遠程實時教學技術方案的比較與實踐論文
摘 要：進入21世紀以來，隨著多媒體和信息技術的不斷發展，遠程交互教學模式已成為現代遠程教育的一種發展趨勢。通過比較法、實驗法、討論法等方法對遠程交互教學系統技術方案進行了研究和總結；進而在自動錄播教室的基礎上，圍繞著該系統的關鍵環節完成了其整體的設計與實踐，形成了一套具有代表性的可操作的建設技術方案；并結合當前的技術現狀提出了此系統今后發展的方向。
關鍵詞：遠程交互教學；技術方案；研究與實踐。
隨著教育信息化的進程以及多媒體技術的發展，現代遠程教育已經成為當今教育教學必不可少的手段之一。現代遠程教育的主要模式有兩種。一種是利用網絡教學平臺提供各種豐富的教學資源對學習者進行線上非實時的異步教學。這種方式充分打破了時間、空間的限制，使學習者能夠隨時隨地的獲取知識，特別是近些年興起的MOOCs教學方式，學習者通過它不僅能夠實現單向學習的目的，還可以獲得更多交流、指導等[1].當然缺乏實時性和面對面的交互是這種模式的最大弊端。另外一種是通過網絡等通訊方式實施遠程面對面的交互式教學，這種模式有效地彌補了上一種模式的缺憾，使得遠程教育更加有立體感，為學習者提供了更好的學習環境。此種方式對于多校區高校來說尤為重要，為學校集中優質資源和擴大受眾面提供了重要支持，并節省了大量人力、物力資源[2].
實現遠程交互教學的方法以及手段多種多樣，但大多數情況僅限于小規模的嘗試，而且功能較為單一、質量不佳，顯然對于學校教學來講無論從功能和性能上都有很大的欠缺。因此，隨著教育信息化的發展，利用現有基礎條件構建一套適合學校進行遠程交互教學的系統方案是提升學校教學品質的有效手段。
1、實現遠程交互教學技術方案的目標
實現遠程交互教學需要具備三方面的基礎功能：一是單向的實時遠程直播功能，二是雙向的實時遠程互動功能，三是遠程實時交互教學過程的錄制功能。只有達到這3個功能才能稱作真正的遠程交互教學系統。
除去上述3個基礎功能外，在系統技術方案研究及建設過程中，我們還需結合各自學校的信息化建設的情況，合理整合現有資源，避免重復建設。同時其方案應充分遵循課堂教學規律和視頻錄制規范，并為后期開發和研究提供可操作的空間。
2、實現遠程實時教學技術方案的比較
通過對市場主流相關系統的調研以及有相關建設經驗高校的走訪，并且進行了相應的研究及總結，能夠實現上述遠程交互教學功能的技術方案主要有3種。
（1）以視頻會議系統為基礎的遠程教學交互解決方案。
（2）視頻會議與傳統錄播系統相結合的解決方案。
（3）自動錄播系統雙向直播的解決方案。以上3種方案各有各自的特點，以下是對它們的具體分析。
第一，對于目前市場上能夠實現教學實時交互和錄播功能的產品多數都是以視頻會議系統為基礎而發展出來的。視頻會議系統發展至今已經擁有較為成熟的技術方案，穩定性高是其最大的優點。但由于此類解決方案沿用了大多數的視頻會議系統的特點，因此，無論在系統架構、互動觸發機制以及畫面呈現方式等方面都是針對會議，并非針對教育場合的應用，在適應教學規律方面較差。此外傳統的視頻會議產品價格昂貴，特別是MCU動輒幾十萬元甚至上百萬的價格因素阻礙了其產品在教育行業進行大規模應用。
第二，視頻會議與傳統錄播系統相結合的解決方案，此方案的組成結構也主要是由錄播系統和視頻會議系統組成。錄播系統負責教室端信號的采集及錄制和直播，視頻會議系統負責音視頻的遠程交互。其最大的優點是兩套系統各司其職，互不影響，在保障課程錄制和直播的同時又完成了教學的互動功能。但由于是拼湊起來的系統，因此在系統管理方面只能對兩個單獨的系統進行操作和管理。由于互動功能是由視頻會議系統提供的，因此，方案一中的問題依舊難以解決。
第三，自動錄播系統雙向直播的解決方案是利用自動錄播系統中的直播功能實現互動，即互動教室和主講教室分別通過各自錄播系統觀看對方的直播畫面。顯然這種解決方案更加容易實現，也更為節省資源和方便管理，但在聲音、延時、多點交互等方面都無法正常保障實時教學的過程。
據此，將3種實現遠程實時教學的技術方案進行對比（見表1）。
3、遠程實時教學技術方案的實踐
隨著教育信息化建設進程的不斷推進，大部分高校都具備了相當規模的具有自動導播和跟蹤功能的多機位錄播教室，它們為遠程交互教學的方式提供了基本的前端采集設施，我們只需在此基礎上增加相應的少量用于交互的設施即可（如交互控制系統、反饋抑制器、顯示設備等）。對于遠程交互教學來說，教學中音視頻的遠程交互效果是決定其是否能夠滿足需求的基礎條件，而對于是否能夠達到這個基礎條件又取決于三方面的設計，它們分別是觸發機制、顯示模式、操控方式。
