高校移動(dòng)式自主學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建研究—跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙辰陽(yáng)，徐 明

江蘇師范大學(xué)教育研究院，江蘇 徐州 221116

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，各種移動(dòng)智能終端正逐漸成為個(gè)人與社會(huì)連接的新型信息接入端口。根據(jù)市場(chǎng)研究公司尼爾森發(fā)布的《2013移動(dòng)消費(fèi)報(bào)告》顯示，中國(guó)智能手機(jī)普及率已達(dá)66%［1］。數(shù)量龐大的移動(dòng)智能終端進(jìn)一步促進(jìn)了終端應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這其中就包括了對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)的推動(dòng)。移動(dòng)學(xué)習(xí)是指以無(wú)線移動(dòng)通信設(shè)備獲取教育信息、教育資源和教育服務(wù)的一種新型數(shù)字化學(xué)習(xí)形式［2］。它突破了數(shù)字化學(xué)習(xí)對(duì)“線”的依賴和對(duì)“電腦”的限制，從而突破了時(shí)間、空間的限制，實(shí)現(xiàn)了在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)為任何學(xué)生提供學(xué)習(xí)支持的目的，滿足學(xué)生獲取任何教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)需求。

移動(dòng)學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、資源和平臺(tái)，為學(xué)生傳遞知識(shí)內(nèi)容、創(chuàng)建學(xué)習(xí)環(huán)境，有效地促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)。真正使得學(xué)生在某種特定環(huán)境中學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)少、效果差和效率低等問(wèn)題得到解決，滿足終身化學(xué)習(xí)和個(gè)性化學(xué)習(xí)的要求，方便靈活地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式教學(xué)活動(dòng)。但是，由于移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)的多樣性以及互不兼容性，不同平臺(tái)應(yīng)用軟件的界面風(fēng)格、交互方式、編程語(yǔ)言和編程接口等諸多方面都存在差異［3］，這使得開(kāi)發(fā)者需要針對(duì)不同的使用平臺(tái)設(shè)計(jì)功能相似的學(xué)習(xí)軟件，很大程度上增加了開(kāi)發(fā)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)，在軟件維護(hù)或者更新時(shí)，也造成了不必要的技術(shù)負(fù)擔(dān)。

在考察研究現(xiàn)階段移動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分考慮到移動(dòng)終端的特性，使教學(xué)多媒體資源流暢地運(yùn)行在不同移動(dòng)終端上，為使用不同移動(dòng)終端的學(xué)生構(gòu)建一個(gè)跨平臺(tái)的統(tǒng)一接入門(mén)戶成為移動(dòng)學(xué)習(xí)中亟待解決的問(wèn)題。

1 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

面對(duì)移動(dòng)終端多樣化操作系統(tǒng)和差異化特性的現(xiàn)狀［4］，基于移動(dòng)終端的學(xué)習(xí)系統(tǒng)必須解決跨平臺(tái)難題。解決難題的方案是認(rèn)識(shí)到資源、交互和學(xué)習(xí)本身之間的聯(lián)系，并設(shè)法取得開(kāi)放的、可重用的資源平臺(tái)。設(shè)計(jì)基于Web 2.0的移動(dòng)式跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)，使教學(xué)活動(dòng)在不學(xué)生習(xí)者、不同平臺(tái)之間達(dá)到相對(duì)一致。

跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)需要為用戶提供在不同終端之間的無(wú)縫服務(wù)，既不依賴于操作系統(tǒng)，也不依賴于硬件環(huán)境，如圖1所示。錄像資源可在不同終端中使用，包括智能手機(jī)、平版電腦以及普通PC。在分析移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上探討移動(dòng)式跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，集合不同技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)適應(yīng)不同功能需求的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，遵循網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)形成基于智能移動(dòng)終端的移動(dòng)式跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體方案。

