楊昕欣，張曉林，刁為民，劉榮科，李 松

（北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京100191）

0 引言

在電子信息專業(yè)教學(xué)體系中，實驗教學(xué)是工程和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)有助于學(xué)生正確理解理論知識，認(rèn)識工程與理論之間的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的興趣和熱情，在運用所學(xué)知識解決實驗中遇到的問題過程中逐漸積累經(jīng)驗，鍛煉解決復(fù)雜工程問題的能力，在驗證性實驗和分析性研究的過程中培養(yǎng)出設(shè)計實驗和探索性研究的能力［1］。

電子電路系列課程是電子信息工程專業(yè)課程體系中的核心專業(yè)課程，在課程體系中肩負(fù)著承前啟后的作用［2］，以其中的“通信電路”課程為例，該課程內(nèi)容多、難度大，而且需要學(xué)生擺脫先行課程的思維慣性，教師普遍感覺課時少、難講，而學(xué)生則感覺太抽象不易接受。因此通過實踐環(huán)節(jié)幫助學(xué)生理解理論知識、建立工程概念，顯得尤為重要。電子電路課程的實驗環(huán)節(jié)歷來受任課教師重視，近年在各種條件建設(shè)的支撐下，各個高校在實驗教學(xué)內(nèi)容和方法方面出現(xiàn)不少創(chuàng)新成果。

我校電子信息工程核心課程國家教學(xué)團(tuán)隊在以電子電路和集成電路設(shè)計為主的課程群建設(shè)中，高度重視實驗教學(xué)研究和改革，本文就教學(xué)團(tuán)隊近年來依托空天電子信息國家虛擬仿真實驗中心，借鑒SPOC教學(xué)模式理念，促進(jìn)實驗教學(xué)有效實施的嘗試和探索，進(jìn)行了初步總結(jié)［3～4］。

1 電子電路實驗教學(xué)常見問題

在“通信電路”課程的實驗教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)了一些問題和現(xiàn)象，其在不同程度上影響著實驗課的效果。第一種現(xiàn)象是部分學(xué)生在實驗中有時候會卡在某個問題上，不知如何繼續(xù)實驗。經(jīng)過了解，我們發(fā)現(xiàn)其中很大一部分原因在于：電子電路是整個課程體系中學(xué)生較早接觸的實踐性較強的課程，學(xué)生的思維一般還處于從理論知識到工程概念建立的轉(zhuǎn)換階段，一些實踐中的方法和概念運用尚待熟悉，加之“通信電路”課程又是以非線性電路為主，學(xué)生比較陌生，在實驗中遇到一些物理現(xiàn)象時，一部分學(xué)生還習(xí)慣用線性的思維去解釋或分析，往往會陷入迷惑，不知該如何繼續(xù)。這一方面與學(xué)生在實驗之前準(zhǔn)備不充分有關(guān)，另一方面也說明實驗環(huán)節(jié)和理論課之間還需要很好的結(jié)合。

第二種現(xiàn)象是，一方面實驗指導(dǎo)教師工作量巨大而另一方面學(xué)生往往又覺得指導(dǎo)不足。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在指定教師指導(dǎo)實驗過程中，需要花不少時間，重復(fù)進(jìn)行諸如安全操作規(guī)范、儀器使用方法以及其他一些常見的指導(dǎo)，通常在一次實驗的前半程疲于應(yīng)付此類問題，后半程學(xué)生又忙于完成基本測試，很多深層次的實驗和測試沒有時間去實踐和思考，實驗效果打了折扣。這一方面表明存在有限的實驗教師隊伍與逐漸增長的實驗指導(dǎo)需求之間的矛盾，另一方面也表明需要采取有效的措施能使學(xué)生在實驗課之前有機會充分了解實驗儀器和實驗室環(huán)境。

另外一種現(xiàn)象是，經(jīng)常有些學(xué)生無法在預(yù)定時間內(nèi)完成實驗。經(jīng)了解發(fā)現(xiàn)，由于“通信電路”課程實驗的調(diào)試測量過程較為復(fù)雜，其中不少細(xì)節(jié)內(nèi)容單靠實驗指導(dǎo)書的文字描述很難描述清楚，不便學(xué)生理解，使其在實驗過程中有時會走彎路，在錯誤的方向上花費了較多時間。這說明實驗指導(dǎo)書還有一定的局限性，學(xué)生在實驗指導(dǎo)書之外還需要一些更有力的指導(dǎo)。

