智慧课堂学生考勤管理研究与设计

摘  要：随着教育信息化的不断推进，智慧校园正在成为校园新的发展趋势。学生考勤管理是建设智慧校园过程必须解决的普遍存在而又重要的课题。目前，不管是传统的还是利用现代智能设备、技术设计的考勤方式都或多或少地存在一些问题。综合考虑成本和效率，提出了一种将校园一卡通、智能电子设备和选座机器与管理系统相结合的方式全方位地进行学生考勤，有效的避免了学生缺勤，特别是虚假考勤的现象，提高了高校对学生的管理效率，从而有效地降低了学生在教学时段出现的一系列安全问题。

关键词：教育信息化;学生考勤;智慧课堂;物联网

中图分类号：TP311.52      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0001-05

0  引  言

2010年7月，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》明确了国家的教育信息化发展战略：到2020年将基本建成覆盖城乡各级各类学校教育信息化体系，使教育往智能化、服务化、个性化和开放化等方向发展[1]。近年来兴起的依托于物联网技术的智慧校园正在逐步取代数字校园，成为现今校园信息化发展的趋势。它通过整合物联网、虚拟化和云计算等技术，构建出一个集科研、教学、生活、管理于一体的智能教育、学习和生活环境。教学是智慧校园建设中的一个重要组成部分，而课堂考勤作为教学中的一个重要环节，一直是学校亟待解决的难题。近年来，高校学生的安全问题日益凸显，安全事故频频发生，而这些事故有相当一部分是发生在教学时段。安全问题无小事，学校除了运用行政手段加强安全教育外，确保学生的到课率也是一个重要举措[2]。为了提高到课率，各大高校屡出奇招，其中最常规的手段是考勤。单单考勤方式也是五花八门，與时俱进，但或多或少都存在一些问题。

0.1  人工点名

人工点名是最传统也是目前最常用的考勤方式，通常是由任课老师、辅导员或者班干部辅以纸质点名表完成这项工作。但是人工点名方式存在的问题如下[3]：

（1）效率低下，老师需抽出一部分原属于上课的时间用于点名。

（2）可靠性低，无法有效地避免学生代签到的情况。

（3）缺勤信息汇总不及时，辅导员、家长、学校无法及时掌握缺勤学生的情况。

（4）缺勤信息记录格式不统一，可利用率低。

0.2  校园一卡通刷卡

辅以课堂管理系统，一卡通刷卡考勤方式解决了人工点名中缺勤信息记录格式不统一的情况，也能够将考勤信息及时传送到相关人员手中，及时对问题做出应对[4]。但是，一卡通刷卡签到最大的问题是无法解决代签到的问题。考勤数据的真实性、可靠性较差。

0.3  固定座位

教师沿用中小学时期的做法，给学生安排固定座位，可以较准确地获知当堂课缺勤人员情况，但是大学教育是相对中小学时期而言较为自由的教育，长期固定座位的做法不利于学生间的自由选择和交流。

0.4  移动设备考勤

随着智能机的广泛应用，GPS定位技术发展已经非常成熟。移动设备考勤[5]方式借助移动设备的GPS定位功能，教师一键启动中心设备，即可把考勤圈定在一个较小范围内，通常是一栋教学楼或者一间小教室中，学生必须手持移动设备在中心范围内才能正常签到，否则系统后台将把该生信息显示为缺席。移动设备考勤方式极大地改进了签到方式，提高了考勤效率。但是，随着经济的发展，人们生活水平的提高，学生同时拥有两部以上移动设备的比例不小，仍然无法很好地解决代签到的问题。

0.5  指纹考勤

指纹识别是生物识别技术的一种，它利用人体固有的生理特性进行个人身份的鉴定，由于每个人的生物特征的唯一性和稳定性，相较于前面三种考勤方式，具有如下优点：

（1）不会遗忘或者丢失。

（2）防伪性能较高，不容易伪造或盗用。

（3）随时随地可用。

但是，不易伪造不代表不能伪造，随着技术的不断发展，市面上出现了越来越多的自制的可携带指纹。复制的指纹虽然识别率不高，但仍然是可以用的。指纹的个体唯一性特征遭遇前所未有的挑战。因此，指纹考勤仍然无法很好的解决学生的代签到问题。

