構(gòu)建遠程教學系統(tǒng)的探索與實踐

1、    構(gòu)建遠程教學系統(tǒng)的探索與實踐    摘要基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和流媒體技術(shù)創(chuàng)建的新型遠程教學系統(tǒng)，為構(gòu)建終身學習型社會提供了有力支持。遠程教學中信息傳送系統(tǒng)是保證教學效果、實現(xiàn)教學信息可靠傳送的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文結(jié)合自行開發(fā)的清華大學遠程教學播出系統(tǒng)，對構(gòu)建高效能的現(xiàn)代遠程教學系統(tǒng)進行了探討。關(guān)鍵詞遠程教育；遠程教學系統(tǒng)；播出系統(tǒng)一、遠程教學系統(tǒng)的構(gòu)成一般來說，遠程教學系統(tǒng)為適應學習者對學習方式多樣性的要求，都要由以下幾個子系統(tǒng)組成：用于實時教學的直播系統(tǒng)，供學生自學、輔導答疑、作業(yè)、考試的輔助學習系統(tǒng)，管理教學活動的教務管理和學籍管理與資格認

2、證系統(tǒng)，多媒體課件制作系統(tǒng)及學習終端等，這些系統(tǒng)互相配合、有機結(jié)合起來構(gòu)成一個完整的遠程教學系統(tǒng)。1.實時授課系統(tǒng)實時授課系統(tǒng)是遠程教學系統(tǒng)中一個非常重要的部分，它是用來實時傳送教學信息的主要渠道，是實現(xiàn)雙向交互式教學活動的平臺。該系統(tǒng)的主要功能：采用現(xiàn)代通信技術(shù)將教師現(xiàn)場授課的聲音、圖像和電子白板等信息實時地傳送到遠端教室或?qū)W生的學習界面上，通過該系統(tǒng)，遠端的學生可以看到并聽到老師實時的授課內(nèi)容。在實時授課系統(tǒng)中，根據(jù)學生是否可以同教師、同學之間進行實時交流，又分為雙向交互式實時系統(tǒng)和單向廣播式實時系統(tǒng)兩類。交互式系統(tǒng)的特點是交互性好，教師在教學活動中可以看到學生的表情和動作，聽到學生的聲音

3、，并可和學生進行異地實時交流，教學效果比較好。實時授課系統(tǒng)的實現(xiàn)：一般由衛(wèi)星廣播技術(shù)和基于互聯(lián)網(wǎng)的流媒體技術(shù)、視頻會議技術(shù)、視頻聊天技術(shù)等來構(gòu)建。目前，效果比較好的方案是：利用衛(wèi)星廣播來直播老師的授課音視頻信號，以保證較好的圖像質(zhì)量；利用網(wǎng)絡視頻回傳學生的提問等反饋信息進行交互，用天地網(wǎng)相結(jié)合的方式來構(gòu)建實時授課系統(tǒng)。2.非實時輔助學習系統(tǒng)遠程教學中，學生需要在方便的時間、自由地選擇學習內(nèi)容進行學習，非實時輔助學習系統(tǒng)為實現(xiàn)這一目標提供了條件。非實時輔助學習系統(tǒng)包括的主要功能有：課件點播、學習資料瀏覽、下載，用email反饋信息和提交作業(yè)、進行答疑，用bbs實現(xiàn)學習討論，利用多媒體課件庫為學生

4、提供學習資源等等。非實時輔助學習系統(tǒng)的實現(xiàn)：目前幾乎都是采用基于互聯(lián)網(wǎng)的web方式提供非實時輔助學習服務，就是在互聯(lián)網(wǎng)上建立一個提供遠程教學服務的網(wǎng)站，采取成熟實用的browserserverdatabase三層體系結(jié)構(gòu)(bs架構(gòu))，所有的教學資源和課件由服務提供者上載到網(wǎng)站上，用戶只需訪問相關(guān)網(wǎng)頁即可實現(xiàn)點播課件資源、觀看實時直播節(jié)目等各種學習功能。系統(tǒng)一般由web服務器、視頻點播服務器、多媒體資源庫存貯器等軟硬件組成，可采用集簇服務器實現(xiàn)負載均衡、scsi磁盤陣列、分布式存貯等技術(shù)來提高響應速度，為學習者提供可靠的服務。3.教學管理系統(tǒng)教學管理系統(tǒng)是體現(xiàn)遠程教學的組織與管理功能的系統(tǒng)，是遠

5、程教學系統(tǒng)的重要組成部分。主要功能有：教學信息發(fā)布、課程設(shè)置、授課安排、學生繳費注冊、學籍管理、學習資源管理、學習過程跟蹤等。4.多媒體課件制作系統(tǒng)我們通常所指的多媒體課件就是利用各種多媒體制作技術(shù)將課程內(nèi)容制作成圖文聲像并茂的多媒體信息，是可放在網(wǎng)上供學生下載或點播的學習資源。在遠程教學中，我們又可以把多媒體課件分為兩類，一類是直接把老師授課時的音視頻和電子講稿用流媒體形式采集下來，按知識點進行編輯后制成授課型課件(也稱“三分屏”課件)。另一類是通過教學設(shè)計，將課程中的知識點有機地組織起來，并利用各種多媒體和網(wǎng)頁制作技術(shù)，編制成集文字、聲音、動畫、圖像、視頻等全面展現(xiàn)課程內(nèi)容的課件。實踐證明

