董華軍

摘? 要： 為了給多媒體教學(xué)提供良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提升教學(xué)效果，提高學(xué)生積極性，根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)的不同，整合教學(xué)資源，設(shè)計(jì)、開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)。此系統(tǒng)由視顯文件配置、直播錄制、用戶管理、設(shè)備管理、授課管理與導(dǎo)播切換六大模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)的建成，可加強(qiáng)學(xué)生間以及師生間互動(dòng)，增強(qiáng)輔導(dǎo)學(xué)生的實(shí)時(shí)性，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： 多媒體教學(xué)系統(tǒng); 多媒體數(shù)據(jù)庫(kù); 傳統(tǒng)教學(xué); 多媒體教室

中圖分類號(hào)：TP311.5? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）03-118-03

Abstract： In order to provide multimedia teaching with a good network environment， improve teaching effects， and increase students' enthusiasm， according to the difference between traditional teaching and multimedia teaching， integrating teaching resources， a multimedia teaching system based on network is designed and developed. The system consists of six modules of video display file configuration， live recording， user management， equipment management， teaching management and director switching. The completion of the system can strengthen the interaction between students and between teachers and students， enhance the real-time guidance to students， and improve the richness of teachers' teaching content and teaching effect.

Key words： multimedia teaching system; multimedia database; traditional teaching; multimedia classroom

0 引言

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是使用黑板、粉筆、掛圖、教具等教學(xué)介質(zhì)，由教師講授，這種教學(xué)方式中教師往往占有主導(dǎo)地位，而學(xué)生常常處于被動(dòng)的接受狀態(tài)[1]。多媒體教學(xué)是在電子教室中把圖像、圖形、聲音、動(dòng)畫以及文字等各種多媒體信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地引入教學(xué)過程中，充分利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)進(jìn)行同步教學(xué)活動(dòng)[2]。顯然多媒體教學(xué)利用了先進(jìn)的技術(shù)手段，讓教學(xué)內(nèi)容能直觀、生動(dòng)、形象地表示出來(lái)，從而加深學(xué)生對(duì)問題的理解，提高學(xué)生的參與度，提升教學(xué)效果。

隨著語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻的壓縮編碼技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的不斷提高，人們可以快速隨時(shí)隨地獲得來(lái)自異地的視頻、音頻及數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)[3]。教師可通過多媒體教室進(jìn)行課堂相關(guān)的管理[4]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中教師能夠把授課視頻直播到各教室或進(jìn)行學(xué)生端工位輪巡，一對(duì)一輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)訓(xùn)。學(xué)生可觀看授課直播、課件播放及板書，課后查詢并察看歷史授課視頻。觀摩考評(píng)人員可觀看學(xué)生間或師生互動(dòng)視頻直播，查看存儲(chǔ)于資源管理服務(wù)器的歷史交互視頻。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于C/S體系結(jié)構(gòu)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用C++開發(fā)環(huán)境，生成音視頻編解碼庫(kù)以實(shí)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。多媒體教學(xué)系統(tǒng)由智能電子黑板、智能電視、智顯教學(xué)終端、智慧講臺(tái)系統(tǒng)、學(xué)生交互終端及資源管理服務(wù)器構(gòu)成，如圖1所示。

⑴ 智能電子黑板采用系統(tǒng)智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)，內(nèi)嵌系統(tǒng)教學(xué)軟件，支持多場(chǎng)景教學(xué)，教師可選擇資源管理服務(wù)器上的課件文件或本地課件播放與顯示，切換授課板書或?qū)嵅僖曨l畫面。

⑵ 智能電視終端登錄后可通過直播服務(wù)獲取音視頻流解碼后播放，觀摩考評(píng)人員觀看授課直播或查詢歷史授課視頻后播放，終端登錄避免無(wú)權(quán)限人員觀看授課直播及歷史視頻，電視終端使用網(wǎng)絡(luò)接口連接至資源管理服務(wù)器可遠(yuǎn)程觀看。

