陳智文，黃智偉

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，人們獲取知識(shí)的方式和途徑發(fā)生了巨大的變化，帶來(lái)的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”使得在線教育用戶數(shù)量不斷攀升，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。在線教育不受時(shí)間、空間和地點(diǎn)條件的限制，通過(guò)對(duì)線下學(xué)習(xí)模式中的授課內(nèi)容進(jìn)行電子化、視頻化，大大提高了學(xué)習(xí)的便利性。受新冠肺炎疫情影響，2020年春季學(xué)期延期開(kāi)學(xué)，我國(guó)近3億師生根據(jù)教育部“停課不停學(xué)”的要求開(kāi)展了史上最大規(guī)模的群體在線學(xué)習(xí)，全國(guó)本科高校108萬(wàn)教師開(kāi)出課程合計(jì)1 719萬(wàn)門(mén)次，在線學(xué)習(xí)的大學(xué)生共計(jì)35億人次[1]。

1 研究現(xiàn)狀與問(wèn)題

在線教學(xué)最核心的本質(zhì)是學(xué)習(xí)者學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)[2]。學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)投入程度顯著影響其學(xué)業(yè)成績(jī)和認(rèn)知發(fā)展[3]。在線學(xué)習(xí)是一種需要學(xué)習(xí)者具有高度自覺(jué)性的學(xué)習(xí)，沒(méi)有實(shí)體課堂，教師的“氣場(chǎng)”無(wú)法有效帶動(dòng)學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)者難以及時(shí)告知學(xué)習(xí)困難，教師也無(wú)法隨時(shí)感受到學(xué)習(xí)者的眼神和表情[4]。

在開(kāi)展在線教育的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)中的功能元素太過(guò)多樣化，信息量十分龐大，導(dǎo)致自控力不足的學(xué)習(xí)者無(wú)法專心學(xué)習(xí)，在打開(kāi)在線教育平臺(tái)的同時(shí)可能打開(kāi)娛樂(lè)軟件。學(xué)習(xí)者習(xí)慣于傳統(tǒng)的面授課堂，當(dāng)置身于虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中時(shí)難免出現(xiàn)目標(biāo)偏離、學(xué)習(xí)效率低下等情況。當(dāng)學(xué)習(xí)者的行為指向背離學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)往往不能像在傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)時(shí)那樣及時(shí)被教師矯正，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)所謂的信息迷航現(xiàn)象，學(xué)習(xí)者不愿或不能自覺(jué)回到計(jì)劃的學(xué)習(xí)進(jìn)程中。在線學(xué)習(xí)的這一特殊性決定了監(jiān)督的重要性。

目前各大在線教育平臺(tái)的監(jiān)督學(xué)習(xí)功能有限，部分平臺(tái)如釘釘、雨課堂、騰訊課堂等僅有打卡簽到功能，只能確定學(xué)習(xí)者進(jìn)入了在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)平臺(tái)，不能確定是不是本人打卡，且學(xué)習(xí)者打卡后是否一直在屏幕前也無(wú)從得知。當(dāng)教師一對(duì)多進(jìn)行學(xué)習(xí)指導(dǎo)時(shí)，學(xué)習(xí)過(guò)程更是難以監(jiān)督，無(wú)法保證每個(gè)學(xué)習(xí)者都能認(rèn)真學(xué)習(xí)在線教學(xué)內(nèi)容，當(dāng)學(xué)習(xí)者出現(xiàn)異常學(xué)習(xí)行為時(shí)，教師無(wú)法及時(shí)提醒及糾正。

2 系統(tǒng)的功能描述

針對(duì)在線學(xué)習(xí)中教師一對(duì)多授課時(shí)無(wú)法進(jìn)行有效監(jiān)督的情況，本文提出一種監(jiān)督管理系統(tǒng)，可應(yīng)用在移動(dòng)端及PC端，全自動(dòng)監(jiān)督學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程，當(dāng)出現(xiàn)異常學(xué)習(xí)行為時(shí)進(jìn)行警報(bào)提醒。

異常學(xué)習(xí)行為主要包括：其他人代上課，非活人上課（貼本人照片），上課中途離開(kāi)、睡覺(jué)；在理論課程直播過(guò)程中，學(xué)習(xí)端設(shè)備顯示內(nèi)容包含非教師講授視頻窗口；在計(jì)算機(jī)實(shí)際操作課程中（教師未開(kāi)啟課件窗口），打開(kāi)非教師允許使用的軟件。

