基于短信猫的课堂自动点名系统

　　【摘 要】对国内外现有的课堂点名方式进行了分析，针对现有方式的不足，引入并介绍了短信猫的基本工作原理，利用其短信接收功能，提出了基于短信猫的课堂自动点名系统，对系统的业务、功能和数据库结构进行了分析与设计，给出了系统的技术架构及对应的实现步骤，并通过实际课堂点名验证了系统的实用性。

　　【关键词】课堂点名;短信猫;教育信息化

　　一、引言

　　点名是高等院校课堂教学的一个重要环节。通过点名，教师可以把握学生的到课率，可以促进对学生的了解，是师生之间沟通的常用方法之一。目前课堂点名主要以教师按照花名册口头呼叫学生姓名，学生应答为主。这种方式直接、简单、准确率高，但在学生人数较多的情况下，往往会占据较多的课堂时间，且容易出现学生代应答等情况。随着计算机软硬件的飞速发展，各种信息技术被应用于课堂中，以提高点名及教学效率。

　　国外对高校课堂点名的直接研究并不多见，一般侧重研究涉及面更广的学生应答系统。学生应答系统由学生手持答题器、教师接收器和相应的教学软件组成，一般用于课堂知识的当堂问答。教师通过教学软件将题目通过投影仪展示给学生，学生按下答题器按钮将答案发送至教师接收器，教学软件读取接收器中的答案，并将结果实时地反应至投影仪。当每位同学的手持答题器保存其学号和姓名时，即可在答题的同时记录到课情况，达到点名的效果。使用学生应答系统进行点名，具有快速、方便和准确等优点，但需要给每位学生发放一个答题器，成本较高，并不适用于经济实力弱，信息化程度低的发展中国家的学校。

　　国内对课堂点名的研究相对丰富。谢明华等利用基于OpenCV的人脸检测技术，通过采集每位学生面部图像的方式来实现点名。该方式可有效防止替代签到，但签到时秩序不易控制，且人脸识别准确度易受学生仪容影响。张晴翔提出了基于物联网的智慧教室点名系统，该系统会自动读取进入教室范围内学生的身份证，实现自动点名。这种方式简单、有序，但并不能防止替人携带身份证进行点名的情况，且构建成本较高。杨洪章等利用SAMSUNG$3C2410嵌入式设备，收集学生手机的蓝牙信号，实现自动点名。该方法实施成本低且简单快速，但要求手机支持蓝牙功能，通用性不强，且不能避免学生替人携带其他蓝牙设备代替点名的情况。卓晴等设计了基于手机短信答题器的学生应答系统。相比较蓝牙，手机短信的通用性更强、准确度更高。虽然该研究仅针对课堂答题，但手机短信的交互方式为自动点名提供了一种新的思路。

　　上述研究中，手机短信的交互方式方便、准确，可操作性强，且手机属于私人物品，一般均由个人随身携带。而短信的个人隐私性更强，短信的发送通常可确保发送人的唯一性，因此手机短信可应用于课堂点名，然而其最大的问题在于如何防止转发短信进行点名的情况。针对上述问题，本文设计了基于短信猫的课堂自动点名系统，该系统使用短信猫接收学生短信，使用随机生成的、具有有效时间的随机字符串作为短信内容进行点名验证，实现了课堂自动化点名，以期待在现有研究的基础上，提供一种更为经济、准确的课堂自动点名方式，进一步提高点名效率。

　　二、短信猫应用简介

　　短信猫是一种内嵌无线通信模块，配以SIM卡工作的短信收发设备。标准的短信猫由短信猫硬件和二次开发包共同组成，其中二次开发包是由厂商提供的基于串口AT指令的短信收发API，一般支持C/C++、Java或C#等多种主流程序设计语言。短信猫工作原理与普通手机收发短信的原理相似，如图1所示。

　　短信猫通过USB或串口连接到PC机上，通常由PC机供电。连接成功后，即可正常收发短信，号码及资费与手机相同。程序开发人员再通过开发包，编写相关的短信应用。普通用户通过短信应用的界面实现对短信猫的控制，以此来达到一定的业务目的。本文研究的课堂自动点名系统即属于图中的短信相关应用。

