面向课堂签到的GPS位置聚类应用研究

唐明伟　苏翠

摘要：本文首先对目前高校课堂的签到方法进行了分析，针对现有方法的不足，结合“互联网+”时代信息技术的应用特点，对高校课堂签到进行了流程重组，并提出了面向课堂签到的GPS位置聚类方法，最后通过实证分析指出了验证方法的有效性。

关键词：课堂签到;位置聚类;GPS定位;云服务

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2021）17-0000-05

● 引言

课堂签到是评定学生平时成绩的关键指标之一，是保障教学秩序的重要手段。目前，大部分高校仍然采取教师呼叫学生姓名、手工记录出勤的签到方式。这种方式简单、直接，但在学生人数较多的情况下，会占据较多课堂时间，也无法解决代替签到或签到后离开课堂的问题。

移动互联网技术的飞速发展以及教学环境的全面信息化，催生了各种新颖的自动化签到方式。目前，国外高校主要通过SaaS教学平台来实现签到。以美国北德克萨斯大学为例，该校应用Canvas平台进行教学管理。教师通过该平台的签到模块，将学生的到课情况记录在系统中实现签到。然而，这种方式仅解决了签到信息的存储和利用问题，它在本质上依然是传统签到模式。Canvas平台在美国高校应用较为广泛，因此该校的点名方式具有一定的代表性。国内部分高校则已经采用了便携的分布式签到方式。以“蓝墨云班课”签到APP为例，教师在手机上根据课程发起签到后，学生即可在手机上自行签到，软件将自动收集和汇总签到记录，完成签到。该方式可以解决因人数多而造成的签到效率低下的问题，但尚未解决代替签到和签到后离开教室的问题。

针对这些问题，学术界对签到也做了大量研究。国外主要结合生物识别技术进行签到信息的采集。文献1提出了一种基于人脸识别的自动考勤系统，该系统通过安装在教室前部的摄像头连续拍摄学生的图像，将检测图像中的面部与数据库中预存的学生照片进行对比，从而判断学生是否出勤。[1]文献2提出了一种能够将参与者映射到座位图的考勤管理系统，学生需要用到两张FeliCa卡和一部Android智能手机，使用时一张卡放在手机正面，另外一张卡放在手机反面，两张卡与手机必须始终保持接触表明学生在位置上。[2]文献3则提出了一种通过扫描学生指纹来进行考勤的系统。[3]国内的研究形式则较为多样。文献4设计了基于APP Inventor的GPS课堂点名应用系统，该系统能够利用GPS定位技术实现准确定位，但所用的网络微数据库的服务器是公用的，可能会发生应用数据被别的应用覆盖的情况。[4]文献5设计了基于WIFI的高校课堂考勤系统，该系统通过获取手机的MAC地址，来确保一部手机只能签到一次。[5]文献6设计了一种防替代远程签到系统，通过登录用户的IP地址和实时捕获人脸图像两种技术进行身份验证，实现了远程签到和防替代功能。[6]

综上所述，应用领域对签到系统的设计针对性不强，而且并未准确地实现身份识别、位置定位及实时追踪等功能，学术领域虽已做了初步尝试，但部分研究实施成本较高，同时还会面临因人数较多而引起签到秩序混乱的问题，如指纹识别签到要求学生扫描指纹，这不可避免地会影响课堂的教学秩序。部分研究虽然也利用了手机的GPS定位功能，但在效率和便捷性方面的考虑并不彻底。针对这些问题，本文充分利用目前高校互联网和智能手机全面普及的现状，提出了一种通过对比教师和学生GPS位置的方式来实现签到的方法。

● 移动互联时代的教育信息化应用现状

在国家信息化规划的支持下，我国的信息化发展能力明显增强，教育信息化水平持续提升。

1.国家信息化发展的战略支持

2016年国务院发布了《国家信息化发展战略纲要》，纲要明确指出，要大力建设我国信息化发展，以信息化驱动现代化。经过近5年的建设，我国的信息化程度有了明显的提升。2020年4月中国互联网络信息中心（CNNIC）发布的第45次《中国互联网络发展状况统计报告》显示，截至2020年3月，我国网民规模为9.04亿，互联网普及率达64.5%，网民中使用手机上网的比例达到99.3%。[7]在网络硬件建设的基础上，以信息为中心，以网络为媒介，任何人都可以进行高效互动[8]，这同时也为教育信息化的发展奠定了基础。

2.教育信息化的大力建设

中华人民共和国教育部2018年4月發布了《教育信息化2.0行动计划》，计划提出了到2022年实现“三全两高一大”的发展目标。[9]在这一计划的支持下，经过数字化、智能化的资源平台、管理平台和服务平台建设，众多高校拥有了基础网络建设和硬件设施，校园网已经普遍达到了较大规模，基本可以为校园内的所有教学楼提供网络接入，公共区域及重要区域也均实现了无线网络全覆盖，这为高校课堂的信息化提供了良好的软硬件基础。

