兩類虛擬教室整合技術(shù)與應(yīng)用的研究

張小群　申耀新

【摘要】虛擬教室是遠程教學的重要技術(shù)平臺之一。文章介紹了對基于天氣預(yù)報視頻會商及會議系統(tǒng)和基于互聯(lián)網(wǎng)的兩類虛擬教室進行整合的方法。通過對系統(tǒng)、教學資源、教學應(yīng)用等進行互聯(lián)、融合，構(gòu)建跨平臺的復合型虛擬教室系統(tǒng)，實現(xiàn)功能互補和提升。本文還介紹了利用復合型虛擬教室開展具有氣象特色的面向預(yù)報員的“績效導向型課程”的教學案例。

【關(guān)鍵詞】視頻會商及會議系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)虛擬教室；整合；遠程教育；教學案例

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2009）05—0103—05

一 前言

遠程教育已跨入現(xiàn)代遠程教育時代即E-Learning時代。在其相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施中，虛擬教室是非常重要的技術(shù)平臺。所謂虛擬教室（Virtual Classroom）就是應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)方法建立一個虛擬的、可交互的教學系統(tǒng)，通過模擬傳統(tǒng)的課堂教學功能，為身處異地的師生提供一個教與學的環(huán)境。國內(nèi)外專家學者對虛擬教室和虛擬教學的研究指出，創(chuàng)建虛擬教室的方法主要有兩大類。一類是基于視頻會議系統(tǒng)的虛擬教室系統(tǒng)，通過視頻會議的支持功能開展遠程教學和交互；另一類是按照計算機支持的協(xié)同工作理論(CSCW)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬教室系統(tǒng)。兩類虛擬教室雖然各具優(yōu)勢并獲得廣泛的應(yīng)用，但是都存在若干局限性，不能完全滿足遠程教學的需求[1]。將這兩類虛擬教室進行互聯(lián)、融合以實現(xiàn)功能互補和提升，可以為虛擬教學提供更多的支持。然而，由于虛擬教室建設(shè)的標準化程度差、軟硬件系統(tǒng)不兼容等原因，對整合技術(shù)和應(yīng)用還存在探索和實驗的必要性。

由于氣象業(yè)務(wù)科技含量高、人員分散等原因，中國氣象局一貫重視通過遠程教育開展各類業(yè)務(wù)培訓并且收到了良好的效果。中國氣象局培訓中心按照建構(gòu)主義等現(xiàn)代教育理念建立了“氣象遠程教育培訓系統(tǒng)” [2]，其中的兩個子系統(tǒng)即依托全國天氣預(yù)報視頻會商及會議系統(tǒng)的“氣象遠程直播教學子系統(tǒng)”和基于互聯(lián)網(wǎng)的“氣象遠程實時交互子系統(tǒng)”實現(xiàn)了上述兩類虛擬教室的功能。建成初期，兩套子系統(tǒng)獨立運行使用。氣象遠程直播教學子系統(tǒng)用于全國氣象部門大范圍的全員培訓；氣象遠程實時交互子系統(tǒng)用于網(wǎng)絡(luò)實時答疑。通過教學實踐，我們逐步認識到這兩個系統(tǒng)在功能上具有互補性。經(jīng)過探索和試驗，將兩個系統(tǒng)進行互聯(lián)，形成了跨平臺的復合型虛擬教室系統(tǒng)，在氣象遠程培訓教學中發(fā)揮了重要作用。

二 氣象遠程教育的兩類虛擬教室

1 基于天氣預(yù)報視頻會商及會議系統(tǒng)的虛擬教室系統(tǒng)

該系統(tǒng)是由氣象遠程直播教室（簡稱直播教室）與全國天氣預(yù)報視頻會商及會議系統(tǒng)聯(lián)合組成，具備多媒體教學支持、教學實況播出和遠程實時交互等功能。各省級氣象局設(shè)有遠程互動教室（天氣預(yù)報會商室）用于組織學員參加音視頻交互式學習；而地、縣基層氣象臺站則通過衛(wèi)星單收站組織收視學習。這種方式的培訓覆蓋面可達全國2000多個氣象臺站。