圖1 移動(dòng)跨平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 以學(xué)生為中心 改變以教師為中心的教學(xué)現(xiàn)狀，從關(guān)注教師的“教”轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注學(xué)生的“學(xué)”，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，以移動(dòng)設(shè)備為輔助手段，以課堂錄像視頻為內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣，養(yǎng)成學(xué)生負(fù)責(zé)任的學(xué)習(xí)態(tài)度。

1.2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化 從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度，在搭建跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)時(shí)各模塊或服務(wù)應(yīng)當(dāng)采用統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與操作規(guī)范，便于整合已建設(shè)完成的平臺(tái)與未來(lái)所開(kāi)發(fā)的平臺(tái)、兼顧移動(dòng)教學(xué)資源的共享與流通，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的再用性、持久性、互操作性、可管理性、經(jīng)濟(jì)性等重要特點(diǎn)。

該設(shè)計(jì)所涉及的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均按照中國(guó)網(wǎng)絡(luò)教育技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系［5］嚴(yán)格執(zhí)行。主要參考的標(biāo)準(zhǔn)有《CTLTS-3學(xué)習(xí)對(duì)象元數(shù)據(jù)規(guī)范》、《CTLTS-41教育資源建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、《CTLTS-42基礎(chǔ)教育資源元數(shù)據(jù)應(yīng)用規(guī)范》和《CTLTS-9內(nèi)容包裝規(guī)范》。

1.2.3 與傳統(tǒng)教學(xué)一體化 作為一種全新的教學(xué)手段，需要與各種傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式相結(jié)合才能獲得更好的學(xué)習(xí)效果。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)立足于高校教育，以利于學(xué)生參與及投入思考為出發(fā)點(diǎn)。平臺(tái)資源的開(kāi)發(fā)要整合傳統(tǒng)課堂教學(xué)內(nèi)容，在內(nèi)容難度、分類(lèi)、媒體、語(yǔ)言等方面都要考慮到不學(xué)習(xí)者的習(xí)慣與愛(ài)好。此外，還要適合不同的學(xué)習(xí)方式，既能獨(dú)立使用，又能以小組探討方式使用。

1.3 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)物理架構(gòu)

圖2為該設(shè)計(jì)采用的跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)，主要由課堂錄制設(shè)備、多功能網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、存儲(chǔ)服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、跨平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器、Web站點(diǎn)和配套軟硬件設(shè)備等幾個(gè)部分組成。來(lái)自于前端設(shè)備(PC機(jī)、攝像頭、話筒、投影儀)的信息，通過(guò)中控器部分組合實(shí)現(xiàn)視頻源采集和處理;采集后的視頻經(jīng)錄像服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器完成分發(fā)和存儲(chǔ)工作;各種不同操作系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備訪問(wèn)Web站點(diǎn)，連接轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器從數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲取教學(xué)視頻資源。

圖2 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)物理架構(gòu)

2 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)功能模塊

跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)活動(dòng)的視頻錄制、視頻轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)、跨平臺(tái)視頻點(diǎn)播等主要功能，系統(tǒng)主要包含了課堂視頻錄制與編碼模塊、教學(xué)資源轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ)模塊和跨平臺(tái)環(huán)境交互模塊。

2.1 課堂視頻錄制與編碼模塊

課堂視頻的錄制采用全自動(dòng)錄播制作方式，由錄制設(shè)備、中控、校園網(wǎng)三大部分構(gòu)成。錄制設(shè)備由三路攝像頭和教師拾音話筒構(gòu)成，三路攝像頭分別拍攝教師畫(huà)面、學(xué)生畫(huà)面和課件畫(huà)面;拾音話筒負(fù)責(zé)教師上課語(yǔ)音的采集。視頻采用多流錄制模式，將課堂錄制的三個(gè)畫(huà)面壓縮同步，在一個(gè)屏幕中分屏顯示。

在視頻采集中，編碼器與攝像頭連接，將輸入的信號(hào)經(jīng)MPEG-4壓縮技術(shù)生成碼率為500 kbps、分辨率為720×576/CIF的asf流媒體格式文件。編碼完成后的文件再輸入到流媒體分割器，將文件切割為10秒最小單位的ts文件，同時(shí)生成一個(gè)包含所有ts小文件的m3u8索引文件，并隨新數(shù)據(jù)的產(chǎn)生不斷更新索引文件。編碼后的文件通過(guò)校園網(wǎng)傳輸至服務(wù)器端存儲(chǔ)。

