“互联网+”环境下课堂快速签到实证研究

唐明伟+柏菊

摘要：“互联网+”概念的提出引发了社会对互联网应用的新一轮变革，这一变革已经逐渐蔓延到高校课堂内。无处不在的互联网接入、高度普及的智能手机以及师生信息素养的提高，使得高校已经具备了应用“互联网+”理念进行高校教学改革的条件。课堂点名是高校课堂的重要教学环节之一，传统的以教师呼叫学生姓名、学生应答为主的签到方式，费时费力。针对这个问题，应用“互联网+”的理念，一种基于“互联网+手机”的分布式课堂签到系统被研发，以用于课堂快速签到的实证研究。经过多轮的教学应用发现，不管班级有多少人，签到均可以在1分钟左右完成。实证分析表明，“互联网+”理念的应用使学生的点名方式由被动点名转变为主动签到，极大地提高了课堂点名的效率。

关键词：课堂签到；互联网+；教育信息化；实证研究

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2017）23-0089-07

● 引言

签到是高等院校课堂教学的重要环节，是督促学生按时上课的主要手段。传统的课堂签到通常以教师呼叫学生姓名、学生应答为主。这种方式简单直接，但在人数较多的情况下，会占去大量的课堂教学时间。随着信息技术的高速发展，教学手段的信息化也得到了全面普及，无论在国外还是国内的课堂上，均出现了能够实现高效签到的系统。

目前，发达国家的课堂签到一般通过学生应答系统来间接实现。而近年来，随着信息技术的快速发展，课堂签到手段也呈多样化发展。文献1构建了一种基于射频识别技术（RFID）的签到系统，系统事先将学生信息写入一张ID卡中，学生进入课堂时，在相应的读卡器上刷卡即可完成签到。[1]文献2开发了基于近场通讯技术（NFC）的签到系统，通过该系统，学生只需携带具有NFC芯片的智能手机进入课堂范围内，系统将自动检测到学生进入的信息，真正实现自动签到。[2]文献3开发了面向Web的学生应答系统，学生通过各自的手机浏览器就可以访问系统，根据不同的系统功能实现签到。国内课堂的签到方式大部分还停留在人工阶段，但学术界对高效率的签到也做了大量研究。[3]文献4结合人脸检测模型和OpenCV技术，实现了基于人脸特征识别的自动签到方法。[4]文献5构建了基于短信猫的课堂自动点名系统，实现了通过发送手机短信达到自动签到的效果。[5]文献6设计了基于GPS定位的智能手机签到系统，该系统结合手机位置和学生信息实现自动签到。[6]文献7提出了一种基于NFC的课堂签到方法，学生可以通过刷校园卡的方式完成签到。[7]

综上所述，现有的签到方式多借助互联网，通过软硬件结合来实现。该方式的核心思想已经接近“互联网+”的理念。“互联网+”即“互联网+各个传统行业”的思想，通过充分利用现有软硬件技术，促成行业基础设施的大融合，以达到行业再创新的目标，从而进一步提高行业生产力。本文即在这一思想指导下，充分利用高校课堂的各种技术条件，对课堂签到方式进行再创新，在保证签到准确率的同时，缩短签到时间，从而最终提高课堂教学效率。

● “互联网+”支持的高校信息化环境

1.“互联网+”概念技术分析

“互联网+”的概念是由易观国际董事长于扬在2012年11月第五届移动互联网博览会上首次提出的。[8]随后，这一概念因2014年11月李克强总理在首届世界互联网大会上，将“互联网+”作为政府工作报告的重要主题而正式进入公众视野。[9]目前，“跨界融合”“重塑结构”“创新驱动”“开放生态”“尊重人性”和“连接一切”是公认的“互联网+”六大特征。从现有技术实现角度而言，“互联网+”的技术实现过程如图1所示。

在图1中，互联网是“+”的基础连接设施，各种信息技术是“+”的变革手段，行业的各种业务则是“+”的连接对象，通过这三者的有序结合，来达到行业大融合和再创新的目的，从而最终提升行业价值。