3.高校课堂信息化全面普及

在国家和教育部政策的支持下，目前高校课堂基本实现了全面信息化，高校学生几乎人手一部具有GPS模块可以接入互联网的智能手机，无处不在的校园网络又为学生接入互联网提供了便利的环境，也打通了师生之间课上课下的交流障碍。通过各类手机APP，师生之间可以方便地进行交流，这些均为新型的课堂签到及教学方式创造了条件。

● 移动互联时代基于GPS位置聚类的签到方法

1.基于GPS的位置聚类方法

从上述现状可知，目前高校师生人手一部具有GPS模块的智能手机，可轻易获取师生的大体位置，据此本文提出了基于GPS的位置聚类方法。该方法以教师GPS位置为中心，通过比较学生与教师的相对距离，来判断学生是否出勤。从地理学角度而言，GPS位置为地球表面的经纬度坐标信息，将地球抽象成一个球体后，一个GPS位置可表示为地球上的一个点。通过手机GPS，可以将教师和任一学生抽象成球面上的两个点，那么通过计算球面上这两个点之间的弧线距离，即可判断师生之间的相对位置，从而实现师生位置的聚类功能，具体原理如图1所示。

图中，A、B分别为球面上两点，角（Ja-Jb）为两点之间的经度差，角Wa为点A的纬度，角Wb为点B的纬度，AB之间的球面弧线距离可用公式（1）进行计算。

假设点A和B分别表示教师和学生的位置，R为球体的半径，Ja-Jb为A、B两点的经度夹角，Wa-Wb为A、B两点的纬度夹角。若以位置A作为标准点，通过对位置B和位置A的比较，设定一个合理的阈值，即可判断学生是否在教师附近，即是否在教室内。而手机GPS位置实时更新，又可以动态更新学生的位置，以此判断学生是否离开教室。此处，教师的GPS位置为聚类中心，多个学生的GPS为对比点，形成了位置聚类的效果。

2.位置聚类签到应用设计

根据上述原理，在实际课堂签到中，其应用框架如图2所示，该架构包含教师端、学生端和云端。当教师发起签到时，教师端会发送GPS位置至云端的服务器上。学生端点击签到时，会把各自的GPS位置同样发送至云端。云端服务器收到学生位置后，将其与教师位置进行计算，从而得出每个学生与教师的物理距离，并以此作为考勤的依据。只要教师不停止签到，学生不退出签到程序，那么服务器会定时读取这两者的位置，从而实现追踪功能。据此，教师可在手机及电脑上实时追踪学生是否离开教室。

3.位置聚类签到逻辑设计

根据上述框架，实现基于位置聚类的签到按照先后顺序有如下三个步骤。

（1）教师位置信息的采集

如图3所示，教师发起签到时，教师端会自动读取教师手机的GPS位置以及所签到课程的基本信息，并以此生成签到记录ID。该签到记录ID将会与教师的GPS位置数据一同存入云服务端中。签到记录ID是实现聚类签到登录功能的关键，云端据此ID可判断教师是否开启签到，以及是针对哪门课程的签到，从而直接跳转至针对当前课程的签到界面。

（2）学生位置信息的采集

如图4所示，当学生点击签到时，学生端将自动发送学生手机的MAC地址和GPS位置数据，其中MAC地址用于获取数据库中与该手机已绑定的学号，手机MAC地址的全球唯一性，可确保一部手机对应一个学号，这可避免一位学生用多部手机替其他学生签到的情况。待服务器接收到学生签到请求时，先判断学号是否正确，再读取云端文件中的最新签到记录ID，连同学生GPS位置数据存入数据库中，再将该学生的GPS位置与教师的GPS位置，应用公式（1）进行计算，从而得到学生与教师的相对距离，根据位置阈值来判断是否在教室范围内。

（3）签到信息的验证逻辑

签到成功后，学生位置的实时追踪则由云服务端系统通过Ajax刷新，不断检查中间文件来实现，其逻辑如图5所示。

由图5可知，云端系统在自我刷新过程中读取最新签到记录ID，从数据库中重新获取学生的签到位置，再次调用位置聚类算法检验是否在教师附近，并将其结果实时显示在云端或教师APP上。只要教师未结束签到，Web端就会不断获取学生的位置信息，从而实现实时追踪学生位置的功能。如果学生因为特殊情况未能完成签到，教师可根据情况在云端对签到记录进行手动修改。

● 实证分析

根据上述设计，本文使用Android和Java EE技术开发了一套基于位置聚类的课堂签到系统，该系统由教师端APP、学生端APP和云端Web系统组成。开发完成后，系统部署于阿里云服务器上，其访问地址为http：//118.24.85.183：8080/wcall，界面如图6所示。

