課堂自動考勤及手機使用控制系統設計

付 濤，易 宏，汪 維，鄧儉鋒

（1.云南財經大學，昆明 650000；2.吉林農業大學外語學院，長春 130012）

1 大學課堂點名方式及學生課堂使用手機分析

課堂點名作為高校課堂教學工作中的重要環節，其實施的效果直接影響著學校的教學管理規范。目前高校的課堂點名普遍采用兩種方式，一是傳統的采用花名冊點名的方式，這樣的點名方式效率低下，占用課堂教學時間。二是利用新技術手段實現自動點名，如謝明華等 研究的基于面部圖像識別的點名技術，楊洪章 等利用嵌入式設備收集學生手機藍牙信號的方式實現自動點名。Chang 等采用的基于物聯網技術自動讀取學生身份證實現點名，還有很多的學校采用指紋打卡進行點名。這些采用現代信息技術的課題考勤方式，在很大程度上提高了點名的效率，但是同樣存在一些問題。例如采用面部識別技術的點名方式，雖然在學生進入課題的時候可以自動完成點名，但是如果學生面部表情夸張或者容貌改變過大會導致無法識別；基于射頻物聯網技術的需要學生攜帶身份證、一卡通等相關證件；采用單一藍牙模塊進行點名會存在學生在教室外完成點名。連同包含采用指紋識別的點名方式在內，這些點名方式都會存在學生點名后又離開教室的情況發生。此外這些技術及系統，都只能解決點名的問題，對于上課時候學生使用手機的情況，沒有辦法解決。截至2017年6月，我國手機網民用戶達到了7.24億人，而大學生手機的使用率接近100%。張秀萍 進行了大學生課堂使用現狀的調查分析，調查發現，53.5%的學生上課必須攜帶手機，43.6%的學生課堂上經常使用手機，而且64.3%的學生在課堂上使用手機聊天。為了避免手機對課堂教學的影響，石松偉 研發了一種帶有點名功能的手機保管箱，集成了課堂點名與禁止攜帶手機進入教室的功能。但是張秀萍的調查也發現，也有41.9%的學生在課堂上使用手機進行與課堂教學相關的活動，而對學校禁止將手機帶入課堂，有72.5%的學生持反對意見。而且目前很多學校與教師，也都通過手機與學生進行互動，來提高課堂教學質量，因此，如果一刀切的禁止學生將手機帶入課堂是一種不可行的方式。

2 系統需求分析

通過上一章節對目前高校課堂點名的及學生在課堂上使用手機的情況分析可以發現，目前的高校課堂教學管理，在對課堂點名及學生手機使用的管理具有很強的需求。

對于課堂點名，至少應該滿足如下幾點需求：（1）實現自動化的點名，教師和學生操作盡量減少，不占用課堂時間；（2）具有身份識別功能，杜絕代簽到的情況發生；（3）能夠滿足課堂全程的監控需求，避免學生在教室外簽到或者簽到后早退的現象發生；（4）系統部署盡量成本低廉。

而對于學生在課堂上使用手機的管理，由于目前手機已經成為必不可少一樣工具，很多學生也將手機作為學習的工具使用，因此不應當杜絕學生將手機帶入教室，理想的方式是對學生使用手機的權限進行相應的控制，這至少在3個層次上對學生的手機使用權限進行控制，（1）互聯網訪問限制。由于目前手機的很多功能，如游戲、聊天、購物等，均依賴于網絡的訪問，因此，可以通過互聯網訪問的限制對學生手機進行管理；（2）APP 訪問限制，可以通過限制學生手機只能訪問特定APP 或者完全不能夠使用APP 來控制學生對手機的使用；（3）完全放開學生手機的使用。以上三個層次的手機使用權限，任課教師應當可以根據課程教學的需要來自行設定。

3 關鍵技術分析

由于目前智能手機的普及率相當高，且系統集中在Android及iOS 兩大系統，因此，通過開發對應系統的APP 并輔助相應的外部設備，就能滿足上一章節分析的相應需求。考勤及控制學生手機使用權限涉及到的關鍵技術及解決方案如下：