天氣預(yù)報視頻會商及會議系統(tǒng)（簡稱：視頻會商系統(tǒng)、WFVCS）是通過衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面寬帶網(wǎng)聯(lián)合組網(wǎng)的方式，利用先進的網(wǎng)絡(luò)管理和音視頻技術(shù)建設(shè)的氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)。它能提供多點間的語音、圖像、圖形、文字和視頻的多媒體實時交互，為預(yù)報員提供身臨其境的會商環(huán)境。系統(tǒng)應(yīng)用了基于衛(wèi)星的IP/DVB、基于地面寬帶的MCU等技術(shù)及ITU-TH.320、H.323等標準，同時它也為氣象遠程培訓提供了一個很好的應(yīng)用環(huán)境。

直播教室配備的設(shè)備按功能可以分為：多媒體授課設(shè)備，包括教師計算機、大屏幕投影機、數(shù)字展臺等。教學實況采集設(shè)備，包括多臺攝像機及多路麥克、錄像機和流媒體課件采集機等。監(jiān)控設(shè)備有中控機、音視頻矩陣、VGA矩陣、特技臺、調(diào)音臺、電視墻等。

直播教室與視頻會商系統(tǒng)通過雙向音視頻光端機、VGA光端機和光纖連接。直播教室教學場景（3路視頻、1路VGA和1路音頻信號）通過視頻會商系統(tǒng)，向省級站作點對點發(fā)送并向地縣級氣象局單收站和中國氣象局園區(qū)內(nèi)部網(wǎng)廣播。同時，直播教室可以接收視頻會商系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的4個省級站的信號在直播教室播放，實現(xiàn)雙向?qū)崟r交互，使身處異地的師生同處一個虛擬學習環(huán)境（見圖1）。

視頻會商系統(tǒng)使用專用的寬帶網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因此具有信號質(zhì)量高、可靠性好并能利用天氣預(yù)報會商中豐富的多媒體資源的優(yōu)點。但是，固定的場所、復雜的專用接收設(shè)備以及可擴展性差使它的使用范圍受到限制，實時交互范圍只能局限在直播教室與各省級天氣預(yù)報會商室的師生之間。

2 基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬教室系統(tǒng)

氣象遠程教育培訓系統(tǒng)的遠程實時交互子系統(tǒng)是在互聯(lián)網(wǎng)上構(gòu)建的一個可交互的多媒體教學系統(tǒng)。在功能設(shè)計上充分考慮了培訓對象、學習環(huán)境和氣象部門對教育培訓的需求，體現(xiàn)出氣象類培訓的教學內(nèi)容與方式的特點。按照網(wǎng)絡(luò)教學平臺的分類[3]，我們選擇了“溝通核心模式”。教學支持功能注重教學過程的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，學習支持功能對應(yīng)“引領(lǐng)式學習模式”。課程重在通過教師的引導促進學生主動學習并通過溝通協(xié)作學習。在構(gòu)建虛擬教室環(huán)境時,注重學習內(nèi)容呈現(xiàn)和交流互動功能，因而具有面向授課型及面向協(xié)作活動研究型二類教學平臺的特點。主要功能結(jié)構(gòu)見表1。

與張偉遠等[4]對國際上網(wǎng)絡(luò)教學平臺功能的劃分相比較，本系統(tǒng)的功能涵蓋了其虛擬教學功能并具有若干特色。例如，白板交互是獨有的白板捕獲設(shè)備和技術(shù)，能實時捕獲教師在白板上的書寫內(nèi)容并支持多人標注；屏幕廣播可以方便地將教師桌面操作情況共享給網(wǎng)絡(luò)虛擬課堂中的所有成員，從而實現(xiàn)協(xié)同工作；支持課堂主持人、助教和學生3種角色的動態(tài)切換，形成一個既活潑又有序的互動虛擬課堂環(huán)境。在以往的遠程教學中，不僅有“一對多”的輔導答疑，而且還開展了“多對多”(即身處異地的多名教師共同面對全國氣象部門學員)的答疑、討論，在教學實踐中收到了良好的效果。網(wǎng)絡(luò)虛擬教室桌面如圖2所示。

