基于短信貓的課堂自動點名系統

【摘要】對國內外現有的課堂點名方式進行了分析，針對現有方式的不足，引入并介紹了短信貓的基本工作原理，利用其短信接收功能，提出了基于短信貓的課堂自動點名系統，對系統的業務、功能和數據庫結構進行了分析與設計，給出了系統的技術架構及對應的實現步驟，并通過實際課堂點名驗證了系統的實用性。

【關鍵詞】課堂點名；短信貓；教育信息化

一、引言

點名是高等院校課堂教學的一個重要環節。通過點名，教師可以把握學生的到課率，可以促進對學生的了解，是師生之間溝通的常用方法之一。目前課堂點名主要以教師按照花名冊口頭呼叫學生姓名，學生應答為主。這種方式直接、簡單、準確率高，但在學生人數較多的情況下，往往會占據較多的課堂時間，且容易出現學生代應答等情況。隨著計算機軟硬件的飛速發展，各種信息技術被應用于課堂中，以提高點名及教學效率。

國外對高校課堂點名的直接研究并不多見，一般側重研究涉及面更廣的學生應答系統。學生應答系統由學生手持答題器、教師接收器和相應的教學軟件組成，一般用于課堂知識的當堂問答。教師通過教學軟件將題目通過投影儀展示給學生，學生按下答題器按鈕將答案發送至教師接收器，教學軟件讀取接收器中的答案，并將結果實時地反應至投影儀。當每位同學的手持答題器保存其學號和姓名時，即可在答題的同時記錄到課情況，達到點名的效果。使用學生應答系統進行點名，具有快速、方便和準確等優點，但需要給每位學生發放一個答題器，成本較高，并不適用于經濟實力弱，信息化程度低的發展中國家的學校。

國內對課堂點名的研究相對豐富。謝明華等利用基于OpenCV的人臉檢測技術，通過采集每位學生面部圖像的方式來實現點名。該方式可有效防止替代簽到，但簽到時秩序不易控制，且人臉識別準確度易受學生儀容影響。張晴翔提出了基于物聯網的智慧教室點名系統，該系統會自動讀取進入教室范圍內學生的身份證，實現自動點名。這種方式簡單、有序，但并不能防止替人攜帶身份證進行點名的情況，且構建成本較高。楊洪章等利用SAMSUNG$3C2410嵌入式設備，收集學生手機的藍牙信號，實現自動點名。該方法實施成本低且簡單快速，但要求手機支持藍牙功能，通用性不強，且不能避免學生替人攜帶其他藍牙設備代替點名的情況。卓晴等設計了基于手機短信答題器的學生應答系統。相比較藍牙，手機短信的通用性更強、準確度更高。雖然該研究僅針對課堂答題，但手機短信的交互方式為自動點名提供了一種新的思路。

上述研究中，手機短信的交互方式方便、準確，可操作性強，且手機屬于私人物品，一般均由個人隨身攜帶。而短信的個人隱私性更強，短信的發送通?？纱_保發送人的唯一性，因此手機短信可應用于課堂點名，然而其最大的問題在于如何防止轉發短信進行點名的情況。針對上述問題，本文設計了基于短信貓的課堂自動點名系統，該系統使用短信貓接收學生短信，使用隨機生成的、具有有效時間的隨機字符串作為短信內容進行點名驗證，實現了課堂自動化點名，以期待在現有研究的基礎上，提供一種更為經濟、準確的課堂自動點名方式，進一步提高點名效率。

二、短信貓應用簡介

短信貓是一種內嵌無線通信模塊，配以SIM卡工作的短信收發設備。標準的短信貓由短信貓硬件和二次開發包共同組成，其中二次開發包是由廠商提供的基于串口AT指令的短信收發API，一般支持C/C++、Java或C#等多種主流程序設計語言。短信貓工作原理與普通手機收發短信的原理相似，如圖1所示。

短信貓通過USB或串口連接到PC機上，通常由PC機供電。連接成功后，即可正常收發短信，號碼及資費與手機相同。程序開發人員再通過開發包，編寫相關的短信應用。普通用戶通過短信應用的界面實現對短信貓的控制，以此來達到一定的業務目的。本文研究的課堂自動點名系統即屬于圖中的短信相關應用。

