2021-05-15 92 上传者:管理员
摘要:随着“互联网+”的普及,以及微信小程序的广泛应用,通过移动应用方式提高教育教学质量有着更为广泛的需求。本文通过YOLO姿态识别、微信小程序等技术,构建一款辅助教学的应用系统,通过业务需求、功能设计、数据库设计、系统实现等方面呈现系统设计与实现过程。该应用的研究为进一步提高教育教学质量提供了一种新的参考方式。
1、引言
随着计算机技术的迅猛发展,以及社会经济的支撑,教育信息化技术也得到了飞速发展,教育技术与方法的发展方向也由传统教育方式转向以传统教育方式为主、在线教育方式为辅的基于“互联网+教育”的教学方式过渡。很多学者都在基于“互联网+”的教育新形式的方向中积极探索,试图寻找一种适合特定场合的教育教学方式。高帅借助特定的编程语言的通用性及平台特性优势,实现在线辅助学习的系统,可实现用户登录、试题练习、编程训练等等功能[1]。
董满生等人利用教学辅助系统实现教学过程与考核过程的管理与应用[2]。王璟增等人借助教学辅助系统的反馈功能增加教学体验[3]。最近几年,研究人员利用微信公众号或微信小程序的便捷特性,开发各种辅助教学的系统,如基于微信公众号的教学系统[4],基于微信小程序设计与实现的教学辅助软件等[5]。这些教学辅助系统都在一定程度上为师生在教学与学习上提供了便利。
本文结合实际教学应用场景,提出并设计一种使用微信小程序进行学习与管理的教学辅助系统,旨在帮助师生在当前移动互联网环境下能更便捷地进行学习与教学,为进一步增强教学效果、提高教学质量进行积极探索。
2、系统设计
2.1 需求与业务分析
系统根据功能要求与实际需要,在服务器端实现主要的功能,再利用微信小程序实现前端的管理与应用。系统面向的对象主要有三类:管理者、教师、学生。主要的业务流程有:管理者对班级的管理(增删班级、学生等)、对班级的课程管理(增删课程、任课教师等)。学生通过微信小程序打开系统,刷脸或借用学号密码登录后可以在课前、课后和课中利用系统进行学习,紧跟任课老师的节奏与安排,增强学习效果与提高自学能力。
教师登录后可以向系统上传资料,可以设置课前预习讨论、课中进度、知识点等安排以及课后复习与训练。同时,系统允许教师在上课时观察学生行为,若存在学生玩手机、睡觉等注意力不集中状态,可利用人工智能技术在线分析并识别学生的行为,及时给出预警提示,可以让教师在收到预警信息后及时关注预警对象,调整课程内容与节奏等来优化教学过程,增强教学体验,提高教学质量。同时,该系统针对预警的学生对象,会记录预警时所对应的知识点,方便该学生在课后复习时有针对地对可能存在错漏学习的内容进行强化学习与训练。
2.2 系统框架
系统分为前端与后台设计,后台使用动态网页编程语言php与python实现主要功能,数据库使用mysql。后台系统设计时主要实现各项功能的计算并管理数据传输。前端的设计主要使用微信小程序进行开发,借用微信小程序免下载运行的特点,让用户随时使用随时退出。系统框架如图1所示。
2.3 系统功能设计
2.3.1 登录模块
登录功能主要验证登录的用户所属对象类别(管理者、教师、学生),根据具体对象进行具体的操作与管理。此功能模块除了能够实现帐号密码登录验证外,还能实现刷脸登录的验证。
2.3.2 管理模块
此功能模块实现整个系统的管理。首先管理者要在系统设置班级、添加学生、设置课程与任课教师,然后师生才可以登录进行操作与学习。
2.3.3 教学设置模块
此功能模块实现教师教学的设置与管理,包括上传与管理课前、课中、课后资料,设置课中进度与知识点,学生状态预判与警示,讨论设置等。
2.3.4 学习模块
此功能模块实现学生在课前预习、课中学习知识点提示、课后复习与训练、讨论留言等。
2.3.5 辅助功能模块
此功能模块主要进行辅助功能的计算与处理,包括人脸识别、对象姿态识别等。其中,主要是获取并保存学生人脸数据,以及对学生低头、玩手机等状态的识别等。
2.4 数据库设计
