實時雙向交互式遠程教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、實時雙向交互式遠程教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)黃京摘要：遠程教學(xué)是網(wǎng)絡(luò)教育的重要組成部分，實時雙向交互式遠程教學(xué)系統(tǒng)能為遠程教育提供一個符合信息化教育規(guī)律的真正高效的現(xiàn)代化教學(xué)手段。文章闡述了系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù)，對該系統(tǒng)進行了設(shè)計和實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：遠程教學(xué)；系統(tǒng)；設(shè)計 一、引言 傳統(tǒng)的教學(xué)模式在目前的教育教學(xué)體系中仍然占據(jù)著重要的地位，但其仍存在著一些局限性。遠程教育利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)方式在空間層面上的跨地域性，可以利用網(wǎng)絡(luò)進行實時交互，更可以通過把優(yōu)秀的教育資源置于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，達到資源共享。遠程教育是網(wǎng)絡(luò)教育的重要組成部分，所謂實時雙向交互式遠程教學(xué)，就是利用計算機網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和多媒體技術(shù)，以網(wǎng)

2、絡(luò)作為載體，進行教學(xué)工作，克服地理區(qū)域和時間上的限制，使任何地方的用戶都能夠通過網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)，使師生雙方能進行實時的、雙向交互的教與學(xué)的活動。 二、系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù) （一）設(shè)計的理論基礎(chǔ) 隨著Internet技術(shù)的普及，遠程教育正經(jīng)歷由“遠”到“近”的轉(zhuǎn)變過程。雖然物理距離仍然存在，然而學(xué)生之間的實際學(xué)習(xí)“空間”更近了。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以傳統(tǒng)教室里獲得更好的交互性，不僅如此，Internet和WWW的應(yīng)用和推廣，還使得遠程教育從行為注意學(xué)習(xí)理論逐漸向建構(gòu)注意學(xué)習(xí)理論轉(zhuǎn)變。由皮亞杰（J.Piaget）提出的建構(gòu)主義（Constructivism）學(xué)習(xí)理論認為：知識不是通過教師傳授得到，而是學(xué)習(xí)者在一

3、定的情境即社會文化背景下，借助他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得。 通過Internet進行遠程教學(xué)，在教學(xué)上不受時間和地點的限制，教師和學(xué)生可以在適合自己的時間、地點上網(wǎng)，能夠提供給教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間通過網(wǎng)絡(luò)進行實時的交互。因此，基于Internet的遠程教學(xué)更能為學(xué)習(xí)者提供一個建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分體現(xiàn)學(xué)生的首創(chuàng)精神，學(xué)生有更多的機會在不同的情境下去運用他們所學(xué)的知識，而且學(xué)生能根據(jù)自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方案。 （二）系統(tǒng)的設(shè)計原則 系統(tǒng)的設(shè)計目標是在最大程度上滿足實時雙向交互式遠程教學(xué)活動的需要，在Internet上實

4、現(xiàn)教學(xué)活動的各個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的基本設(shè)計原則有：交互性、開放性、實用性、可擴展性、安全性等。 遠程教學(xué)的方式是多樣化的，信息的交流具有實時性和異步性，比如可以利用流媒體技術(shù)把事先錄制好的課堂教學(xué)視音頻信息或事先制作好的多媒體教材，通過網(wǎng)絡(luò)供學(xué)生隨時點播學(xué)習(xí)，這是遠程教學(xué)方式的異步性體現(xiàn)。遠程教學(xué)的重點在于教學(xué)活動的實時互動性上，而雙向?qū)崟r交互式又是當前采用的先進方式，如數(shù)字化的會議電視或視頻會議技術(shù)，利用視音頻交互、文字交互、白板及圖片圖形等共享，可以讓參與到遠程教學(xué)的師生就像傳統(tǒng)的課堂上那樣進行實時的互動交流，這也比使用BBS、Email、留言板要便捷得多。 系統(tǒng)既要根據(jù)國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適用不同的