本系統(tǒng)能夠協(xié)助教師對(duì)學(xué)習(xí)者的在線學(xué)習(xí)行為進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)督，對(duì)學(xué)習(xí)者的異常學(xué)習(xí)行為進(jìn)行警示及記錄，協(xié)助教師管理學(xué)習(xí)者，提高教師在線教學(xué)效率及學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)效率。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的在線學(xué)習(xí)監(jiān)督輔助系統(tǒng)，包括學(xué)習(xí)端、教學(xué)端、后臺(tái)管理三大部分。數(shù)據(jù)挖掘是一種決策支持過(guò)程，它主要基于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)據(jù)庫(kù)、可視化技術(shù)等高度自動(dòng)化地分析數(shù)據(jù)，作出歸納性的推理，從中挖掘出潛在的模式，幫助決策者調(diào)整策略，減少風(fēng)險(xiǎn)，作出正確的決策。

本系統(tǒng)監(jiān)督檢測(cè)所采用的技術(shù)就是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘就是通過(guò)分析每個(gè)數(shù)據(jù)，從大量數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律，主要有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、規(guī)律尋找和規(guī)律表示3個(gè)步驟。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是從相關(guān)的數(shù)據(jù)源中選取所需的數(shù)據(jù)并整合成用于數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)集；規(guī)律尋找是用某種方法將數(shù)據(jù)集所含的規(guī)律找出來(lái)；規(guī)律表示是盡可能以用戶可理解的方式（如可視化）將找出的規(guī)律表示出來(lái)。本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為教學(xué)端、學(xué)習(xí)端的頁(yè)面信息，利用學(xué)習(xí)端學(xué)習(xí)頁(yè)面信息具有一定統(tǒng)一性這一特征進(jìn)行聚類等算法分析，從而挖掘?qū)W習(xí)端異常學(xué)習(xí)行為信息。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。學(xué)習(xí)端包括人臉活體檢測(cè)模塊、頁(yè)面檢測(cè)模塊、應(yīng)用程序識(shí)別模塊、流量檢測(cè)模塊、信用度模塊和警報(bào)模塊。在給每位學(xué)習(xí)者設(shè)置信用度的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)通過(guò)人臉活體檢測(cè)模塊對(duì)學(xué)習(xí)端學(xué)習(xí)者的唯一性進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)頁(yè)面檢測(cè)模塊對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)頁(yè)面的統(tǒng)一性進(jìn)行檢測(cè)，在學(xué)習(xí)者需要自行練習(xí)操作時(shí)，通過(guò)異常程序識(shí)別及異常流量檢測(cè)來(lái)確保學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的真實(shí)性，否則，發(fā)出警報(bào)。教學(xué)端包括應(yīng)用程序控制模塊和警報(bào)記錄模塊。對(duì)于需要實(shí)操的課程，教師可自行設(shè)置被允許的應(yīng)用程序，對(duì)學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)異常行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、記錄、分析。后臺(tái)管理用于連接和控制學(xué)習(xí)端、教學(xué)端，儲(chǔ)存并記錄學(xué)習(xí)者的所有信息。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)學(xué)習(xí)端出現(xiàn)異常學(xué)習(xí)行為時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)，根據(jù)相應(yīng)的異常學(xué)習(xí)行為在學(xué)習(xí)設(shè)備上彈出不同的對(duì)話框進(jìn)行警示，具體見(jiàn)圖2。

圖2 學(xué)習(xí)端警報(bào)彈窗圖

在教學(xué)端教學(xué)設(shè)備上也會(huì)有相應(yīng)警示記錄提示（見(jiàn)圖3），并實(shí)時(shí)更新。當(dāng)有學(xué)習(xí)者出現(xiàn)多次警示記錄時(shí)，教師可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行點(diǎn)名提醒。

圖3 教學(xué)端警示記錄顯示圖

4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

4.1 信用度模塊設(shè)計(jì)

信用度模塊由學(xué)習(xí)者使用系統(tǒng)學(xué)習(xí)的累計(jì)時(shí)長(zhǎng)與學(xué)習(xí)者接收到的警報(bào)次數(shù)加權(quán)所得，它反映了學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)自覺(jué)性的高低。信用度模型見(jiàn)第131頁(yè)圖4，信用度=k1×信用度1+k2×信用度2。

