“互聯網+”環境下課堂快速簽到實證研究

唐明偉+柏菊

摘要：“互聯網+”概念的提出引發了社會對互聯網應用的新一輪變革，這一變革已經逐漸蔓延到高校課堂內。無處不在的互聯網接入、高度普及的智能手機以及師生信息素養的提高，使得高校已經具備了應用“互聯網+”理念進行高校教學改革的條件。課堂點名是高校課堂的重要教學環節之一，傳統的以教師呼叫學生姓名、學生應答為主的簽到方式，費時費力。針對這個問題，應用“互聯網+”的理念，一種基于“互聯網+手機”的分布式課堂簽到系統被研發，以用于課堂快速簽到的實證研究。經過多輪的教學應用發現，不管班級有多少人，簽到均可以在1分鐘左右完成。實證分析表明，“互聯網+”理念的應用使學生的點名方式由被動點名轉變為主動簽到，極大地提高了課堂點名的效率。

關鍵詞：課堂簽到；互聯網+；教育信息化；實證研究

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2017）23-0089-07

● 引言

簽到是高等院校課堂教學的重要環節，是督促學生按時上課的主要手段。傳統的課堂簽到通常以教師呼叫學生姓名、學生應答為主。這種方式簡單直接，但在人數較多的情況下，會占去大量的課堂教學時間。隨著信息技術的高速發展，教學手段的信息化也得到了全面普及，無論在國外還是國內的課堂上，均出現了能夠實現高效簽到的系統。

目前，發達國家的課堂簽到一般通過學生應答系統來間接實現。而近年來，隨著信息技術的快速發展，課堂簽到手段也呈多樣化發展。文獻1構建了一種基于射頻識別技術（RFID）的簽到系統，系統事先將學生信息寫入一張ID卡中，學生進入課堂時，在相應的讀卡器上刷卡即可完成簽到。[1]文獻2開發了基于近場通訊技術（NFC）的簽到系統，通過該系統，學生只需攜帶具有NFC芯片的智能手機進入課堂范圍內，系統將自動檢測到學生進入的信息，真正實現自動簽到。[2]文獻3開發了面向Web的學生應答系統，學生通過各自的手機瀏覽器就可以訪問系統，根據不同的系統功能實現簽到。國內課堂的簽到方式大部分還停留在人工階段，但學術界對高效率的簽到也做了大量研究。[3]文獻4結合人臉檢測模型和OpenCV技術，實現了基于人臉特征識別的自動簽到方法。[4]文獻5構建了基于短信貓的課堂自動點名系統，實現了通過發送手機短信達到自動簽到的效果。[5]文獻6設計了基于GPS定位的智能手機簽到系統，該系統結合手機位置和學生信息實現自動簽到。[6]文獻7提出了一種基于NFC的課堂簽到方法，學生可以通過刷校園卡的方式完成簽到。[7]

綜上所述，現有的簽到方式多借助互聯網，通過軟硬件結合來實現。該方式的核心思想已經接近“互聯網+”的理念。“互聯網+”即“互聯網+各個傳統行業”的思想，通過充分利用現有軟硬件技術，促成行業基礎設施的大融合，以達到行業再創新的目標，從而進一步提高行業生產力。本文即在這一思想指導下，充分利用高校課堂的各種技術條件，對課堂簽到方式進行再創新，在保證簽到準確率的同時，縮短簽到時間，從而最終提高課堂教學效率。

● “互聯網+”支持的高校信息化環境

1.“互聯網+”概念技術分析

“互聯網+”的概念是由易觀國際董事長于揚在2012年11月第五屆移動互聯網博覽會上首次提出的。[8]隨后，這一概念因2014年11月李克強總理在首屆世界互聯網大會上，將“互聯網+”作為政府工作報告的重要主題而正式進入公眾視野。[9]目前，“跨界融合”“重塑結構”“創新驅動”“開放生態”“尊重人性”和“連接一切”是公認的“互聯網+”六大特征。從現有技術實現角度而言，“互聯網+”的技術實現過程如圖1所示。