2.“互联网+”环境下高校信息特点

从上述分析可知，“互联网+”可以认为是互联网发展到高级阶段的应用创新，其实现需要有成熟和广泛的技术基础。而我国高校经过多年的信息化建设，显然具备了实施“互联网+”的基础环境，具体特点如下。

（1）无处不在的互联网访问

我国自1993年实施“211工程”起，在全国高校拉开了中国高等教育信息化的序幕。时至今日，绝大部分高校已经建立了集有线和无线于一体的校园网，而且校内互联网访问费用也在逐渐降低。理论上，在校园的任何一个角落，均可以方便地接入互联网。

（2）智能手机的普及

据2015年11月德勤发布的《2015中国移动消费者行為》报告统计，截至2015年11月，智能手机拥有率高达86%，人均持有量接近2台。而在高等院校里，智能手机普及率更高。同时，随着移动互联技术的高速发展， WIFI已经成为智能手机的标配，这就为师生可以在校园内随时随地访问互联网提供了非常便利的工具。

（3）师生信息素养的提高

教育信息化的全面建设促进了学生和教师计算机水平的全面提高。同时，新引进教师队伍的博士，往往具备较高的计算机水平，其中不乏专业的软件研发人才。这就为更高级的物联网、大数据、数据挖掘等高端技术的研发和应用奠定了扎实的基础。

这三方面的有序整合，恰好满足了教育大融合的基本条件。有了学生人手一台的智能手机、随处可访问的互联网，再加上针对教学管理的一套应用分析软件，即可以实现对教学业务全面、集中和准确的数字化管理。而这一目标，正是“互联网+教育”的体现，因此，高校已经具备掀起一场“互联网+”变革的条件。

● 分布式课堂签到系统设计

1.分布式签到业务分析

传统签到点名的最大问题在于会占据较多的课堂时间，而通过上述分析可知，教师完全可以充分利用互联网，让学生主动签到，以此实现分布式地收集学生的签到信息，实现快速签到。实现分布式签到需要具备三个条件：学生人手一台能够接入网络的手机、有随时访问的网络连接和一套分布式签到系统。

系统的实施环境如下页图2所示，签到系统由学校部署到校内服务器上，由信息中心进行路由设置，同时面向校园网和互联网公开。学生通过手机接入网络访问签到系统，通过校园热点接入校园网，从而访问系统；同时，也可以3G/4G蜂窝数据直接接入互联网访问系统。教师使用系统除了执行签到外，还需要将结果展示给学生，通过教室的电脑连接签到系统，并将签到过程和结果通过投影实时展示给学生。通过这种实施模式，不论学生还是教师均可以方便地访问签到系统，确保签到工作的顺利开展。同时，为了最大限度保证签到的便捷性，系统并不要求学生手机安装任何APP，通过手机浏览器扫描系统提供的二维码即可执行签到，主要签到流程如图3所示。

根据上述过程，完成准确签到还需要确定学生与课程以及时间的唯一对应关系。此外，通过互联网签到，还需要考虑异地签到和代签等问题，因此，本系统至少需要设计如下功能：①系统必须以浏览器/服务器模式运行，并提供访问地址的二维码。学生不需要安装任何签到软件，仅通过扫描二维码，使用浏览器即可进行签到。②具有明确的学生、教师和课程的选课关系，能够确保每次签到的正确归属。③学生和教师可以使用手机或电脑访问系统，系统将记录访问者的IP，并自动识别IP的地域范围，从而防止异地点名。④学生登录系统后，仅需提交学号即可实现签到，能够支持多位学生同时进行签到。⑤系统需明确规定，在一次点名过程中，一台设备仅能签到一次，以防止代签。

2.功能设计

根据上述分析，系统的主要功能结构划分如下页图4所示，整个系统划分为开课管理、学生管理、“互联网+”应用和签到管理四大模块。其中，开课管理、学生管理模块独立运行，共同组成签到对象，是实现分布式签到的数据基础；而“互联网+”应用模块则内嵌在系统中，是分布式签到的后台技术支持。这三个模块协同工作，在签到管理模块的业务流驱动下，最终实现快速签到。具体的功能设计如下。