2.4.1 概念设计
根据系统的需求与功能模块的分析,可以得到系统的实体:用户、管理者、教师、学生、活动、讨论贴、预警信息、练习库等。主要的ER图如图2所示。
2.4.2 逻辑设计
根据系统的实体关系图,可以得到具体的关系模式:
用户包括用户ID、用户名称、用户类型、密码。其中用户ID设置为主键,用来区别具体对象。用户类型主要分为管理员、学生、教师等角色类型。
教师包括教师ID、教师姓名、课程。其中教师ID设置为主键。
学生包括学生ID、学号、所属班级、人脸信息码。其中学生ID设置为主键。人脸信息码主要是在进行人脸识别判断时使用。
预警包括预警ID、预警开始时间、预警结束时间、预警对象ID、当前知识点ID、所属课程、所属教师。其中预警ID设置为主键,预警对象ID设置为外键。预警信息为预警对象的针对性复习提供了精准数据。
活动包括活动ID、活动名、活动类型、活动开始时间、活动结束时间、知识点ID、知识点设置时间。其中,活动ID是主键,知识点ID是外键。活动类型可以是课前活动、课后活动,还可以是课程进行中的活动或任务。
知识点包括知识点ID、知识点名称、所属课程。其中,知识点ID设置为主键。
练习库包括题目ID、题目名称、题目内容、题目类型、分值、参考答案、所属知识点ID。其中题目ID是主键,所属知识点ID为外键。
讨论留言包括讨论ID、用户ID、讨论标题、讨论内容、发表时间、发表类型。其中讨论ID为主键,用户ID为外键。发表类型代表是提问者还是回复者。
3、关键技术
3.1 微信小程序开发技术
微信小程序是腾讯推出的一种不需要下载安装、用户使用时通过微信扫一扫或搜一下即可打开应用的一种新的软件使用方式。微信小程序主要是利用类似于html标签的自定义标签(wxml)设计界面,再通过javascript、node.js、json等技术来实现具体的功能。当前微信小程序有成熟的开发文档以及案例,对学习以及开发相关应用有很多帮助。微信小程序的开发可以使用微信开发者工具,也可以利用其他第三方工具(如uniapp)开发。
3.2 人脸识别技术
本系统设计时考虑刷脸登录的需求以及在观察学生行为时通过人脸识别定位具体的学生对象的需求,因此要使用人脸识别技术来实现相应功能。现在人脸识别技术在算法研究以及市场实际应用上都非常成熟、可靠。在系统中使用人脸识别技术主要有以下两种方式:一种是根据人脸识别的神经网络算法进行编码实现,另一种是使用现成私有或是开源的第三方提供的库文件或调用在线api。第三方工具中在线提供识别api有很多种,如百度提供的在线api[6]、腾讯云、阿里云等;第三方工具或第三库也比较多,主要有face_regconition[7]、face++、openCV等。根据系统的环境以及技术难度,本系统设计时使用face_regconition来实现人脸识别功能。
3.3 姿态识别技术
本系统中另一个主要需求是教师借用系统功能在上课时对学生行为进行监控,智能识别学生状态(主要针对低头族)。系统在工作时会每间隔一定时间(如2分钟)调用照相机拍照并上传至服务器,服务器进行姿态识别。如果在姿态识别过程中,同一个位置(学生)连续三次(如学生已经走神或低头看手机持续时间达到了6分钟)被判断处于异常状态,服务器系统将记录此位置以及此位置的学生的信息,并返回给教师端,发出预警信号,程序流程如图3所示。为实现此需求,教学辅助系统需要实现姿态识别功能。
近几年研究人体姿态识别的除了微软公司的kinect等企业应用外,其他的姿态识别模型主要有美国卡耐基梅隆大学基于卷积神经网络和监督学习并以caffe为框架开发的开源模型OpenPose[8]、上海交通大学MVIG实验室开源的AlphaPose[9]、基于深度学习算法的YOLO模型[10,11,12]等。
本系统将通过图片获取学生上课的情况,并通过YOLO框架识别低头动作与玩手机等开小差行为,在同一时间段内重复这个过程。若在同一时间段内某一位置目标连接三次以上被识别出来则认为存在开小差行为,系统将根据策略进行预警信息提示。