在圖1中，互聯網是“+”的基礎連接設施，各種信息技術是“+”的變革手段，行業的各種業務則是“+”的連接對象，通過這三者的有序結合，來達到行業大融合和再創新的目的，從而最終提升行業價值。

2.“互聯網+”環境下高校信息特點

從上述分析可知，“互聯網+”可以認為是互聯網發展到高級階段的應用創新，其實現需要有成熟和廣泛的技術基礎。而我國高校經過多年的信息化建設，顯然具備了實施“互聯網+”的基礎環境，具體特點如下。

（1）無處不在的互聯網訪問

我國自1993年實施“211工程”起，在全國高校拉開了中國高等教育信息化的序幕。時至今日，絕大部分高校已經建立了集有線和無線于一體的校園網，而且校內互聯網訪問費用也在逐漸降低。理論上，在校園的任何一個角落，均可以方便地接入互聯網。

（2）智能手機的普及

據2015年11月德勤發布的《2015中國移動消費者行為》報告統計，截至2015年11月，智能手機擁有率高達86%，人均持有量接近2臺。而在高等院校里，智能手機普及率更高。同時，隨著移動互聯技術的高速發展， WIFI已經成為智能手機的標配，這就為師生可以在校園內隨時隨地訪問互聯網提供了非常便利的工具。

（3）師生信息素養的提高

教育信息化的全面建設促進了學生和教師計算機水平的全面提高。同時，新引進教師隊伍的博士，往往具備較高的計算機水平，其中不乏專業的軟件研發人才。這就為更高級的物聯網、大數據、數據挖掘等高端技術的研發和應用奠定了扎實的基礎。

這三方面的有序整合，恰好滿足了教育大融合的基本條件。有了學生人手一臺的智能手機、隨處可訪問的互聯網，再加上針對教學管理的一套應用分析軟件，即可以實現對教學業務全面、集中和準確的數字化管理。而這一目標，正是“互聯網+教育”的體現，因此，高校已經具備掀起一場“互聯網+”變革的條件。

● 分布式課堂簽到系統設計

1.分布式簽到業務分析

傳統簽到點名的最大問題在于會占據較多的課堂時間，而通過上述分析可知，教師完全可以充分利用互聯網，讓學生主動簽到，以此實現分布式地收集學生的簽到信息，實現快速簽到。實現分布式簽到需要具備三個條件：學生人手一臺能夠接入網絡的手機、有隨時訪問的網絡連接和一套分布式簽到系統。

系統的實施環境如下頁圖2所示，簽到系統由學校部署到校內服務器上，由信息中心進行路由設置，同時面向校園網和互聯網公開。學生通過手機接入網絡訪問簽到系統，通過校園熱點接入校園網，從而訪問系統；同時，也可以3G/4G蜂窩數據直接接入互聯網訪問系統。教師使用系統除了執行簽到外，還需要將結果展示給學生，通過教室的電腦連接簽到系統，并將簽到過程和結果通過投影實時展示給學生。通過這種實施模式，不論學生還是教師均可以方便地訪問簽到系統，確保簽到工作的順利開展。同時，為了最大限度保證簽到的便捷性，系統并不要求學生手機安裝任何APP，通過手機瀏覽器掃描系統提供的二維碼即可執行簽到，主要簽到流程如圖3所示。

根據上述過程，完成準確簽到還需要確定學生與課程以及時間的唯一對應關系。此外，通過互聯網簽到，還需要考慮異地簽到和代簽等問題，因此，本系統至少需要設計如下功能：①系統必須以瀏覽器/服務器模式運行，并提供訪問地址的二維碼。學生不需要安裝任何簽到軟件，僅通過掃描二維碼，使用瀏覽器即可進行簽到。②具有明確的學生、教師和課程的選課關系，能夠確保每次簽到的正確歸屬。③學生和教師可以使用手機或電腦訪問系統，系統將記錄訪問者的IP，并自動識別IP的地域范圍，從而防止異地點名。④學生登錄系統后，僅需提交學號即可實現簽到，能夠支持多位學生同時進行簽到。⑤系統需明確規定，在一次點名過程中，一臺設備僅能簽到一次，以防止代簽。