（1）开课管理

开课管理用于确定不同学期和不同课程的选课关系，通过学期管理、课程管理和选课三个子模块来实现。学期和课程管理子模块即学期和课程基本信息的维护，选课则确定学期和课程的对应开设关系，从事先录入的学期和课程信息中选择确定。该模块由任课教师自行录入维护，是进行签到的前期数据准备之一。

（2）学生管理

学生管理用于确定某一选课关系下的学生名单，即签到名单。這部分数据通常可以从学校教务系统以Excel形式下载获得，再通过上传并解析Excel的方式批量导入到系统中。需要说明的是，学生名单不能单纯地按照课程导入，这样无法确认课程与学生的唯一对应关系，因此必须根据开课管理中事先确定好的选课关系进行导入。此外，在实际上课中，通常会遇到学生补选或重修的特殊情况，这类学生的信息一般不在学生名单中，因此需要通过手动录入的方式在系统中注册。同时，该模块还可以对学生的基本信息进行修改和删除等维护，以应对学生信息出错或退课等情况。

（3）“互联网+”应用

“互联网+”应用模块是充分利用“互联网+”的环境特点，保证签到的便捷性和准确性。便捷性主要体现在二维码的提供，学生不需要记录签到系统的地址，每次上课只要根据指示扫描二维码即可；准确性则从位置验证和唯一性验证两个角度进行考虑。位置验证是根据IP地址段判断学生是否在上课教室范围内。IP地址有四个段，在同一个网段内容量上限为255，这一数字大约是两到三间普通教室所能容纳的学生总数之和。根据这一特点，如果学生签到的IP地址与教师IP地址前三位相同，那么就可以视为签到学生在教室范围内。由于一般无线路由器的覆盖范围在100米左右，即使该生不在教室内，也必定是在教室附近。既然该生已经到了教室附近，在签到约束下，那么该生也没有理由不进入教室。因此，根据这一依据，就可以判断签到学生是否在场。唯一性验证则是指一台设备的IP在同一轮签到中，只能签到一次，这一功能通过存储和匹配签到IP的方式来实现。

（4）签到管理

签到管理模块是本系统的核心，主要有分布式签到、签到记录查询和随机点名功能。

分布式签到的实现需要先建立教师端、学生端和系统之间的网络连接。签到系统事先部署在校园网中，面向校园网和互联网公开，理论上要求24小时运行。在上课时，教师和学生使用手机或电脑通过校园网或3G/4G访问系统。如果是台式机，则仅要求该台式机处于校园网中。建立连接后，教师先登录系统，后选择对应课程，再开启分布式签到功能。在开启签到的同时，系统将自动记录教师使用电脑的IP，作为位置验证的判断依据。学生使用手机扫描二维码，自动打开浏览器访问系统签到的地址，然后输入自己的学号。系统将读取学生手机的IP，先进行唯一性验证，再与教师IP比较进行位置验证，最后还需要验证学号是否存在。通过所有的验证后，系统提示学生签到成功，任何一个环节出错均提示签到失败，具体处理流程如图5所示。

在学生签到的同时，系统会实时反映签到的情况，供教师和学生查看。完成签到后，教师关闭签到功能，学生将不能再进行签到。教师则可以通过系统签到记录的查询分析功能，按照日期了解每次签到的记录。学生也可以提交学号查看各自的历次签到情况。

随机点名则在教师开启该功能后，系统以0.1秒的频率自动随机变换学号和姓名，当教师关闭时，系统显示的学号和姓名即点名的对象。教师可以根据结果呼叫学生回答问题，以保证单人点名的随机性和公平性。

3.数据库设计

根据上述功能设计，系统主要业务实体为学期、课程和学生三类，学期和课程是开设关系，学生和课程是选课关系。为了便于描述，本文将学期和课程的关系用课表来表示，同一个学期设置一个课表，一个课表中包含多个课程，学生则通过课表来进行选课和签到工作，具体实体关系如图6所示。

根据E-R图，系统数据库可由学期表、课程表、课表、学生表和签到表组成，详细结构如下页表1～表5所示。

除上述表之外，为了控制系统的使用权限，还需要单独设置一个管理员表，存储在管理员表中的用户即教师，只有教师才能进行系统的学期、课程和课表设置，开启签到功能（如下页表6）。

