消費級技術(shù)架構(gòu)的跨國遠(yuǎn)程教學(xué)方案與實踐*

□ 張云川 Robert J. Boncella Michael Stoica

一、引言

隨著國際學(xué)術(shù)交流的日益增加，各國許多高校之間建立了良好的合作關(guān)系，不少高校在課程、講座、專題報告等層次上展開了跨國教學(xué)合作。雖然目前跨國高校教師互訪已經(jīng)日益頻繁，但從一國到另一國去授課所需的時間、經(jīng)費及出入境手續(xù)仍是各國教師都面臨的現(xiàn)實問題。一些高校已經(jīng)探索和實踐了使用電視電話會議、網(wǎng)絡(luò)視頻等遠(yuǎn)程教學(xué)手段來開展跨國教學(xué)活動。這些嘗試為更加頻繁和多層次、多樣化的跨國教學(xué)打下了基礎(chǔ)。但是，現(xiàn)有文獻(xiàn)中提到的遠(yuǎn)程教學(xué)手段大都依賴于較為專業(yè)的設(shè)備甚至專業(yè)的技術(shù)人員，多用于支持校級或院級教學(xué)改革示范項目，但不易在更多的課程中推廣使用。

本文提出的使用消費級技術(shù)進(jìn)行跨國網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)的方案，2009年至2013年間已經(jīng)在5門課程中多次應(yīng)用，實踐證明，不但設(shè)備投資極少，而且非信息技術(shù)人員也可以自行安裝、調(diào)試和應(yīng)用，易于推廣。

二、現(xiàn)有文獻(xiàn)中的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)方案

網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)可用的技術(shù)手段很多，如課程網(wǎng)站上提供的課件下載、教學(xué)視頻下載、網(wǎng)上論壇、社交媒體等。其中，雙向音、視頻實時交流的授課方式最接近教師面授的效果，其他方式則能起到補(bǔ)充作用[1]，本文討論的主要是遠(yuǎn)程實時視頻教學(xué)。目前所見的遠(yuǎn)程實時視頻教學(xué)大體有兩類技術(shù)實現(xiàn)方案：一類是直接使用專業(yè)視頻會議設(shè)備，另一類則做了較多的自行開發(fā)。

第一類方案如廣東外語外貿(mào)大學(xué)、日本立命館大學(xué)、韓國東西大學(xué)等合作開展的以社會文化現(xiàn)象討論為主題的遠(yuǎn)程課程，使用寶利通（Polycom）視頻會議裝置實現(xiàn)多點間的信息交互實時傳輸[2]；香港理工大學(xué)與加拿大哥倫比亞大學(xué)溫哥華分校的遠(yuǎn)程教學(xué)中使用基于ISDN線路的視頻會議系統(tǒng)來傳輸雙向音、視頻，再加上用微軟NetMeeting軟件通過互聯(lián)網(wǎng)來實時傳輸PowerPoint頁面[3]。此類方案最大的優(yōu)點是可適應(yīng)不同通信節(jié)點規(guī)模的應(yīng)用，最簡單的情況下兩個遠(yuǎn)程節(jié)點各安裝一臺設(shè)備并接入互聯(lián)網(wǎng)就能開視頻會議，而節(jié)點數(shù)量很多時也有對應(yīng)的解決方案，如某公司的視頻會議管理平臺可支持多達(dá)25,000個并發(fā)會話、最多64個視頻服務(wù)器及75,000個設(shè)備注冊。此方案需要較多的資金投入，如前述的廣東外語外貿(mào)大學(xué)僅設(shè)備部分就投入了37萬元人民幣，日本立命館大學(xué)僅更新設(shè)備就投資了300萬日元，韓國東西大學(xué)的設(shè)備投資額不詳；中日兩校各有一名技術(shù)人員，支持講課的老師[4]。

第二類方案如清華大學(xué)、京都大學(xué)和馬來西亞大學(xué)開展的以環(huán)境保護(hù)為專題的共同教學(xué)項目，既使用了基于Polycom或Tandberg的專業(yè)視頻會議平臺，又由項目組的IT人員自行研發(fā)設(shè)計幻燈片共享系統(tǒng)和對話系統(tǒng)，并在應(yīng)用中不斷修改和完善[5]。此類方案的突出優(yōu)點是系統(tǒng)界面和功能可定制，更有可能與教學(xué)管理系統(tǒng)及課程網(wǎng)站融為一體，但目前這些自行開發(fā)的平臺還沒有轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的產(chǎn)品。