0.6  虹膜考勤

虹膜识别技术也是生物识别技术的一种，具有和指纹识别考勤同样的优势，甚至在相同情况下有更好的识别效果，但是，虹膜识别考勤较显著的问题是成本较高，考勤机器体型较大。

以上各种考勤方式对比如表1所示。

1  考勤管理设计

近年来，校园一卡通和智能手机已成为现代学生校园生活必带的随身物品，综合考虑考勤成本和效率，本文采用校园一卡通结合移动设备的方式进行考勤管理设计，既不会给教师的教和学生的学带来额外的沉重负担，又能有效地解决现今普遍存在的虚假签到现象。整体架构图如图1所示。

图1中的智能手机、便携式电脑和平板电脑等移动设备用于学生登录考勤管理系统后在线选择课程、教室和座位，已经选好座位的学生在上课之前到达教室用自己的一卡通到打卡机进行打卡确认后即可就座准备上课，尚未在线选择座位的同学仍然可以在上课之前就近选择一台选座机进行教室、课程和座位的选择和确认后准备上课。教师登录考勤管理系统可以查看本次课程的实到人数，系统界面显示的座位列表即为现场学生的实际座位表，一旦有刷卡代签，人却未实际到场的情况出现时，教师通过对比即可一眼看出，有效地避免了学生拿卡和手机代签到现象的发生。具体流程如图2所示。

2  功能设计

校园一卡通是学生在学校生活中不可或缺、出行必备的物品，集个人身份、消费、签到、安全等功能于一体。所以，本文设计的考勤方式不会给学生带来额外的负担。另外，手机和校园一卡通一样已经成为学生出门必带的物品。充分利用了现有的资源进行考勤，不仅降低了考勤成本，也提高了考勤效率。

2.1  选座系统

由图1和图2可看出，本文设计的选座包含两种方式：先选座后就座和先就座后確认座位。

2.1.1  先选座后就座

学生通过智能手机等移动设备注册通过后登录系统在线选择本时段所上课程、教师和所在教室的位置。系统中如果位置已被占用显示为灰色，座位空闲则显示为绿色。学生只能选择颜色为绿色的座位。已选择座位且已经到所在教室就座的学生姓名在系统中将显示为绿色，已选座但未到所选位置就座或者未选座位的学生在系统中相应的姓名将显示为红色。

2.1.2  先就座后确认座位

设计采用的设计思路为：感知层由HC-SR501和Arduino Uno组成的人体红外感应模块检测座位上是否有人;连接层通过Internet进行数据的传输和交换;应用层即为本文所设计的考勤管理系统，如图3所示。

HC-SR501是根据人体发出的特定波长10μm左右的红外线（人体都有恒定的体温，一般在37摄氏度，所以会发出这样的红外线）工作的。早期的解决办法大都采用红外线屏障传感器辅助摄像头的模式，主要工作原理是利用前方物体的反射确定是否有人。但是，这种方法存在缺陷，如果使用者提前离开或者用一个可以替代自身的障碍物放置在传感器前面，传感器并不能识别出前方到底是人还是物。所以，并不能达到解决虚假签到的效果。本文在设计中采用的HC-SR501将判定规则聚焦于人而不是物，它比传统的红外屏障传感器加摄像头的感应模式更有优势，具体表现在：

（1）不需要摄像头，降低了成本。

（2）解决了使用者在座位上放置其他物体代替本人的问题。

2.1.3  选座机选座

学生课前若未通过移动设备选座或者忘记携带移动设备时还可以通过教学楼门口放置的选座机进行座位的选择。参照航空公司航班座位选择系统，本文设计的选座管理系统采用全景化的座位分布显示，按座位实际布局在界面上直接显示特定区域的座位状态，空闲座位显示为白色，其他不可选的座位都采用灰色显示，学生可直观、方便地点选座位，或转到其他区域、楼层、教室的座位平面图。

系统采用区域像素点坐标的定位方式，根据用户所点击位置的坐标，对应到相应的座位区域，从而可以定位各种形状的座位布局，且不受座位方向的限制。具体如图4所示。

另外，选座系统上实时座位使用情况数据需通过网络与整个考勤管理系统连接，移动设备、Web和选座机器端同时运行，更好地为学生和教师提供便捷服务。

2.2  移动设备签到

微信小程序（Mini Program），是一种不需要下载安装即可使用的应用，它实现了应用“触手可及”的梦想，用户扫一扫或者搜一下即可打开应用。也体现了“用完即走”的理念，用户不用关心是否安装太多应用的问题。应用将无处不在，随时可用，但又无需安装卸载。对于开发者而言，小程序开发门槛相对较低，难度不及APP，能够满足简单的基础应用。

