基于NFC技术的珠宝样本管理系统设计及应用

2022-11-22赖俊涛徐思海张丽娟

通化师范学院学报 2022年10期

赖俊涛，徐思海，张丽娟

“珠宝鉴定”课程是宝玉石鉴定与加工专业的核心课程，亦为全国职业院校技能大赛（珠宝鉴定赛项）主要支撑课程，其内容为宝玉石鉴定及实践测试，授课过程主要采用“学生为主体，教师为主导，样本为媒介教具”的教学理念，通过教学实践使学生获得“多种珠宝样本（以下简称样本）鉴定检测及综合分析”能力.但该课程具有理论知识点多，实践操作程序复杂等特征，在教学样本管理中，存在以下问题.

第一，样本信息不全.传统方法采用样本袋粘贴纸质文本［1］或二维码进行样本信息记录，无法定向加密信息［2］，导致在课堂测试过程中样本信息易被学生知晓或记忆，造成学生“一看就会，一考就错”的学习困境.第二，样本收发管理混乱.传统教学现场采用学生自主领取样本，课堂训练测试中学生每节课至少更换10颗以上样本，且此期间无样本收发记录.若钻石、彩色宝石等贵重样本掉包或遗失，则无法及时溯源，难寻找责任人.第三，样本管理缺少专项教师.通常课程仅一位教师授课无法同时兼顾样本现场管理与教学一对一实践指导.第四，缺少样本管理软硬件组合.虽然有部分学者和院校采用excel、数据库［3］、自制软件管理［4］，但操作复杂且需配备专项人员操作，不适用于日常课堂样本管理及教学，且目前市场中缺少针对珠宝鉴定教学环节的样本管理智能硬件设备.第五，缺乏学情动态分析.每个样本检测数据达21条，导致教师批改耗时多易出现打分失误.此外，教师无法及时对学生错题进行统计，难以准确掌握学情.

为解决以上教学难点，基于NFC技术特点［5］研发珠宝样本管理系统（以下简称系统）.系统可实现样本自动借还管理［6］、样本信息查看及测评、操作记录溯源［7］，推进“珠宝鉴定”教学过程中样本精细化管理及信息化教学.

1 样本教学管理系统功能需求调研

为深入了解各院校对系统功能的需求，高效服务于课堂测评过程.采用电话访谈及发放调查问卷方式，对河北地质大学、深圳职业技术学院、江西应用职业技术学院等16所典型代表院校、培训机构的“珠宝鉴定”授课教师及样本管理员进行设备功能需求调研.

调研结果显示，对本系统表示极为感兴趣的教师占比87.5%，均为高职院校教师.通过前期与教师电话访谈内容，设置了12项待研发的设备功能，合计满分100分，各项平均分值统计情况如表1所示.

表1 系统功能列表

由统计可知，排序1～4位为教学现场样本管理的直接需求，也是设备的基础功能，需保障其功能稳定、顺畅运行；排序第5位为样本来源管理是教师定向购买需求，应予以重视；排序第6～11位为智慧教学设计模块，虽然目前需求占比分数较低，根据后期电话回访，原因为多数教师担心操作过于繁琐，暂时未能得到认可，但优化算法作为未来产品核心技术，在研发过程中需预留系统设计构架.排序第12位功能需求过低，且替代性强，本次设计不进行相应研发.

2 系统设计

2.1 整体设计思路

系统基于以上调研数据及“珠宝鉴定”教学流程设计，主要包括信息管理后台、NFC便携式样本箱（教学盘）、教学APP、微信小程序4个模块，以NFC技术标签为样本信息载体进行不同模块串联，使用流程及设计思路如图1所示.①将每颗样本的21项鉴定图文信息通过NFC标签录入至信息管理后台.②NFC样本箱对样本领用信息动态记录，实现样本自动管理.③教学APP作为学生实践测试的软件平台，完成借阅/归还操作确认、在线答卷、错题查看与收藏.④微信小程序提供虚拟样本资源及特殊样本采购功能.

图1 NFC样本管理系统设计

2.2 信息管理后台设计

信息管理后台功能为编辑、查询、导入、导出样本信息内容、样本使用状态、操作历史记录.

系统用户一共三类，分别为“管理员”“课程教师”“学生”，其中“管理员”角色具备最高授权权限［8］.①可对全部标本及课堂样本使用情况进行核查.②可授权相关人员使用“课程教师”管理功能.③若管理员兼任教师则可进入“教师端口”，可打开“课程教师”权限管理操作界面，如图2所示.

图2 后台管理员功能

系统中“课程教师”为第二级权限，系统围绕教师日常教学安排设计：①“我的信息”“我的班级”“我的样本”三大模块，便于教师借阅样本进行科研及日常教学.②可授权“辅助学生”参与样本鉴定信息录入，如图3所示.

图3 课程教师权限界面

模块1主要创新点：“我的信息”为教师本人科研所需借阅样本记录及提醒.

模块2主要创新点：“我的班级”管理中“学习阶段”可按照“珠宝鉴定”教学单元设置不同样本组合，根据每节课学生答题情况进行数据汇总统计，形成可视化学情报告，从而调整教学进度，设置同班分组教学，实现差异化教学与专项练习，突破重难点.