三、系統設計

1 業務分析

課堂點名一般分為簽到點名和隨機點名兩種方式。前者即教師按照名單依次呼叫所有學生的姓名，學生應答。后者則是教師出于考驗學生知識的目的，從名單中隨機抽取學生進行提問。其中，簽到點名由于人數眾多，因此存在點名時間長，且可能出現代人應答的問題；隨機點名情況則較為簡單，僅涉及公平性的問題。

為了解決上述問題，本系統至少需要具備如下主要功能。

①具有明確的開課、學生隸屬及點名關系，確保每次點名記錄的正確歸屬；

②簽到點名時，系統可接收學生發送的令牌短信，根據令牌實現對簽到點名的認證，且令牌具有一定的生成規則和有效期，以防止學生轉發短信而同樣通過點名的情況；

③隨機點名則從已簽到成功的學生中隨機選取，保證公平性；

④實現對點名記錄的查詢分析，使教師全面了解所授課程的到課率。

2 系統功能設計

根據上述業務分析及短信貓硬件的運行特點，系統的總體功能劃分如圖2所示。

（1）開課管理。本模塊實現對不同學期同一或不同課程的開課功能，由學期管理、課程管理和開課三個子模塊組成。學期管理和課程管理模塊相對獨立，各自維護學期或課程信息，開課則根據已經存在的學期選擇相應的課程來實現，以區分同一課程在多個學期的開課關系。開課關系是點名正確展開的基礎。

（2）學生信息管理。本模塊對隸屬于某開課關系下的學生信息進行維護，主要為學生信息的注冊，分為信息導入和手動注冊兩種方式。信息導入即學生信息的批量增加，某門課程的所有學生信息一般可從學校教務網站下載獲得，通常為Excel形式，此處主要實現對Excel學生信息文件的導入功能；手動注冊則是由教師手動錄入學生信息。除學生的基本信息外，本系統還需要保存學生的手機號碼，作為點名驗證的依據之一。本模塊維護的是點名的直接對象。

（3）點名管理。本模塊為系統核心，實現對學生的簽到點名，隨機點名以及點名記錄的查詢分析。其中，簽到點名是難點，也是本系統的特色。為了防止學生轉發短信而通過點名的情況，本系統使用短信令牌作為認證依據。令牌是用于驗證學生是否到課的短信字符串，該字符串使用MD5加密算法，根據點名的當前時間（精確到毫秒）計算而來，以確保每次點名時，令牌內容均不相同。短信令牌在教室開始簽到點名時，自動生成并展示給學生，學生將令牌發送至系統中，系統對學生手機號及令牌進行認證，其處理流程如圖3所示。若學生正常到課，則可成功簽到：若學生不在現場，則無法看到短信令牌，因此無法進行簽到。但是，如果到課學生將令牌轉發給未到課學生，那么該學生一樣可以通過驗證。為了解決這一問題，本系統還提供了對令牌有效時間和長度的設置。合理的有效時間可以使得學生僅能成功發送自己的短信，而這一時間又與令牌長度成正比。由于學生個體差異化的存在，令牌的最佳有效時間和長度需要通過多次實際訓練來確定。

隨機點名則相對簡單，如果已執行過簽到點名，則從已簽到成功的學生中隨機選擇，否則從所有名單中隨機選擇。此處的隨機選擇為通過程序的隨機數功能，按照學生在班級中的序號進行定位，以確保公平性。

點名記錄的查詢分析則是以柱狀圖、折線圖等方式展示不同課程的點名記錄，使得點名記錄更加形象化。

（4）短信令牌管理。該模塊主要實現通過界面對短信長度和有效時間進行設置。而短信令牌的生成則在啟動簽到點名時執行發生，屬后臺操作。

（5）短信貓管理。短信貓管理則主要對短信貓的端口、號碼進行設置，以提高通用性。短信貓的啟動則由簽到點名功能來執行，同樣屬于后臺操作。

3 數據庫設計

根據上述分析，系統涉及的數據實體有學期、課程、開課、學生、點名和系統設置，其中由于一門課往往會點名多次，每次點名又涉及到多個學生，所以點名又可分成點名日期及對應該日期下所有學生的點名記錄。綜上，系統共有學期表、課程表、開課表、學生表、點名日期表、點名記錄表和系統設置表，以MySQL為例，詳細結構如表1至表7所示。上述表中，除系統設置表外，其他表之間的對應關系如圖4。

