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        教育資源共享與遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)構(gòu)建

        2014-02-09 03:00:24孟利民胡曉鋒華驚宇徐志江張江鑫
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2014年11期
        關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室多媒體

        孟利民, 胡曉鋒, 華驚宇, 彭 宏, 徐志江, 張江鑫

        (浙江工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院; 浙江省通信網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310023)

        0 引 言

        隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來(lái),高等教育變得越來(lái)越普及。而作為高校進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn)的主要場(chǎng)所實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始面臨著許多問(wèn)題。高校實(shí)驗(yàn)室是學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐的主要場(chǎng)所。然而目前高校實(shí)驗(yàn)室資源稀缺、資源分布不均勻、不能共享等問(wèn)題也日益突出[1]。

        在綜合分析目前高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)所出現(xiàn)的問(wèn)題的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代行業(yè)應(yīng)用需求的特點(diǎn),提出了建設(shè)遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)。通過(guò)該平臺(tái)的建設(shè),實(shí)現(xiàn)高校教育資源的優(yōu)化配置和合理利用。同時(shí)調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性,達(dá)到培養(yǎng)高校復(fù)合型應(yīng)用人才的目標(biāo)[2]。

        1 高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)現(xiàn)狀

        隨著信息時(shí)代的發(fā)展與教學(xué)要求的提高,目前高校實(shí)驗(yàn)室[3]面臨不少的問(wèn)題,主要有:① 實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資源短缺。實(shí)驗(yàn)室運(yùn)作經(jīng)費(fèi)主要來(lái)自財(cái)政撥款,但這方面資源是有限的,而實(shí)驗(yàn)室管理成本越來(lái)越高。同時(shí)由于科研實(shí)驗(yàn)的需要而購(gòu)買(mǎi)的各類(lèi)儀器,以及維護(hù)這些實(shí)驗(yàn)儀器所進(jìn)行的投入也在不斷增加,由此造成實(shí)驗(yàn)室經(jīng)費(fèi)資源越來(lái)越短缺。② 實(shí)驗(yàn)室用房資源短缺[4-5]。學(xué)生實(shí)驗(yàn)必然需要有實(shí)驗(yàn)空間,而實(shí)驗(yàn)用房則由學(xué)校分配。在目前高校擴(kuò)招的大背景下,學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求越來(lái)越大,而原有的實(shí)驗(yàn)用房已經(jīng)很難接受更多的學(xué)生來(lái)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)。因此目前主要采用的辦法錯(cuò)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),然而有限的用地必然會(huì)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果以及實(shí)驗(yàn)積極性產(chǎn)生影響。③ 學(xué)生動(dòng)手能力有待加強(qiáng)。從實(shí)際學(xué)生實(shí)驗(yàn)效果上看,一些學(xué)生并不能很好的完成基礎(chǔ)課程所要求的實(shí)驗(yàn)。同時(shí)學(xué)生對(duì)于自己所做的實(shí)驗(yàn)理解不深,并不清楚自己所做的實(shí)驗(yàn)的意義。而由于實(shí)驗(yàn)室資源的限制,也間接導(dǎo)致學(xué)生不能有足夠機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的了解。④ 外界誘惑大,影響學(xué)生積極性。一方面,是高校實(shí)驗(yàn)資源的短缺,導(dǎo)致學(xué)生沒(méi)有充分時(shí)間來(lái)掌握所做的實(shí)驗(yàn),影響學(xué)生學(xué)習(xí)積極性;另一方面,由于大學(xué)相對(duì)寬松的環(huán)境,以及實(shí)用主義盛行導(dǎo)致的大學(xué)學(xué)習(xí)的功利性[6],同樣也導(dǎo)致了學(xué)生不能完全把精力投入學(xué)習(xí)當(dāng)中。

        同時(shí),高校實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)的問(wèn)題還包括高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)際行業(yè)應(yīng)用之間的脫軌[7]。現(xiàn)在學(xué)生對(duì)行業(yè)性需求認(rèn)識(shí)模糊,對(duì)行業(yè)應(yīng)用方面的了解更是缺位,尤其是信息行業(yè)系統(tǒng)概念、國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法等更新?lián)Q代很快。這導(dǎo)致許多學(xué)生寧愿花更多錢(qián)去參與社會(huì)培訓(xùn)。