系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)還包括計算機支持的協(xié)同工作、多媒體信息處理、流媒體、多媒體同步、多媒體通信及遠程教學平臺集成等，這些均為國內(nèi)外遠程教學環(huán)境建設(shè)的主要技術(shù)[5]。采用分布式的C/S和開放式體系架構(gòu)，通過互聯(lián)網(wǎng)在全國多點安裝部署分布式服務(wù)器，以滿足大量學員的實時在線訪問，能夠按照預(yù)先確定的訪問策略進行用戶管理并自動調(diào)節(jié)服務(wù)器的負載均衡，創(chuàng)新實現(xiàn)了在互聯(lián)網(wǎng)上運行的大規(guī)模用戶的多媒體互動通信平臺功能。客戶端只需要通過瀏覽器訪問指定的服務(wù)器，經(jīng)過身份驗證和權(quán)限認證后就可自動下載和安裝客戶端軟件并與服務(wù)器進行通信。系統(tǒng)運行管理流程如圖3所示。

其中，多媒體通信技術(shù)的核心是基于互聯(lián)網(wǎng)的多媒體通信及廣播平臺IMCC （Internet-based Multimedia Communication and Cast）技術(shù)。它融合了自適應(yīng)層次式IP多播、分布式實時多點通信數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，提供在互聯(lián)網(wǎng)上運行的支持大規(guī)模用戶的多媒體互動通信功能。 包含以下主要功能模塊：多點多媒體交換模塊，在T.120標準協(xié)議基礎(chǔ)上，提供基于互聯(lián)網(wǎng)的實時多點數(shù)據(jù)通信服務(wù)，能夠智能高效地根據(jù)任務(wù)請求找到最優(yōu)路徑，然后發(fā)送數(shù)據(jù)包到目標接收端；多點通信數(shù)據(jù)庫模塊是基于交換機制、分布在多個點的通信數(shù)據(jù)庫，用于交換和保存多點數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)資源數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)和歷史多媒體數(shù)據(jù)，幫助同類客戶端發(fā)現(xiàn)共同的通信資源，從而迅速建立起多點通信的環(huán)境，使用戶能在離自己最近的服務(wù)器取得數(shù)據(jù)；還有數(shù)據(jù)包過濾器、入侵檢測管理器等。

三 兩類虛擬教室系統(tǒng)整合方案

氣象遠程培訓目標主要是針對氣象部門各崗位人員進行新業(yè)務(wù)、新技術(shù)的培訓。培訓內(nèi)容與氣象業(yè)務(wù)裝備和氣象綜合探測資料、模式計算資料等密切相關(guān)。不同程度和業(yè)務(wù)知識水平的學員對授課內(nèi)容和交互支持功能都提出了較高的要求。基于視頻會商系統(tǒng)的虛擬教室具有較強的授課支持功能和與氣象資源的鏈接功能，但其交互功能因受到點對點傳送數(shù)量的限制而偏弱，學習方式也不夠靈活；基于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬教室具有較強的交互能力和靈活的學習方式，但是，由于氣象實時業(yè)務(wù)資源系統(tǒng)是高可靠性的封閉系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)虛擬教室不能訪問和使用其中的資源，因而教師授課支持功能受到限制。將兩類虛擬教室系統(tǒng)進行整合，在保留獨立使用各項功能的前提下，構(gòu)建跨平臺的復合型虛擬教室系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)功能互補和大幅度提高培訓覆蓋面。