2.功能設計

根據上述分析，系統的主要功能結構劃分如下頁圖4所示，整個系統劃分為開課管理、學生管理、“互聯網+”應用和簽到管理四大模塊。其中，開課管理、學生管理模塊獨立運行，共同組成簽到對象，是實現分布式簽到的數據基礎；而“互聯網+”應用模塊則內嵌在系統中，是分布式簽到的后臺技術支持。這三個模塊協同工作，在簽到管理模塊的業務流驅動下，最終實現快速簽到。具體的功能設計如下。

（1）開課管理

開課管理用于確定不同學期和不同課程的選課關系，通過學期管理、課程管理和選課三個子模塊來實現。學期和課程管理子模塊即學期和課程基本信息的維護，選課則確定學期和課程的對應開設關系，從事先錄入的學期和課程信息中選擇確定。該模塊由任課教師自行錄入維護，是進行簽到的前期數據準備之一。

（2）學生管理

學生管理用于確定某一選課關系下的學生名單，即簽到名單。這部分數據通常可以從學校教務系統以Excel形式下載獲得，再通過上傳并解析Excel的方式批量導入到系統中。需要說明的是，學生名單不能單純地按照課程導入，這樣無法確認課程與學生的唯一對應關系，因此必須根據開課管理中事先確定好的選課關系進行導入。此外，在實際上課中，通常會遇到學生補選或重修的特殊情況，這類學生的信息一般不在學生名單中，因此需要通過手動錄入的方式在系統中注冊。同時，該模塊還可以對學生的基本信息進行修改和刪除等維護，以應對學生信息出錯或退課等情況。

（3）“互聯網+”應用

“互聯網+”應用模塊是充分利用“互聯網+”的環境特點，保證簽到的便捷性和準確性。便捷性主要體現在二維碼的提供，學生不需要記錄簽到系統的地址，每次上課只要根據指示掃描二維碼即可；準確性則從位置驗證和唯一性驗證兩個角度進行考慮。位置驗證是根據IP地址段判斷學生是否在上課教室范圍內。IP地址有四個段，在同一個網段內容量上限為255，這一數字大約是兩到三間普通教室所能容納的學生總數之和。根據這一特點，如果學生簽到的IP地址與教師IP地址前三位相同，那么就可以視為簽到學生在教室范圍內。由于一般無線路由器的覆蓋范圍在100米左右，即使該生不在教室內，也必定是在教室附近。既然該生已經到了教室附近，在簽到約束下，那么該生也沒有理由不進入教室。因此，根據這一依據，就可以判斷簽到學生是否在場。唯一性驗證則是指一臺設備的IP在同一輪簽到中，只能簽到一次，這一功能通過存儲和匹配簽到IP的方式來實現。

（4）簽到管理

簽到管理模塊是本系統的核心，主要有分布式簽到、簽到記錄查詢和隨機點名功能。

分布式簽到的實現需要先建立教師端、學生端和系統之間的網絡連接。簽到系統事先部署在校園網中，面向校園網和互聯網公開，理論上要求24小時運行。在上課時，教師和學生使用手機或電腦通過校園網或3G/4G訪問系統。如果是臺式機，則僅要求該臺式機處于校園網中。建立連接后，教師先登錄系統，后選擇對應課程，再開啟分布式簽到功能。在開啟簽到的同時，系統將自動記錄教師使用電腦的IP，作為位置驗證的判斷依據。學生使用手機掃描二維碼，自動打開瀏覽器訪問系統簽到的地址，然后輸入自己的學號。系統將讀取學生手機的IP，先進行唯一性驗證，再與教師IP比較進行位置驗證，最后還需要驗證學號是否存在。通過所有的驗證后，系統提示學生簽到成功，任何一個環節出錯均提示簽到失敗，具體處理流程如圖5所示。