在其他國家的一些實踐中，開展網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)也需要投入專業(yè)設(shè)施，如美國得克薩斯州的兩所大學(xué)間開展遠(yuǎn)程教學(xué)時用到了以下設(shè)備：視頻系統(tǒng)（含顯示器和攝像頭），每個學(xué)生的工作臺（含話筒），教師的控制臺（含視頻展臺、錄像帶播放機(jī)、混音器以及一個選擇信號源的觸控板），為此兩所大學(xué)都投入了資金，還有私人捐贈和其他贊助資金。教師需要接受專門的培訓(xùn)才能學(xué)會使用這一復(fù)雜的系統(tǒng)[6]。

支持跨國遠(yuǎn)程教學(xué)的多種技術(shù)方案早已有之，但為什么此類遠(yuǎn)程教學(xué)還遠(yuǎn)未達(dá)到普及應(yīng)用的程度呢？主要原因可能是國際合作、教學(xué)內(nèi)容選擇、教學(xué)效果保障等方面的困難，不過，現(xiàn)有技術(shù)方案較難推廣應(yīng)用也是原因之一。實證研究發(fā)現(xiàn)，技術(shù)接受模型（Technology Acceptance Model,TAM）可以很好地解釋教育技術(shù)的采納及應(yīng)用，在此模型中“感知到的有用性”和“感知到的易用性”是影響技術(shù)推廣最重要的兩個因素（如圖1所示）[7]。

圖1經(jīng)典的技術(shù)接受模型

感知到有用和易用需要兩個條件，一是技術(shù)本身確實有用、易用；二是決策者和技術(shù)使用者能通過一手信息或二手信息來感知。各種文獻(xiàn)、學(xué)術(shù)報告、規(guī)定等二手信息乃至于理性的思辨固然有助于人們感知遠(yuǎn)程教育技術(shù)的價值和應(yīng)用的難易程度，但通過觀察或親身體會得來的一手信息更便于人們迅速地對有用性和易用性做出判斷。

大量文獻(xiàn)已報道了遠(yuǎn)程教學(xué)技術(shù)手段的成功應(yīng)用，不過在具體的學(xué)校、院系和課程中決策是否使用這些手段時，由于多數(shù)決策者沒有親身體會，他們感知到的有用性有限，而使用專業(yè)設(shè)施所需的設(shè)備投入、教室改造、人員培訓(xùn)等方面的開銷則顯而易見，也就是說感知到的有用性不高、感知到的易用性很低，那么采納遠(yuǎn)程教學(xué)的意愿也就較低了。呈現(xiàn)出的事實就是迄今為止遠(yuǎn)程教學(xué)在中國還沒有得到普及應(yīng)用，在美國高校的應(yīng)用也有限。

三、基于消費級技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)方案

1.基本模型

雙向?qū)崟r音、視頻交互的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)基本模型如圖2所示。

圖2遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的基本模型

一個基本的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)至少應(yīng)有一個教師端和一個學(xué)生端，兩端都有話筒和攝像頭等設(shè)備采集音、視頻信號，交由本地處理和通信設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮、轉(zhuǎn)換和收發(fā)。視聽設(shè)備用于重現(xiàn)收到的音、視頻數(shù)據(jù)；互聯(lián)網(wǎng)是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x媒介；會話管理設(shè)施的主要功能是為通信雙方提供信令（Signaling），交換IP地址、Socket端口和其他會話參數(shù)。

過去長期使用專業(yè)設(shè)備來支持遠(yuǎn)程實時視頻教學(xué)的主要技術(shù)原因是教學(xué)需要高質(zhì)量的音、視頻，而采用專業(yè)設(shè)備可以實現(xiàn)對音、視頻信號的實時硬件壓縮/解壓縮；在缺乏公共信令服務(wù)的情況下，在教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部配備會話管理設(shè)施（如Polycom等公司的MCU）才能保障教學(xué)順利進(jìn)行。