从图6可知，系统可成功按照GPS进行签到，橙色大头钉代表教师位置，红色小头钉代表签到成功的学生，蓝色小头钉代表签到失败的学生，紫色大圆代表签到成功范围。为了验证系统的实际运行效果，笔者将该系统应用至南京审计大学信息管理专业本科教学的课堂点名中。

1.实证对象

所选实证课堂为南京审计大学信息管理专业于2017—2018学年上学期开设的“信息系统开发工具”课程，参与对象为1位任课教师和27位信息管理专业本科生。

2.实证过程与验证方法

实证过程由教师和学生共同参与，教师和学生事先安装好签到APP，由教师发起签到，学生自行签到。系统的实际运行效果则使用系统可用性尺度算法（System Usability Scale，SUS）来评估。SUS是由Brooke[10]于1986年编制，量表包含了5个奇数项的正面陈述和5个偶数项的反面陈述，要求参与者在使用系统或产品后对每个题目进行评分。

基于SUS规则，笔者设计了一份问卷来收集本科生对该系统有效性和易用性的评价。该问卷由10个问题组成，每个问题对应的答案均对应一个1～5之间的数值，将这10道题目的分值按照SUS的计算规则相加，最终得到一个1～100之间的分数。当SUS的平均得分大于68分時，系统的易用性超过平均水平。问卷的具体内容可通过网址https：//www.wjx.cn/jq/99808664.aspx查看。在进行问卷调查之前，该实证并未告诉学生SUS的具体规则，仅仅简单告知该套系统的使用方法，以确保结果的客观真实。

3.结果和讨论

经过实证，本实验共收回27份有效问卷，经过计算，SUS值为71.0，该分数超过68分，这意味着该签到应用系统有效且易于使用。此外，根据调查问卷统计结果，测试对象对该套系统具有较高的认可度，学生首次使用对签到模式可能会因不熟悉流程而影响签到时间，但经过多次签到后，签到时间均稳定在1分钟左右。同时，通过学生的走动，实验也观察到了系统能够准确跟踪学生的实时位置。由此可知，本文提出的位置聚类方法可极大提高课堂签到的效率。

● 结论

本文首先对目前高校的主流课堂签到方式进行了优缺点分析，然后结合目前高校教育信息化全面普及的现状，利用移动互联技术对高校课堂签到进行了流程重组，并提出了基于GPS的位置聚类方法，在该方法上设计了一种基于位置聚类的签到方法。最后，笔者将该方法应用至南京审计大学本科教学的实际签到中，进行了实证分析，并设计了基于SUS方法的调查问卷，对参与签到的27名本科生进行问卷调查，通过计算得到了该系统的SUS值为71.0，该分值表明，系统功能有效且易用，达到了预期的设计目标。实证也表明，基于位置聚类的签到系统可以极大提高课堂签到效率，真正实现课堂签到的自动化。然而通过实证也发现，系统暂时还不支持多位教师同时发起签到的应用情况，要将该系统应用至更大范围的课堂签到中，还需要考虑多教师和多课程等复杂情况，这些将是该方法大规模应用之前需要解决的重要问题。

参考文献：

[1]Kar N， Debbarma M K， Saha A， et al. Study of Implementing Automated Attendance System Using Face Recognition Technique[J].International Journal of Computer and Communication Engineering， 2012（2）： 100-103.

[2]Kinoshita S.， Niibori M.， Kamada M， et al. An Attendance Management System Capable of Mapping Participants onto the Seat Map[J].International Conference on Network-Based Information Systems，2018（22）：897-902.

[3]Gagandeep， Arora J， Kumar R， et al. Biometric Fingerprint Attendance System： An Internet of Things Application[J].Innovations in Computer Science and Engineering，2018（32）：523-530.

[4]贺甘芹，卢国庆.基于APP Inventor的GPS课堂点名应用系统设计与实现[J].中国教育信息化，2016（08）：87-89.

[5]杨永平，曾艺，刘世兴.基于WIFI的高校课堂考勤系统设计实现[J].信息技术与信息化，2017（01）：102-103.

[6]高建良，严奉霞.防替代远程签到系统的设计与实现[J].现代教育技术，2012，22（10）：102-105.

[7]学习进行时.人民日报文章：引领网信事业发展的思想指南——习近平总书记关于网络安全和信息化工作重要论述综述[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/2018-11/05/c_1123667585.htm[2020-07-25].

[8]孙一冰.师生构建校园信息化教学环境，共创网络学习型家园——专题学习网站的探索与实践[J].中国电化教育，2004（02）：49-53.

[9]中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html[2020-08-16].

[10]John Brooke.Usability Evaluation in Industry[M].United Kingdom：Taylor & Francis，1996：189-194.

作者簡介：唐明伟，系主任，副教授，博士研究生，研究方向为智能信息处理。