⑶ 智顯教學(xué)終端展示教師授課內(nèi)容，播放實(shí)時(shí)實(shí)操視頻，可切換至課件瀏覽或課堂板書，通過此種授課方式的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)教師授課內(nèi)容的豐富性，提升教學(xué)效果。

⑷ 智慧講臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同授課教師的登錄、授課設(shè)備的管理、直播視頻畫面與課件白板的智慧導(dǎo)播、授課視頻的直播與錄制、授課管理，輪巡學(xué)生終端工位，該設(shè)計(jì)驗(yàn)證教師用戶權(quán)限，多個(gè)教師授課流程互不干擾，直播視頻、課件及白板可導(dǎo)播切換，錄制授課直播視頻，有利于學(xué)生課后多次觀摩。

⑸ 學(xué)生交互終端提供教師授課直播、實(shí)訓(xùn)工位終端學(xué)生的實(shí)時(shí)操作及一對(duì)一輔導(dǎo)，該終端交互方式有別于傳統(tǒng)授課方式，加強(qiáng)學(xué)生間以及師生互動(dòng)，輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)。

⑹ 資源管理服務(wù)器功能涵蓋課件管理、授課管理、直播服務(wù)、錄制文件點(diǎn)播及數(shù)據(jù)庫(kù)訪問，此功能設(shè)計(jì)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，實(shí)現(xiàn)教師導(dǎo)入課件、學(xué)生查詢?yōu)g覽課件及歷史授課視頻的檢索觀看。

網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備用來(lái)提供不同網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)的互連及互通，廣域網(wǎng)連接線路采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、交換式，需選擇合適的廣域網(wǎng)線路。智能電子黑板、智能電視、智顯教學(xué)終端、智慧講臺(tái)系統(tǒng)、學(xué)生交互終端及資源管理服務(wù)器皆通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊主要包括視顯文件配置、直播錄制、用戶管理、設(shè)備管理、授課管理與導(dǎo)播切換。通過選取各模塊中的子功能添加至智能電子黑板、智能電視、智顯教學(xué)終端、智慧講臺(tái)系統(tǒng)、學(xué)生交互終端及資源管理服務(wù)器中生成相應(yīng)的程序并發(fā)布至設(shè)備以實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)作。

2.1 視顯文件配置

音視頻數(shù)據(jù)的采集通過連接攝像機(jī)使用特定協(xié)議通信實(shí)現(xiàn)，教室流媒體數(shù)據(jù)源較多，建立視顯配置文件生成視頻畫面，這樣視頻顯示不限于單幅畫面，可自由設(shè)置多幅畫面組合。配置文件根節(jié)點(diǎn)為顯示框，視頻流或音頻流地址屬于子節(jié)點(diǎn)配置，視頻窗體起始點(diǎn)坐標(biāo)、寬度及高度以占屏幕尺寸的百分比計(jì)數(shù)，播放音量及狀態(tài)添加至音頻流節(jié)點(diǎn)。視頻位置與寬高在配置文件中設(shè)定，音頻播放音量及狀態(tài)參數(shù)等在程序中設(shè)置。

讀取配置文件參數(shù)，獲取視頻流地址，使用三種樣式類型，包括主次畫面、畫中畫及矩陣布局，生成并輸出復(fù)合視頻。單幅畫面是矩陣布局中的特例。獲取攝像機(jī)視頻流，解碼轉(zhuǎn)換為樣式布局畫面并輸出多畫面視頻。

2.2 直播錄制

直播管理負(fù)責(zé)建立教師授課直播會(huì)話，接收智能電子黑板、智能電視、學(xué)生交互終端及智顯教學(xué)終端直播連接，發(fā)送直播音視頻數(shù)據(jù)。直播錄制服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)教師授課直播流發(fā)送與接收，可錄制直播流存儲(chǔ)至資源管理服務(wù)器。教師端通過攝像機(jī)及音頻輸入采集音視頻數(shù)據(jù)，發(fā)送至資源管理服務(wù)器直播模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)直播表與課堂表數(shù)據(jù)，直播表字段包括直播名稱、直播類型、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、狀態(tài)等，課堂表字段包括課堂名稱、課堂介紹、主講教師、學(xué)生數(shù)等。學(xué)生端定時(shí)查詢直播服務(wù)是否有直播會(huì)話建立，有直播會(huì)話建立的情況下開始接收直播流，在學(xué)生交互終端更新直播課堂數(shù)據(jù)。