不過，隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，消費級產(chǎn)品和服務(wù)已經(jīng)達(dá)到了承載遠(yuǎn)程教學(xué)所需的質(zhì)量和可靠性。本遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的核心部分是Skype軟件和服務(wù)。2006年1月，Skype就已支持320×240像素的雙向視頻，接近VCD的畫質(zhì)；2007年12月開始支持640×480像素的雙向視頻，畫質(zhì)明顯高于VCD，完全滿足了教室環(huán)境的遠(yuǎn)程教學(xué)需要；2010年1月開始支持1280×720像素的高清視頻，已經(jīng)可以用于精細(xì)的實驗過程遠(yuǎn)程教學(xué)；2012年2月開始支持1920×1080像素的全高清視頻，由于采用高壓縮率的h.264編碼，對承載網(wǎng)絡(luò)的需求不高于流行的企業(yè)級視頻會議技術(shù)的要求。在本方案中“本地處理和通信設(shè)備”就是安裝了Skype軟件的計算機(jī)，遠(yuǎn)程教學(xué)各方不需要自建“會話管理設(shè)施”，直接使用Skype會話管理設(shè)施提供的服務(wù)。

2.實施方案

本文討論兩種備選的教學(xué)場景：場景1，教師在某地講授，遠(yuǎn)程的學(xué)生分別坐在各自的計算機(jī)前聽課并通過電子舉手等方式進(jìn)行討論；場景2，教師在某地講授，遠(yuǎn)程的學(xué)生集中在一間教室里聽課。由于我們解決的是為在校生授課的問題，場景2更接近師生的日常教學(xué)活動，是一個更加合理的選擇。如圖3所示，本方案使用兩條Skype通道分別支持師生雙方的音、視頻和計算機(jī)桌面。

圖3遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的實施方案

其中Skype A1-B1用于傳輸教學(xué)場景，兩只攝像頭分別采集授課教師和教室中學(xué)生的實時視頻圖像，兩端的話筒用于雙向的語音傳輸。Skype A2-B2用于將教師端的PowerPoint幻燈片及計算機(jī)操作傳輸?shù)浇淌遥瑹o需使用攝像頭和話筒；在教師端用Skype的“共享桌面”或“共享窗口”功能采集計算機(jī)屏幕上的圖像并傳輸出去，在教室里用投影機(jī)或其他設(shè)備顯示收到的圖像。

3.性能評價

采用Skype本身的功能查看傳輸參數(shù)，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下傳輸?shù)臄z像頭視頻都為640×480像素，30幀/秒；屏幕共享的PowerPoint為1024×768像素，30幀/秒；遠(yuǎn)程交談時沒有感受到明顯的不自然，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)視頻會議的一般經(jīng)驗估計，端對端單向時延應(yīng)在150ms以內(nèi)[8]。由于Skype傳輸?shù)氖菈嚎s后的數(shù)據(jù)，所以實際傳送的數(shù)據(jù)量與內(nèi)容的關(guān)系很大。根據(jù)校園網(wǎng)流量管理系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)計算，在一次遠(yuǎn)程教學(xué)中，音視頻及PowerPoint兩個通道的上下行流量合計平均為121kB/s；而另一次教學(xué)過程中，僅使用音視頻通道產(chǎn)生的上下行流量合計就達(dá)到了平均189kB/s。

在所有的教學(xué)過程中，教師所用計算機(jī)和教室中計算機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)的上下行帶寬都高于1M，但兩端間實際可用帶寬受互聯(lián)網(wǎng)影響，是終端用戶無法控制的。中美之間的遠(yuǎn)程教學(xué)多安排在中國的早上/美國的晚上；美國與土耳其之間的教學(xué)多安排在美國的上午/土耳其的下午及傍晚。中-美和美-土之間的教學(xué)中都出現(xiàn)過因網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量下降影響傳輸質(zhì)量的情況，質(zhì)量下降首先體現(xiàn)為畫面刷新率降低，然后是畫面分辨率降為320×240像素，最嚴(yán)重的情況下會導(dǎo)致Skype連接中斷。不過，師生對話的音質(zhì)一般都能得到保證，即使發(fā)生連接中斷的特殊情況，通常重新連接就可恢復(fù)畫面質(zhì)量，從未發(fā)生過中斷教學(xué)超過60秒的現(xiàn)象。有少數(shù)學(xué)校使用ISDN線路來支持跨國遠(yuǎn)程教學(xué)，但租用跨國專線或撥號線的費用都很高，近年來常見的做法都是通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)端-端傳輸。隨著全球互聯(lián)網(wǎng)帶寬的持續(xù)增加，特別是下一代互聯(lián)網(wǎng)已連接了越來越多的高校，通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸實時遠(yuǎn)程教學(xué)的音、視頻信號也更加穩(wěn)定、可靠[9]。