　　三、系统设计

　　1 业务分析

　　课堂点名一般分为签到点名和随机点名两种方式。前者即教师按照名单依次呼叫所有学生的姓名，学生应答。后者则是教师出于考验学生知识的目的，从名单中随机抽取学生进行提问。其中，签到点名由于人数众多，因此存在点名时间长，且可能出现代人应答的问题;随机点名情况则较为简单，仅涉及公平性的问题。

　　为了解决上述问题，本系统至少需要具备如下主要功能。

　　①具有明确的开课、学生隶属及点名关系，确保每次点名记录的正确归属;

　　②签到点名时，系统可接收学生发送的令牌短信，根据令牌实现对签到点名的认证，且令牌具有一定的生成规则和有效期，以防止学生转发短信而同样通过点名的情况;

　　③随机点名则从已签到成功的学生中随机选取，保证公平性;

　　④实现对点名记录的查询分析，使教师全面了解所授课程的到课率。

　　2 系统功能设计

　　根据上述业务分析及短信猫硬件的运行特点，系统的总体功能划分如图2所示。

　　(1)开课管理。本模块实现对不同学期同一或不同课程的开课功能，由学期管理、课程管理和开课三个子模块组成。学期管理和课程管理模块相对独立，各自维护学期或课程信息，开课则根据已经存在的学期选择相应的课程来实现，以区分同一课程在多个学期的开课关系。开课关系是点名正确展开的基础。

　　(2)学生信息管理。本模块对隶属于某开课关系下的学生信息进行维护，主要为学生信息的注册，分为信息导入和手动注册两种方式。信息导入即学生信息的批量增加，某门课程的所有学生信息一般可从学校教务网站下载获得，通常为Excel形式，此处主要实现对Excel学生信息文件的导入功能;手动注册则是由教师手动录入学生信息。除学生的基本信息外，本系统还需要保存学生的手机号码，作为点名验证的依据之一。本模块维护的是点名的直接对象。

　　(3)点名管理。本模块为系统核心，实现对学生的签到点名，随机点名以及点名记录的查询分析。其中，签到点名是难点，也是本系统的特色。为了防止学生转发短信而通过点名的情况，本系统使用短信令牌作为认证依据。令牌是用于验证学生是否到课的短信字符串，该字符串使用MD5加密算法，根据点名的当前时间(精确到毫秒)计算而来，以确保每次点名时，令牌内容均不相同。短信令牌在教室开始签到点名时，自动生成并展示给学生，学生将令牌发送至系统中，系统对学生手机号及令牌进行认证，其处理流程如图3所示。若学生正常到课，则可成功签到：若学生不在现场，则无法看到短信令牌，因此无法进行签到。但是，如果到课学生将令牌转发给未到课学生，那么该学生一样可以通过验证。为了解决这一问题，本系统还提供了对令牌有效时间和长度的设置。合理的有效时间可以使得学生仅能成功发送自己的短信，而这一时间又与令牌长度成正比。由于学生个体差异化的存在，令牌的最佳有效时间和长度需要通过多次实际训练来确定。

　　随机点名则相对简单，如果已执行过签到点名，则从已签到成功的学生中随机选择，否则从所有名单中随机选择。此处的随机选择为通过程序的随机数功能，按照学生在班级中的序号进行定位，以确保公平性。

　　点名记录的查询分析则是以柱状图、折线图等方式展示不同课程的点名记录，使得点名记录更加形象化。

　　(4)短信令牌管理。该模块主要实现通过界面对短信长度和有效时间进行设置。而短信令牌的生成则在启动签到点名时执行发生，属后台操作。

　　(5)短信猫管理。短信猫管理则主要对短信猫的端口、号码进行设置，以提高通用性。短信猫的启动则由签到点名功能来执行，同样属于后台操作。

　　3 数据库设计

　　根据上述分析，系统涉及的数据实体有学期、课程、开课、学生、点名和系统设置，其中由于一门课往往会点名多次，每次点名又涉及到多个学生，所以点名又可分成点名日期及对应该日期下所有学生的点名记录。综上，系统共有学期表、课程表、开课表、学生表、点名日期表、点名记录表和系统设置表，以MySQL为例，详细结构如表1至表7所示。上述表中，除系统设置表外，其他表之间的对应关系如图4。