3.1 學生只能在教室內進行簽到

對于該需求的解決，由于目前的智能手機具備多種傳感器及網絡連接設備，因此，利用智能手機就可以解決這一需求。例如利用手機的NFC 傳感器，在學生進入教室后“刷卡”簽到。但是利用傳感器進行簽到，并不能解決學生簽到后離開教室的情況發生。因此，采用近距離傳感并不是最優方案。

第二種方案可以利用手機的網絡連接，通過手機與網絡連接設備進行3點定位，利用手機上的APP 判斷手機獲取到的wi-Fi熱點或藍牙終端的信號強度，來確定手機處于教室內。

3.2 學生課堂教學期間始終在教室內

傳統的點名方式，由于只在上課或者下課時候進行簽到，不能避免學生簽到后離開教室，解決這一問題，可以利用智能手機與簽到系統在整個上課期間保持數據交換來實現。

智能手機與簽到系統數據交換可以有兩種方式來實現，一是持續的長連接，二是上課期間不定期的進行間接性短連接。

選用長連接，則需要選擇wi-Fi 的方式進行連接。優勢在于可以連接速率高，可以依靠布置的網絡通過校園網或局域網進行教師與學生之間的互動教學，同時，也便于教師控制學生對網絡訪問的限制，如進行互聯網、校園網、教室局域網的訪問權限設置。但是劣勢也是非常突出的，由于教學樓屬于人員密集度非常高的場所，一間教室通常不低于40人，一棟教學樓會有數千人同時在線的需求，這不僅對AP 提出很高的負載需求，還涉及到wi-Fi頻道的干擾問題，這對無線網的部署提出很高的要求，以現有技術很難實現，即使通過信號屏蔽等方式實現部署，部署成本也將非常高昂。選用間接性短連接，考勤終端可以選用藍牙外圍設備（peripheral），通過ACL 鏈路與學生手機之間采用輪循的方式進行短連接，考勤終端只與一臺學生手機連接數秒，傳輸完相關數據后斷開連接，連接下一臺手機。而在整個上課期間，每臺學生手機將不定期的與考勤終端多次傳輸數據。優點在于硬件設備部署成本低廉，同時由于藍牙設備功率低，不容易產生干擾問題，但是如果需要進行教學互動，則只能使用手機的Wifi 或3G/4G 網絡進行連接。

3.3 不能代替簽到

對于該需求，可以采用綁定學生手機IMEI 號的方式來解決，在后臺數據庫中對每個學生的IMEI 號進行登記，每個學生只能使用唯一的登記過的手機才能進行考勤。如果需要換手機，學生可以自行更換，但可以通過限制只能登記一臺設備并限制更換頻率的方式進行控制。

3.4 手機權限使用控制

無論是Android 還是ios 的手機，APP 均能夠獲取到手機的相關狀態信息，如是否連接網絡，考勤APP 是否處于前臺工作、手機是否處于黑屏休眠狀態等。通過APP 返回手機的相關狀態，來判定學生手機的使用情況，配合相關的教學制度對學生手機使用權限進行控制與管理，如學生未按照課程規定使用手機，不能進行考勤或者課程平時成績分受影響等。

4 系統設計與實現方法

本章節采用一個最常見的60人課堂作為實例，具體實現方法如下：

4.1 考勤終端設置

每間教室布置最少3個考勤終端，考勤終端可以選用藍牙外圍設備（peripheral）進行開發，考勤終端與后臺服務器連接，并且將每個考勤終端的設備識別號與教室進行綁定。具體布置方式如圖1，如果教室過大或者教室內上課人數過多，可以增加考勤終端數量。

圖1 藍牙考勤終端布置圖

4.2 支撐數據準備

本系統需要獲取相關基礎支撐數據，相關數據包括：課程的上課時間段、教室內考勤終端的設備號A1-An、應該上課的學生人數n 及相應學生的手機IMEI 序列號B1-Bn（不包括請假的學生）、該堂課任課教師對學生手機使用權限的要求（完全不控制、禁止使用網絡、不能使用手機等）。