四、教學(xué)組織與效果評價

遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)是伴隨著教學(xué)實踐建立起來并不斷優(yōu)化的。初期，使用Skype為主要工具開通了中美雙方“管理學(xué)院-商學(xué)院”之間的視頻會議，讓雙方學(xué)院負(fù)責(zé)人能即時商討合作中的具體事項，促成了其后的國際聯(lián)合實習(xí)、雙向授課等教學(xué)合作及其他合作；在這種視頻會議中只需要單通道的雙向音、視頻傳輸。正式的雙通道課程教學(xué)經(jīng)歷了以下三個階段：

1.小規(guī)模課堂應(yīng)用

圖3所示的方案首次應(yīng)用于美方教師在中方的研究生課程《信息技術(shù)管理》中做的一次客座講座。這一次嘗試僅涉及5名學(xué)生，2個學(xué)時；在技術(shù)上雙方都只用到了教師的兩臺計算機(jī)、外接小型有源音箱、簡易駐極體話筒、普通攝像頭等設(shè)備及現(xiàn)成的校園網(wǎng)線路，無需額外投入設(shè)備；在教學(xué)管理上，由于涉及的學(xué)生和學(xué)時不多，對整個教學(xué)過程及教學(xué)秩序不會造成大的影響；中方課前向?qū)W院報備立刻就得到了批準(zhǔn)，美方則無需報備。在此次應(yīng)用中雖然上課教師的視頻圖像偶有模糊，但語音始終清晰；教師共享的桌面能實時傳遞到教室，多數(shù)情況下PPT翻頁和鼠標(biāo)指針的移動都與講解保持同步。僅當(dāng)視頻圖像模糊時共享桌面的傳輸也出現(xiàn)延遲，說明此時教師端和教室端之間的實際網(wǎng)絡(luò)帶寬不足，不過通常幾分鐘之內(nèi)就能恢復(fù)正常。

本方案的第二次應(yīng)用是由中方教師在美方的一門MBA課程中做客座講座，僅有8名學(xué)生，遠(yuǎn)程教學(xué)的技術(shù)實現(xiàn)與第一次相似，主要的變化是這一次教師在中國而教室在美國。

2.大課堂的應(yīng)用

小課堂、短時間的遠(yuǎn)程教學(xué)取得成功后，兩個學(xué)院將一門36學(xué)時的本科生課程分為24學(xué)時的跨國遠(yuǎn)程授課部分和12學(xué)時的現(xiàn)場授課部分，用本方案支持遠(yuǎn)程授課。教師端沒有明顯的技術(shù)變化，教室端則在一間80座的教室里，用兩臺投影儀分別顯示教師的視頻和實時的PPT畫面，以便讓76名學(xué)生都能看到；為得到更好的視頻采集效果，教室里使用了帶自動對焦鏡頭的攝像頭。一開始使用攝像頭集成的話筒來采集教室里的聲音，在進(jìn)行技術(shù)測試時收音效果良好，但正式上課時卻并不理想，教師反饋說“能聽到教室里所有的聲音，但聽不清任何一位學(xué)生的聲音”，分析認(rèn)為攝像頭集成的話筒靈敏度較高，指向性不強(qiáng)，要有安靜的拾音環(huán)境或音源足夠近才能得到合適的信噪比，大教室里學(xué)生與攝像頭話筒的距離較遠(yuǎn)，也很難保證環(huán)境絕對安靜，所以這種話筒不適于大教室。從第二堂課開始在教室里使用了2只無線話筒，拾音效果立刻得到了改善。

學(xué)生人數(shù)增加且使用無線話筒又產(chǎn)生了新的問題。多數(shù)中方學(xué)生由于語言障礙等因素本來就不太積極發(fā)言，現(xiàn)在發(fā)言之前還需要主動向其他同學(xué)索取無線話筒，進(jìn)一步壓抑了他們發(fā)言的意向，結(jié)果導(dǎo)致積極與教師互動的只是少數(shù)學(xué)生。為此，進(jìn)一步優(yōu)化了教室里的拾音系統(tǒng)，用一臺消費級USB數(shù)字混音器代替了計算機(jī)內(nèi)置聲卡。由于是為家用設(shè)計，此混音器的操作十分簡便；通過它接入了4只無線話筒和1只有線話筒，能讓更多的學(xué)生更方便地與教師交流。不過發(fā)現(xiàn)技術(shù)上的這一點改進(jìn)并沒有顯著增強(qiáng)學(xué)生主動交流的積極性。授課教師根據(jù)中國學(xué)生的特點改變了教學(xué)方式，一方面鼓勵學(xué)生發(fā)言，另一方面經(jīng)常點名讓學(xué)生回答問題，促使更多的學(xué)生參與課堂互動。