3.1 觸發機制的設計實踐
對于遠程教學系統中的觸發機制是指為能夠達由正常的遠程教學模式到建立遠程交互狀態的模式而進行觸動的某一事件的過程。只有建立良好穩定的觸發機制才能保障在遠程實時教學中的交互過程得以順利進行。大多數遠程交互教學類的系統都沿用了視頻會議系統的觸發機制，它們一般是采用主講控制、管理員控制、自動輪詢以及語音激勵等幾種方式。這些觸發機制的前提是需要有一定的規律性，而這種規律是事先確定好的，對于教學來說，大多數情況是不確定的，隨機性比較大，因此上述這些觸發機制就不太符合要求了。
遠程交互教學系統引起觸發動作的兩個對象分別是主講教師和遠程學生。對于主講教師而言，由于對象單一，他的觸發機制一般為主動控制即可，即通過觸動相應按鈕達到與某交互對象進行遠程交流狀態。對于遠程學生而言，由于對象眾多，上述方式顯然不能滿足要求。經過研究分析，觸發機制的設計需要達到兩方面條件：一方面遠程學生發起的交互請求必須由學生自主完成，不能由管理人員再進行干涉；另外其觸發過程必須是在穩定準確的基礎上進行的。
目前，大多數的自動錄播系統都支持學生起立的圖像跟蹤觸發機制，即當學生由坐姿到站立的時候，高度發生了變化，從而起到觸發作用，運用圖像識別技術進行定位，進而圖像可自動切換到該學生畫面。經過實踐發現，中小學的學生由于他們的上課管理制度較為嚴格，隨意性較低，學生與教師在課堂上的交流方式主要以站立為主，上述觸發機制正是以高度的變化為觸發點的，因此這種方式對于中小學的學生來說較為適合，并不具有普遍性。對于高校學生而言，他們的交流方式較為隨意，既有起立進行交流，也有坐在座位上的方式交流。因此，在系統的設計時我們采取了觸發式的模式。這種模式的優點就是不受學生行為動作的影響，而且由于其原理是機械性的所以穩定性及準確性都較高。這種方式有兩種實現辦法。第一種是在遠程教室中每個學生位置都安裝觸發裝置，這種做法最容易實現，但其維護、管理較困難，并且成本較高。第二種是選擇接收端帶有發碼功能的無線手持麥克，每個遠程教室根據人數配置相應麥克個數，一般每10個人為一個區域，配置一只麥克，即每個麥克代表一個區域，當觸動麥克開關時即代表發出交互請求，攝像機也會同時根據此麥克定義的區域進行定位抓取。實踐表明，第二種方法更加符合實際需求。
3.2 采集及呈現模式設計的實踐
遠程交互教學系統建立的首要目標就是要實現跨區域的實時音視頻交互，因此，對于教學活動音視頻的采集和呈現方式有著不同的設計要求。為保證教室的通用性，我們把教室的采集及顯示設備方案進行統一化設計，這樣就能保證所涉及的教室可以適應所有角色。系統的使用對于用戶主體（主講教師和學生）來講，存在3種不同角色場所，分別是主講教室、遠程交互教室以及直播教室。一般情況下，對于一節課程來說，主講教室只有1間、遠程交互教室和直播教室可以是多間，也就是一點對多點，當然普遍情況下直播教室的數量會遠遠多于遠程交互教室。對于3種不同角色類型的教室，它們所展示的內容是有很大區別的，因此，我們需要對3種角色類型教室畫面所呈現的模式分別做出不同的設計。
3.2.1 采集及顯示設備方案的設計
為充分利用學校現有系統和資源，因而對于它們的設計是以原有傳統錄播教室的基礎而進行的。對于原有傳統錄播教室，主要采集及顯示設備部署如圖1所示。
整個教室中有5臺攝像機（部分廠家的方案為4臺攝像機），教室后端3臺攝像機分別用來拍攝教室全景、教師近景和板書，教室前端兩臺攝像機分別用來拍攝學生正面全景和學生特寫。主講教師所用計算機及顯示屏幕安放于多媒體講臺中，而用于學生觀看主講教師課件內容（即VGA畫面）是由一塊大屏幕來呈現的。然而對于進行遠程交互教學的主講教室而言顯然這樣的配置是不夠的。
對于主講教室中的主講教師而言有3種狀態的收視需求：第一種狀態是主講教師在發生交互前（即正常本地授課過程中），需要看到全部加入到遠程交互教室的情況；第二種狀態是在發生有交互請求時可以看到是哪些遠程交互教室在請求互動，以用來對交互請求做出選擇；第三種狀態是在與遠程交互教室發生互動時，可以看到遠程交互的學生的畫面，并聽到其聲音。而對于主講教室中的學生而言還需要觀看本地主講教師課件的VGA畫面。
目前，在主講教室中用于顯示的設備共有兩種，分別是教師計算機的顯示屏幕和多媒體大屏，它們可以滿足主講教師對于現場多媒體教學的需要和本地學生學習的需要。但為了能夠實現遠程交互，就必須要添加另外的顯示設備。