5、帶寬，同時也要適應(yīng)國內(nèi)信息化教育的總體水平。遠程教學(xué)系統(tǒng)在結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教室中實用的、優(yōu)秀的功能基礎(chǔ)上，應(yīng)增加大量易操作、實用的功能，如同步瀏覽課件、網(wǎng)頁功能等。系統(tǒng)既要考慮信息資源的充分共享，更應(yīng)注意信息的保護和隔離，如系統(tǒng)安全機制、數(shù)據(jù)存取的權(quán)限控制等。 三、系統(tǒng)功能設(shè)計 要形成基于Internet實時雙向交互式遠程教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生和教師擁有一臺計算機便可以通過軟件進行遠距離教學(xué)活動，實現(xiàn)實時互動。系統(tǒng)的功能主要分為課件教學(xué)功能和交互教學(xué)功能。 （一）課件教學(xué)功能 1、課件列表。教師可將所需的圖片、各種office文檔、網(wǎng)頁課件等多媒體資源裝入課件列表，在上課時實現(xiàn)主控式的同步瀏覽。 2、課件同步

6、。系統(tǒng)能將課件自動壓縮上傳服務(wù)器，教師和學(xué)生可以同步以網(wǎng)頁的方式瀏覽。此外，系統(tǒng)也可以讓學(xué)生自動下載課件到本地，教師與學(xué)生同步瀏覽時，直接打開本地文件，不用訪問，這樣可以提高課件訪問速度，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。 3、錄制播放。教師和學(xué)生都能根據(jù)自己的需要進行現(xiàn)場課程制作，教師端還支持已錄制的課件再次廣播。教師可以允許或禁止學(xué)生錄制課件。 （二）交互教學(xué)功能 在這樣的系統(tǒng)中，學(xué)生可以進行學(xué)習(xí)、考試、討論等，學(xué)生和教師之間可以傳輸圖像、文字、圖形、聲音等各種信息。系統(tǒng)的主要功能包括：視音頻交互、文字交互、白板交互、文件交互等。 1、視音頻交互系統(tǒng)。本系統(tǒng)的用戶截面最多可以同時顯示八路視頻端，用戶可以根據(jù)自

7、己的需要隨時對需要顯示的界面進行切換；教師可以將授課內(nèi)容及教學(xué)情景實時的傳送到網(wǎng)絡(luò)教室中去，或者也可以播放某個學(xué)生的視頻；在教師廣播自己視頻時，也可以監(jiān)視某個學(xué)生的視頻。教師能把自己的聲音廣播出去，同時可以允許某個學(xué)生說話，或者同時允許兩個學(xué)生廣播聲音；在系統(tǒng)沒有開啟語音廣播時，教師、學(xué)生之間可以私聊，可以一對一，也可以一對多。教師端有學(xué)生舉手狀態(tài)的顯示框，教師可以選擇舉手的學(xué)生并允許發(fā)言。學(xué)生在被允許發(fā)言時，系統(tǒng)會彈出一個對話框，提醒學(xué)生發(fā)言。 2、文字交互系統(tǒng)。在文字討論區(qū)，教師可以與全體學(xué)生，也可以與某個學(xué)生進行文字交流，教師一旦在人員列表中選定對一個人發(fā)送信息時，進行一對一的交流，其他

8、教師成員則看不到。文字交互系統(tǒng)中還有關(guān)于教師操作信息的系統(tǒng)提示和公告等，如教師允許某人發(fā)言，錄制課件等。另外，系統(tǒng)還有詞典過濾功能，可以過濾那些出現(xiàn)的不文明用語。 3、白板交互系統(tǒng)。教師和學(xué)生可以同時在白板上作圖、寫字、編輯或粘貼現(xiàn)有的圖形和圖片等。教師可以對白板的使用權(quán)限進行控制，允許或禁止其他人使用白板，選擇是否顯示白板上的對象的創(chuàng)建者，還可以對白板上所創(chuàng)建對象的顏色、字體等屬性進行設(shè)置。本系統(tǒng)目前支持十頁白板，可根據(jù)需要加以擴充。4、文件共享系統(tǒng)。本系統(tǒng)的文件共享系統(tǒng)是基于服務(wù)器的FTP服務(wù)器的基礎(chǔ)之上，各個用戶端連接上服務(wù)器時，教師批準了文件共享后，F(xiàn)TP服務(wù)器中的FTP文件夾中的各種

9、資源就顯示在文件的共享區(qū)域內(nèi)，供參加網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的學(xué)生上傳或下載。 四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 本網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)系統(tǒng)采用客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，使客戶端具有相當?shù)姆€(wěn)定性和易操作性。實現(xiàn)工具采用Microsoft公司的Visual C+，Visual C+是一種非常完善和全面的程序集成開發(fā)環(huán)境，它采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，在多媒體圖形處理方面功能強大。Visual C+的核心是Microsoft基本類庫（MFC），它一方面用類封裝了Windows API，另一方面使用稱為“消息映射”的機制把Windows消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖及其對象，MFC能成功的把面向?qū)ο蠛褪录?qū)動編程聯(lián)系起來。在對參與系統(tǒng)的用戶的

