刘湘煜

（长沙理工大学物理与电子科学学院，长沙 410114）

0 引言

现阶段普遍存在于高校教育中的问题，首当其冲的就是课堂效率以及课后巩固。由于高等教育资源的稀缺，一个教师不仅肩负着科研任务，还需要管理多个班级，应到课人数的大大增加，使得高校课堂的管理并不轻松。相比于中小学教育的严格管理，高等教育更倾向于让学生自主学习与自主管理。也因此，高校课堂的教学质量往往与学生自主性更为相关。换言之，教师不能再像中小学教育那样督促管理学生，而今，很多大学生经过了高中紧绷神经的学习生活都有所松懈，往往自主学习与自律能力还没有跟进，宝贵的时间却已经流失殆尽。学生们有些自控能力不强，都有或多或少的原因对于课堂教学内容的吸收巩固有所欠缺。

在高等教育中的学风建设中，如何有效保证到课率，是本课题的重心。目前，各大高校普遍所认可和采用的学分评定方式，往往由考试分与平时分结合。旨在检验学生平时课堂是否认真，以及课堂表现情况。管理的理念方向并没有问题，难点在于教师无暇顾及所有的学生。

当今大数据时代，互联网已经深入各行各业，互联网+更是各个行业的阶段性目标。随着移动设备的爆炸式增长，互联网的层次更加丰富，重心也逐渐转移。教育事业作为国家的根基之一，理应紧跟时代，通过互联网+来更为合理的提高教学质量与秩序[1]。

目前，就课堂考勤的现状来说，大部分高校还是采取的教师口头点名，再通过手写记录来维持学生到课率。同时，少部分教育先锋梯队也曾尝试不同的“智能考勤”方式。

（1）射频技术（RFID），通过无线电讯号识别特定目标并读写该目标的相关数据。同时辅以拍照检测，确保签到的高效与准确性。不过由于需要大量的基站铺设，使得前期成本过高，并没有普及开来。

（2）基于移动设备的位置信息服务（LBS），主要是网络定位与GPS定位，有着低成本，方便普及的优点。

（3）基于手机蓝牙的智能考勤，与射频技术相似，但是省去了前期大量铺设基站的过程，以教师的手机作为基站，大大减少了成本。

（4）基于二维码的签到，通过扫描二维码识别用户ID，保证每台手机签到一个人，有着方便快捷的优点，缺点是限制条件太少，虚假签到情况较为严重[4]。

本课题基于互联网+的思想，利用如今已经大面积普及的智能手机移动端，提供一个简便快捷的考勤与课堂管理方式。望能有效提高高校课堂效率，减轻教师负担。

1 系统设计与实现

1.1 需求分析

（1）主要业务功能需求

主要业务功能是为了提供一个方便简介的课堂管理的移动端平台，有效减少教师当堂考勤所需时间，简化流程，同时准确高效的上传学生签到信息。总结已有的智能考勤方式，设计系统的思路为：结合大众化的二维码技术和手机终端提供的LBS服务来完成考勤。确保学生考勤的准确率，也简化教师的操作流程。

（2）LBS服务基本功能需求

分析移动端定位的需求，课堂考勤基本在室内活动，GPS在室内的效果并不理想，而考虑到高校自身或者各大通信商已经建立了完备的Wi-Fi网络环境，所以Wi-Fi定位与GPS定位相结合，再辅以基站定位。三种定位方式，可根据用户不同的条件来选择合适的定位方法，进而得到较为准确的结果[7]。

1.2 基于Wi-Fi位置指纹的室内定位技术

由于课堂考勤基本在诸如教学楼的室内中完成，因此室内定位技术尤为重要。相对于室外定位，室内环境复杂、多径效应严重。而考虑到Wi-Fi覆盖面广、速度快、成本低及环境依赖性小等众多优点，是室内定位方法的首要考虑。本章主要对室内定位的相关原理进行研究，为后文研究做理论铺垫[7]。

（1）室内定位原理分类

现阶段的室内定位算法从原理上来讲，可以归纳为四类：邻近信息法、位置指纹定位法、几何特征法和航位推算法。其中几何特征法按照建立几何模型的不同又可以细分为：基于圆周定位、基于三角定位和基于双曲线定位的模型。

