基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

【摘要】文章介紹了數(shù)字微格教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)的設(shè)備選型及具體的建設(shè)過程。基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)，并能夠?qū)崿F(xiàn)校園網(wǎng)內(nèi)的資源共享，將會成為微格教學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字化，微格教學(xué)系統(tǒng)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【論文編號】1009—8097（2007）09—0102—03

一、引言

數(shù)字化時代的到來，推動著社會各個方面的迅猛發(fā)展，在整個教育中也不例外。微格教學(xué)是以教育學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科理論為基礎(chǔ)，以教育技術(shù)為手段的“一個有控制的實習(xí)系統(tǒng)，它使師范生有可能集中解決某一特定的教學(xué)行為，或在有控制的條件下進(jìn)行學(xué)習(xí)”。[1]對于師范學(xué)生的教學(xué)技能訓(xùn)練和提高，有著不可忽視的作用。它可以使被訓(xùn)練者在結(jié)束教學(xué)技能訓(xùn)練之后，返回來全方位的觀看自己的教學(xué)過程，并在教師和小組人員點評中，找出缺點，發(fā)揚優(yōu)點，縮短學(xué)生教學(xué)技能的形成時間。

在微格教學(xué)的過程中，要利用攝錄像設(shè)備來拍攝并記錄教學(xué)技能的訓(xùn)練活動，其訓(xùn)練時間短、人數(shù)少，并且需要進(jìn)行多次的反復(fù)。這就要求根據(jù)微格教學(xué)的特點入手思考微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)，做到充分利用學(xué)?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源、結(jié)合新的視聽技術(shù)、存貯技術(shù)建設(shè)一個更為方便與實用的微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，來滿足微格教學(xué)訓(xùn)練的需要。

二、數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)及其優(yōu)點

數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)實際上是將計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視音頻技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)、存儲技術(shù)以及傳輸技術(shù)進(jìn)行綜合性的應(yīng)用，構(gòu)建出一個集視音頻錄制、實時監(jiān)控、局域網(wǎng)內(nèi)點播為一體化的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的控制與管理，以視頻數(shù)字壓縮格式的硬盤錄像機(jī)為核心，以配備方位可調(diào)的高清晰彩色攝像機(jī)為影像攝取和高靈敏度的拾音器為音頻拾取設(shè)備，采集多路視音頻素材，并經(jīng)視頻合成卡合成后，在硬盤錄像機(jī)中進(jìn)行實時壓縮存貯。以方便調(diào)閱和回放觀看，這不僅僅局限于微格教室，在校園網(wǎng)范圍內(nèi)均可調(diào)閱觀看。

對于數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)來說，其具有傳統(tǒng)的微格教學(xué)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。

1.在錄制方面，由于實現(xiàn)了錄制與回放的分離，使的對于微格教學(xué)訓(xùn)練錄制減少了干擾，提高了微格教學(xué)資源利用率，使得能夠用更少的設(shè)備投入，來訓(xùn)練更多的學(xué)員。同時，由于實現(xiàn)了集中錄像控制，減少了微格教室的試驗人員配備。

2.回放更為靈活。由于實現(xiàn)了數(shù)字化，錄制的視頻資料以數(shù)字方式存貯，其調(diào)用回放觀看，將不再受時間，地點的限制，只需在接入校園網(wǎng)上的任何一臺計算機(jī)上進(jìn)行點播調(diào)閱，既可進(jìn)行回放觀看。

3.點評方式更為開放和靈活。由于實現(xiàn)了在校園網(wǎng)內(nèi)的點播觀看，其點評的人員也不僅僅局限于本班的同學(xué)和任課老師，其它班級的同學(xué)或非任課的教師也可以進(jìn)行點評和指導(dǎo)；點評的時間和地點也更為靈活，組織方式也可以實現(xiàn)集中式點評或分散式點評。

4.反饋的優(yōu)勢也更加明顯。主管教學(xué)計劃和培養(yǎng)目標(biāo)的部門可以隨時點播觀看學(xué)生的訓(xùn)練情況，了解學(xué)生對于教師技能水平的掌握，為教學(xué)決策提供依據(jù)。

5.由于數(shù)字視頻資料占用空間小，圖像質(zhì)量高，可無限次的點播調(diào)閱，使資料的保存更加方便，也為教師技能掌握的精品訓(xùn)練資料提供了更為方便的積累方式，能夠讓不同班，不同年級的同學(xué)間的觀摩更為方便，真正實現(xiàn)了博采眾長、汲取精華。

三、數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)

在建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)過程中，我們應(yīng)該注意以下幾個方面：

（一）視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇

基于校園網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)由于要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，因此對于視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的選擇極為重要。MPEG-2的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)是一種使用了10多年的第一代的信源標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)處于被淘汰的邊緣；而MPEG-4和H.264 (也是MPEG-4的第10部分，是ITU-T提出的標(biāo)準(zhǔn))的視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)隨著技術(shù)的成熟，迅速上升為新一代的信源標(biāo)準(zhǔn)，而且這兩種編解碼標(biāo)準(zhǔn)的碼率較低，在網(wǎng)絡(luò)上占用的帶寬資源小，更適于交互AV服務(wù)，是一個有交互性的動態(tài)圖像標(biāo)準(zhǔn)。因此對于新建的數(shù)字微格教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)該采用這兩種視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)的一種。但這兩種編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，誰更具有優(yōu)勢呢。