10、用戶名及密碼信息的控制是通過與XML（Extensible Markup Language）文檔中的數(shù)據(jù)的交互來實現(xiàn)的。 遠程交互式教學(xué)系統(tǒng)主要由多媒體授課室、多媒體聽課室、多點控制器、信道（傳輸網(wǎng)絡(luò)）及控制管理軟件組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。教師在授課室通過電子白板、視音頻設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)將授課內(nèi)容及教學(xué)情景實時傳送到遠端聽課室，同時學(xué)生可以在遠端聽課室現(xiàn)場回答教師提出的問題或向教師提出疑問，教師在授課室可以看到和聽到聽課室的全貌，還可以看到發(fā)問、回答問題的學(xué)生的表情和動作，并和學(xué)生進行現(xiàn)場交流，可以取得比較好的教學(xué)效果，尤其是那些需要學(xué)生參與的課程，比如外語教學(xué)。 授課室和聽課室也即課堂終端包

11、括教師端和學(xué)生端，主要功能包括：視音頻信息的采集、傳輸、顯示輸出，數(shù)字信號的壓縮編碼和解碼，最后將符合國際標準的壓縮碼流經(jīng)線路接口傳送到信道，或從信道上將標準壓縮碼流經(jīng)線路接口送到終端中。在課堂終端還可以進行文字、文件、圖片信息等輸入輸出操作。目前，計算機硬件設(shè)備基本上可以滿足系統(tǒng)的要求，在教師端，對計算機設(shè)備、視音頻采集設(shè)備的要求相對要高些，如盡量采用較高像素的攝像頭等采集設(shè)備。 多點控制器（Multipoint Control Unit，MCU）是一種橋接設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它的主要作用是對視頻、音頻、數(shù)據(jù)信號等數(shù)據(jù)流進行切換。 五、系統(tǒng)界面設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn) 系統(tǒng)的用戶界面

12、設(shè)計直觀，具有良好的操作性，包括文字、圖標、圖形、色彩和其他視覺方面的設(shè)計。屏幕的界面設(shè)計考慮到學(xué)習(xí)者的視覺心理特點，突出整體，具有統(tǒng)一的界面風格。同時注重了界面內(nèi)容的交互性和可控制性，以及教學(xué)內(nèi)容超級連接的有序性。界面區(qū)域工包括五大控制板塊：視頻顯示區(qū)、電子白板、課堂成員列表、文件共享區(qū)域、文字交互。用戶可以根據(jù)自己的需要對各板塊自由拖動、改變大小，移動板塊改變其在界面中的相對位置，選擇或隱藏板塊等。 遠程多媒體實時交互教學(xué)系統(tǒng)，通過壓縮教師教學(xué)現(xiàn)場的視頻、音頻流結(jié)合同步瀏覽課件命令，形成教學(xué)資源流，利用網(wǎng)絡(luò)實時傳送到遠端學(xué)生的電腦上，學(xué)生可以及時通過舉手提問、共享教師端程序、文字交流等方式

13、實現(xiàn)遠程互動教學(xué)。本系統(tǒng)可運行在Internet、Intranet、衛(wèi)星網(wǎng)、校園網(wǎng)、局域網(wǎng)，提供文字、音視頻、課件、電子白板、互動廣播教學(xué)的平臺，并在虛擬現(xiàn)實中的教室打破時空限制，讓異地師生通過音視頻實時交互，如同置身于同一課堂之中。 六、結(jié)束語 隨著Internet的普及和在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，Internet將會在遠程教育中發(fā)揮巨大的作用?；贗nternet的遠程教育，實現(xiàn)了全球信息資源的共享，使教育和科技逐步走向國際化和全球化，這正是遠程教育發(fā)展的方向和追求的目標。當然遠程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需要大量使用各種多媒體信息，而目前視頻多媒體的傳輸受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響較大，成為了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的瓶頸，尤其是如何實現(xiàn)異地交互式教學(xué)是需要解決的關(guān)鍵問題。同時，目前網(wǎng)絡(luò)安全也是制約Internet發(fā)展的一個因素，如何保證信息的安全，怎樣做好安全保障，同樣也是需要解決的關(guān)鍵問題。 參考文獻： 1、李玉海.電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)M.華中師