智慧校園背景下智慧班牌系統的設計與實現

一、引言

智慧校園背景下的智慧班牌區別于傳統電子班牌，傳統電子班牌主要側重于信息的展示，功能相對單一，主要是通過電子屏幕展示專業名稱、課程表、值日生等信息。相比之下，智慧班牌不僅具備傳統電子班牌的展示功能，還通過云平臺和大數據技術，實現信息的互動和共享。

智慧班牌系統是通過建立分布式節點網絡實現了教學管理、德育評價與文化建設的系統化整合，為此本文從技術架構與功能模態兩個維度深入的分析智慧班牌在智慧校園體系中的關鍵技術路徑與實施策略，以期提升校園管理的效能與服務質量。

二、理論概述

（一）智慧班牌概念

智慧班牌系統作為智慧校園建設的核心組件，其本質上是融合物聯網、大數據與人工智能技術的分布式智能終端集群，并通過多模態交互界面重構了傳統班級管理的信息傳播新模式。智慧班牌管理系統融合了專業文化展示、走班排課、物聯控制、教務管理、智慧班牌管理、素質評價、資源管理、家校互聯和書香校園等一系列應用，是校園管理的現代化手段。智慧班牌的核心價值在于打破信息孤島形成覆蓋“教學-管理-評價”全鏈條的服務生態，其相較于傳統班牌的突破性在于通過家校互動模塊重構教育責任邊界，推動班級管理從經驗驅動向數據驅動轉型

（二）通道注意力機制

通道注意力機制（ChannelAttentionMechanism，

CAM）是深度學習領域的重要創新技術之一，其核心思想是通過特征通道的動態權重分配來優化模型性能。該機制通常包含兩個關鍵步驟，一是壓縮（Squeeze）操作通過全局平均池化生成通道級統計量；二是激勵（Excitation）操作利用全連接層學習通道間相關性。

在智慧班牌的人臉識別系統中引入壓縮-激勵（Squeeze-and-Excitation，SE）模塊的ResNet5O骨干網絡表現出顯著優勢，首先，關鍵特征通道的響應值提升帶來更魯棒的特征表示，其次通道間的依賴性建模增強了模型對光照變化、姿態變化的適應能力，最后注意力權重的可視化解釋提升了模型的可信度。與此同時，CAM輸入特征圖表達式為：

此處 c 代表了輸入特性圖的通道數目，也就是卷積核心數目[2]， H，W 分別代表了特性圖的長度與寬度。通過對特征圖的長、寬進行極大池與均值池，以達到對圖像的最大池化與均值池化的有效結合，從而實現對圖像空間數據的有效壓縮。與此同時，CAM機制還可擴展應用于班牌系統的其他視覺任務，如行為分析、表情識別等，以此為智慧教育場景提供更豐富的感知能力。

（三）人臉識別

智慧班牌系統中的人臉識別技術體系包含三個關鍵環節即檢測、對齊與識別，其中在檢測階段采用主要采用多任務的級聯卷積神經網絡（Multi-taskCascadedConvolutionalNetworks，MTCNN）級聯架構，通過ProposalNetwork、RefineNetwork 和OutputNetwork三級聯結構實現多尺度人臉檢測。在對齊階段基于面部關鍵點進行幾何歸一化來進一步的消除姿態變化影響，在識別階段采用深度卷積神經網絡提取特征，在LFW數據集上達到 99.2% 的驗證準確率。

為了保障智慧校園背景下智慧班牌系統的安全性，人臉識別將采用活體檢測模塊集成紋理分析與微運動檢測算法，并充分結合加密傳輸采用SM4國密算法，其中系統滿足ISO/IEC30107-1生物特征識別性能測試標準，在防偽認證方面達到金融級安全要求。為適應智慧校園的實際需求需求將進一步對其進行優化，首先使其支持1：N （ N?5000 ）實時比對滿足大規模校園應用，其次設計分級權限管理區分師生不同訪問級別，最后實現離線識別模式來確保網絡異常時的基本功能可用。這些技術創新使智慧班牌系統在安全性、便捷性與可靠性方面達到行業領先水平。

三、智慧校園背景下的智慧班牌系統架構

（一）智慧班牌系統架構

智慧班牌系統的整體架構主要采用分層設計理念，主要由智慧班牌管理軟件和Android投射式電容10點觸摸屏幕共同組成，支持手寫及多點手勢，觸摸速度小于3ms ，滿足復雜環境下的穩定運行需求。管理軟件與智慧校園網絡主要依托校園網絡基礎設施，通過VLAN劃分實現物聯網專網隔離，從而確保在校園復雜建筑環境中的信號全覆蓋，具體如圖1所示：