　　四、系统实现

　　本系统使用Java SE 6作为基本开发平台，使用NetBeans7.0.1作为开发工具，选择MySQL 5.1作为数据库，短信设备则选择西门子TC35I内核的单口USB短信猫，系统技术架构如图5所示。

　　各层的实现方法如下。

　　(1)数据层

　　数据层封装了对系统数据库表的基本操作，由MySQL数据库和相应的数据访问类组成。MySQL数据库各个表的结构按照表1-7进行构建，而数据访问类则使用MySQL JDBC驱动编写数据库连接、表记录的增加、删除、修改和查询等基本功能，供业务层调用。

　　(2)业务层

　　业务层则根据点名业务需求，将相关功能封装成方法，供应用层调用。业务层主要功能通过与数据库表对应的JavaBean来实现。以点名记录表tcallrec为例，根据tcallrec表，编写callrec和callrecDAO两个JavaBean。其中，callrec由和tcallrec表字段相对应的属性以及对应属性的set和get方法组成，而callrecDAO则调用数据访问类通过编写相应的Java方法实现业务上的点名、统计等功能。所有数据库表的DAO方法即构成了系统能够实现的主要功能，供应用层调用。

　　(3)应用层

　　应用层是教师和学生使用系统的接口，主要由系统界面和短信接收模块组成。其中，系统界面使用Java Swing技术开发，配合NetBeans可以方便地设计出布局美观、整洁的软件界面。短信接收模块则是本系统开发的重点，本系统使用的短信猫配套提供了Java的二次开发包，通过调用开发包的相关方法即可实现对短信猫的启动、关闭及收发短信等操作。本模块的主要功能在于开启短信猫，并启动短信接收线程，关键代码如下。

　　启动服务后，学生用户即可向系统发送短信。其中，InboundMessageNotification类用于接收并处理短信，不同的业务，该类的编写方式不同，短信接收代码片段如下。

　　系统开发完成，短信签到的主要功能界面如图6所示。

　　图中学生张三为虚拟用户，其手机号最后四位为80154。开始点名前，其状态为false。点击短信签到按钮，系统启动短信猫，显示令牌及系统手机号码，如图7所示。

　　张三根据界面提示发送短信令牌，如图8所示。系统接收到张三的短信后，其出勤状态自动改为true，完成点名，如图9所示，系统可接收测试用户的短信。成功进行点名。

　　五、实证分析

　　本文以南京审计学院2010级信息管理3班的学生(共39人)为实证对象，在其专业必修课《信息系统分析与设计》上分别以不同令牌长度和不同有效期进行点名，以准确率(准确率=实际出勤率/系统出勤率)为最终考察指标，验证系统的实用性。需要说明的是，由于短信接收存在延迟，令牌有效期太短会导致短信未全部接收完成就停止服务。经过多次点名测试，实验选取了10分钟和15分钟作为令牌的有效期，最终统计结果如表8所示。

　　以上数据表明，在一定有效期内，系统点名的准确率受令牌长度的影响。当令牌较长时，准确率可达100%，而当长度较短时，则准确率出现不同程度的下降。这表明令牌较短时，学生有足够的时间转发令牌伪造点名。出于令牌长度和实际点名时间的综合考虑，对于39人左右的班级，令牌长度选择16，有效期选择10分钟，可达到较理想的自动点名效果。

　　六、结语

　　本文利用短信猫的自动收发短信功能，设计实现了课堂自动点名系统，并将其应用于真实的课堂点名环境中，验证了系统的实用性，真正实现了课堂自动点名，提高了点名效率。然而，实证发现单口USB短信猫的并发性较低，在多个学生同时发送短信时，存在因短信不能及时接收而导致点名时间过长的问题，因此本系统不适合应用于人数较多的大班。要解决这个问题，则可使用并发性高的多口短信猫池来接收学生的短信，高性能短信猫池可以达到每两秒接收一条短信的速度，但短信猫池拥有多个手机号和接口，其应用难点在于如何在系统中协调各短信模块，使其发挥最大性能，这将是下一阶段的研究工作。

　　作者：唐明伟 庄玉良 蒋勋 郭红建 来源：现代教育技术