2.3 用戶管理

用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生、觀摩考評(píng)人員及管理員的維護(hù)管理，包括查詢、添加、修改、刪除記錄。系統(tǒng)用戶由教師、學(xué)生、觀摩考評(píng)人員與管理員構(gòu)成。教師登錄智慧講臺(tái)系統(tǒng)，初次使用需注冊(cè)，輸入教師基本信息，存儲(chǔ)至教師信息表。注冊(cè)完成后登錄系統(tǒng)，開始授課直播。學(xué)生輸入學(xué)號(hào)與密碼，選擇教室后登錄學(xué)生交互終端，驗(yàn)證通過開始觀看授課直播。觀摩考評(píng)人員登錄智能電視觀看授課直播及歷史授課視頻。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)參數(shù)配置與其他用戶的管理。

2.4 設(shè)備管理

設(shè)備管理主要由攝像機(jī)管理、麥克風(fēng)管理及音響管理組成。攝像機(jī)類型包括定位攝像機(jī)、教師攝像機(jī)與學(xué)生攝像機(jī)。智慧講臺(tái)系統(tǒng)攝像機(jī)管理可選擇已注冊(cè)教師攝像機(jī)或?qū)W生攝像機(jī)，選擇單個(gè)攝像機(jī)可進(jìn)行云臺(tái)控制。云臺(tái)控制攝像機(jī)移動(dòng)方向?yàn)樯?、下、左、右，可伸縮調(diào)焦、遠(yuǎn)近聚焦、放大縮小光圈及設(shè)置云臺(tái)速度。系統(tǒng)加載已安裝麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器設(shè)備，選擇需使用的設(shè)備，可調(diào)節(jié)設(shè)備音量。

2.5 授課管理

教師成功登入智慧講臺(tái)系統(tǒng)后設(shè)置相應(yīng)的攝像機(jī)、音響等設(shè)備，進(jìn)入直播管理開啟授課直播。資源管理服務(wù)器直播服務(wù)負(fù)責(zé)接收智慧講臺(tái)系統(tǒng)直播流數(shù)據(jù)，發(fā)送至各終端解碼顯示，可錄制授課視頻存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)以供課后學(xué)生查詢觀看。

教師如需播放課件，須連接資源管理服務(wù)器，選擇播放的課件資料發(fā)送至各終端播放，切換課件時(shí)同步更新各終端播放畫面。使用白板時(shí)可任意標(biāo)注、繪畫并即時(shí)顯示，筆形包括普通筆、排筆與毛筆等，標(biāo)注筆顏色可任意設(shè)定，標(biāo)注內(nèi)容可隨時(shí)利用電子橡皮擦除，或隨時(shí)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)及打印。此外可實(shí)現(xiàn)屏幕內(nèi)容放大、聚光燈、遮屏、查看板書及屏幕校準(zhǔn)，支持白板操作錄制，實(shí)時(shí)同步白板與實(shí)操畫面。

2.6 導(dǎo)播切換

導(dǎo)播切換包括跟蹤子系統(tǒng)、智能導(dǎo)播子系統(tǒng)及手動(dòng)導(dǎo)播子系統(tǒng)。使用定位攝像機(jī)對(duì)教師進(jìn)行定位，將數(shù)據(jù)傳遞給攝像機(jī)通過移動(dòng)與變焦進(jìn)行跟蹤。教師攝像機(jī)、學(xué)生攝像機(jī)根據(jù)切換策略智能切換，教師可在活動(dòng)中進(jìn)行手動(dòng)控制。

