摘 要：利用現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將教師授課時(shí)的視頻、音頻、教案集于一體，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到分布在不同地點(diǎn)的學(xué)習(xí)者，同時(shí)將授課者和學(xué)習(xí)者的情況實(shí)時(shí)交互傳送，打破了空間的界限，雖然他們可能相距千里，但授課教師和聽課學(xué)生如同在同一間教室上課，實(shí)現(xiàn)了交互式實(shí)時(shí)教學(xué)的目的。文章對(duì)實(shí)時(shí)交互式教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和闡述。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程教學(xué) 實(shí)時(shí) 交互式 教學(xué)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2008）05-0076-03

遠(yuǎn)程教學(xué)把傳統(tǒng)的以教師為中心的教育模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心的個(gè)性化自主學(xué)習(xí)與創(chuàng)造的模式，為不同的個(gè)體提供不同層次、不同規(guī)格的學(xué)習(xí)內(nèi)容，真正實(shí)現(xiàn)“因材施教”，從而有利于培養(yǎng)學(xué)員的創(chuàng)造能力，滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，推進(jìn)全民素質(zhì)教育。交互式實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為遠(yuǎn)程教學(xué)提供了必要的工具和手段，通過該工具的使用，可以最大限度地打破時(shí)間、空間的限制，真正實(shí)現(xiàn)虛擬的、開放的、交互的網(wǎng)絡(luò)多媒體課堂。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從教學(xué)的時(shí)效性角度來看，現(xiàn)代遠(yuǎn)程繼續(xù)教育系統(tǒng)可以分為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)（同步）授課系統(tǒng)與遠(yuǎn)程非實(shí)時(shí)（異步）輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)兩類。[1] 實(shí)時(shí)交互式授課系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育的一個(gè)重要手段，它打破了地域的限制，構(gòu)造一個(gè)基于IP網(wǎng)絡(luò)、提供多媒體的教學(xué)手段、豐富的教學(xué)資源、全數(shù)字化的雙向網(wǎng)絡(luò)傳輸、實(shí)時(shí)可視的交互式教與學(xué)的網(wǎng)絡(luò)課堂。[2] 它突破了傳統(tǒng)教室對(duì)時(shí)空的限制，既實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)課堂教學(xué)中老師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生間的交流，又符合電腦教學(xué)輕松、互動(dòng)的自身特點(diǎn)，是傳統(tǒng)教學(xué)方式在網(wǎng)絡(luò)上的延伸。

實(shí)時(shí)交互式教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上教師和學(xué)生之間的交互式實(shí)時(shí)授課，其內(nèi)容主要包括教學(xué)資源部分和實(shí)時(shí)授課部分。教學(xué)資源有文檔抽取與還原、屏幕捕獲、壓縮及還原、視音頻采集轉(zhuǎn)換等有關(guān)過程，在實(shí)時(shí)授課的過程中動(dòng)態(tài)生成。生成后的各種媒體資源則按一定的機(jī)制進(jìn)行存儲(chǔ)，在學(xué)生端能保證各媒體之間的同步及還原后能達(dá)到相應(yīng)的品質(zhì)。