圖4 信用度模型圖

本系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)者監(jiān)督的頻率、信息采集的頻率會(huì)根據(jù)信用度的高低而變化。信用度越高系統(tǒng)采集信息的頻率越低，信用度越低系統(tǒng)采集信息的頻率越高。也就是說(shuō)長(zhǎng)時(shí)間使用本系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)督后，對(duì)于未檢測(cè)到任何不良學(xué)習(xí)行為的信用度高的學(xué)習(xí)者，沒(méi)有必要頻繁進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)頻率會(huì)從原始的5 s/次逐步降低為600 s/次，若后期檢測(cè)到該學(xué)習(xí)者做出了不良的學(xué)習(xí)行為，造成信用度降低，那么檢測(cè)頻率又會(huì)從600 s/次逐步上升；對(duì)于頻繁檢測(cè)到不良學(xué)習(xí)行為的信用度低的學(xué)習(xí)者，檢測(cè)頻率可能一直會(huì)保持最高頻率5 s/次。

4.2 人臉活體識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

目前人臉識(shí)別技術(shù)已日趨成熟，應(yīng)用廣泛，在在線教育行業(yè)主要被應(yīng)用于在線考試，如職教云考試模塊、阿里培訓(xùn)考試模塊、駕照考試等。人臉活體識(shí)別模塊除了“識(shí)人”外還“識(shí)真”，也就是說(shuō)在系統(tǒng)面前不僅要確保這張臉是這個(gè)人的臉，還要確保這張臉是活體的人臉，而不是圖片、視頻或帶著面具的人臉?！白R(shí)真”可以通過(guò)眨眼、搖頭、點(diǎn)頭等組合動(dòng)作驗(yàn)證用戶是否為真實(shí)活體本人，最大程度監(jiān)督和確保是學(xué)習(xí)者本人在進(jìn)行學(xué)習(xí)。

本系統(tǒng)會(huì)不定時(shí)通過(guò)學(xué)習(xí)端攝像頭采集學(xué)習(xí)者圖像，與原始登記照片進(jìn)行匹配，使用人臉關(guān)鍵點(diǎn)定位和人臉追蹤等技術(shù)“識(shí)人”“識(shí)真”。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到面部識(shí)別不匹配、無(wú)頭像、非活人等情況時(shí)，學(xué)習(xí)端會(huì)彈出提示框進(jìn)行相應(yīng)的警報(bào)提醒。人臉活體識(shí)別流程見(jiàn)圖5。

圖5 人臉活體識(shí)別流程圖

4.3 頁(yè)面檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

目前的頁(yè)面檢測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于在線考試防作弊機(jī)制，使用固有頻率截屏或錄屏，人為監(jiān)控查看異常防止作弊，或者進(jìn)行頁(yè)面跳出檢測(cè)，當(dāng)跳出當(dāng)前頁(yè)面時(shí)會(huì)自動(dòng)記錄及提醒。本系統(tǒng)的頁(yè)面檢測(cè)模塊主要針對(duì)在線理論課程，當(dāng)教學(xué)端與學(xué)習(xí)端頁(yè)面內(nèi)容顯示一致時(shí)，根據(jù)學(xué)習(xí)者信用度以自適應(yīng)的頻率對(duì)學(xué)習(xí)端設(shè)備進(jìn)行截屏，使用聚類分析的算法，與教學(xué)端的頁(yè)面進(jìn)行匹配，發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，發(fā)出警報(bào)。學(xué)習(xí)者最小化、關(guān)閉教師直播分享頁(yè)面或者是瀏覽其他頁(yè)面等與教師頁(yè)面顯示不一致的情況均能通過(guò)頁(yè)面檢測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)。頁(yè)面檢測(cè)流程見(jiàn)圖6。

圖6 頁(yè)面檢測(cè)流程圖

4.4 應(yīng)用程序識(shí)別模塊和流量檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于實(shí)際操作的課程，當(dāng)教師講授完理論部分后學(xué)習(xí)者需要使用PC端自己動(dòng)手操作，教學(xué)端與學(xué)習(xí)端的頁(yè)面顯示不可能一直保持一致，此時(shí)已不能使用頁(yè)面檢測(cè)模塊，故提出應(yīng)用程序識(shí)別模塊與流量檢測(cè)模塊。教師通過(guò)應(yīng)用程序控制模塊開(kāi)放課程所需的一部分應(yīng)用程序權(quán)限，如“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”課程開(kāi)放VC++使用權(quán)限，“信息技術(shù)基礎(chǔ)”課程開(kāi)放Office使用權(quán)限等。當(dāng)學(xué)習(xí)端開(kāi)啟了非教學(xué)端允許的應(yīng)用程序時(shí)，系統(tǒng)則發(fā)出警報(bào)?？紤]到有些課程需要用到瀏覽器查找資料，為避免學(xué)習(xí)者通過(guò)瀏覽器在線觀看視頻，故補(bǔ)充流量檢測(cè)模塊，對(duì)于流量使用異常情況系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出警報(bào)并記錄。應(yīng)用程序識(shí)別和流量檢測(cè)流程見(jiàn)第132頁(yè)圖7。