智能導(dǎo)播集導(dǎo)播功能與跟蹤功能于一體，實(shí)現(xiàn)教師授課、教師板書、課件展示多個(gè)教學(xué)場(chǎng)景與教學(xué)課件間智能調(diào)度及切換。跟蹤范圍不僅局限于攝像機(jī)固有的視野范圍內(nèi)，而是在整個(gè)教師活動(dòng)的范圍內(nèi)，無(wú)論教師在活動(dòng)范圍內(nèi)做任何動(dòng)作都能智能跟蹤，始終保持教師在圖像中的位置，不出現(xiàn)半邊身的狀況。導(dǎo)播策略涵蓋以下三種情況：教師在講臺(tái)區(qū)域講課時(shí)是教師特寫鏡頭，教師板書時(shí)切換到板書特寫鏡頭，當(dāng)教師區(qū)域有多目標(biāo)時(shí)切換到教師全景鏡頭。教師成功登錄智慧講臺(tái)系統(tǒng)后開啟智能導(dǎo)播，移動(dòng)時(shí)攝像機(jī)跟蹤教師畫面，無(wú)需教師進(jìn)行手動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)中授課視頻直播、錄制和點(diǎn)播采用流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)流媒體可同時(shí)捕獲與播放音視頻，授課直播時(shí)教師攝像機(jī)實(shí)時(shí)攝取教師授課畫面，學(xué)生端攝像機(jī)捕獲學(xué)生實(shí)操畫面，教師可輪巡學(xué)生工位，學(xué)生觀看教師授課直播，此交互方式不局限于單個(gè)教室，多個(gè)教室內(nèi)的學(xué)生可共同觀看教師授課以及與教師交互。在處理流媒體時(shí)帶寬是一個(gè)重要的考量因素，連接資源管理服務(wù)器的學(xué)生交互終端數(shù)量越多，則流媒體傳輸所需帶寬越大，同時(shí)視頻分辨率決定所需帶寬，在指定時(shí)間段內(nèi)同等直播服務(wù)器并發(fā)數(shù)情況下標(biāo)清傳輸?shù)牧髁啃∮诟咔宸直媛剩瑧?yīng)盡可能選擇最大帶寬及較高分辨率。

實(shí)時(shí)流協(xié)議（RTSP）是一種應(yīng)用級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通過直接與流式傳輸數(shù)據(jù)的服務(wù)器通信，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從多媒體服務(wù)器傳輸至終端，該協(xié)議通過充當(dāng)時(shí)間同步音視頻媒體流的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制來(lái)建立媒體會(huì)話并控制客戶端設(shè)備及服務(wù)器間的媒體流。當(dāng)學(xué)生交互終端或智能電視軟件從遠(yuǎn)程源流式傳輸音/視頻時(shí)，客戶端設(shè)備會(huì)向資源管理服務(wù)器發(fā)送RTSP連接數(shù)據(jù)以確定可用選項(xiàng)，如播放、暫停與錄制，服務(wù)器返回可通過RTSP接受的連接類型列表，客戶端向流媒體服務(wù)器發(fā)送媒體描述數(shù)據(jù)，服務(wù)器以媒體描述作為響應(yīng)?？蛻舳税l(fā)送設(shè)置命令，服務(wù)器響應(yīng)有關(guān)傳輸機(jī)制來(lái)啟動(dòng)流媒體傳輸過程。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了多媒體教學(xué)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的建成，促進(jìn)不同于傳統(tǒng)教學(xué)方式的多媒體教學(xué)系統(tǒng)改革，加強(qiáng)學(xué)生間以及師生間的互動(dòng)，提高學(xué)生的積極性，授課內(nèi)容能直觀、生動(dòng)、形象地表示出來(lái)，輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 姜燕，王曉.基于多媒體技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2013（11）：56-58

[2] 張曉明.高校網(wǎng)絡(luò)與多媒體教學(xué)系統(tǒng)初探[J].吉林工程技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（11）：73-75

[3] 李晨.基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技資訊，2008（11）：141，143

[4] 楊楠.網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 中國(guó)科技信息，2009（3）：225-227

3249501908216