四、系統實現

本系統使用Java SE 6作為基本開發平臺，使用NetBeans7.0.1作為開發工具，選擇MySQL 5.1作為數據庫，短信設備則選擇西門子TC35I內核的單口USB短信貓，系統技術架構如圖5所示。

各層的實現方法如下。

（1）數據層

數據層封裝了對系統數據庫表的基本操作，由MySQL數據庫和相應的數據訪問類組成。MySQL數據庫各個表的結構按照表1-7進行構建，而數據訪問類則使用MySQL JDBC驅動編寫數據庫連接、表記錄的增加、刪除、修改和查詢等基本功能，供業務層調用。

（2）業務層

業務層則根據點名業務需求，將相關功能封裝成方法，供應用層調用。業務層主要功能通過與數據庫表對應的JavaBean來實現。以點名記錄表tcallrec為例，根據tcallrec表，編寫callrec和callrecDAO兩個JavaBean。其中，callrec由和tcallrec表字段相對應的屬性以及對應屬性的set和get方法組成，而callrecDAO則調用數據訪問類通過編寫相應的Java方法實現業務上的點名、統計等功能。所有數據庫表的DAO方法即構成了系統能夠實現的主要功能，供應用層調用。

（3）應用層

應用層是教師和學生使用系統的接口，主要由系統界面和短信接收模塊組成。其中，系統界面使用Java Swing技術開發，配合NetBeans可以方便地設計出布局美觀、整潔的軟件界面。短信接收模塊則是本系統開發的重點，本系統使用的短信貓配套提供了Java的二次開發包，通過調用開發包的相關方法即可實現對短信貓的啟動、關閉及收發短信等操作。本模塊的主要功能在于開啟短信貓，并啟動短信接收線程，關鍵代碼如下。

啟動服務后，學生用戶即可向系統發送短信。其中，InboundMessageNotification類用于接收并處理短信，不同的業務，該類的編寫方式不同，短信接收代碼片段如下。

系統開發完成，短信簽到的主要功能界面如圖6所示。

圖中學生張三為虛擬用戶，其手機號最后四位為80154。開始點名前，其狀態為1。點擊短信簽到按鈕，系統啟動短信貓，顯示令牌及系統手機號碼，如圖7所示。

張三根據界面提示發送短信令牌，如圖8所示。系統接收到張三的短信后，其出勤狀態自動改為true，完成點名，如圖9所示，系統可接收測試用戶的短信。成功進行點名。

五、實證分析

本文以南京審計學院2010級信息管理3班的學生（共39人）為實證對象，在其專業必修課《信息系統分析與設計》上分別以不同令牌長度和不同有效期進行點名，以準確率（準確率=實際出勤率/系統出勤率）為最終考察指標，驗證系統的實用性。需要說明的是，由于短信接收存在延遲，令牌有效期太短會導致短信未全部接收完成就停止服務。經過多次點名測試，實驗選取了10分鐘和15分鐘作為令牌的有效期，最終統計結果如表8所示。

以上數據表明，在一定有效期內，系統點名的準確率受令牌長度的影響。當令牌較長時，準確率可達100%，而當長度較短時，則準確率出現不同程度的下降。這表明令牌較短時，學生有足夠的時間轉發令牌偽造點名。出于令牌長度和實際點名時間的綜合考慮，對于39人左右的班級，令牌長度選擇16，有效期選擇10分鐘，可達到較理想的自動點名效果。

六、結語

本文利用短信貓的自動收發短信功能，設計實現了課堂自動點名系統，并將其應用于真實的課堂點名環境中，驗證了系統的實用性，真正實現了課堂自動點名，提高了點名效率。然而，實證發現單口USB短信貓的并發性較低，在多個學生同時發送短信時，存在因短信不能及時接收而導致點名時間過長的問題，因此本系統不適合應用于人數較多的大班。要解決這個問題，則可使用并發性高的多口短信貓池來接收學生的短信，高性能短信貓池可以達到每兩秒接收一條短信的速度，但短信貓池擁有多個手機號和接口，其應用難點在于如何在系統中協調各短信模塊，使其發揮最大性能，這將是下一階段的研究工作。