智慧校園背景下智慧班牌系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

一、引言

智慧校園背景下的智慧班牌區(qū)別于傳統(tǒng)電子班牌，傳統(tǒng)電子班牌主要側(cè)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(yè)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(tǒng)電子班牌的展示功能，還通過云平臺和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)信息的互動和共享。

智慧班牌系統(tǒng)是通過建立分布式節(jié)點網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了教學(xué)管理、德育評價與文化建設(shè)的系統(tǒng)化整合，為此本文從技術(shù)架構(gòu)與功能模態(tài)兩個維度深入的分析智慧班牌在智慧校園體系中的關(guān)鍵技術(shù)路徑與實施策略，以期提升校園管理的效能與服務(wù)質(zhì)量。

二、理論概述

（一）智慧班牌概念

智慧班牌系統(tǒng)作為智慧校園建設(shè)的核心組件，其本質(zhì)上是融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的分布式智能終端集群，并通過多模態(tài)交互界面重構(gòu)了傳統(tǒng)班級管理的信息傳播新模式。智慧班牌管理系統(tǒng)融合了專業(yè)文化展示、走班排課、物聯(lián)控制、教務(wù)管理、智慧班牌管理、素質(zhì)評價、資源管理、家校互聯(lián)和書香校園等一系列應(yīng)用，是校園管理的現(xiàn)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(xué)-管理-評價”全鏈條的服務(wù)生態(tài)，其相較于傳統(tǒng)班牌的突破性在于通過家?；幽K重構(gòu)教育責(zé)任邊界，推動班級管理從經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)型

（二）通道注意力機(jī)制

通道注意力機(jī)制（ChannelAttentionMechanism，

CAM）是深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的重要創(chuàng)新技術(shù)之一，其核心思想是通過特征通道的動態(tài)權(quán)重分配來優(yōu)化模型性能。該機(jī)制通常包含兩個關(guān)鍵步驟，一是壓縮（Squeeze）操作通過全局平均池化生成通道級統(tǒng)計量；二是激勵（Excitation）操作利用全連接層學(xué)習(xí)通道間相關(guān)性。

在智慧班牌的人臉識別系統(tǒng)中引入壓縮-激勵（Squeeze-and-Excitation，SE）模塊的ResNet5O骨干網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，首先，關(guān)鍵特征通道的響應(yīng)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(tài)變化的適應(yīng)能力，最后注意力權(quán)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(dá)式為：

此處 c 代表了輸入特性圖的通道數(shù)目，也就是卷積核心數(shù)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(jìn)行極大池與均值池，以達(dá)到對圖像的最大池化與均值池化的有效結(jié)合，從而實現(xiàn)對圖像空間數(shù)據(jù)的有效壓縮。與此同時，CAM機(jī)制還可擴(kuò)展應(yīng)用于班牌系統(tǒng)的其他視覺任務(wù)，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(tǒng)中的人臉識別技術(shù)體系包含三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)即檢測、對齊與識別，其中在檢測階段采用主要采用多任務(wù)的級聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Multi-taskCascadedConvolutionalNetworks，MTCNN）級聯(lián)架構(gòu)，通過ProposalNetwork、RefineNetwork 和OutputNetwork三級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多尺度人臉檢測。在對齊階段基于面部關(guān)鍵點進(jìn)行幾何歸一化來進(jìn)一步的消除姿態(tài)變化影響，在識別階段采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征，在LFW數(shù)據(jù)集上達(dá)到 99.2% 的驗證準(zhǔn)確率。

為了保障智慧校園背景下智慧班牌系統(tǒng)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(jié)合加密傳輸采用SM4國密算法，其中系統(tǒng)滿足ISO/IEC30107-1生物特征識別性能測試標(biāo)準(zhǔn)，在防偽認(rèn)證方面達(dá)到金融級安全要求。為適應(yīng)智慧校園的實際需求需求將進(jìn)一步對其進(jìn)行優(yōu)化，首先使其支持1：N （ N?5000 ）實時比對滿足大規(guī)模校園應(yīng)用，其次設(shè)計分級權(quán)限管理區(qū)分師生不同訪問級別，最后實現(xiàn)離線識別模式來確保網(wǎng)絡(luò)異常時的基本功能可用。這些技術(shù)創(chuàng)新使智慧班牌系統(tǒng)在安全性、便捷性與可靠性方面達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。