圖1智慧班牌系統架構

（二）智慧班牌系統設計

智慧班牌系統設計遵循“以用戶為中心”的交互原則，其主要是基于DesignThinking方法論完成需求轉化，在智慧班牌的功能設計上采用松耦合架構模式使得核心業務邏輯與表示層分離，其中前端框架選用Vue.js3.0組合式API開發，后端基于SpringCloudAlibaba 實現服務治理。

智慧班牌的身份認證子系統設計為多因素驗證管道，其主要是集成活體檢測的3D結構光人臉識別、符合ISO/IEC7816標準的IC卡識別以及符合FIDOAlliance規范的指紋識別三重驗證機制，同時其認證結果已經通過JWT令牌進行狀態保持。最后借助人臉圖像比對來識別各專業學生的具體身份信息，并將智慧班牌系統的信息自動記錄到數據庫中。

四、智慧校園背景下的智慧班牌系統模塊

（一）智慧班牌管理模塊

智慧班牌管理模塊作為系統的核心控制單元，其主要承擔設備管理、身份認證及權限控制等功能，并借助微服務架構實現高可用性與可擴展性，該模塊通過統一的設備管理平臺對所有終端進行遠程監控與配置，同時支持設備狀態實時上報、故障預警及自動化運維等。

1.智慧班牌類型

出入校智慧班牌：主要部署于校園主要出入口及宿舍樓宇，其承擔人員進出管理、考勤統計及訪客登記等功能。

課堂智慧班牌：主要安裝于教學樓及實驗室等聚焦教學場景的實際需求，其可提供課堂簽到、課表展示及教學評價等功能，同時班牌內置NFC模塊支持學生刷卡或人臉識別快速簽到且數據實時同步至教務系統。

教師智慧班牌：其專為教師辦公區設計，集成課表管理、會議室預約及教學數據分析功能，教師可通過人臉識別或移動端APP快速登錄查看個人教學任務、學生考勤統計及課程評價反饋，同時系統還支持語音助手交互，從而在一定程度上能夠實現課表查詢、設備控制等語音指令操作。

2.智慧班牌方式

人臉智慧班牌：基于深度學習的人臉識別算法，并采用多任務卷積神經網絡進行人臉檢測，同時結合ArcFace損失函數優化特征提取，從而確保在復雜光照條件下的高識別率。

刷卡智慧班牌：學生在智慧班牌上刷卡獲取智慧班牌記錄，后臺軟件實時形成統計報表，同時該班牌的讀卡器支持AES-128加密通信，進而能夠有效的防止數據篡改與克隆攻擊，該系統可記錄刷卡時間、位置及行為數據，用于考勤統計與行為分析。

指紋智慧班牌：主要采用光學或電容式指紋傳感器，支持FAP20（指紋采集標準）級別圖像采集，匹配算法基于Minutiae特征點提取，其中指紋數據本地存儲，符合GDPR等隱私保護法規要求。

（二）德育教育模塊

智慧校園背景下的智慧班牌能夠針對學生的德育素養水平進行動態調整，教師可實時查看學生德育知識的掌握程度。相較于傳統的德育教學模式而言，智慧班牌模式下的消息通知更為便捷，智慧班牌能夠在第一時間將最新的德育理念傳遞給每位師生。

1.專業德育

專業德育是專業評比的便捷化形式，德育評分包括衛生、紀律等評分項。通過智慧班牌，學生干部或督導教師在檢查完后可直接在班牌上進行評分，節省后續整理時間。學生可在班牌直接查看各子項的詳細評分。

2.素質評價

智慧班牌成為學生日常行為習慣的展示平臺，教師在后臺對學生進行量化評價，家長可在微信端查看學生每日評價，學生可在班牌端查看個人和小組的綜合素質評分詳情和排名。綜合素質評價電子化管理平臺記錄的過程性評價，便于生成學生綜合素質檔案。

（三）教學教務模塊

學生可在班牌端查看一周課表，對于調課的課程會增加調課標識，讓學生知悉課程的調整。課后學生可在課程表上對老師的教學進行評價，課堂評價有助于教師教學能力考核，也便于教師收集學生課后問題。