基于上述分析和基本現狀，為滿足主講教師對于交互教室情況和交互過程中遠程學生的觀看，前后進行了3種方案的設計及實踐。第一種方案是在教室正后端安置兩臺液晶大屏，分別用于顯示全部遠程交互教室情況和發生交互時遠程交互學生的近景畫面。這種方案不僅能夠實現上述主講教師觀看要求，而且對于交互時主講教師畫面的構圖也滿足對于遠程互動學生以及直播教室學生收看的需要。經過實踐發現這種方案也存著一些問題，如對于較大教室來說，教室縱深較長，主講教師距離2塊液晶大屏的距離較遠（甚至可能超過20米），對于觀看交互時遠程學生的近景還可以接受，但對于眾多交互教室情況的觀看和操控就顯得不太容易了，這會直接影響到整個教學過程的流暢度。第二種方案是采用在教室的正后端安置一塊液晶大屏用于顯示交互發生時遠程交互學生的近景畫面，而在多媒體講臺中教師計算機顯示屏側面安放一個一臺同大小的液晶屏幕用于對全部交互教室情況的觀看和操作。這種解決方案可以達到上述的要求，但也存在其不利之處，如使用同一鼠標操控2臺顯示器，加大了主講教師對于計算機的操控難度，并且對于多媒體講臺還需要重新制作，浪費了資源，另外對于遠程交互學生的近景畫面的觀看還是有些不便。因此，由于眾多原因，經過改進產生了第三種設計方案。將用來顯示遠程互動學生近景的液晶大屏放置教室靠前位置的側方，而用于顯示全部交互教室和操作的設備采用Surface平板電腦實現，這樣可以把Surface平板電腦鑲嵌到原有多媒體機柜中而不用重新制作，并且Surface平板電腦使用的Windows操作系統相對于基于iOS系統和Android系統的平板電腦通用性較強。此外，為保障在播放交互時主講教師的構圖，設計在側前方液晶大屏上端加裝一臺攝像，用來拍攝交互發生時主講教師的視頻。具體設備部署如圖2所示。
3.2.2 呈現模式的設計
由于收視者對于遠程交互教學系統的應用不同，因此，對于不同角色的教室在畫面的呈現方式上是不同的。
首先，在主講教室中，當正常本地授課時，用來顯示全部交互教室情況的Surface平板電腦和顯示交互學生近景的液晶大屏顯示的內容是一致的，采用九宮格的方式，當發生交互時，顯示交互學生近景的液晶大屏變換為兩路信號的交互界面（遠程交互學生近景與主講教師近景），而Surface平板電腦不發生變化。當交互結束后顯示交互學生近景的液晶大屏再回到九宮格畫面，如圖3所示。
其次，在交互教室中，當主講教室的教師進行正常本地授課時（即發生交互前），遠程交互教室前的投影幕布顯示的是主講教師和主講教師計算機的VGA畫面，當發生交互時，我們需考慮的是在進行交互的學生可能要根據主講教師計算機的VGA畫面的內容進行提問和討論，這時既要保障學生能看到交互雙方的畫面又要能看到主講教師計算機的VGA的畫面，因此，采用了圖4所示的方案，交互完成后返回原畫面。
3.3 操控方式設計的實踐
由于遠程交互教學系統使用的主導對象為教師，而教師的主要精力是放在教學活動中的，因此，作為輔助教學的系統其設計必須簡潔、易用，對于其操控方式主要進行了三方面的設計。
首先，遠程交互教學環境的創建。主講教師可根據具備交互功能的教室列表進行選擇需要遠程實時教學的教室，添加完畢后，就可在交互液晶屏及平板電腦中觀看到所有加入教室的圖像。
其次，直播和錄制的創建及停止。通過明確的按鈕及信息填寫表單完成直播和錄制的開啟，并在圖像區域顯著顯示當前直播時間和錄制時間，同樣通過停止按鈕可結束當前的直播和錄制。
最后，交互過程的建立及停止。當遠程學生發出交互請求的時候，交互液晶屏及平板電腦的九宮格畫面中相應教室的圖像將發生閃動，并發出提示聲音，主講教師可根據需要直接點擊相應的圖像區域即可實現交互過程的建立，交互停止通過點擊同樣圖像區域完成。
4、總結與展望
通過對遠程交互教學技術方案的研究與實踐，對現有教學環境進行改造，在原有系統條件的基礎上，進行部分設備的添加及簡單系統的設計，達到了遠程交互教學的目的，不僅深度挖掘了原有系統的功能，豐富了教學手段，更為學校信息化的進程提供了有效的技術保障條件。當然現有的技術方案并不能完全達到理想狀態，隨著信息技術的發展，將遠程交互教學擴展到移動終端上的應用以及與多媒體教學控制系統的整合是今后需要進一步研究及發展的目標。
參考文獻
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