● 系统实现

本系统使用Java EE5作为基本开发平台，Dreamweaver CS5作为前端页面设计工具，NetBeans8.0.2作为程序开发工具，选择MySQL 5.5作为数据库，Apache Tomcat5.5为应用程序服务器，系统架构如下页图7所示。

按照结构化开发方法自顶向下设计，以及自底向上的开发原则，各层的实现方法如下。

1.数据层

数据层主要实现对数据库表的增加、修改、删除和查询操作。MySQL数据库表按照表1～表6的结构进行构建。为了应对B/S模式系统面临的高并发性，系统结合JDBC驱动使用数据库连接池技术来构建数据管理环境。在此基础上，编写数据访问公用类DBConnect，供业务层调用，凡是通过DBConnect进行的数据库操作均会自动使用连接池技术。数据库连接池则使用Proxool来实现。此外，编写数据分类页，用于分批显示较多的业务数据，可根据需要设置1页显示10条或20条记录。

2.业务层

业务层则根据功能设计，针对每个数据库表编写数据持久类与业务类。这一工作通过编写相应的JavaBean，调用数据层的DBConnect类来实现。以签到表tcall为例，需要编写call和callrecDAO两个JavaBean。其中，call为tcall表的数据持久类，用于存储从tcall表中取出的数据，由和tcall表字段类型对应的属性以及相应的set和get方法构成；callrecDAO则是业务类，编写相应的业务方法，调用数据访问公用类和call持久类，来实现一系列业务功能。在该类中，根据设计需要编写四个方法，分别实现签到、到课率统计、根据学号查询签到记录和按日期查询全部查询记录四个功能。所有数据库表的持久类和业务类组成了系统需要实现的主要功能，并向上供应用层调用。同时，主要业务功能充分利用“互联网+”进行增强，主要为二维码处理、IP验证、Excel处理和Web2.0&Ajax。二维码处理主要是将系统签到的地址以图片形式发布，这一功能利用现成的第三方工具即可，该类工具较多且免费，可直接使用；IP验证使用Java语言的网络类API即可；Excel處理主要用于学生名单的批量导入，本文调用第三方开源的jar包jxl.jar来实现；Web2.0&Ajax则用于提高交互体验，增强系统的实用性，主要用于签到情况的实时刷新和随机点名的定时变化，该技术直接使用原生的JavaScript来实现。

3.应用层

应用层是学生和教师访问系统的接口。这一层的开发工作主要为系统界面的静态页面设计与动态实现。系统静态页面设计使用HTML&CSS&JS开发，以业务流程为导向进行页面布局，以引导用户进行功能的操作。动态实现则使用JSP和Servlet技术，在页面流程的引导下，在Servlet中调用业务层中各业务类的方法，并将处理结果转发至JSP中，由JSP再调用数据持久类，将所需要的结果展示给用户。

4.应用终端

应用终端不需要单独开发，只需要使用能够接入校园网或互联网并具有正常网页浏览功能的手机或者电脑即可。

● 实证分析

本系统由笔者开发完成，经与学院和学校信息中心联系，系统已经部署至校园网服务器上，隶属于笔者所在二级学院，并同时面向校园网和互联网公开，不论在校内还是校外均可以访问。教师登录系统后，需要先进行学期、课程、课表及学生信息导入等基础性工作，但这些工作并不是本文研究的重点，因此不再赘述，本实证仅针对分布式签到功能。本文选择南京审计大学信息管理专业于2016—2017学年上学期开设的“Java程序设计”课程签到作为实证对象。

教师先登录系统，选择相应的课程，进入“总体签到花名册页面”，接着再点击该列表右上侧的“点名”按钮，弹出“单次签到名单页面”，点击右上角的“开始签到”按钮，系统进入监听状态，一旦监测到学生签到信息，则执行图5所示的签到处理流程。