（2）位置指纹定位法

位置指纹定位法通常基于射频信号的场景分析，其核心思想是将不易测量的位置信息和容易测量的信号特征建立映射。即在提供室内定位服务空间（如Wi-Fi、基站）设置参考点，在参考点处采集信号特征参数（如信号强度）建立位置指纹数据库。定位时，将接收到的信号特征参数与指纹库中位置指纹数据进行相似度计算，最后获取待定位目标空间位置信息。该方法仅需要少许的辅助节点，定位精度高，但前期必须采集众多的位置指纹数据来创建指纹数据库，而且易受环境影响。

（3）基于Wi-Fi位置指纹的室内定位技术

本系统使用的百度LBS服务，其主要采用基于Wi-Fi位置指纹的室内定位技术。Wi-Fi信号的本质是电磁波，因此，在传输过程中由于折射、散射、多径效应等现象被大气吸收，产生能量衰减。Wi-Fi信号在大气传播中其能量衰减可与传输距离建立关联关系。

由Wi-Fi信号的路径损耗传播模型可知，RSSI（接收的信号强度指示）会随着传播距离的增加逐渐衰减，当室内存在障碍物时，信号会受到遮挡，强度的衰减也不再规律，不同位置获取AP的RSSI也存在差异。通常在某一固定位置，能同时获取到多个AP的RSS数据，且这些数据也存在差异。正是由于在不同距离上可以接收不同RSSI数据和同一空间位置上可以接收到多个AP的RSSI数据，为基于Wi-Fi实现室内定位提供可能。目前，基于Wi-Fi的室内定位技术按照定位原理可以分为：基于信号传播模型的室内定位和基于位置指纹算法的室内定位。

（4）基于RSSI的测距原理

为了得到RSSI与距离r之间的关系，首先可知无线信号的发射功率与接收功率之间的关系式如下[10]：

其中：PR为无线信号的接收功率；Pr为无线信号的发射功率；r为收发单元之间的距离；n为传播因子，取决于无线信号传播的环境。

在上述公式两边取对数可得：

将发送功率带入公式可得

其中A为信号传输1m远时接收信号的功率。而左半边等式为接收信号功率转化为dBm的表达式，可以直接写成：

以实验室内为测试环境，最近的路由器Wi-Fi名为“201”。当终端与路由器距离为1m时，扫描Wi-Fi的RSSI数据如图1。

图1

得到A值为-26，此时选取离路由器为2m的一点进行再测量，扫描到Wi-Fi的RSSI值如图2。

图2

代入r值为2m，则得出系数n为2.66。

随意选取室内一点，进行第三次测量，扫描到Wi-Fi的RSSI值如图3。

图3

根据以上得到的数据，可算出此时距离为4.35m，实际测量距离约为4.2m，误差在可接受范围以内。

当多个Wi-Fi热点的位置信息已确定的情况下，通过终端对不同Wi-Fi热点的RSSI值测距，以此来获得平面坐标系上的坐标，也就是大致算出终端在室内的位置信息了。

1.3 系统框架设计

教学辅助平台体系结构如图4所示。平台从逻辑上分为三层，包括数据层、中间层、用户层。

图4教学辅助平台系统框架图

（1）用户层

用户层是用户进行直接交互的界面，基于Android操作系统；由于移动端的位置服务需求，本系统调用了百度的Android LBS SDK，它包含一个定位SDK和地图SDK，主要负责获取移动端的位置信息并显示当前位置。二维码采用ZXing提供的开源项目，用以通过提供信息来绘制二维码，同时项目中也包含了扫码解析，使得位置信息能够快速准确的解读并进行操作。

（2）中间层

这一层主要是业务逻辑的实现，主要负责数据的封装和解析以及使用网络协议进行服务器与客户端的信息交互。本系统采用HTTP与JSON数据格式来构建，实现交互功能。HTTP协议具有简单快速、无连接、无状态、数据灵活等特点，通过调用Android SDK中集成的HttpOk方法来具体实现。JSON是一种轻量级的数据交换模式，相比较于XML来说，JSON没有严格的闭合标签，故而有效数据比例更高，减少了同等数据量下的网络传输压力，更适合移动端用户。