3.更多遠(yuǎn)程應(yīng)用

中美之間的教學(xué)驗證了上述方案的可行性，隨后，美方一位教師用此方案進(jìn)行了美國-土耳其之間的遠(yuǎn)程授課；中方一位教師用此方案建立了教學(xué)通道，讓一位廣州的企業(yè)家能夠遠(yuǎn)程給武漢的學(xué)生做嘉賓演講。值得指出的是，最初實驗本方案的中美兩位教師都有信息技術(shù)（IT）專業(yè)背景，但其他使用此方案的教師和教學(xué)輔助人員都沒有IT背景。教師端的設(shè)置相對較簡單，一位營銷學(xué)教授在出差時也能獨自一人用兩臺筆記本電腦通過酒店的網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)向國外授課。教室端的設(shè)置相對復(fù)雜，但非IT相關(guān)專業(yè)的助教也能在1-2小時內(nèi)掌握設(shè)置的方法。在多學(xué)時多次給一個學(xué)生班授課的情形下，可以由學(xué)生助手進(jìn)行課前準(zhǔn)備工作。在實踐中，先后四屆工商管理專業(yè)的學(xué)生都可以在助教指導(dǎo)1-2次后就能獨立完成設(shè)置工作。

4.技術(shù)采納與改進(jìn)

在4年的教學(xué)實踐中，對教室端的技術(shù)方案所作的改進(jìn)，其演進(jìn)路線如表1所示。

表1技術(shù)方案演進(jìn)路線

Davis的TAM模型解釋了有用性和易用性對技術(shù)采納意愿和行為的影響，但尚未討論技術(shù)的改進(jìn)。實踐表明，當(dāng)某項技術(shù)得到采納并投入應(yīng)用后，人們能更加直觀地感受到其有用性，從而更有意愿對技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，我們將TAM模型修訂為技術(shù)接受與改進(jìn)模型（Technology Acceptance and Improvement Model,TAIM）來反映這一過程（如圖4所示）。其中，虛線部分在技術(shù)接受的初期起作用，實線部分在技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)過程中起作用。

圖4技術(shù)接受與改進(jìn)模型

五、結(jié)論與展望

根據(jù)技術(shù)接受模型，感知到的有用性與感知到的易用性都對技術(shù)的采納有影響。本文提出了一種基于消費級技術(shù)的遠(yuǎn)程教學(xué)實施方案。該方案以Skype為核心組件，在普通辦公和教學(xué)條件的基礎(chǔ)上僅投入很少費用就可以實施，從而能讓決策者直觀地感受到遠(yuǎn)程教學(xué)的有用性；同時，由于采用的技術(shù)本身是面向消費者的，所以設(shè)置和操作都較容易掌握，解決了遠(yuǎn)程教學(xué)合作者感知到的易用性問題。

本方案初期應(yīng)用于中美兩校之間的客座講座，后來發(fā)展到跨國進(jìn)行教學(xué)計劃內(nèi)的大班授課，以及美國-土耳其之間的授課和中國國內(nèi)不同城市之間的授課。此方案能很好地支持一位教師向遠(yuǎn)程教室中的大量學(xué)生授課，學(xué)生能同時看到教師的實時視頻和電腦桌面；授課教師也能看到教室里的實時場景，聽到學(xué)生的反饋或提出的問題；師生互動非常自然。跨國遠(yuǎn)程教學(xué)除了需要使用技術(shù)手段外，還需要考慮語言差異和師生間的文化差異，教師在用本方案授課時不需考慮太多復(fù)雜的技術(shù)問題，能將更多的注意力集中在傳授知識、組織討論等更重要的問題上。實踐證明該方案易于采納和實施，效果穩(wěn)定、可靠。教育工作者在使用該方案時可以直觀地感受到遠(yuǎn)程教學(xué)的有用性，這種體驗又可以推動對方案的修改和完善，使之適用于更多的場景。

利用微軟提供的Skype URIs等機(jī)制，可以在本方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)與教務(wù)系統(tǒng)、教學(xué)論壇及其他教學(xué)資源的無縫集成。由于底層技術(shù)只支持不超過10個節(jié)點間的同時會話，規(guī)模擴(kuò)展性有限，本研究只實踐了教師-教室之間的遠(yuǎn)程授課。如果需要教師向分散在各地的學(xué)生授課，則仍需考慮使用專業(yè)視頻會議設(shè)備方案。

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