整合的內(nèi)容包括三個層面：即對系統(tǒng)硬件和軟件的整合、對遠程教學支持功能的整合和對復合型虛擬教室與教學模式和方法的整合。有兩種可供選擇的整合技術(shù)路線。一是以直播教室為紐帶的系統(tǒng)整合路線，二是以網(wǎng)絡(luò)虛擬教室為核心的整合路線。從有利于教學資源融合、授課支持、交互學習、提高信號質(zhì)量等方面綜合考慮，選擇以直播教室為紐帶進行系統(tǒng)整合，對相關(guān)功能和資源進行集成。結(jié)構(gòu)參見圖4。

1 教學支持功能整合

圖4直觀地表達了在遠程教學支持功能整合方面的三個內(nèi)容，即授課支持、資源調(diào)用及實時交互功能的整合。

整合授課支持功能。在直播教室系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，集成網(wǎng)絡(luò)虛擬教室教師系統(tǒng)、氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)等。教師授課不再局限于電子講稿，可以通過設(shè)置大量聯(lián)系實際的情景、進行仿真的操作示范等，使授課形式多樣化，對學習者產(chǎn)生更大吸引力和更多的視覺刺激。教師機上多任務(wù)的顯示內(nèi)容，可以通過使用屏幕廣播或由控制臺進行多屏或多分屏呈現(xiàn)給各類學員。

整合資源調(diào)用功能。獲得授權(quán)后，直播教室通過對氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的訪問能夠獲取大量可用于教學的資源，但是由于格式、標準等原因不能直接在虛擬教室系統(tǒng)中應(yīng)用，需要進行格式轉(zhuǎn)換、內(nèi)容轉(zhuǎn)儲等處理。例如將視頻、VGA信號采集成流媒體或Flash素材。特別是運用衛(wèi)星、雷達、自動氣象站等高科技探測手段以及高性能計算和資料處理的技術(shù)方法獲得的海量氣象信息、由國家及各省級預(yù)報專家進行的天氣預(yù)報會商活動及國內(nèi)、外氣象專業(yè)學術(shù)會議內(nèi)容，這些都是非常寶貴的培訓教學、學員知識建構(gòu)的資源。經(jīng)過篩選、分類，可以不斷充實教學案例資源庫，提供給虛擬教學的各環(huán)節(jié)使用。

整合實時交互方式。復合型虛擬教室系統(tǒng)不僅擴大了教學活動覆蓋面，而且使音視頻交互的對象擴展到由教師、省級遠程教室學員、全國各地網(wǎng)上學員組成的三元結(jié)構(gòu)，使互動結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，形成了多種模式：一對一型、一對多型、多對多型。在音視頻交互的同時還可進行文字交互，為組織互動式教學、協(xié)作式學習提供了有力的支持。在跨平臺的交互中，為避免分散教師的注意力，保證教學流暢、高效地進行，需要系統(tǒng)管理員密切配合教師，為此我們建立了協(xié)同工作流程和規(guī)則。

2 系統(tǒng)硬、軟件整合

直播教室是跨平臺復合型虛擬教室系統(tǒng)硬、軟件整合的紐帶，教師機和控制臺是整合的核心。一是要在教師計算機上安裝網(wǎng)絡(luò)虛擬教室客戶端軟件以及氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用軟件。二是將教師機的VGA輸出經(jīng)控制臺接入視頻會商系統(tǒng)并將視頻會商系統(tǒng)的畫面和聲音經(jīng)控制臺接入教師計算機。三是直播教室要與視頻會商系統(tǒng)主控室協(xié)調(diào)操作，才能提高采集、傳輸質(zhì)量和課堂效率。我們在實踐中不斷試驗解決各種具體問題，比如，要避免將教師計算機輸出的網(wǎng)絡(luò)實時交互遠端的聲音直接接入直播教室現(xiàn)場的擴音系統(tǒng)，否則會在系統(tǒng)中產(chǎn)生嚴重的回音。圖5顯示了視頻和音頻的傳送路徑。