作業：班牌可顯示每個學科老師發布的作業，作業詳情可以查看老師提供的附件，支持文檔格式，圖片格式，音頻格式，并且可以在線打開，便于學生查看。

選課：教師發布選課后，學生在班牌端刷卡驗證身份后即可進行選課，教師可在系統后臺查看學生選課結果，無須人工統計。

專業學生：班牌端可查看各專業所有學生的姓名和照片，便于新專業的同學更快地認識其他同學。

（四）書香校園模塊

書香校園是校園文化建設的重要組成部分，智慧班牌書香校園模塊通過整合豐富的閱讀資源，為學校師生提供圖書館藏查詢、在線閱讀等服務，以促進校園書香文化養成。

1.圖書館藏查詢

系統通過將電子班牌和學校圖書館系統進行連接，班牌端可查詢到目標圖書的作者、出版社、出版日期、ISBN號和圖書館庫存數量等信息，方便師生借閱。

2.電子圖書

每塊班牌可免費提供至少2000冊的正版電子圖書和音視頻資源，系統通過整合電子圖書資源，為高校師

生提供免費在線閱讀服務，促進書香校園文化建設[5]

（五）文化宣傳模塊

文化宣傳模塊作為校園文化展示窗口，其主要支持多媒體內容發布等，包括新聞公告、學術講座預告、社團活動宣傳等，其中內容管理采用分級審核機制確保信息發布的準確性與時效性，該模塊可根據用戶身份等數據信息情況智能推送差異化內容，從而在一定程度上顯著的提升信息觸達效率。

（六）信息發布模塊

信息發布模塊承擔校園緊急通知、考試安排等關鍵信息的快速推送功能，其支持分級權限管理，其中重要通知可通過RTMP協議強制插播至所有班牌終端，該系統提供模板化編輯工具使得管理員可快速生成圖文、視頻或滾動字幕信息。

（七）個人中心模塊

個人中心模塊整合學生課表、成績、借閱記錄等數據提供一站式查詢服務，其支持與微信、校園APP等第三方平臺賬號互通，學生可自定義班牌界面主題、查看個人的成長報告等，并接收系統智能推送的學習建議。

五、智慧校園背景下的班牌模式

（一）緊急模式

緊急情況下，智慧班牌系統將會在第一時間將緊急警報傳遞至后臺管理者，此時管理者將鎖定系統，將緊急事件第一時間展示在系統平臺首頁，從而為高校師生的安全提供全方位的保障。

（二）考試模式

智慧班牌的考試模式也是其重要功能之一，高校教務工作者借助人臉識別技術獲取全量數據，在系統內部自動匹配人臉與學生信息，各專業在每次考試時系統都會實時地顯示考場信息、考試科目等。

（三）自定義模式

智慧校園背景下智慧班牌的自定義模式，支持多種班牌端的信息呈現，支持雙欄模式、三欄模式、班會模式等，同時也可根據高校各個專業的實際需求，定制化滿足需求的應用場景。

六、智慧校園背景下的智慧班牌系統性能測試

本文設計的智慧校園背景下的智慧班牌系統，其性能方面主要為智慧班牌人臉識別的實時性性能，測試結果如下表1所示。

表1系統性能測試

系統隨機采集了5個智慧班牌視頻流，通過截取其中的人臉圖像來完成智慧班牌的實時性測試，從測試結果可以看出智慧班牌管理系統基本能夠滿足實際教學場景下的人臉識別需求。

七、結束語

智慧校園背景下的智慧班牌系統的設計與實現，是將AI技術同高校工作實現深度融合的一個典范，借助移動化管理系統下的智能交互識別終端，以德育宣傳、家校互聯為智慧班牌建設的切人點，基于動態人臉識別技術依托動態人臉識別算法，設計和實現智慧班牌系統的搭建，最終實現信息顯示、信息查詢等一體化功能，也為高校的教育教學提供了一種新的工具。

作者單位：陳敏蘭州職業技術學院

參考文獻

[1]洪小堅，陳志聰.基于動態人臉識別的智慧班牌系統的設計與實現[J].數字技術與應用，2022，40（12）：180-182.

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[3]呂戀生.智慧班牌在智慧教室管理與運維中模塊[J].中國現代教育裝備，2023，8（21）：15-18.

[4]沈海燕.開啟智慧之門點亮精技人生——\"智慧校園\"背景下中職專業管理途徑與策略研究[J].各界，2019，17（02）：34-36.

[5]崔璐.基于Serverless架構的智慧校園平臺建設[J].電視技術，2023，47（02）：223-225.