三、智慧校園背景下的智慧班牌系統(tǒng)架構(gòu)

（一）智慧班牌系統(tǒng)架構(gòu)

智慧班牌系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要采用分層設(shè)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(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運行需求。管理軟件與智慧校園網(wǎng)絡(luò)主要依托校園網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，通過VLAN劃分實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)隔離，從而確保在校園復(fù)雜建筑環(huán)境中的信號全覆蓋，具體如圖1所示：

圖1智慧班牌系統(tǒng)架構(gòu)

（二）智慧班牌系統(tǒng)設(shè)計

智慧班牌系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)化，在智慧班牌的功能設(shè)計上采用松耦合架構(gòu)模式使得核心業(yè)務(wù)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(fā)，后端基于SpringCloudAlibaba 實現(xiàn)服務(wù)治理。

智慧班牌的身份認(rèn)證子系統(tǒng)設(shè)計為多因素驗證管道，其主要是集成活體檢測的3D結(jié)構(gòu)光人臉識別、符合ISO/IEC7816標(biāo)準(zhǔn)的IC卡識別以及符合FIDOAlliance規(guī)范的指紋識別三重驗證機(jī)制，同時其認(rèn)證結(jié)果已經(jīng)通過JWT令牌進(jìn)行狀態(tài)保持。最后借助人臉圖像比對來識別各專業(yè)學(xué)生的具體身份信息，并將智慧班牌系統(tǒng)的信息自動記錄到數(shù)據(jù)庫中。

四、智慧校園背景下的智慧班牌系統(tǒng)模塊

（一）智慧班牌管理模塊

智慧班牌管理模塊作為系統(tǒng)的核心控制單元，其主要承擔(dān)設(shè)備管理、身份認(rèn)證及權(quán)限控制等功能，并借助微服務(wù)架構(gòu)實現(xiàn)高可用性與可擴(kuò)展性，該模塊通過統(tǒng)一的設(shè)備管理平臺對所有終端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與配置，同時支持設(shè)備狀態(tài)實時上報、故障預(yù)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(dān)人員進(jìn)出管理、考勤統(tǒng)計及訪客登記等功能。

課堂智慧班牌：主要安裝于教學(xué)樓及實驗室等聚焦教學(xué)場景的實際需求，其可提供課堂簽到、課表展示及教學(xué)評價等功能，同時班牌內(nèi)置NFC模塊支持學(xué)生刷卡或人臉識別快速簽到且數(shù)據(jù)實時同步至教務(wù)系統(tǒng)。

教師智慧班牌：其專為教師辦公區(qū)設(shè)計，集成課表管理、會議室預(yù)約及教學(xué)數(shù)據(jù)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(xué)任務(wù)、學(xué)生考勤統(tǒng)計及課程評價反饋，同時系統(tǒng)還支持語音助手交互，從而在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)課表查詢、設(shè)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(xué)習(xí)的人臉識別算法，并采用多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人臉檢測，同時結(jié)合ArcFace損失函數(shù)優(yōu)化特征提取，從而確保在復(fù)雜光照條件下的高識別率。

刷卡智慧班牌：學(xué)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(tǒng)計報表，同時該班牌的讀卡器支持AES-128加密通信，進(jìn)而能夠有效的防止數(shù)據(jù)篡改與克隆攻擊，該系統(tǒng)可記錄刷卡時間、位置及行為數(shù)據(jù)，用于考勤統(tǒng)計與行為分析。

指紋智慧班牌：主要采用光學(xué)或電容式指紋傳感器，支持FAP20（指紋采集標(biāo)準(zhǔn)）級別圖像采集，匹配算法基于Minutiae特征點提取，其中指紋數(shù)據(jù)本地存儲，符合GDPR等隱私保護(hù)法規(guī)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(xué)生的德育素養(yǎng)水平進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，教師可實時查看學(xué)生德育知識的掌握程度。相較于傳統(tǒng)的德育教學(xué)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(yè)德育

專業(yè)德育是專業(yè)評比的便捷化形式，德育評分包括衛(wèi)生、紀(jì)律等評分項。通過智慧班牌，學(xué)生干部或督導(dǎo)教師在檢查完后可直接在班牌上進(jìn)行評分，節(jié)省后續(xù)整理時間。學(xué)生可在班牌直接查看各子項的詳細(xì)評分。