目前國內(nèi)采用的編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG-4和H.264[2][3]。H.264由于采用了多項提高圖像質(zhì)量和增加壓縮比的技術(shù)措施，如包括4×4整數(shù)變換、空域內(nèi)的幀內(nèi)預(yù)測、1/4象素精度的運動估計、多參考幀與多種大小塊的幀間預(yù)測技術(shù)等。新技術(shù)帶來了較高的壓縮比，不僅比H.263和MPEG-4節(jié)約了50%的碼率，還具有較強(qiáng)的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的信道中的視頻傳輸，從而容易獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。MPEG-4則是由MEPG(動態(tài)圖像專家組)制訂的一個ISO/IEC標(biāo)準(zhǔn)，是為交互式多媒體通訊制定得壓縮標(biāo)準(zhǔn)，幾乎包括了所有多媒體、存儲媒體和通信的接口；MPEG－4是為了播放流式媒體的高質(zhì)量視頻而專門設(shè)計的，它可利用很窄的帶度，通過幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求使用最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。目前MPEG-4最有吸引力的地方在于它能夠保存接近于DVD畫質(zhì)的小體積視頻文件。另外，這種文件格式還包含了以前MPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)所不具備的比特率的可伸縮性、動畫精靈、交互性等一些特殊功能。

MPEG-4與H.264相比，信源碼率要高出一倍，占用帶寬資源至少在3M以上，由于一些學(xué)校的校園網(wǎng)建設(shè)較早，其帶寬資源并不豐富，采用H.264的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將不愧是個明智的選擇。另外雖然H.264和MPEG-4同時都是應(yīng)用了混合編碼的框架，但H.264在該框架下引入了新的編碼方式，提高了編碼效率，在低碼流下可達(dá)到優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量，能夠在有限的帶寬資源下進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，但目前提供PMEG-4技術(shù)支持的廠商較多?？傊谛@網(wǎng)帶寬資源相對豐富的情況下，可以采用這兩種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的一種，如果帶寬資源比較短缺，則選擇H.264較為理想。

（二）系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)的組成一般分為控制中心和微格教室兩部分[4] [5]，如果條件容許的學(xué)校還可以設(shè)立示范室。其構(gòu)成結(jié)構(gòu)如圖1：

在數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)的前端，也即微格教室中包括高清晰度彩色攝像機(jī)、萬向云臺、云臺控制解碼器、拾音器、聯(lián)網(wǎng)計算機(jī)以及大屏幕顯示設(shè)備各一套。攝像機(jī)和拾音器的主要功能是視頻攝取和音頻的拾取，計算機(jī)和大屏幕顯示主要模擬多媒體的顯示環(huán)境，同時也作為回放觀看的顯示設(shè)備，以便進(jìn)行小組點評。在后端的總控制室，也是該系統(tǒng)的核心，主要放置硬盤錄像機(jī)、視音頻處理器、同步監(jiān)視電視墻、系統(tǒng)控制單元（云臺控制器、視音頻特技機(jī)）、視頻服務(wù)器等設(shè)備。其主要用途是對各個微格教室進(jìn)行錄像控制、同步觀看各個微格教室的訓(xùn)練情況、提供訓(xùn)練時的實時錄像。

1.布線技術(shù)

在該數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)中，還有一個很重要的技術(shù)方面的問題，就是綜合布線的技術(shù)問題。布線要符合ISO/IEC11801和ANSI/TIA/EIA568B1-B3[6]，保證弱電線路網(wǎng)絡(luò)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸要求。因為在該系統(tǒng)中，存在四種類型的布線，即視音頻線路、控制線路、電源線路與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)線路。在條件容許的范圍內(nèi)，這四類線可以分開架設(shè)，這樣有利于信號傳輸?shù)臅惩?，如果沒有條件，但最好能夠使用專門的通道，將強(qiáng)電線路和其它三類弱電線路分開架設(shè)，因為強(qiáng)電線路具有較強(qiáng)的輻射型，能夠形成對其它三類弱電線路的干擾。另外對于線路材料的選擇也應(yīng)格外的注意，因為不同的距離和不同的信號源所需要的線路材料不同。在布線時，也要注意每條線一定要做好相應(yīng)的編號，留好備用線路，方便日后的維護(hù)與線路替換；制作線路焊接與接口時，一定要按接線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來完成，且不可忽視，因為這些雖是小問題，但對于信號質(zhì)量的影響是相當(dāng)大的。

2.系統(tǒng)的功能[7]