四 復合型虛擬教室應(yīng)用案例設(shè)計

對復合型虛擬教室與教學模式和方法的整合通過教學案例設(shè)計說明。復合型虛擬教室可以融合多種教學模式和方法，提供在現(xiàn)代教育理念指導下的遠程教學活動支持。以下是面向預(yù)報員培訓的“績效導向型課程”教學案例設(shè)計要點。

“績效導向型課程”是面向行業(yè)開展E-Learning的一類課程，其學習的一般目標定位為通過針對性很強的培訓學習，使學員能系統(tǒng)地獲取技能、概念和態(tài)度并轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ骺冃?。它依托網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)、虛擬技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺，引導學員開展自主導向性的學習活動。課程設(shè)計強調(diào)提高培訓績效、學習績效和組織績效。采用系統(tǒng)的方法將課程各要素很好的整合起來，與工作場所的實際條件建立關(guān)聯(lián)，并遵循人的學習規(guī)律，在降低成本的同時使培訓收益最大化[6]。

按照這一理念設(shè)計一個面向天氣預(yù)報人員推廣新的預(yù)報技術(shù)方法的課程。設(shè)計流程包括四個環(huán)節(jié)，即：確定績效目標，分析課程設(shè)計要素，制定課程設(shè)計模型，績效評估。課程突出以下特征：第一，專家引導。聘請優(yōu)秀的預(yù)報專家在復合型虛擬教室授課，內(nèi)容采用綱目式的組織方式，使知識內(nèi)容條理清晰、要點分明；教學重點突出新的概念、流程、規(guī)范、技巧、比較等；課件采用扁平式的模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)容在頁面中一目了然；使用多媒體實況天氣預(yù)報資料開展情景教學；實現(xiàn)各地包括國外名師就地網(wǎng)上授課和輔導。第二，交流互動。組織師生進行遠程教學互動，實施輔導、答疑；學員之間開展協(xié)作學習。例如，各地同級預(yù)報人員在天氣特征的理解和預(yù)報方法應(yīng)用技巧等方面交流，而不同級預(yù)報員在預(yù)報產(chǎn)品制作、解釋預(yù)報、預(yù)報服務(wù)等不同層面的配合等方面交流。第三，實習演練。利用基于視頻會商虛擬教室系統(tǒng)提供的天氣預(yù)報實況資料，通過學員桌面的天氣預(yù)報工作平臺MICAPS系統(tǒng)，開展高頻度、多層次的情景練習。第四，考試測評。利用網(wǎng)絡(luò)虛擬教室提供的在線練習及考試系統(tǒng)進行在線考試，考試結(jié)果記錄于氣象職工全員培訓檔案數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合培訓前后工作績效，對培訓課程及效果進行綜合評價。

不難看出，在組織實施上述績效導向型E-Learning課程教學中，復合型虛擬教室發(fā)揮著不可替代的支撐作用。

五 結(jié)束語

科學技術(shù)的快速發(fā)展促進了學習型社會的建立，E-Learning已成為現(xiàn)代人的一種重要學習方式。我國許多行業(yè)和部門都建成了遠程教育的技術(shù)環(huán)境，對于開展現(xiàn)代遠程教育培訓發(fā)揮了重要作用。一方面，應(yīng)該進一步發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的效益促進教學活動的開展；另一方面，高質(zhì)量的教學和學習活動期盼更好的環(huán)境來支持。因此，在現(xiàn)有平臺的基礎(chǔ)上進行資源整合，充實、提高、擴展其教學支持能力是促進遠程教育發(fā)展的一項重要工作。

經(jīng)過幾年的努力，我國氣象遠程教育事業(yè)發(fā)展很快。通過復合型遠程教學平臺，同時參與學習的學員可達上萬人，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬教室同時參加交互式學習的學員人數(shù)可達到上千人，培訓成效顯著，而且在世界氣象組織（WMO）成員國家中產(chǎn)生了良好影響。伴隨著技術(shù)進步，氣象遠程教育環(huán)境、教學過程的優(yōu)化將不斷向前推進。

參考文獻

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