在學生簽到的同時，系統會實時反映簽到的情況，供教師和學生查看。完成簽到后，教師關閉簽到功能，學生將不能再進行簽到。教師則可以通過系統簽到記錄的查詢分析功能，按照日期了解每次簽到的記錄。學生也可以提交學號查看各自的歷次簽到情況。

隨機點名則在教師開啟該功能后，系統以0.1秒的頻率自動隨機變換學號和姓名，當教師關閉時，系統顯示的學號和姓名即點名的對象。教師可以根據結果呼叫學生回答問題，以保證單人點名的隨機性和公平性。

3.數據庫設計

根據上述功能設計，系統主要業務實體為學期、課程和學生三類，學期和課程是開設關系，學生和課程是選課關系。為了便于描述，本文將學期和課程的關系用課表來表示，同一個學期設置一個課表，一個課表中包含多個課程，學生則通過課表來進行選課和簽到工作，具體實體關系如圖6所示。

根據E-R圖，系統數據庫可由學期表、課程表、課表、學生表和簽到表組成，詳細結構如下頁表1～表5所示。

除上述表之外，為了控制系統的使用權限，還需要單獨設置一個管理員表，存儲在管理員表中的用戶即教師，只有教師才能進行系統的學期、課程和課表設置，開啟簽到功能（如下頁表6）。

● 系統實現

本系統使用Java EE5作為基本開發平臺，Dreamweaver CS5作為前端頁面設計工具，NetBeans8.0.2作為程序開發工具，選擇MySQL 5.5作為數據庫，Apache Tomcat5.5為應用程序服務器，系統架構如下頁圖7所示。

按照結構化開發方法自頂向下設計，以及自底向上的開發原則，各層的實現方法如下。

1.數據層

數據層主要實現對數據庫表的增加、修改、刪除和查詢操作。MySQL數據庫表按照表1～表6的結構進行構建。為了應對B/S模式系統面臨的高并發性，系統結合JDBC驅動使用數據庫連接池技術來構建數據管理環境。在此基礎上，編寫數據訪問公用類DBConnect，供業務層調用，凡是通過DBConnect進行的數據庫操作均會自動使用連接池技術。數據庫連接池則使用Proxool來實現。此外，編寫數據分類頁，用于分批顯示較多的業務數據，可根據需要設置1頁顯示10條或20條記錄。

2.業務層

業務層則根據功能設計，針對每個數據庫表編寫數據持久類與業務類。這一工作通過編寫相應的JavaBean，調用數據層的DBConnect類來實現。以簽到表tcall為例，需要編寫call和callrecDAO兩個JavaBean。其中，call為tcall表的數據持久類，用于存儲從tcall表中取出的數據，由和tcall表字段類型對應的屬性以及相應的set和get方法構成；callrecDAO則是業務類，編寫相應的業務方法，調用數據訪問公用類和call持久類，來實現一系列業務功能。在該類中，根據設計需要編寫四個方法，分別實現簽到、到課率統計、根據學號查詢簽到記錄和按日期查詢全部查詢記錄四個功能。所有數據庫表的持久類和業務類組成了系統需要實現的主要功能，并向上供應用層調用。同時，主要業務功能充分利用“互聯網+”進行增強，主要為二維碼處理、IP驗證、Excel處理和Web2.0&Ajax。二維碼處理主要是將系統簽到的地址以圖片形式發布，這一功能利用現成的第三方工具即可，該類工具較多且免費，可直接使用；IP驗證使用Java語言的網絡類API即可；Excel處理主要用于學生名單的批量導入，本文調用第三方開源的jar包jxl.jar來實現；Web2.0&Ajax則用于提高交互體驗，增強系統的實用性，主要用于簽到情況的實時刷新和隨機點名的定時變化，該技術直接使用原生的JavaScript來實現。

3.應用層

應用層是學生和教師訪問系統的接口。這一層的開發工作主要為系統界面的靜態頁面設計與動態實現。系統靜態頁面設計使用HTML&CSS&JS開發，以業務流程為導向進行頁面布局，以引導用戶進行功能的操作。動態實現則使用JSP和Servlet技術，在頁面流程的引導下，在Servlet中調用業務層中各業務類的方法，并將處理結果轉發至JSP中，由JSP再調用數據持久類，將所需要的結果展示給用戶。