4、系统开发与实现
4.1 前端主要模块的实现
前端的设计与实现主要是使用的微信开发者工具实现,系统开发部署后,不同用户类型登录到不同的界面。部分页面效果如图4所示。
教师登录后会进入首页,主要显示教师的姓名信息、所授课程、学生给予老师的留言以及课程资源列表等。教师可以查看具体留言信息并回复,也可以进入课程资源设置页面创建新课的课前预习安排、上传相关资料文件;还可以设置课后的复习资料与练习,为上课途中的知识任务点设置授课时间安排等。
当学生登录后,首页信息会显示他的个人学号、姓名等信息,还有本学期所上的专业课程。学生选择课程并进入可以查看课程资源、课前预习安排、课后练习安排等。
4.2 关键模块的实现
4.2.1 图片抓取与上传模块
当教师上课时,系统即可以进入抓取图片状态,每隔指定时间调用相机进行拍照,并上传到服务器中,交给服务器进行处理。关键代码如下:代码1。
4.2.2 YOLOv3姿态识别模块
后台服务器在系统运行时会提前进行样本训练。当系统后台服务器在接收到客户端发送过来的要进行判断预测的图片后,立即根据操作策略进行YOLO模块的调用和识别。YOLO模块进行识别并计算出对应的数据后,再进行结果处理,满足条件的则返回给客户端进行预警。关键代码如下:代码2。
5、结束语
随着互联网技术的飞速发展,“互联网+”在各行各业的应用场景也不断地拓宽。微信小程序因其不需要下载安装,随用随退的便捷性深入民心,是最近比较流行的软件应用开发与部署方式。本文通过使用微信小程序、人脸识别、YOLO姿态识别等技术,提出并开发一款课前课后可学习,课中能识别学生精神不集中等状态并及时预警的教学辅助系统。随着技术的不断发展,广大的研究者在“互联网+”应用的方式上积极地探索,利用新技术促进教育教学方式的改变会越来越普遍。
参考文献:
[1]高帅.Java智能教学辅助系统的设计与实现.信息记录材料,2020,21(05):171-172
[2]董满生,吴大帅,金颖,张晓娴.基于懿课堂教学辅助系统的学习过程考核教学设计与实践.教育教学论坛,2020(39):338-339
[3]王璟增,张启江.核电模拟机的教学辅助系统研究.工业控制计算机,2020,33(11):68-69
[4]肖能齐,徐翔,汤双清.基于微信公众平台的液压传动与控制课程教学辅助系统设计.黑龙江科学,2019,10(17):28-29
[5]许嘉,黄新昊,吕品.基于微信小程序的教学服务应用软件开发与教学实践.中国教育信息化,2020(18):88-91
[6]王琮,韩骁.基于百度云AI的自动售检票系统人脸识别应用可行性分析.城市轨道交通研究,2020,23(03):148-151
[7]谢作如.face_recognition结合pinpong开发人脸识别门禁.中国信息技术教育,2020(19):87-89
[8]周德良.OpenPose结合BP网络的行为检测方法.贵州大学学报(自然科学版),2020,37(03):87-92
[9]卫少洁,周永霞.一种结合Alphapose和LSTM的人体摔倒检测模型.小型微型计算机系统,2019,40(09):1886-1890
[10]王春辉,王全民.基于改进YOLOv3网络的学生特定行为识别.计算机与现代化,2020(07):90-96
[11]徐江浪,李林燕,尚欣茹,胡伏原.基于YOLO算法的车辆违停检测.苏州科技大学学报(自然科学版),2020,37(04):68-72
文章出处:卢道设,王瑾,谭晖涛,魏盈颖.移动互联环境下教学辅助系统的应用研究[J].福建电脑,2021,37(05):37-41.
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期刊名称:计算机系统应用
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