此外，實驗教學(xué)是個動態(tài)發(fā)展的過程，實驗的更新、變化需要及時發(fā)布給學(xué)生，而指導(dǎo)教師也需要及時掌握學(xué)生的反饋。相對理論課的互動教學(xué)，實驗課教師與學(xué)生的互動方式還比較單一，理論課一般都建有相應(yīng)的課程網(wǎng)站，其中通常包含互動模塊，有較好的效果。當(dāng)然把實驗環(huán)節(jié)整合到理論課網(wǎng)站上是一種常見的解決辦法，不過這種文字互動的方式對實驗環(huán)節(jié)而言效率還不夠高，實踐教學(xué)還需要一種更直觀的互動方式。

2 定制化直播平臺的支撐作用

上述分析表明為了更好地達(dá)到電子電路實驗教學(xué)改革的目標(biāo)，需要做好實驗環(huán)節(jié)與理論課有效銜接、提高實驗指導(dǎo)效率，要解決好有限的實驗課時資源與逐漸豐富的實驗內(nèi)容之間的矛盾問題。這需要理論和實驗課教師緊密配合，從課程教學(xué)方法、實施保障等多方面入手，持續(xù)不斷地進(jìn)行改進(jìn)。

當(dāng)前，寬帶網(wǎng)、云計算技術(shù)、智能終端、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展與普及，也為實驗教學(xué)手段創(chuàng)新提供了支撐。例如，以云計算的數(shù)據(jù)存儲和管理為核心，借助虛擬化技術(shù)，使得使用者可以在任何時間、任何地方，通過任何可聯(lián)網(wǎng)的裝置連接到云上，可以方便地存取數(shù)據(jù)?；谠朴嬎愕腃DN（Content Delivery Network）技術(shù)，通過建立索引、緩存、流分裂、組播等技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)容發(fā)布，借助負(fù)載均衡技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)容路由，實現(xiàn)了盡可能避開互聯(lián)網(wǎng)上有可能影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性的瓶頸和環(huán)節(jié)，使內(nèi)容傳輸?shù)酶臁⒏€(wěn)定。

這些技術(shù)很好地解決了視頻等高帶寬應(yīng)用的低時延和自由接入等關(guān)鍵問題，而使用這些技術(shù)的成本也逐漸大眾化，這就導(dǎo)致可以結(jié)合實驗課程教學(xué)定制以視頻為核心的師生信息共享平臺。在這個平臺上，教師可以從實驗教學(xué)的有效實施等角度出發(fā)，高效地組織教學(xué)活動或展開教學(xué)探索。

教學(xué)視頻直播一般包括采集、壓縮、轉(zhuǎn)發(fā)、接入等環(huán)節(jié)，從實驗教學(xué)需要出發(fā)，對視頻直播整體定制，可以為師生帶來諸多便利。其中采集端的定制可以兼容專業(yè)攝錄設(shè)備和各類便攜終端攝錄傳感器，支持實驗室、課堂等多種場景的直播采集方式；采用成熟的音視頻編碼壓縮技術(shù)可以有效控制標(biāo)清乃至超高清視頻的碼率，有效降低帶寬成本；基于云計算的一系列技術(shù)及定制轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)可有效解決延遲問題，突破了距離的限制，從而使在線課堂可以延伸到校園之外；在寬帶無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的支撐下定制基于各類智能終端的接入應(yīng)用，則可以真正實現(xiàn)隨時隨地獲取直播。

這樣的信息共享平臺與普通課程網(wǎng)站模式不同，該平臺是師生共同參與的信息共享平臺，不再是單向信息發(fā)布平臺，可以基于這些特點在實驗教學(xué)中探索出一些新的途徑和方法，從而提升實驗教學(xué)效果。直播信息共享平臺用于實驗教學(xué)具有如下優(yōu)點：