（3）数据层

这一层主要储存了本系统可能用到的大部分数据，用于接收应用层的数据，并对相应的操作返回结果。包括：课堂信息、学生信息、教师信息等。

1.4 系统功能设计

课堂考勤系统是以提升教学质量，维持课堂秩序为目标，学生教师为使用对象，维护课堂管理为基础的平台。根据系统需求分析，移动客户端分为用户管理模块、课堂考勤模块、课堂管理模块构成。

用户管理模块包含登录、设置等系统基础功能；课堂考勤模块是本系统的核心模块，它包含了地图的显示与定位，二维码的绘制与解析，不仅为系统提供基本的LBS位置服务支持，同时也使得考勤流程的准确性得以保证；课堂管理模块则提供了考勤结果的可视化，同时也为教师提供了记录学生评分的功能，用以学期末的平时分评定，大大减少教师的课堂负担。

图5教学辅助平台功能模块图

（1）用户管理模块

考虑到管理的便捷性，系统的用户名与学号、教职工号挂钩。服务器提供一个登录的接口，师生通过登录即可查看到个人信息，并且在系统中进行下一步操作。

（2）课堂考勤模块

程序通过百度SDK调用LBS服务，提供移动端的位置信息。位置信息与课堂ID等信息结合为基础，生成含有效信息的二维码。生成二维码则视为发起签到，在数据库中相应的表中生成初始签到信息。学生通过扫码得到信息并向数据库申请操作，完成考勤。

图6考勤过程

（3）课堂管理模块

此模块只对教师可见，可用于查看当前课堂到课情况，实时记录学生课堂行为并评分，同时也可在课后查看课堂信息。评分最终记入统计，用于学期末平时分依据。

2 测试

2.1 室内定位与距离计算

当教师生成二维码时则视为发起签到，此时记录教师经纬度。学生扫码时，通过本地获取的经纬度与教师经纬度进行距离计算，得到扫码距离。

设教师经度为a1，纬度为b1，学生经度为a2，纬度为b2，地球椭圆长半轴为t。考虑到调用的LBS定位服务使用的是WGS84坐标系，t取值6378137.0米

实际考勤过后，获得扫码距离如表1，其中教师经纬度为 113.011042、28.06285。

表1网络定位（室内定位）

2.2 考勤结果测试

教师选择课时后，点击生成二维码，发起考勤，此时在签到表中生成学生的初始考勤信息，默认为未签到。生成的二维码中包含了教师的经纬度以及所算课时，如图7所示。

而学生点击扫码签到跳转到调用相机界面进行拍照，并获取缩略图保存，然后进行二维码解析。考虑到课堂中教师与最远学生的距离，将考勤距离设置为50米，既扫码距离在50米以内则视为已签到。

学生签到完成后，教师可进行查看，如图8所示。

图7教师界面

图8扫码结果查看

2.3 响应时间

在系统中分别对教师端和学生端进行响应时间测试，教师端响应时间为从点击生成二维码到数据库中生成学生初始签到信息为止，学生端响应时间为从扫码成功后到更新数据库中签到值为止。响应时间单位为毫秒（ms）。

根据十次测试结果，学生端响应时间最大为0.308秒，最小为0.112秒，平均0.241秒。

教师端响应时间最大为0.636秒，最小为0.063秒，平均0.353秒。

学生端响应时间较稳定且快速，可满足实际需求。

而教师端需要生成多条学生初始签到信息，所以响应时间偏慢，如果已有初始信息则响应时间偏快，考虑到测试版本系统中学生数量并不多，如果增加学生数量，教师端响应时间应该会比预期更长。不过实际中课堂人数并不会太多，响应时间还在可接受范围内，可满足需求。

3 结语

在本系统的设计过程中，分析了时代趋势下教育模式与互联网融合的必要性，互联网+教学模式是对传统教学模式的探索创新。教师能够精简考勤流程，节省时间，以达到充分利用课堂上的宝贵时间，提升教学的质量，促进学生的学习积极性与学习效率的目的。为教师提供一套适用于当下的教学软件，能进一步改善课堂学生学习的规范，有效提高学校的工作效率及管理水平，对学校督促教学质量的提升有所帮助。

保证了课堂的质量，同时也有利于学生课后巩固，对学风建设也是益处颇多。同时本系统在教师和学生之间建立了更加紧密的联系，让师生交流沟通不再限于课堂，更是教育发展的必要。

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