1．系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按功能可分為網(wǎng)絡(luò)層、核心功能層、管理層三層，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸，核心功能層負(fù)責(zé)本系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)，管理層完成課堂的各種管理工作。系統(tǒng)按日常教學(xué)管理模式可分為三個(gè)子系統(tǒng)：課堂服務(wù)中心、授課端、聽課端，它們之間通過網(wǎng)絡(luò)（Ｉｎｔｒａｎｅｔ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）相連。主要由vmsl.dlｌ（局域網(wǎng)視頻廣播服務(wù)控件）、ｖｍｃｌ．ｄｌｌ（局域網(wǎng)視頻接收控件）、ｎｍｃｏｎｆ．ｄｌｌ（網(wǎng)絡(luò)課堂及網(wǎng)絡(luò)會(huì)議控件）三個(gè)核心控件構(gòu)成，由于課堂服務(wù)中心不必提供視頻廣播，故課堂服務(wù)中心模塊無vmsl.dll核心控件，但可監(jiān)視所有視頻（授課端、所有有視頻功能的聽課端），授課端需要向所有的聽課端和服務(wù)中心廣播授課視頻，并需接收交互時(shí)回傳的聽課端視頻，故授課端由一個(gè)vmsl.dll、一個(gè)vmcl.dll、一個(gè)nmconf.dll組成，而聽課端需提供視頻回傳，并需接收授課端的視頻廣播和交互時(shí)交互聽課端的視頻，聽課端由一個(gè)vmsl.dll、兩個(gè)vmcl.dll、一個(gè)nmconf.dll組成。其框架圖如圖1所示。

2．系統(tǒng)用例說明

系統(tǒng)的使用者眾多，情況復(fù)雜，經(jīng)過分析、抽象等過程，得出系統(tǒng)用例總圖如圖2所示。

3．系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

（1）視頻/音頻處理模塊

視頻/音頻處理模塊按其功能和處理過程分為：視頻/音頻采集/回放子模塊、視頻/音頻壓縮/解壓子模塊、漏斗/緩沖處理子模塊、RTP傳輸支持子模塊、QOS支持子模塊。

１）視頻/音頻采集/回放子模塊

視頻/音頻采集分別由視頻捕獲卡、聲卡完成。視頻/音頻回放由DirectShow的相應(yīng)Filter完成。

２）視頻/音頻壓縮/解壓子模塊

視頻壓縮采用H.263編碼。音頻壓縮采用G.723編碼。H.263的特點(diǎn)是對(duì)變化很少的視頻可達(dá)到很高的數(shù)據(jù)壓縮率，可實(shí)現(xiàn)64Kbps的數(shù)據(jù)率。

３）漏斗／緩沖處理子模塊

漏斗接收壓縮子模塊傳遞過來的數(shù)據(jù)，然后按照相對(duì)固定的頻率以固定的大小將數(shù)據(jù)送往RTP傳輸支持子模塊。漏斗的主要目的是保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的均勻分布。算法如下：

每秒遞交數(shù)據(jù)的次數(shù)=每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大小/遞交數(shù)據(jù)大小

遞交數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔=遞交數(shù)據(jù)大小/每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大小

例如，壓縮子模塊每次產(chǎn)生32K的數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔為500ms，規(guī)定遞交數(shù)據(jù)大小為8K，則每秒遞交數(shù)據(jù)的次數(shù)為32*2/8=8，遞交數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為1000*8/（32*2）= 125ms 。

緩沖接收RTP傳輸支持子模塊傳遞過來的數(shù)據(jù)，在信號(hào)量機(jī)制約束下，解壓子模塊在緩沖中讀取數(shù)據(jù)。緩沖的主要目的是消除延時(shí)抖動(dòng)。

４）RTP傳輸支持子模塊

RTP傳輸支持子模塊全面實(shí)現(xiàn)RTP/RTCP協(xié)議。

（２）應(yīng)用程序共享模塊

應(yīng)用程序共享模塊根據(jù)功能可分為：屏幕捕獲/還原子模塊、屏幕壓縮/解壓子模塊、SRM傳輸支持子模塊、QOS支持子模塊。

1）屏幕捕獲/還原子模塊

根據(jù)屏幕的特點(diǎn)，屏幕捕獲的原則是當(dāng)需要捕獲的區(qū)域變化時(shí)，才進(jìn)行捕獲，這樣可大大降低數(shù)據(jù)率。同時(shí)，對(duì)頻繁變化的情況應(yīng)規(guī)定一個(gè)最大采集頻率，無需進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，例如當(dāng)教師拖動(dòng)某個(gè)窗口的滾動(dòng)條時(shí)，屏幕捕獲可分塊進(jìn)行，例如將一個(gè)區(qū)域分為m*n塊，則只有變化了的區(qū)域需要捕獲。