2．1 提高實踐環(huán)節(jié)的課前預(yù)習(xí)效率

由于實驗課時有限，課前預(yù)習(xí)如果不夠充分，例如對實驗內(nèi)容和要求不了解，對儀器使用不熟練，對實驗室環(huán)境及安全規(guī)范不清楚，這些都會造成實驗過程中出現(xiàn)各種問題。學(xué)生以往主要通過實驗指導(dǎo)書和課程網(wǎng)站發(fā)布的公告做預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，而基于直播信息共享平臺，可以將基礎(chǔ)實驗、儀器使用、實驗環(huán)境、安全規(guī)范等做出演示視頻，根據(jù)教學(xué)實際不定期更新，這樣一些不容易用文字描述清楚的細(xì)節(jié)就可以方便地展現(xiàn)給學(xué)生。這些內(nèi)容適合采用專業(yè)攝錄設(shè)備制作，畫面質(zhì)量清晰，經(jīng)過剪輯后，短小精悍，對輔助學(xué)生課前預(yù)習(xí)很有效。在這樣的條件支持下，可以將實驗的消化學(xué)習(xí)時間分配到課下，為課上展開引導(dǎo)、啟發(fā)式的探索性實驗節(jié)約出來的時間，可用于嘗試開展翻轉(zhuǎn)課堂模式的實驗教學(xué)［5～6］。

2．2 促進(jìn)實驗課與理論課的緊密耦合

課程網(wǎng)站是實現(xiàn)實驗與理論課整合的一種方式，通過良好的網(wǎng)站設(shè)計和合理的用戶管理機制，可以較好地實現(xiàn)實驗課與理論課的有效整合。不過由于SNS（Social Networking Services）的發(fā)展普及，網(wǎng)站模式的信息共享機制受到一定沖擊，師生用戶更樂意采用微信等方式建立快捷的聯(lián)系。基于云計算的信息共享平臺，可以方便地將傳統(tǒng)課程網(wǎng)站與SNS服務(wù)結(jié)合在一起，將傳統(tǒng)網(wǎng)站作為后臺，結(jié)合云存儲和CDN轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，以微信公眾號作為統(tǒng)一入口，整體布局，實現(xiàn)整個課程體系各個環(huán)節(jié)的緊密耦合。

2．3 利于加強實驗教學(xué)過程精細(xì)化控制

定制化直播平臺為加強實驗教學(xué)過程的精細(xì)化控制提供了方便快捷的互動機制。實驗教學(xué)是一個動態(tài)發(fā)展的過程，始終伴隨著教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的發(fā)展帶來的不斷更新和變化，為了盡快將這些更新和變化變成教學(xué)實踐，需要師生之間有更直觀、即時的互動方式，此外，課時、教室、設(shè)備、儀器等教學(xué)資源的高效利用也依賴于高效互動所支持的精細(xì)化管理?；诙ㄖ频男畔⒐蚕砥脚_，采用隨手拍短視頻方式，無需專業(yè)攝錄和編輯，可以快速將實驗教學(xué)進(jìn)行中的答疑、故障排除、優(yōu)秀作品、經(jīng)驗交流等現(xiàn)場分享出來，輔以評論和彈幕功能，結(jié)合課程微信群，可以實現(xiàn)即時互動，根據(jù)學(xué)生的反饋對教學(xué)活動做出快速更新和調(diào)整。

2．4 提供一種新的實驗教學(xué)考核方式

定制的信息共享平臺中，也可以使學(xué)生成為視頻發(fā)布者，這樣學(xué)生就可以將實驗的成果直播給指導(dǎo)教師和其他學(xué)生，在約定的時間進(jìn)行實驗考核，對場地幾乎沒有限制；用同樣的方式，學(xué)生也可以把實驗中遇到的問題展現(xiàn)給教師，在約定的時間答疑，這非常適合對開放和創(chuàng)新類實驗展開教學(xué)指導(dǎo)和考核評估。

3 直播平臺定制方案

基于云計算服務(wù)的電子電路實驗教學(xué)共享直播平臺如圖1所示。主要包括三個部分：采集端處理與推流、云端流媒體服務(wù)和終端播放顯示。

圖1 基于云計算服務(wù)的直播平臺

3．1 采集端處理與推流

對于視頻內(nèi)容的采集，目前教學(xué)直播場景中使用的采集源有三種：①手機或平板的前后置攝像頭，②電腦的攝像頭以及桌面，③專業(yè)的攝像機。雖然三種情況都是采集音視頻數(shù)據(jù)，編碼壓縮發(fā)送到流媒體服務(wù)器進(jìn)行處理后廣播出去，但是每一種場景下采集用到的方式還是有所不同，具體如下：