        針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出構(gòu)建遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)。以該平臺(tái)為基礎(chǔ),結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)及行業(yè)應(yīng)用,共同開(kāi)設(shè)電子、通信、計(jì)算機(jī)、控制等專(zhuān)業(yè)的原理性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)不同系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)高校人才培養(yǎng)。

        2 遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)

        目前關(guān)于遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)方面的研究還相當(dāng)少,下面將通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)的框架、特點(diǎn)、布局計(jì)劃三方面對(duì)其進(jìn)行介紹。

        2.1 遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)框架

        遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)是為了緩解學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室供求矛盾,幫助學(xué)生更好學(xué)習(xí)為目的而搭建的。其以遠(yuǎn)程,開(kāi)放,共享為基本思想進(jìn)行設(shè)計(jì),以學(xué)生為主體,實(shí)現(xiàn)多種接入和交互手段幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí),同時(shí)能夠支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)交互式教學(xué)[8-9],該平臺(tái)總體框架見(jiàn)圖1。

        圖1 遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)框架

        創(chuàng)新平臺(tái)以3G/互聯(lián)網(wǎng)為通信媒介,以智能手機(jī)、電腦、嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備為平臺(tái)的接入設(shè)備,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)所要求的遠(yuǎn)程、開(kāi)放、共享。通過(guò)遠(yuǎn)程多媒體通信交互系統(tǒng),學(xué)生可以用手機(jī)或者PC端等接入設(shè)備,接入平臺(tái),并在平臺(tái)上進(jìn)行操作。創(chuàng)新平臺(tái)的所有數(shù)據(jù),包括學(xué)生數(shù)據(jù)(比如學(xué)生姓名,學(xué)號(hào),成績(jī))、教師數(shù)據(jù)(比如教師用戶(hù)名,教師ID,所教科目)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(比如實(shí)驗(yàn)名,實(shí)驗(yàn)步驟,實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵字)均存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中,允許學(xué)生和教師調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和教學(xué)。

        2.2 遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)特點(diǎn)

        (1) 支持三種教學(xué)模式。離線(xiàn),在線(xiàn),離線(xiàn)和在線(xiàn)相混合。該創(chuàng)新平臺(tái)的設(shè)計(jì)不僅允許學(xué)生在正常實(shí)驗(yàn)時(shí)間可以上平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),完成實(shí)驗(yàn)操作,即使不登錄平臺(tái),也可以在本地離線(xiàn)學(xué)習(xí),進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)。同時(shí),該平臺(tái)支持在教師端查看學(xué)生的離線(xiàn),在線(xiàn)狀態(tài)。教師可以方便的通過(guò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行單獨(dú)的實(shí)時(shí)指導(dǎo)與教學(xué),幫助學(xué)生解決困難[9]。

        (2) 實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主自愿學(xué)習(xí)。① 該創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)涵蓋了大部分信息工程基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)課,如通信原理、移動(dòng)通信原理、現(xiàn)代交換原理、嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用、信息安全基礎(chǔ)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、多媒體通信、流媒體技術(shù)、XML編程、數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP原理及網(wǎng)絡(luò)編程、DirectX編程等。學(xué)生通過(guò)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué),對(duì)所學(xué)課程加深理解,方便地進(jìn)行二次實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā);② 由于平臺(tái)上可以開(kāi)設(shè)不同專(zhuān)業(yè)的不同系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),比如電子專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的感知類(lèi)實(shí)驗(yàn),通信專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的移動(dòng)互聯(lián)類(lèi)實(shí)驗(yàn),控制專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn),因此學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣,發(fā)揮主觀能動(dòng)性,自主選擇喜歡的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了解與學(xué)習(xí)。

        (3) 學(xué)生、教師共享。登錄該平臺(tái)的學(xué)生與教師,均可以發(fā)揮自己的聰明才智,在平臺(tái)上設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn),并在該平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)。而創(chuàng)新平臺(tái)則可以對(duì)該新實(shí)驗(yàn)進(jìn)行審核、確認(rèn),然后在該平臺(tái)上進(jìn)行正式發(fā)布推廣,開(kāi)放其他的學(xué)生和教師操作該實(shí)驗(yàn)。