笔者以学号“1406130”同学的签到过程为例，打开微信扫描二维码，自动打开浏览器进入签到界面，输入学号，点击签到，验证通过后显示签到成功（如图8）。

学生签到成功的同时，教师端的学生签到花名册签到状态变成绿色图标，表示成功接收到学生的签到信息。

由于系统采取B/S模式，因此支持并发签到，全班学生可以同时签到，彻底避免了传统的按顺序点名方式的缺点，真正实现分布式签到。这一工作以教师点击“签到结束”按钮为止，签到结束后，学生再提交学号将提示“签到尚未开始”。

学生签到完成后，在总体签到花名册页面中，点击“历史记录”图标，则弹出历史签到记录页面，该页面记录了学生签到的学号、姓名、签到IP、状态等信息。

由上述过程可知，系统的分布式签到功能符合预期研究目标。系统发布后，经过多次公开测试，于2015年正式投入至南京审计大学信管专业“Java程序设计”“Web开发技术”和“网页制作与网站建设”等课程的实际签到中。在应用过程中，分别以“Java程序设计”和“网页制作与网站建设”两门课在2015—2016学年上学期签到为分析对象，以不同课程的签到人数和签到所耗时间为统计对象，得到如图9所示的统计结果。

如图9所示，在首次签到时，耗费时间相对较长，主要原因在于学生对签到模式不熟悉，但几乎不受签到人数的影响。经过多次签到后，签到时间大幅下降，最终稳定在1分钟左右。这个时间相比较传统点名方式，其效率有了极大的提高，尤其是针对人数较多的课程，其效率更是有了大幅度的提高。在实际过程中，笔者也对实际签到情况进行人工检查，发现系统的IP验证功能也发挥了作用，准确率也可以得到保证。

● 总结

本文对“互联网+”进行了技术分析，并充分利用高校现有的信息化条件，利用“互联网+”的理念，对高校课堂自动化签到模式进行了再创新，设计并实现了具有位置和身份唯一验证功能的分布式课堂签到系统。系统已投入至笔者所在南京审计大学的课堂签到中，并已经过至少4学期的使用。实证效果表明，该系统极大地提高了点名效率，真正实现了课堂签到的自动化。然而实证发现，如果学生使用移动蜂窝数据进行签到，那么其IP与教师IP将完全不同。要解决这一问题，则需要对使用不同运营商的手机IP进行分析和挖掘，从中掌握规律，这又是一个值得研究的问题。此外，该系统尚不能避免一个学生携带多个手机进行代替签到的情况，这一问题则可以考虑从历史签到记录的数据分析入手进行解决，这些都将成为下一阶段的研究工作。

参考文献：

[1]NurbekSaparkhojayev， SelimGuvercin.Attendance control system based on RFID-technology[J].International Journal of Computer Science， 2012， 9（3）：227-230.

[2]Marcos J. LópezFernández， Jorge GuzónFernández， et al.Control of attendance applied in higher education through mobile NFC technologies[J].Expert Systems with Applications， 2013， 40（11）：4478-4489.

[3]Martín Llamas Nistal， Manuel Caeiro Rodriguez， Juan Gonzalez-Tato.Web-based Audience Response System using the educational platform called BeA[J].Journal of Research and Practice in Information Technology， 2013，45（3）：251-265.

[4]梁曉丽.基于人脸检测识别的自动签到方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[5]唐明伟，庄玉良，蒋勋等.基于短信猫的课堂自动点名系统[J].现代教育技术，2013，23（10）：115-120.

[6]浩明.基于安卓手机位置服务的签到系统[J].电脑知识与技术，2014，10（21）：4976-4979.

[7]许晨，苏忠，李燕.基于NFC近场通讯技术的课堂智能签到系统的设计[J].金陵科技学院学报， 2015，31（1）：37-41.

[8]腾讯科技.于揚：所有传统和服务应该被互联网改变[EB/OL].http：//tech.qq.com/a/20121114/ 000080.htm[2012-11-14].

[9]央视网.李克强同世界互联网大会中外代表座谈时强调：促进互联网共享共治 推动大众创业万众创新[EB/OL].http：//news.cntv.cn/2014/11/20/VIDE1416483039412281.shtml[2014-11-20].

[10]唐明伟，蒋勋，姚兴山.“互联网+”环境下面向公共安全的突发事件快速响应系统[J].情报科学，2016，34（11）：154-159.