圖7 應(yīng)用程序識(shí)別和流量檢測(cè)流程圖

4.5 警報(bào)模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)各檢測(cè)模塊檢測(cè)，當(dāng)學(xué)習(xí)端出現(xiàn)面部識(shí)別不匹配及無(wú)頭像、頁(yè)面與教學(xué)端頁(yè)面不匹配、使用非教師授權(quán)的應(yīng)用程序、流量使用異常等情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行彈框提醒。當(dāng)學(xué)習(xí)者收到警示彈框提醒時(shí)只能停止異常學(xué)習(xí)行為，否則系統(tǒng)會(huì)不斷彈出警示窗口，警示次數(shù)不斷累積。后臺(tái)也會(huì)對(duì)日期、姓名、班級(jí)、時(shí)間、警報(bào)異常項(xiàng)、累計(jì)次數(shù)、截屏異常圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、記錄，方便教師對(duì)教學(xué)情況進(jìn)行分析。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

本系統(tǒng)根據(jù)在線統(tǒng)一教學(xué)過(guò)程中學(xué)習(xí)端頁(yè)面某種程度的一致性，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)為學(xué)習(xí)過(guò)程的監(jiān)督做好了軟件條件的準(zhǔn)備，手機(jī)端/PC端的普及為本系統(tǒng)的應(yīng)用做好了硬件條件的準(zhǔn)備。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1）自適應(yīng)控制檢測(cè)頻率，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。本系統(tǒng)首次提出學(xué)習(xí)信用度概念，信用度由學(xué)習(xí)者使用系統(tǒng)學(xué)習(xí)的累計(jì)時(shí)長(zhǎng)與學(xué)習(xí)者接收到的警報(bào)次數(shù)加權(quán)所得，將學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)自覺(jué)性進(jìn)行量化，劃分信用等級(jí)。根據(jù)信用等級(jí)自適應(yīng)地控制系統(tǒng)檢測(cè)頻率，例如對(duì)于自覺(jué)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)者，可以降低監(jiān)督頻率；對(duì)于自覺(jué)性弱的學(xué)習(xí)者，更有針對(duì)性地進(jìn)行監(jiān)督，從而有效節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，提升傳輸效率。

2）監(jiān)督檢測(cè)適用條件廣泛。在線課程不管是統(tǒng)一上的理論課程還是實(shí)際操作課程，本系統(tǒng)均能進(jìn)行有效監(jiān)督。針對(duì)理論課程，教學(xué)端與學(xué)習(xí)端頁(yè)面必然保持一致，通過(guò)頁(yè)面檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)督；針對(duì)實(shí)際操作課程，通過(guò)應(yīng)用程序識(shí)別模塊及流量檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)監(jiān)督。

3）異常學(xué)習(xí)行為檢測(cè)廣泛。本系統(tǒng)的監(jiān)督檢測(cè)貫穿于教師統(tǒng)一在線授課的全過(guò)程，包括學(xué)習(xí)者身份的確認(rèn)，是否出現(xiàn)其他人或假人代替上課，學(xué)習(xí)者是否睡覺(jué)、消失；在教師講授課程時(shí)，學(xué)習(xí)端展示的頁(yè)面是否跟教學(xué)端頁(yè)面保持一致，學(xué)習(xí)者是否打開(kāi)了其他窗口，是否關(guān)閉了教師課程展示的窗口；當(dāng)教師允許學(xué)習(xí)者自行操作時(shí)，學(xué)習(xí)者是否打開(kāi)了其他無(wú)關(guān)軟件等。本系統(tǒng)對(duì)整個(gè)在線教學(xué)實(shí)行全過(guò)程監(jiān)督，最大程度監(jiān)控學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種在線學(xué)習(xí)監(jiān)督輔助系統(tǒng)，在計(jì)算學(xué)習(xí)信用度的基礎(chǔ)上，通過(guò)人臉活體檢測(cè)、頁(yè)面檢測(cè)、警報(bào)等模塊分析在線學(xué)習(xí)者的異常學(xué)習(xí)行為。本系統(tǒng)能夠推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的普及，對(duì)自覺(jué)性不強(qiáng)的低、中、高年級(jí)的在線學(xué)習(xí)者均能進(jìn)行監(jiān)督，從而提高學(xué)習(xí)者在線學(xué)習(xí)的自律性。