在微格教室，通過攝像機(jī)攝取清晰度較高的視頻信號，送往控制中心。在控制中心，通過視音頻的處理器的合成與實時編輯，生成兩路信號，一路送到電視墻進(jìn)行實時監(jiān)看，另一路送到硬盤錄像機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理并存貯。數(shù)字硬盤錄像機(jī)是整個數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)的工作核心，它具有畫面分割（可根據(jù)輸入視頻源路數(shù)的不同分割為4、9、16等不同的畫面）、實時傳輸、每路信號單獨調(diào)整與錄制等多項功能。硬盤錄像機(jī)將輸入的視音頻信號進(jìn)行實時的壓縮，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以數(shù)字化的視音頻文件形式存貯與錄像機(jī)硬盤上?？梢愿鶕?jù)自己對壓縮圖像質(zhì)量的不同要求進(jìn)行設(shè)定，質(zhì)量越高，存儲所占用的磁盤空間也越大。

視頻服務(wù)器安裝有數(shù)據(jù)庫，作為精品訓(xùn)練視頻資料的存儲平臺和錄像后的視頻資料媒流體服務(wù)的提供平臺，支持各種當(dāng)前較為主流的媒體格式，在寬帶網(wǎng)絡(luò)上提供實時的，高質(zhì)量的媒流體服務(wù)，以便在校園網(wǎng)范圍進(jìn)行回放觀看、點評。

3.系統(tǒng)運行環(huán)境

系統(tǒng)一般需要固定的場地做系統(tǒng)設(shè)備運行的場地環(huán)境。系統(tǒng)中所用到的硬件設(shè)備，由于目前提供廠家眾多，選擇面較廣，但一般直根據(jù)自己的實際需要，選用性價比較好的設(shè)備即可。如攝像機(jī)可以采用三星SOC-4030和索尼SSC-ET180/181P這兩種型號，硬盤錄像機(jī)可以用計算機(jī)加卡式的，也可以采用專業(yè)的硬盤錄像機(jī)。對于操作系統(tǒng)，硬盤錄像機(jī)可以采用性能較為穩(wěn)定的Win2000Pro的操作系統(tǒng)，視頻服務(wù)器可以采用Win2003 Serve版本的服務(wù)器操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫可以采用微軟公司的SQL Serve2000數(shù)據(jù)庫。終端的計算機(jī)可以根據(jù)所配置的機(jī)器裝有常用操作系統(tǒng)即可。

4.綜合性能的檢測

系統(tǒng)搭建完成之后，要對數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)測試。測試內(nèi)容包括系統(tǒng)中對攝像機(jī)及其云臺操作的控制測試，看其控制操作是否靈敏，穩(wěn)定；攝取的視頻信號和拾取的音頻信號是否失真，信噪比是否偏大；硬盤錄像機(jī)所采集壓縮的視頻數(shù)字信號是否丟幀現(xiàn)象嚴(yán)重，清晰度不夠；在這些測試完成之后，應(yīng)該還要關(guān)注的一點就是視頻服務(wù)器在校園網(wǎng)范圍內(nèi)的媒流體服務(wù)是否流暢，不然建設(shè)基于校園網(wǎng)的數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)將失去了意義。

四、安全性與可靠性

基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)的安全性也是相當(dāng)重要的，在系統(tǒng)設(shè)計中，既考慮信息資源的充分共享，更要注意信息的保護(hù)和隔離，因此系統(tǒng)應(yīng)分別針對不同的應(yīng)用和不同的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，采取不同的措施，包括系統(tǒng)安全機(jī)制、數(shù)據(jù)存取的權(quán)限控制等。

1.數(shù)據(jù)安全方面，可以在條件容許的范圍內(nèi)，硬盤錄像機(jī)采用雙機(jī)主備的，以確保視頻錄像壓縮的安全，服務(wù)器可以采用帶有冗余磁盤陣列的雙服務(wù)器結(jié)構(gòu)，來確保服務(wù)器的可靠性。正常情況下主服務(wù)器工作，備用服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視主服務(wù)器的工作情況，一旦發(fā)現(xiàn)主服務(wù)器不能正常工作，備用服務(wù)器接管主服務(wù)器的工作，確保數(shù)據(jù)提供的暢通性，因為服務(wù)器不僅提供訓(xùn)練情況錄像的再現(xiàn)點播回放服務(wù)，還提供訓(xùn)練情況視頻資料的下載任務(wù)。

2.對于數(shù)據(jù)存取權(quán)限應(yīng)該根據(jù)不同需要的類型，設(shè)定不同的數(shù)據(jù)訪問與存取的權(quán)限等級，來防止文件被破壞；另外還應(yīng)在所要應(yīng)用的計算機(jī)和服務(wù)器，安裝防火墻，來訪止來自網(wǎng)絡(luò)黑客的攻擊，安裝殺毒軟件，防止系統(tǒng)感染病毒。總之安裝防火墻、殺毒軟件及數(shù)據(jù)存取權(quán)限都是為了提高數(shù)據(jù)的安全性，以便為師生服務(wù)。

充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)，營造良好的教學(xué)技能訓(xùn)練環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的積極主動性、全身心全方位的參與到教學(xué)技能的訓(xùn)練中去，提高學(xué)生教學(xué)技能的訓(xùn)練。文中根據(jù)微格教學(xué)訓(xùn)練的特性，對于搭建網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化微格教學(xué)系統(tǒng)，做了一個粗淺的介紹，為師范院校的基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化微格教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)提供一點可以參考建議。

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