2）屏幕壓縮/解壓子模塊

屏幕壓縮/解壓的效率應(yīng)在效率和比率之間尋求一個(gè)最佳點(diǎn)，基本要求是壓縮/解壓過程占用CPU時(shí)間不應(yīng)超過20%。

例如，若一秒鐘捕獲5幅畫面，則每200ms需要壓縮一次，其壓縮時(shí)間應(yīng)限制在200*20% = 40ms內(nèi)。

3）SRM傳輸支持子模塊

SRM傳輸支持子模塊全面實(shí)現(xiàn)SRM協(xié)議，提供可靠的組播支持。

4）QOS支持子模塊

QOS支持子模塊對(duì)所有的傳輸按要求提供QOS服務(wù)。

二、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

交互式實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)采用三層C/S應(yīng)用模式。各核心模塊均以COM組件形式進(jìn)行封裝，模塊實(shí)現(xiàn)主要是結(jié)合應(yīng)用要求，將關(guān)鍵技術(shù)研究的成果代碼化，并清晰地定義模塊間的接口。在系統(tǒng)的建模過程中，清晰地定義了各模塊間的接口和調(diào)用規(guī)則，充分考慮了系統(tǒng)的可擴(kuò)充性、協(xié)調(diào)性、靈活性及與其它相關(guān)系統(tǒng)的接口。主要模塊設(shè)計(jì)如下：

1．存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

交互式實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊是把實(shí)時(shí)采集到的音頻、視頻和教案同步地集成以文件形式存放到服務(wù)器。即把實(shí)時(shí)授課的所有內(nèi)容（包括圖像、聲音、文本）同步地存儲(chǔ)為具有視頻/課件索引的流媒體文件，便于以后對(duì)多媒體資料進(jìn)行訪問。

此模塊采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式，提供多媒體存儲(chǔ)管理。多媒體服務(wù)器首先需要的是海量存儲(chǔ)系統(tǒng)，構(gòu)成這樣的系統(tǒng)可以采用光盤塔或者光盤庫(kù)，這些外存儲(chǔ)器系統(tǒng)一般都自帶管理模塊，可以讓用戶透明地訪問龐大的存儲(chǔ)空間。對(duì)于經(jīng)常使用的資源，可以考慮采用硬盤的存儲(chǔ)方式，以提高存取速度?？蛻魴C(jī)/服務(wù)器管理系統(tǒng)還涉及多媒體信息的傳送技術(shù)。圖像一般是壓縮傳輸?shù)?，可以采用遞進(jìn)式壓縮格式，使用戶在傳輸過程中就可以看到圖像的局部或者低分辨率的全圖。

2．文檔抽取與還原模塊設(shè)計(jì)

文檔抽取與還原模塊分為服務(wù)端和客戶端兩部分。該模塊具有播放文檔、對(duì)各相關(guān)的文檔播放參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、還原文檔數(shù)據(jù)等和文檔有關(guān)的操作功能。文檔抽取與還原的服務(wù)端是對(duì)文檔播放時(shí)的狀態(tài)和鼠標(biāo)位置進(jìn)行描述，并記錄當(dāng)前狀態(tài)的具體數(shù)據(jù)和鼠標(biāo)位置的具體數(shù)據(jù)，然后通過網(wǎng)絡(luò)將這些具體數(shù)據(jù)傳送給客戶端，并由客戶端根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。

文檔抽取與還原的客戶端接收到網(wǎng)絡(luò)傳送過來的服務(wù)端文檔具體狀態(tài)的數(shù)據(jù)和鼠標(biāo)位置數(shù)據(jù)后，根據(jù)傳送來的數(shù)據(jù)將客戶端的文檔（與服務(wù)端相同的文檔）設(shè)置成服務(wù)端文檔的相同狀態(tài)和鼠標(biāo)位置。