模块3主要创新点：“我的样本”模块样本信息查询与编辑：①每个样本共有21个鉴定信息选项及上传5～10张图片，如图4所示.②主要样本的鉴定信息选项设置为数字填空及选择项，方便后期系统自动改卷.③每个样本设置备注栏，方便对样本的”典型内含物“等差异化文本类鉴定特征及其他事项进行备注.④样本记录设置储存位编号登记，方便管理员定位快速寻找.⑤样本设计难度系数栏，数值由教师设置，方便教学评价及样品配比设计.⑥样本设计“标签栏”，例如“可见光谱特征”“内含物”等标记，方便后期教师按照教学要求进行样品配比设计.⑦样本查询设计“关键词”查询和“参数范围”查询，方便教师遴选特定样本，设置专项练习.⑧教师可根据课程进度在“阶段性教学设置”中设置：选择定向鉴定参数信息隐藏功能，方便配合日常教学单元模块教学.

图4 样本鉴定信息编辑界面

管理系统“学生”终端为教学APP，可兼容Android与iOS系统，须由管理员或教师在网页终端进行授权后方可使用.

2.3 NFC便携式样本箱及教学盘设计

NFC便携式样本箱用于存放教学样本，样本箱分为两部分.一部分为临时取用层，设计4格并为每格配备电子锁，用于不同课程教师领取相应样本，如图5所示.另一部分为库存区，采用抽屉式设计，每个抽屉为若干活动式夹层且记录编号，方便教师通过系统快速查找，如图6所示.此外样本箱设有密码锁，授课教师或管理员可通过信息管理后台获得动态密钥，取用人和样本信息将会被记录.

图5 样本箱分区示意图

图6 库存层抽屉横截面示意图

NFC教学盘为本节课学生所需测试的样本存放盘，如图7所示.每个NFC教学盘配备电子秤、NFC读取器、显示牌、密码输入器，方便操作人员核对样本信息及确认样本借出/归还信息.

图7 NFC教学盘

使用方法：①授课教师将样本放置于“教师放置样本位”，设备自动读取样本信息并“自定义/自动”生成本节课样本临时编号，避免学员通过记忆固定样本编号从而完成答案.②学员拿取样本时，通过教学APP提示，输入密码确认操作人身份，显示牌随即显示样本编号及操作人信息.待学员样本归还时，放入指定样本排序领取区.在此过程中借阅样本操作被准确记录，NFC教学盘可选装摄像头，及时发现样本遗失或装错袋预警，精准完成责任人溯源.③课前及课后均可通过系统后台“一键盘点”实现样本自动核对；教学过程中若出现违规操作将珠宝带离NFC样本箱及教学盘指定距离范围即鸣笛提示.最终实现教学过程中样本自动借阅及精准操作记录，保障样本的安全性.

2.4 教学APP设计

教学APP作为信息管理后台的学生使用终端，配合NFC教学盘使用，功能包括学生借/还样本记录、线上答题等功能，如图8所示.

图8 教学APP功能图

软件研发测试采用Android平台，其中主操作页面、样本答案校对如图9和图10所示.

图9 APP主操作页面

图10 答案图片校对页面

2.5 微信小程序设计

微信小程序作为师生课后教学资源，为师生提供课后样本查询及借阅、前沿鉴定知识资讯、就业推荐及质检岗位实操等功能，帮助学生从课堂走向市场，提升珠宝质检岗位兴趣与认知，其功能设计如图11所示.

图11 微信小程序功能模块示意图

微信小程序数据接口为后台信息系统，其中样本信息具备21个鉴定参数，标注特色产地、内含物特征，方便学生借阅及课后知识补充，以及教师采购特殊样本（例如特定内含物特征）.

3 教学使用效果

黎明职业大学作为样本管理系统试点教学单位，选择“珠宝鉴定”课程实训中“国赛模拟考”环节测试为例.从已学完“珠宝鉴定”的学生中按照成绩“高、中、低”组合抽选2组，每组3人，每人目标检测45颗，采用教师无看守，完成对照测试，其中A组为传统教学组，B组为信息化管理系统测试组，测试结果如下：①在测试样本准备环节，A组课前样本领取时间为15分钟，全过程需教师本人及管理员操作；B组测试准备时间为5分钟，可远程授权学员自主操作并打印操作确认单，极大地减少了教师工作量.②在测试过程中A组学员填写纸质实验报告，并存在相互抄袭、手机查阅现象，且样本放错袋3个，经过2小时测试，人均仅完成21.6颗，目标检测数量完成度72.2%；B组学员采用APP填写实验报告，后台设置APP退出警告，无样本放错现象，人均完成数量为32.5颗样本检测，目标检测数量完成度提升至72.2%.③在教师改卷环节，A组每个样本纸质报告批改平均耗时0.5分钟，3人检测的65颗样本批改，总耗时32.5分钟；B组APP改卷考完即错题归类，成绩自动评阅，并生成学生学习档案.④课后复习总结.A组仅能采用理论复习，B组可采用微信小程序查看错题样本信息，并可预约申请“开放实训室”查看实物错题样本.

由此可见经过样机测试，设备系统运营良好，有效解决了教学过程中样本管理问题，学生自主学习效率大幅度提升.