        2.3 遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)布局規(guī)劃

        以上是對(duì)該網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)的框架介紹以及特點(diǎn)闡述。關(guān)于該網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)的具體建設(shè)方案有三種。

        (1) 局域網(wǎng)方案。需要部署2或3臺(tái)服務(wù)器作為信令和媒體中轉(zhuǎn)站,占大約10 m2的場(chǎng)地,服務(wù)器由局域網(wǎng)互聯(lián),服務(wù)器數(shù)量根據(jù)應(yīng)用不同可以增加或減少。學(xué)生實(shí)驗(yàn)接入設(shè)備根據(jù)需要可配置30~40臺(tái)不等,備有上機(jī)操作的電腦和桌椅,一般需要100 m2的場(chǎng)地。學(xué)生客戶(hù)端配置在每臺(tái)上機(jī)操作的電腦中,而教師客戶(hù)端則可以選擇配置在教師機(jī)中。

        (2) 廣域網(wǎng)方案。除了局域網(wǎng)方案需要配置的設(shè)備和場(chǎng)地,另需申請(qǐng)1條外網(wǎng)專(zhuān)線(xiàn),可以是電信、移動(dòng)或者聯(lián)通,實(shí)驗(yàn)接入設(shè)備可以放置在任意一個(gè)可以上網(wǎng)的地方,并可以不配備專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)用房,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地靈活選擇(可以在學(xué)生宿舍或老師家里)。該方案可以充分實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新平臺(tái)的遠(yuǎn)程,開(kāi)放,共享的目標(biāo)。只要有授權(quán)的用戶(hù)名和密碼,學(xué)生便可以登錄該平臺(tái),并且操作該平臺(tái)上所上線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,達(dá)到高校間實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備的資源共享。并且突破學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的限制,使學(xué)生實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄與操作。

        (3) 租賃方式。向已經(jīng)建立平臺(tái)的學(xué)校或企業(yè)租賃進(jìn)行網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)和測(cè)試。因?yàn)閷W(xué)校經(jīng)費(fèi)資源和用房資源的限制,并不是每一個(gè)學(xué)校都有足夠成本完成服務(wù)器的購(gòu)置、平臺(tái)的設(shè)計(jì)和搭建的。因此,可以選擇租賃的方式幫助本校學(xué)生利用創(chuàng)新平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與操作,只需要自己擁有上網(wǎng)設(shè)備即可。

        3 創(chuàng)新平臺(tái)核心技術(shù)和接入設(shè)備

        要完成該網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)的建設(shè),需要采用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),同時(shí)需要有相關(guān)硬件進(jìn)行支持。下面介紹相關(guān)協(xié)議技術(shù)以及相關(guān)接入設(shè)備。

        3.1 創(chuàng)新平臺(tái)核心技術(shù)

        該平臺(tái)所采用的核心技術(shù),主要圍繞實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)放共享的目標(biāo),包括設(shè)備、服務(wù)器、學(xué)生端、客戶(hù)端之間的信令通信與媒體流數(shù)據(jù)的傳輸。

        目前平臺(tái)采用的技術(shù)包括信令流和媒體流分離技術(shù)、P2P技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、負(fù)載均衡技術(shù)、視頻序列噴泉碼編碼技術(shù)[10]等。其中,信令流與媒體流分離技術(shù)可以通過(guò)使用信令服務(wù)器和媒體傳輸服務(wù)器實(shí)現(xiàn),完成包括平臺(tái)間教師端與學(xué)生端之間的一些信令通信,以及設(shè)備端與客戶(hù)端之間的媒體流傳輸。而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)、信息等資源共享[11],完成平臺(tái)上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、客戶(hù)端信息的查詢(xún)等。負(fù)載均衡技術(shù)和視頻序列噴泉碼編碼技術(shù)可以通過(guò)嵌入到設(shè)備端和客戶(hù)端的相關(guān)算法,改進(jìn)流媒體傳輸協(xié)議,從而增加平臺(tái)上視頻畫(huà)面的清晰度,改善用戶(hù)體驗(yàn)。