4.3 具體實現方法

（1）判斷學生是否進入教室

每間教室分別在三個角落處安裝一個藍牙考勤終端，每個考勤終端的設備號與教室綁定，考勤終端為A1，A2，A3。

當學生的智能手機進入教室后，學生打開APP，APP 控制手機掃描藍牙考勤終端，通過信號強度的三角定位判定相應智能手機是否進入了應該進入的教室，避免學生未進入教室簽到。

（2）藍牙考勤終端與每個學生的智能手機的綁定及數據傳輸實現方法見圖2，具體如下：

圖2 手機APP與藍牙終端之間的數據傳輸方式

①從后臺數據庫的課程信息獲取每間教室上課的學生名單，從而獲取到相應時間段每間教室需要與藍牙終端綁定并傳輸數據的最大智能手機數量n 以及相應的藍牙考勤終端；

②通過互聯網將為所有智能手機提前隨機分配綁定連接的順序；

③課程開始后，通過時間順序按照提前分配的綁定連接順序讓不同智能手機與信號最強的藍牙考勤終端進行首次綁定，綁定后傳輸智能手機考勤信息、手機使用狀態及與各臺藍牙考勤終端的信號強度信息傳回后臺數據庫，數據傳輸完成后，斷開連接，綁定下一臺智能手機并傳輸數據；第一輪綁定并傳輸數據后，后臺服務器通過獲得的每臺智能手機與三個藍牙考勤終端的位置信息，為每臺藍牙終端平均分配哪些智能手機在后續過程中與其綁定傳輸數據。

按照“綁定—傳輸數據—解除綁定”需要大約10秒，共60人上課，首次綁定時間為600秒，約10分鐘。

④第二輪綁定按照第一輪綁定的方式進行，本輪綁定中，將后續過程中每臺智能手機與哪臺藍牙終端綁定及各臺手機的綁定順序傳輸到智能手機的APP。完成第二輪綁定的時間仍然為10分鐘。

⑤如果經歷了第一輪及第二輪綁定，課程已經過了20分鐘，此時仍然沒有進入教室的學生，系統將自動記錄為缺席。如學生后續到達，將由任課老師視情況判定是否記錄缺席，并手工在系統中為其更改信息。系統將根據任課老師的手工記錄，將此學生的手機信息插入綁定隊列。

⑥從第三輪綁定開始，將由三臺藍牙終端并行對所有智能手機進行綁定，完成一輪的時間縮短為10/3分鐘。

按每堂課80分鐘計算，系統對學生的手機進行了20次數據傳輸。

（3）控制學生使用手機

由任課教師或教務管理人員為每堂課設置學生的手機使用權限，例如包含以下三種情況，1）學生可以完全自由使用手機，2）學生不能使用手機訪問互聯網，3）學生完全不能使用手機；

對于情況1）：不對學生的手機進行控制，手機僅僅起到簽到點名的作用；

對于情況2）：手機上的考勤APP 獲取手機的Wi-Fi 及移動通信網絡開啟情況，針對開放管理權限的手機，考勤客戶端直接關閉手機的Wi-Fi 及移動通信網絡，對于不能開放管理權限的手機，將提示學生主動關閉Wi-Fi 及移動通信網絡。如wifi 及移動通信網絡未關閉，將把學生未斷網的情況傳輸回后臺數據庫，可以讓任課教師或教務管理人員對學生按相關處理。

對于情況3）：APP 除進行情況2）的檢測外，還要求APP 處于前臺運行或者手機處于休眠狀態，手機處于非休眠狀態且APP處于后臺工作，可判定為學生在使用手機，將把學生使用的情況傳輸回后臺數據庫，可以讓任課教師或教務管理人員對學生按相關處理。

5 結束語

本文設計了一種利用低成本的藍牙設備及智能手機實現課堂全自動考勤并對學生課堂使用手機進行控制的方法，最大程度的提高了課堂考勤效率，并在一定程度上解決了課堂教學過程中對學生使用手機的管理問題。