1）手機／平板電腦

對于目前主流的Android系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)，由于在AppStore上線APP比較繁瑣，我們目前只開發(fā)了Android端的推流APP北航云推流。通過推流APP實時采集攝像頭視頻和麥克風(fēng)音頻數(shù)據(jù)，根據(jù)移動設(shè)備硬件性能選擇軟編碼或者硬編碼壓縮數(shù)據(jù)，同時根據(jù)需要可以做一些美化、鏡像、靜音等特殊處理，處理完成的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的服務(wù)器地址和端口號推到流媒體服務(wù)器上進(jìn)行處理分發(fā)。

2）個人計算機

對于PC端，目前采用的方式是利用第三方免費推流直播軟件，體驗較好的有XSplit和OBS。它們的功能比較豐富，通過安裝插件可以實現(xiàn)捕獲桌面或者外接的音視頻設(shè)備、具有打開PPT等主流格式的文檔、白板功能、插入網(wǎng)頁、添加文字及水印、選擇場景以及選擇分辨率和幀率等強大的功能。最后一般都是以RTMP格式串流出去。

3）專業(yè)攝像機

在直播討論或?qū)嶒瀮x器操作的應(yīng)用場景下，有時候為了保證畫面的質(zhì)量需要用到專業(yè)的攝像機，由于目前攝像機內(nèi)部并沒有集成直播需要的推流功能，此時，我們采用攝像機加高清視頻編解碼器的方式進(jìn)行視頻直播。編解碼器一般采用H．264／AVC視頻壓縮算法和AAC音頻壓縮算法，具備優(yōu)異的視頻表現(xiàn)和音頻還原性。同時提供了豐富的流媒體協(xié)議，例如 RTMP、HTTP、RTSP／RTP、UDP 等。通常通過WEB頁面進(jìn)行配置，簡單高效。

3．2 云端流媒體服務(wù)

流媒體服務(wù)器的主要功能是以流式協(xié)議（RTP／RTSP，MMS，RTMP等）將視頻文件傳輸?shù)娇蛻舳?，供用戶在線觀看；也可從視頻采集、壓縮軟件接收實時視頻流，再以流式協(xié)議直播給客戶端。

典型的流媒體服務(wù)器有Windows Media Service（WMS），Adobe公司的 Flash Media Server（FMS），以及Wowza、RED5等，部署方式和功能大體都相近，一般都支持跨平臺。部署好流媒體服務(wù)器，即可實現(xiàn)從采集端接收推流視頻，經(jīng)轉(zhuǎn)碼同時生成不同分辨率的視頻流，從而滿足不同觀看條件的需要。

3．3 終端播放顯示

播放器端功能主要是從服務(wù)器上拉取視頻流，然后解碼播放，保證畫面和聲音清晰度，做到穩(wěn)定、流暢且無卡頓。對于PC端，可以用VLC、Potplayer等現(xiàn)有的主流播放器播放 RTMP、HLS、HTTP等格式的視頻流觀看直播。在移動端的Android平臺上，我們開發(fā)了直播播放器APP北航云播，當(dāng)然還需要做一些工作來解決兼容Android系統(tǒng)平臺差異的問題，iOS系統(tǒng)上則考慮上線安裝過程較為繁瑣，還沒有開發(fā)。目前，Android系統(tǒng)用戶和iOS系統(tǒng)用戶都可以通過手機HTML5網(wǎng)頁流暢地觀看直播。

為了觀看的便利性，我們基于HTML5開發(fā)了WEB端的直播播放器。網(wǎng)頁嵌入免費開源的播放器jwplayer插件實現(xiàn)直播流的播放。同時與開發(fā)的微信公眾號相結(jié)合，只需要一個網(wǎng)址鏈接，就可以利用微信里內(nèi)嵌的瀏覽器觀看直播。為了實現(xiàn)互動、增加趣味性，我們增加了當(dāng)下大學(xué)生追捧的彈幕和留言聊天室功能，教師可以根據(jù)學(xué)生實時的問題調(diào)整教學(xué)節(jié)奏，提高大家學(xué)習(xí)的熱情和效率。