3．可靠組播傳輸功能模塊設(shè)計(jì)

可靠組播傳輸模塊對(duì)可靠組播傳輸功能進(jìn)行封裝，為其他模塊提供可靠組播服務(wù)。

可靠組播傳輸模塊分為發(fā)送端和接收端兩部分。

該模塊可執(zhí)行組播運(yùn)行參數(shù)初始化、傳送圖像鼠標(biāo)及文件、退出組播時(shí)恢復(fù)運(yùn)行環(huán)境等操作。發(fā)送端通過調(diào)用具體的接口函數(shù)為不同的應(yīng)用提供可靠的組播服務(wù)。

4．課堂管理模塊設(shè)計(jì)

課堂管理模塊主要進(jìn)行課堂成員的管理。該模塊分為會(huì)議成員端和服務(wù)中心端，完成對(duì)課堂成員呼叫處理及命令消息傳送，對(duì)成員加入課堂的請(qǐng)求呼叫作出響應(yīng)，決定是否允許成員加入課堂，并在授課時(shí)進(jìn)行課堂管理。

5．屏幕捕獲、壓縮及還原模塊設(shè)計(jì)

屏幕捕獲、壓縮及還原模塊主要是將教學(xué)端教師的教案屏幕實(shí)時(shí)地傳送到遠(yuǎn)方的學(xué)生機(jī)器并還原顯示在學(xué)生端的屏幕上。本模塊分為客戶端和服務(wù)端。服務(wù)端實(shí)時(shí)抓取教學(xué)端屏幕圖像，經(jīng)過壓縮處理，將圖像數(shù)據(jù)及教師端屏幕的相關(guān)信息打包交給傳輸模塊?？蛻舳俗幽K獲取數(shù)據(jù)后將教師端屏幕圖像及相關(guān)信息還原在學(xué)生機(jī)器上。

6．視頻模塊設(shè)計(jì)

視頻模塊分為教師端和學(xué)生端兩部分，服務(wù)端負(fù)責(zé)將教師上課時(shí)的影像進(jìn)行采樣、量化、編碼壓縮，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到學(xué)生端，并對(duì)整個(gè)過程加以差錯(cuò)控制、同步控制等。學(xué)生端將接收到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，經(jīng)過譯碼轉(zhuǎn)換，最后還原成較好的視頻圖像。視頻處理過程如圖5所示。

7．音頻模塊設(shè)計(jì)

音頻模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的聲音采集與處理，該模塊分為教師端和學(xué)生端兩部分。教師端音頻模塊將教師上課時(shí)的聲音信息進(jìn)行采樣、量化、編碼壓縮，通過網(wǎng)絡(luò)傳送到學(xué)生端，并對(duì)整個(gè)過程加以差錯(cuò)控制、同步控制等。學(xué)生端主要是將接收到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖譯碼，最后在學(xué)生端進(jìn)行回放。

三、結(jié)束語(yǔ)

交互式實(shí)時(shí)授課系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)時(shí)授課提供高效，穩(wěn)定的實(shí)時(shí)視、音頻交互，保證教師的視頻，音頻和教案數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地分發(fā)到多個(gè)學(xué)生機(jī)，并實(shí)時(shí)同步地回放。同時(shí)聽課端學(xué)生可以通過電子方式舉手，教師可以有選擇地開啟交互功能解答學(xué)生的疑問。而完善的課堂管理功能可以對(duì)整個(gè)課堂實(shí)施管理監(jiān)控，包括對(duì)授課端、聽課端視音頻。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方式的補(bǔ)充，特別是對(duì)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的授課提供了一種解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]張劍平，章蘇靜.遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)教學(xué)系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)遠(yuǎn)程教育，2002(7):52－53.

[2]李季.遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式雙向視頻教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005(6):58－60.