2.素質(zhì)評價

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

（三）教學(xué)教務(wù)模塊

學(xué)生可在班牌端查看一周課表，對于調(diào)課的課程會增加調(diào)課標(biāo)識，讓學(xué)生知悉課程的調(diào)整。課后學(xué)生可在課程表上對老師的教學(xué)進(jìn)行評價，課堂評價有助于教師教學(xué)能力考核，也便于教師收集學(xué)生課后問題。

作業(yè)：班牌可顯示每個學(xué)科老師發(fā)布的作業(yè)，作業(yè)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(xué)生查看。

選課：教師發(fā)布選課后，學(xué)生在班牌端刷卡驗證身份后即可進(jìn)行選課，教師可在系統(tǒng)后臺查看學(xué)生選課結(jié)果，無須人工統(tǒng)計。

專業(yè)學(xué)生：班牌端可查看各專業(yè)所有學(xué)生的姓名和照片，便于新專業(yè)的同學(xué)更快地認(rèn)識其他同學(xué)。

（四）書香校園模塊

書香校園是校園文化建設(shè)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(xué)校師生提供圖書館藏查詢、在線閱讀等服務(wù)，以促進(jìn)校園書香文化養(yǎng)成。

1.圖書館藏查詢

系統(tǒng)通過將電子班牌和學(xué)校圖書館系統(tǒng)進(jìn)行連接，班牌端可查詢到目標(biāo)圖書的作者、出版社、出版日期、ISBN號和圖書館庫存數(shù)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(tǒng)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(wù)，促進(jìn)書香校園文化建設(shè)[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(nèi)容發(fā)布等，包括新聞公告、學(xué)術(shù)講座預(yù)告、社團(tuán)活動宣傳等，其中內(nèi)容管理采用分級審核機(jī)制確保信息發(fā)布的準(zhǔn)確性與時效性，該模塊可根據(jù)用戶身份等數(shù)據(jù)信息情況智能推送差異化內(nèi)容，從而在一定程度上顯著的提升信息觸達(dá)效率。

（六）信息發(fā)布模塊

信息發(fā)布模塊承擔(dān)校園緊急通知、考試安排等關(guān)鍵信息的快速推送功能，其支持分級權(quán)限管理，其中重要通知可通過RTMP協(xié)議強制插播至所有班牌終端，該系統(tǒng)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(xué)生課表、成績、借閱記錄等數(shù)據(jù)提供一站式查詢服務(wù)，其支持與微信、校園APP等第三方平臺賬號互通，學(xué)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(tǒng)智能推送的學(xué)習(xí)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(tǒng)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(tǒng)，將緊急事件第一時間展示在系統(tǒng)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(wù)工作者借助人臉識別技術(shù)獲取全量數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)部自動匹配人臉與學(xué)生信息，各專業(yè)在每次考試時系統(tǒng)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(xiàn)，支持雙欄模式、三欄模式、班會模式等，同時也可根據(jù)高校各個專業(yè)的實際需求，定制化滿足需求的應(yīng)用場景。

六、智慧校園背景下的智慧班牌系統(tǒng)性能測試

本文設(shè)計的智慧校園背景下的智慧班牌系統(tǒng)，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(jié)果如下表1所示。

表1系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)隨機(jī)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(jié)果可以看出智慧班牌管理系統(tǒng)基本能夠滿足實際教學(xué)場景下的人臉識別需求。

七、結(jié)束語

智慧校園背景下的智慧班牌系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，是將AI技術(shù)同高校工作實現(xiàn)深度融合的一個典范，借助移動化管理系統(tǒng)下的智能交互識別終端，以德育宣傳、家?；ヂ?lián)為智慧班牌建設(shè)的切人點，基于動態(tài)人臉識別技術(shù)依托動態(tài)人臉識別算法，設(shè)計和實現(xiàn)智慧班牌系統(tǒng)的搭建，最終實現(xiàn)信息顯示、信息查詢等一體化功能，也為高校的教育教學(xué)提供了一種新的工具。

作者單位：陳敏蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

參考文獻(xiàn)

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