待学生完成选座、刷卡确认，在选定位置就座后，课堂正式开始前，教师和学生同时搜索打开微信小程序端的考勤管理系统，利用LBS（Location Based Service）一键签到功能。教师在上课时发布LBS签到，设置签到的范围米数及签到的时间范围，学生在时间范围内在指定的地点打开微信小程序签到即为正常签到，否则记为旷课、请假、迟到等状态。使用界面如图5、图6和图7所示。

所有的这些考勤记录将保存到系统中作为教师、教务处、学校学生工作处实时监测数据，管理用户可以根据需要查看缺勤人员，及时了解并掌握他们的动态，对一些突发情况也能准确地做出应对。

3  关键问题与技术难点

3.1  关键问题

3.1.1  响应时间

以一个有20000名师生的大学为例，同一个上课时间段有50%的学生需要选座位，总计为10000个访问量，根据调查表明，课前十分钟是集中访问的高峰期，针对未通过移动设备选座的学生而设计的选座机器的响应时间问题是一个较大的挑战。平均每一个学生在选座机器前面选择教室所在区域、楼栋、教室编号、座位编号的操作时间若为1分钟，那么，在上课前的高峰期，即课前十分钟，一台机器在10分钟内只能完成10个学生的选座操作，势必会造成较为严重的排队现象，效率低下，所以，为了解决拥挤的问题，学校在使用上应大力宣传引导学生自行通过网络，不管是移动端或是Web端进行在线选座，选座机器只是为了方便网络或者移动设备出现问题的情况而做的辅助准备。

3.1.2  并发问题

引导学生、教师通过网络方式在线选座和考勤后，问题就转移到并发上了。所谓并发指的是在同一时刻与服务器进行了交互的在线用户数量。并发用户数量的统计的方法目前还没有准确的公式，因为不同系统会有不同的并发特点。例如：OA系统统计并发用户数量的经验公式为使用系统用户数量×（5%～20%）。对于这个公式没有必要拘泥于计算的结果，因为，为了保证系统的扩展空间，测试时的并发用户数量要稍微大一些，除非是要测试系统能承载的最大并发用户数量。根据上面公式测算，在选择座位的高峰时间段（课前十分钟）假设会有2000人同时选座，系统要做的并发用户数测试量为2000×20%=400人即可，这个可以通过软件性能测试工具LoadRunner实现性能的模拟。

3.2  技术难点与解决方案

3.2.1  选座机

不管采用何种选座方式都必须事先对学校里所有可用的教室进行座位的编排和设计。大学不同于中小学，教室根据不同的专业有不同的设计思路，自然座位也会有不同的设置，如何对这些教室进行资料收集、分类和绘制是前期设计要进行的比较重要和繁琐的工作。工作虽然繁琐，但技术含量较低，在较短时间内就可以完成。

3.2.2  数据传送

实现对信息的采集只是第一步，如何将采集的数据及时有效地传输出去是第二关键步骤。本文选择由HC-05和Arduino Uno搭建的蓝牙通信网络进行信息的传输，向下分别连接上面提到的人体红外感应模块和RFID读卡模块，向上协同以太网将底层采集的数据实时传输至后端数据库，并将信息即时显示在微信选座界面和Web选座界面实现信息由获取到利用的连接。

4  结  论

考勤是课堂教学过程中重要的一部分，是教师期末评定成绩的重要依据之一，是学生工作管理部门掌握学生学习情况、了解学生动态的重要手段。通过有效结合校园学生卡、移动设备、RFID和物联网等技术，四位一体对学生进行多方位考勤，有效避免了学生无故旷课、迟到、早退等不良学习习惯的养成，迫使学生在教学时间段到教室去学习。只有保证了足够的学习时间，学生才能有所收获，才能学有所成。

参考文献：

[1] 王超.智慧校园系统的考勤管理子系统的设计与实现 [D].北京：北京交通大学，2016.

[2] 王靖娜.基于Android的学生考勤管理系统设计与开发 [J].现代电子技术，2014，37（8）：99-101.

[3] 高晓兵.中职数学课堂“逃客”现象分析及应对策略 [J].河南教育（职成教版），2017（5）：48-49.

[4] 丁蓉，孙晓辉，张禾.校园一卡通在高校教学管理中的应用 [J].中国教育信息化，2017（7）：63-64.

[5] 曲建龙.基于移动定位的手机考勤管理系统的设计与实现 [D].西安：西安电子科技大学，2014.

作者简介：郑银环（1984-），女，汉族，福建漳州人，就职于计算机科学与工程系，硕士，副教授，主要研究方向：高等学校教育、数据挖掘。