        應(yīng)對(duì)以上技術(shù),平臺(tái)采用了一系列相關(guān)協(xié)議,包括SIP協(xié)議、RTP協(xié)議[12]、RTMP協(xié)議等,分別實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信令交互、實(shí)時(shí)音視頻數(shù)據(jù)的傳輸。而RTMP協(xié)議建立在TCP協(xié)議或輪詢(xún)HTTP協(xié)議之上[13],用于流媒體的封裝與傳輸。

        3.2 創(chuàng)新平臺(tái)接入設(shè)備

        該創(chuàng)新平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多設(shè)備,多終端接入。該設(shè)備以ARM9為核心,包括GM8180+TW2835的開(kāi)發(fā)板[14]、高清顯示屏、攝像頭、仿真器。將該設(shè)備接入創(chuàng)新平臺(tái),學(xué)生可以對(duì)其進(jìn)行操作,包括進(jìn)行嵌入式基本實(shí)驗(yàn)、視頻實(shí)驗(yàn)、GPS實(shí)驗(yàn)、遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)等[15]。同時(shí),該設(shè)備支持二次開(kāi)發(fā),讓教師和學(xué)生對(duì)其開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)。其余的接入設(shè)備包括遠(yuǎn)程攝像頭、智能手機(jī)等。

        終端接入則包括PC端和移動(dòng)端。只要在終端安裝平臺(tái)提供的相關(guān)軟件,便可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接入,在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)與操作。

        4 結(jié)合行業(yè)應(yīng)用的建設(shè)方案案例

        該平臺(tái)并不僅僅局限在進(jìn)行高校實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域,還可以根據(jù)自身技術(shù)特點(diǎn),結(jié)合當(dāng)前行業(yè)發(fā)展趨勢(shì),為行業(yè)相關(guān)問(wèn)題提供解決方案,以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決問(wèn)題的能力以及加深對(duì)所學(xué)行業(yè)的理解。該平臺(tái)以信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)為主體,因此可在信息行業(yè)相關(guān)領(lǐng)域有所作為。比如,智能家居應(yīng)用、GPS定位應(yīng)用、移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用。創(chuàng)新平臺(tái)在視頻監(jiān)控方面的應(yīng)用。如圖2所示:

        該方案包括前端采用遠(yuǎn)程攝像頭進(jìn)行視頻采集,然后通過(guò)開(kāi)發(fā)板對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸,服務(wù)器中轉(zhuǎn),最后在終端顯示設(shè)備所獲取的視頻畫(huà)面。因此,通過(guò)創(chuàng)新平臺(tái)應(yīng)用,人們可在PC終端,也可在移動(dòng)終端查看相關(guān)視頻畫(huà)面,對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。

        5 結(jié) 語(yǔ)

        綜上所述,遠(yuǎn)程多媒體網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新平臺(tái)有眾多優(yōu)勢(shì),包括輻射面廣??梢詰?yīng)用于多個(gè)專(zhuān)業(yè)。適合工科類(lèi)學(xué)生在平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。同時(shí),平臺(tái)可以針對(duì)每個(gè)行業(yè)的應(yīng)用,開(kāi)展針對(duì)性實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力,培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力,提高畢業(yè)生就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。而教師則可以在該平臺(tái)進(jìn)行科研實(shí)驗(yàn),提高專(zhuān)業(yè)技術(shù)水平。然而,創(chuàng)新平臺(tái)同樣還擁有較大的改進(jìn)空間。高??梢曰诖藙?chuàng)新平臺(tái)提供的軟硬件接口,開(kāi)展一些軟件、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)、開(kāi)發(fā)、認(rèn)證、培訓(xùn)等的增值服務(wù)。同時(shí),使實(shí)驗(yàn)室成為其它行業(yè)信息化建設(shè)的演示平臺(tái)、實(shí)訓(xùn)基地,向當(dāng)?shù)厣鐣?huì)提供技術(shù)交流、課題研究支撐,為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究提供有力保障[16]。

        圖2 視頻監(jiān)控

        [1] 李文光,雷維佳.探析云計(jì)算技術(shù)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室資源的優(yōu)化應(yīng)用[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備,2012(3):77-78.

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