6、，這二種類型的課件在遠程教學中都發(fā)揮了很好的作用，其制作都由多媒體課件制作系統(tǒng)來完成，一般需要由攝錄設(shè)備、音視頻采集、非線性編輯設(shè)備、多媒體制作與課件合成軟件、高速存貯等設(shè)備構(gòu)成。遠程教育的生命在于保證令人滿意的教學效果，而實現(xiàn)良好的教學效果離不開兩個重要條件：一是要有豐富的、高質(zhì)量的學習資源，這是保證遠程教學質(zhì)量的關(guān)鍵，可由建設(shè)網(wǎng)上教學資源庫和數(shù)字圖書館等方法來解決；另一個重要的條件就是遠程教學的信息傳送系統(tǒng)要為傳送各類教學信息提供強有力的、可靠的支持，這同樣是決定遠程教學效果好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。遠程教學系統(tǒng)按其信息傳送途徑的不同，目前主要集中在衛(wèi)星網(wǎng)、isdn專線、電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等

7、網(wǎng)絡技術(shù)應用上，針對各個網(wǎng)均不斷有新技術(shù)出現(xiàn)，許多技術(shù)可以直接用于為遠程教學服務，我們要根據(jù)具體的應用特點來確定采取哪種網(wǎng)絡技術(shù)來構(gòu)建遠程教學系統(tǒng)，或以幾種網(wǎng)相結(jié)合的形式來實現(xiàn)遠程教學系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。下面結(jié)合我們自行開發(fā)并正在使用的清華大學遠程教學系統(tǒng)，對天網(wǎng)與地網(wǎng)相結(jié)合來構(gòu)建遠程教學網(wǎng)絡系統(tǒng)的形式作一簡要介紹。二、清華大學遠程教學系統(tǒng)清華大學自1996年開始建立實時遠程教育系統(tǒng)，至今已在全國建立了150多個遠程教育站，形成了地網(wǎng)(互聯(lián)網(wǎng))與天網(wǎng)(衛(wèi)星網(wǎng))相結(jié)合的現(xiàn)代遠程教學系統(tǒng)。教學主要通過“衛(wèi)星直播課堂”、“衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播”和“清華遠程學堂”等進行。清華大學遠程教學系統(tǒng)包括實時授課系統(tǒng)、非

8、實時的輔助教學系統(tǒng)、多媒體課件庫和教學教務管理系統(tǒng)四個主要部分。實時授課系統(tǒng)采用衛(wèi)星通信為主、isdn專線+互聯(lián)網(wǎng)為輔的網(wǎng)絡平臺實現(xiàn)實時雙向交互。非實時教學系統(tǒng)采用基于互聯(lián)網(wǎng)的工作平臺，它們與多媒體課件庫和教務管理系統(tǒng)一起構(gòu)成一個完整的遠程教學系統(tǒng)。1.播出系統(tǒng)的組成該播出系統(tǒng)主要由課件實時采集制作子系統(tǒng)、流媒體視頻服務器、視頻播出控制服務器、web服務器及衛(wèi)星信號傳送子系統(tǒng)組成。課件實時采集制作子系統(tǒng)：由教師機和錄制合成機組成。將教師在教室講課時的音視頻和所使用的計算機屏幕內(nèi)容分別實時采集成流格式并合成一體，實時傳送給流媒體視頻服務器或在本機保存下來形成課件。流媒體視頻服務器：存放要播出的課

9、件并接收實時播出數(shù)據(jù)流，通過windows media services來提供直播(多播方式)或供學生通過互聯(lián)網(wǎng)點播(單播方式)服務。視頻播出控制服務器：按系統(tǒng)管理員設(shè)定的“播出課表”來調(diào)用保存在數(shù)據(jù)庫中的課件并通過對windows media services編程來控制各頻道節(jié)目的播出。(實際應用中，該服務器可與流媒體視頻服務器合為一體。)web服務器：在互聯(lián)網(wǎng)上建立學習網(wǎng)站，響應用戶的頁面訪問請求，提供網(wǎng)上學習資源、用戶注冊、身份認證、用戶權(quán)限管理、課件管理等功能。衛(wèi)星信號傳送子系統(tǒng)：傳送所有需要下傳給學習站點的學習資源，包括將各類學習課件或?qū)崟r授課內(nèi)容(采用流格式)信息。將來自流媒體視頻