4.應用終端

應用終端不需要單獨開發，只需要使用能夠接入校園網或互聯網并具有正常網頁瀏覽功能的手機或者電腦即可。

● 實證分析

本系統由筆者開發完成，經與學院和學校信息中心聯系，系統已經部署至校園網服務器上，隸屬于筆者所在二級學院，并同時面向校園網和互聯網公開，不論在校內還是校外均可以訪問。教師登錄系統后，需要先進行學期、課程、課表及學生信息導入等基礎性工作，但這些工作并不是本文研究的重點，因此不再贅述，本實證僅針對分布式簽到功能。本文選擇南京審計大學信息管理專業于2016—2017學年上學期開設的“Java程序設計”課程簽到作為實證對象。

教師先登錄系統，選擇相應的課程，進入“總體簽到花名冊頁面”，接著再點擊該列表右上側的“點名”按鈕，彈出“單次簽到名單頁面”，點擊右上角的“開始簽到”按鈕，系統進入監聽狀態，一旦監測到學生簽到信息，則執行圖5所示的簽到處理流程。

筆者以學號“1406130”同學的簽到過程為例，打開微信掃描二維碼，自動打開瀏覽器進入簽到界面，輸入學號，點擊簽到，驗證通過后顯示簽到成功（如圖8）。

學生簽到成功的同時，教師端的學生簽到花名冊簽到狀態變成綠色圖標，表示成功接收到學生的簽到信息。

由于系統采取B/S模式，因此支持并發簽到，全班學生可以同時簽到，徹底避免了傳統的按順序點名方式的缺點，真正實現分布式簽到。這一工作以教師點擊“簽到結束”按鈕為止，簽到結束后，學生再提交學號將提示“簽到尚未開始”。

學生簽到完成后，在總體簽到花名冊頁面中，點擊“歷史記錄”圖標，則彈出歷史簽到記錄頁面，該頁面記錄了學生簽到的學號、姓名、簽到IP、狀態等信息。

由上述過程可知，系統的分布式簽到功能符合預期研究目標。系統發布后，經過多次公開測試，于2015年正式投入至南京審計大學信管專業“Java程序設計”“Web開發技術”和“網頁制作與網站建設”等課程的實際簽到中。在應用過程中，分別以“Java程序設計”和“網頁制作與網站建設”兩門課在2015—2016學年上學期簽到為分析對象，以不同課程的簽到人數和簽到所耗時間為統計對象，得到如圖9所示的統計結果。

如圖9所示，在首次簽到時，耗費時間相對較長，主要原因在于學生對簽到模式不熟悉，但幾乎不受簽到人數的影響。經過多次簽到后，簽到時間大幅下降，最終穩定在1分鐘左右。這個時間相比較傳統點名方式，其效率有了極大的提高，尤其是針對人數較多的課程，其效率更是有了大幅度的提高。在實際過程中，筆者也對實際簽到情況進行人工檢查，發現系統的IP驗證功能也發揮了作用，準確率也可以得到保證。

● 總結

本文對“互聯網+”進行了技術分析，并充分利用高校現有的信息化條件，利用“互聯網+”的理念，對高校課堂自動化簽到模式進行了再創新，設計并實現了具有位置和身份唯一驗證功能的分布式課堂簽到系統。系統已投入至筆者所在南京審計大學的課堂簽到中，并已經過至少4學期的使用。實證效果表明，該系統極大地提高了點名效率，真正實現了課堂簽到的自動化。然而實證發現，如果學生使用移動蜂窩數據進行簽到，那么其IP與教師IP將完全不同。要解決這一問題，則需要對使用不同運營商的手機IP進行分析和挖掘，從中掌握規律，這又是一個值得研究的問題。此外，該系統尚不能避免一個學生攜帶多個手機進行代替簽到的情況，這一問題則可以考慮從歷史簽到記錄的數據分析入手進行解決，這些都將成為下一階段的研究工作。

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