(xí)端頁面內(nèi)容顯示一致時(shí)，根據(jù)學(xué)習(xí)者信用度以自適應(yīng)的頻率對(duì)學(xué)習(xí)端設(shè)備進(jìn)行截屏，使用聚類分析的算法，與教學(xué)端的頁面進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，發(fā)出警報(bào)。學(xué)習(xí)者最小化、關(guān)閉教師直播分享頁面或者是瀏覽其他頁面等與教師頁面顯示不一致的情況均能通過頁面檢測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)。頁面檢測(cè)流程見圖6。

圖6 頁面檢測(cè)流程圖

4.4 應(yīng)用程序識(shí)別模塊和流量檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于實(shí)際操作的課程，當(dāng)教師講授完理論部分后學(xué)習(xí)者需要使用PC端自己動(dòng)手操作，教學(xué)端與學(xué)習(xí)端的頁面顯示不可能一直保持一致，此時(shí)已不能使用頁面檢測(cè)模塊，故提出應(yīng)用程序識(shí)別模塊與流量檢測(cè)模塊。教師通過應(yīng)用程序控制模塊開放課程所需的一部分應(yīng)用程序權(quán)限，如“C語言程序設(shè)計(jì)”課程開放VC++使用權(quán)限，“信息技術(shù)基礎(chǔ)”課程開放Office使用權(quán)限等。當(dāng)學(xué)習(xí)端開啟了非教學(xué)端允許的應(yīng)用程序時(shí)，系統(tǒng)則發(fā)出警報(bào)。考慮到有些課程需要用到瀏覽器查找資料，為避免學(xué)習(xí)者通過瀏覽器在線觀看視頻，故補(bǔ)充流量檢測(cè)模塊，對(duì)于流量使用異常情況系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出警報(bào)并記錄。應(yīng)用程序識(shí)別和流量檢測(cè)流程見第132頁圖7。

圖7 應(yīng)用程序識(shí)別和流量檢測(cè)流程圖

4.5 警報(bào)模塊設(shè)計(jì)

通過各檢測(cè)模塊檢測(cè)，當(dāng)學(xué)習(xí)端出現(xiàn)面部識(shí)別不匹配及無頭像、頁面與教學(xué)端頁面不匹配、使用非教師授權(quán)的應(yīng)用程序、流量使用異常等情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行彈框提醒。當(dāng)學(xué)習(xí)者收到警示彈框提醒時(shí)只能停止異常學(xué)習(xí)行為，否則系統(tǒng)會(huì)不斷彈出警示窗口，警示次數(shù)不斷累積。后臺(tái)也會(huì)對(duì)日期、姓名、班級(jí)、時(shí)間、警報(bào)異常項(xiàng)、累計(jì)次數(shù)、截屏異常圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、記錄，方便教師對(duì)教學(xué)情況進(jìn)行分析。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

本系統(tǒng)根據(jù)在線統(tǒng)一教學(xué)過程中學(xué)習(xí)端頁面某種程度的一致性，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為學(xué)習(xí)過程的監(jiān)督做好了軟件條件的準(zhǔn)備，手機(jī)端/PC端的普及為本系統(tǒng)的應(yīng)用做好了硬件條件的準(zhǔn)備。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1）自適應(yīng)控制檢測(cè)頻率，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。本系統(tǒng)首次提出學(xué)習(xí)信用度概念，信用度由學(xué)習(xí)者使用系統(tǒng)學(xué)習(xí)的累計(jì)時(shí)長與學(xué)習(xí)者接收到的警報(bào)次數(shù)加權(quán)所得，將學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)自覺性進(jìn)行量化，劃分信用等級(jí)。根據(jù)信用等級(jí)自適應(yīng)地控制系統(tǒng)檢測(cè)頻率，例如對(duì)于自覺性強(qiáng)的學(xué)習(xí)者，可以降低監(jiān)督頻率；對(duì)于自覺性弱的學(xué)習(xí)者，更有針對(duì)性地進(jìn)行監(jiān)督，從而有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，提升傳輸效率。

2）監(jiān)督檢測(cè)適用條件廣泛。在線課程不管是統(tǒng)一上的理論課程還是實(shí)際操作課程，本系統(tǒng)均能進(jìn)行有效監(jiān)督。針對(duì)理論課程，教學(xué)端與學(xué)習(xí)端頁面必然保持一致，通過頁面檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)督；針對(duì)實(shí)際操作課程，通過應(yīng)用程序識(shí)別模塊及流量檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)督。

3）異常學(xué)習(xí)行為檢測(cè)廣泛。本系統(tǒng)的監(jiān)督檢測(cè)貫穿于教師統(tǒng)一在線授課的全過程，包括學(xué)習(xí)者身份的確認(rèn)，是否出現(xiàn)其他人或假人代替上課，學(xué)習(xí)者是否睡覺、消失；在教師講授課程時(shí)，學(xué)習(xí)端展示的頁面是否跟教學(xué)端頁面保持一致，學(xué)習(xí)者是否打開了其他窗口，是否關(guān)閉了教師課程展示的窗口；當(dāng)教師允許學(xué)習(xí)者自行操作時(shí)，學(xué)習(xí)者是否打開了其他無關(guān)軟件等。本系統(tǒng)對(duì)整個(gè)在線教學(xué)實(shí)行全過程監(jiān)督，最大程度監(jiān)控學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為。

6 結(jié)束語

本文提出一種在線學(xué)習(xí)監(jiān)督輔助系統(tǒng)，在計(jì)算學(xué)習(xí)信用度的基礎(chǔ)上，通過人臉活體檢測(cè)、頁面檢測(cè)、警報(bào)等模塊分析在線學(xué)習(xí)者的異常學(xué)習(xí)行為。本系統(tǒng)能夠推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的普及，對(duì)自覺性不強(qiáng)的低、中、高年級(jí)的在線學(xué)習(xí)者均能進(jìn)行監(jiān)督，從而提高學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)的自律性。