10、服務器的各類課件和實時授課信息數(shù)據(jù)經(jīng)信號復用器、數(shù)據(jù)打包器、數(shù)據(jù)調(diào)制器、上變頻器、信號功率放大器、衛(wèi)星信號發(fā)射天線傳向通信衛(wèi)星。各地學習站點通過衛(wèi)星接收天線、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收卡來實時接收這些信息。2.播出系統(tǒng)提供的播出方式遠程教學播出系統(tǒng)可以通過衛(wèi)星網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)來分別傳輸節(jié)目，而這兩種網(wǎng)絡傳輸節(jié)目的方式又略有不同。(1)通過衛(wèi)星網(wǎng)(天網(wǎng))傳輸直播和錄播方式所謂直播，就是對教師授課實況采集成流格式進行實時播出，學習者可以通過衛(wèi)星接收或互聯(lián)網(wǎng)進行實時收看學習。所謂錄播，就是將事先錄制好的授課課件(流格式)通過衛(wèi)星進行播送，供學習者收看。直播和錄播都是在確定的時間按課表安排單向傳送教學信息，對學習者而言，

11、這兩種方式?jīng)]有什么區(qū)別。(2)通過互聯(lián)網(wǎng)(地網(wǎng))傳輸直播和點播互聯(lián)網(wǎng)直播，就是將教師授課實況在通過衛(wèi)星網(wǎng)播出的同時，在互聯(lián)網(wǎng)上進行實時轉(zhuǎn)播，學習者通過互聯(lián)網(wǎng)登錄學習站點后可收看。所謂點播，就是將事先錄制好的課件放在視頻點播服務器上(點播服務器可以是清華的服務器，也可以是學習者本地的鏡像服務器)，供大家通過互聯(lián)網(wǎng)自主點播學習。直播課堂播出時的信息流程：錄制端微機將直播教室實時授課的現(xiàn)場音視頻采集下來，經(jīng)過mpeg4編碼壓縮成流媒體格式傳送到視頻播放控制服務器，由該服務器將信號通過衛(wèi)星網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)綄W生端，為學生提供實時課堂直播學習。錄播課件播出時的信息流程：將錄制好的流格式課件存放在服務器課件

12、庫(硬盤上)，由“電子課表”控制將課件數(shù)據(jù)流發(fā)送給衛(wèi)星網(wǎng)，由衛(wèi)星網(wǎng)播放出去，學生端通過收看衛(wèi)星傳送過來的信號進行學習。播出系統(tǒng)采用微軟的流媒體服務技術(shù)(windows media services)和asf流格式實現(xiàn)直播和點播服務。3.播出系統(tǒng)的硬件組成衛(wèi)星播出子系統(tǒng)：主要由信號復用器、數(shù)據(jù)打包器、數(shù)據(jù)調(diào)制器、上變頻器、功率放大器、衛(wèi)星信號發(fā)射天線及監(jiān)控等設(shè)備組成，采用的是dvbs標準。4.該播出系統(tǒng)的主要技術(shù)特點清華大學遠程教學播出系統(tǒng)的主要特點概括如下：播出內(nèi)容都采用流媒體形式，通過視頻播放服務器將衛(wèi)星網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)有機地結(jié)合起來。也就是說，天網(wǎng)和地網(wǎng)中傳送的課件格式都是一致的，系統(tǒng)可同時支持

13、教學課程的實時直播、課件錄播、課件點播等服務。系統(tǒng)管理員能有效地對用戶和學習站點情況進行審查和授權(quán)管理。通過對接收站點的授權(quán)，衛(wèi)星播出時能對用戶接收端自動進行選擇限定，并能對播出內(nèi)容進行加密處理，在一定程度上保護了播出內(nèi)容和課件的知識產(chǎn)權(quán)。在課件采集方式上，不僅采集了老師授課時的音視頻流，還采集了老師所用電腦的屏幕流。學生收看時，改變了過去只有單純音視頻顯示的形式，現(xiàn)在能同時清晰地把授課老師使用的電子講稿和文稿顯示出來。能對視頻播放進行設(shè)置和自動控制。管理員事先把要播出的內(nèi)容按傳統(tǒng)課表的形式排好，也就是通過編排和設(shè)置視頻服務器上的“電子課表”來實現(xiàn)對視頻服務器的控制，到了預設(shè)的播出時間，視頻服務器會按指定的課件自動播出，實現(xiàn)了無人值守。增強了與用戶的交互功能。播出系統(tǒng)在通過衛(wèi)星網(wǎng)和專線方式與用戶進行音視頻交互的基礎(chǔ)上，又增加了基于互聯(lián)網(wǎng)的視頻交互功能。采用了在學習者本地建立“鏡像服務器”技術(shù)，運用分布式課件存貯方式，有效地提高了點播響應速度和課件觀看質(zhì)量。最后需要指出的是：由于整個播出系統(tǒng)對傳輸?shù)墓?jié)目都采用mpeg4編碼方式的asf流格式，保證了在課件傳輸技術(shù)上實現(xiàn)天網(wǎng)與地網(wǎng)的無縫連接。在保證收看質(zhì)量的基礎(chǔ)上，節(jié)省了每套節(jié)目衛(wèi)星播出時的帶寬，而且能夠直接用來在互聯(lián)網(wǎng)上傳送，滿足了遠程教學中的同步與異步學習