網絡學習監督輔助系統的設計與實現

鄧琳，崔玉坤，李靈鴿，張東生

摘要：2020年新冠肺炎疫情期間，中小學生不得不停課居家學習，在教育部的統一組織下，一場史無前例的全民網課在中國的城市和鄉村廣泛展開，積累了十余年在線教育終于迎來歷史性的大爆發，在線教育乘勢而上，成為中國經濟發展“新名片”。對于學生而言教室搬到了釘釘在線課堂，家里書房變成了直播間。但是，在線堂和線下課堂性質不同，線上課堂學習氛圍缺失、不利誘惑增多、課堂監管失效。很大程度影響了課堂效率和學生的學習效果。面對這種新型的授課方式，學生的參與度和學習的有效性令人擔憂，針對上述問題，項目組擬研究一款可以強制鎖定手機頁面，檢測學生學習狀態以及輔助教師教學活動的網上學習監督輔助系統。

關鍵詞：網上學習;學習監督;課堂輔助;人臉識別

中圖分類號：TP311? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0056-02

1 設計背景

2020年10月29日中國共產黨第十九屆中央委員會第五次全體會議通過了《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二〇三五年遠景目標的建議》。作為全面建設社會主義現代化國家新征程的第一個五年，“十四五”規劃首次提出要發揮在線教育優勢，完善終身學習體系，建設學習型社會的目標。據中國科學院大數據挖掘與知識管理重點實驗室發布的最新數據顯示：預計整個中國在線教育行業2020年的市場規模將超過5400億元，已成為拉動經濟增長的新動能。同時網絡學習不利于老師監管，學習效率往往得不到保障，這樣的學習特點也困擾著老師和家長。

2 設計目的

目前國內主要用于網上學習辦公、教師直播的平臺有：阿里旗下的釘釘、騰訊方面的騰訊會議、騰訊課堂、智慧樹、優課在線等，這些學習平臺有直播工具、學習學科工具、學情分析工具，但一些學生們在直播課程下表現出缺乏自主性、獨立性和自控力。教師在實施教學過程中主要把注意力集中在知識內容組織、網絡課程設計、學習資源提供等方面， 對學生難于進行學習監控。針對上述現象，本項目組擬研究一款可以強制鎖定手機頁面，檢測學生學習狀態以及輔助教師教學活動的“天眼守衛者”監督系統，時刻監控和反饋學習者的學習狀態，以起到學習中的督促作用，幫助學習者更加專注學習。

本項目符合科學規劃推動教育專網建設目標，能夠完善國家數字教育資源公共服務體系，促進國家中小學生網絡學習平臺建設，達到網絡學習空間應用普及深入、師生信息素養持續提升的效果。

3 系統結構

教學（監督者）終端：學習任務發布（預設鎖定的頁面和鎖定時長），查看學生端學生學習情況的反饋信息;

通訊模組：數據傳輸;

學習終端：監測學生的學習狀態（人臉動態識別檢測），反饋教學（監督者）終端的鎖定指令（執行手機頁面的鎖定）讓學生準確了解并完成相對應的學習任務，向教學（監督者）終端反饋學習者的學習情況。

系統結構示意圖如圖1所示。系統連接示意圖如圖2所示。

該系統的軟件功能結構如圖3所示。監督功能的實現是通過學習前系統根據預設自動鎖定應用頁面;學習時通過圖像檢測和人臉動態識別檢測學習者的學習狀態;統計與反饋功能的實現是通過結合監督功能反饋的記錄，按照提前預設的算法形成量化評分，反饋給監督者，同時監督者可以根據評分情況對學生端進行學習情況的提醒;記錄功能的實現是通過結合監督模塊的監督情況，按照預設的算法給出的相對應的分數，并按照監督者的需求給出獎懲措施。

4 創新與特色

1）將關注點聚焦到當前網絡學習平臺缺少的監控學習功能上，豐富了現有教學平臺的輔助學習功能。

2）相較于一些家庭或機構采用的安裝攝像頭方式監控學習，該軟件系統僅僅是強制鎖定應用使用權、屏幕前圖像的隨機動態識別，較前者更加人性化，不侵犯學習者其他方面的隱私。

3）同時該系統可以在一定程度上改善目前網上學習中的教-學分離問題，有了系統的動態識別抽查功能，老師在用心地講，隔著屏幕，學生不看屏幕、跑神的情況也會得到減少。

4）系統通過積分反饋和評價機制表現學習者的聽課狀態，在一方面也彌補了線上教學相比線下教學里所缺少的老師反饋與評價作用。

5）系統首次將人臉動態識別技術結合到在線學習的監督作用中。

5 同類產品分析

現如今市場中使用較多的網絡學習輔助軟件，如Forest、Timing、番茄ToDo。其中Forest與番茄ToDo功能簡單，由于在學習期間仍然可以隨意切換屏幕，強制性過低，且缺少督學者作用，對于大多數注意力不集中的學習者，仍然無法起到很好的督促學習作用;Timing面對當下網民強烈的展示欲望時，淡化了其監督方面的效果，仍無法實現較為合理的監督學習作用。

6 關鍵技術

針對以上想法與設計，項目組通過使用Axure平臺設計制作系統的原型展示，使用PhotoShop、LightRoom等軟件設計系統的UI界面，系統軟件部分具體開發環境在Android Studio以及Xcode平臺上進行，前端頁面使用VUE和SSM框架在Visual Studio Code平臺上使用HTML + CSS + JavaScript等前端語言完成前端的構建，其數據庫采用MySQL和Navicat Premium搭建并管理。系統中的關鍵功能圖像檢測與人臉動態識別模塊的實現方法為采用百度API（云開發）、Face++和自主研發的模式進行開發。同時關鍵技術代碼已獲得國家計算機軟件著作版權登記，相關軟硬件組合的產品也已申請國家專利（已獲得專利號），整套產品的軟硬件組合均受到國家法律保護。

7 技術特點

1）實現鎖定學習應用的技術特點：利用Android Service后臺服務進程，啟用監聽系統Screen廣播，Activity要存在于activity的棧中，故需要創建一個全新的activity棧，使學習應用的進程始終處于優先級最高的位置，結合滑動閥值來實現學習應用軟件的鎖定功能。使用標志位，需在AndroidManifest中首先聲明taskAffinity。所用的標志位FLAG_ACTIVITY_EXCLUDE_FROM_RECENTS，是為了避免在最近使用程序列表出現Service所啟動的Activity，但這個標志位不是必需的，其使用依情況而定。