4 基于直播平臺的實驗教學(xué)方案

直播平臺為提高教學(xué)效率提供了良好基礎(chǔ)，下面就以乘法器電路實驗為例，簡單說明基于直播平臺的實驗教學(xué)方案［7］。

（1）新學(xué)期開始，實驗教師便要求學(xué)生關(guān)注課程公眾號，介紹實驗視頻、仿真實驗視頻、實驗指導(dǎo)、直播頻道等課程資源的訪問方法。

（2）實驗課教師在課程公眾號中發(fā)布信息，以提醒學(xué)生預(yù)習(xí)實驗。學(xué)生只需在公眾號內(nèi)回復(fù)關(guān)鍵字，即可觀看實驗室安全規(guī)范和常用儀器介紹視頻。

（3）學(xué)生可在實驗開始前就預(yù)習(xí)中的問題在公眾號內(nèi)提問，由助教負(fù)責(zé)整理。指導(dǎo)教師根據(jù)需要對問題進(jìn)行回復(fù)，既可采用隨時信息發(fā)布方式，也可以采取在約定的時間，集中進(jìn)行直播答疑和文字互動。

（4）理論課教師在授課中講到調(diào)制解調(diào)電路部分時，在適當(dāng)?shù)奈恢梅胖枚S碼，學(xué)生可以掃碼觀看相關(guān)實驗視頻。例如，課堂上可以簡單提示靜態(tài)工作電流與乘法器增益之間的關(guān)系，而詳細(xì)的靜態(tài)工作點分析則可掃碼瀏覽，學(xué)生還可以掃碼觀看相關(guān)實驗視頻進(jìn)行預(yù)習(xí)。這樣就將實驗和理論課緊密的結(jié)合在一起，實驗視頻和實驗指導(dǎo)書成為課堂教學(xué)的延伸和思考，而學(xué)生在學(xué)習(xí)理論課的同時可以方便地預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，避免了理論和實驗課不同步而造成的生疏感，實驗預(yù)習(xí)的效率和理論課學(xué)習(xí)的效果都可以提高，可以使實驗進(jìn)行得更順利。

（5）實驗一般以小班為單位進(jìn)行，在先行小班實驗中出現(xiàn)的問題可以采用短視頻的方式在公眾號內(nèi)發(fā)布提醒后續(xù)學(xué)生注意。

（6）實驗的更新、課時和場地調(diào)整信息可在公眾號內(nèi)公布，必要時還可輔以補充視頻。

（7）實驗課后學(xué)生可以留言，指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生的反饋對相關(guān)教學(xué)資源進(jìn)行更新調(diào)整。

（8）綜合及創(chuàng)新性實驗屬于選作內(nèi)容，一般有獎勵成績，凡是在實驗中有成果的學(xué)生，例如用乘法器實現(xiàn)鑒頻功能完成了對調(diào)頻波解調(diào)，則可以申請發(fā)直播，全體師生都可觀看，供學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)和參考。

5 結(jié)語

基于云計算的直播技術(shù)可為實驗教學(xué)提供極大的便利，為課前預(yù)習(xí)、動態(tài)調(diào)整、互動答疑、考核評估等環(huán)節(jié)帶來了新的解決途徑，為實驗教學(xué)與改革的有效實施提供保障。2016年，本教學(xué)團(tuán)隊所負(fù)責(zé)的“電子電路I”課程獲批成為首批國家精品資源共享課，團(tuán)隊以此為契機積極開展教學(xué)研究與探索，已將該平臺應(yīng)用于高頻電路實驗等教學(xué)環(huán)節(jié)中，并收到了良好的教學(xué)效果。學(xué)生反映該平臺信息豐富、與教師溝通方便，對于其順利完成實驗和提高實踐能力發(fā)揮了積極作用。

此外基于云計算的定制直播平臺，具有成本低、易配置的特點，定制簡單，容易實現(xiàn)與現(xiàn)有課程網(wǎng)站和課程公眾號的融合，使用方便，不受時間、地點限制，在教學(xué)中將發(fā)揮更多的作用?；诖似脚_可能還會出現(xiàn)一些新的教學(xué)場景，如在理論授課時適時接入實驗室的現(xiàn)場直播可以開展演示實驗教學(xué)；或者在課程教學(xué)的討論課環(huán)節(jié)，邀請有經(jīng)驗的工程師參與直播，可以使學(xué)生接觸到更多、更新的工程知識。