2.2 教學(xué)資源轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ)模塊

服務(wù)器集群包含錄像服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器和跨平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器。錄像服務(wù)器負(fù)責(zé)錄播課堂錄像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、控制，以及與多功能網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、直播系統(tǒng)的通信，并將數(shù)據(jù)采集設(shè)備狀態(tài)按時(shí)返回給服務(wù)端。轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的設(shè)置位于錄像服務(wù)器和客戶端之間，所實(shí)現(xiàn)的功能是與錄像服務(wù)器建立連接，實(shí)時(shí)獲取視頻流，再將視頻流轉(zhuǎn)發(fā)給訪問(wèn)客戶端，解決網(wǎng)絡(luò)寬帶及錄像服務(wù)器自身對(duì)硬件和文件傳輸要求的限制，降低多客戶端同時(shí)預(yù)覽同一錄像服務(wù)器時(shí)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。

2.3 跨平臺(tái)環(huán)境交互模塊

跨平臺(tái)環(huán)境采用了Web模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［6］，由表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層外加云資源平臺(tái)組成，如圖3所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，軟件耦合度低，便于管理和維護(hù)。

表現(xiàn)層(UI)。該層為學(xué)生提供了平臺(tái)操作界面，根據(jù)功能分為學(xué)習(xí)、交流、存儲(chǔ)、管理幾個(gè)子模塊。學(xué)生通過(guò)移動(dòng)設(shè)備利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、GPRS、3G等移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)與表現(xiàn)層交互，進(jìn)行教學(xué)視頻點(diǎn)播觀看、教學(xué)研究等學(xué)習(xí)活動(dòng)。

圖3 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)三層架構(gòu)模型

業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)。該層封裝了跨平臺(tái)環(huán)境的具體業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)，包括用戶組件、存儲(chǔ)組件、軟件組件、資源組件、交流組件和信息組件。負(fù)責(zé)對(duì)表現(xiàn)層的應(yīng)用請(qǐng)求事件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)判斷，并將結(jié)果返回給表現(xiàn)層。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層(DAL)。該層為平臺(tái)提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)以及Web服務(wù)功能，負(fù)責(zé)進(jìn)一步處理業(yè)務(wù)邏輯層轉(zhuǎn)來(lái)的事務(wù)，通過(guò)分析處理后將業(yè)務(wù)過(guò)程通過(guò)接口程序遞交給云資源平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的提取與轉(zhuǎn)發(fā)功能。

云資源平臺(tái)。云資源平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，也是最終執(zhí)行模塊。通過(guò)接口程序接收業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層遞交的業(yè)務(wù)進(jìn)行計(jì)算與管理，再將結(jié)果數(shù)據(jù)依次由接口傳給學(xué)生。云資源平臺(tái)包含了資源存儲(chǔ)、計(jì)算、管理三大模塊，負(fù)責(zé)對(duì)視頻資源的增、刪、改、查工作。

2.4 Web站點(diǎn)服務(wù)

Web網(wǎng)站的設(shè)計(jì)以學(xué)生的習(xí)慣和需求來(lái)進(jìn)行，具備易用性、互動(dòng)性和超前性三個(gè)特點(diǎn)。該系統(tǒng)Web站點(diǎn)基于HTML5設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)以用戶為中心的設(shè)計(jì)需求，提供給用戶新的Web體驗(yàn)方案。

網(wǎng)站服務(wù)整體架構(gòu)如圖4所示。站點(diǎn)功能主要由以下三部分組成:

圖4 基于HTML5網(wǎng)站架構(gòu)

①視頻分發(fā)服務(wù):一般由錄像服務(wù)器構(gòu)成，為直播和點(diǎn)播數(shù)據(jù)提供下載服務(wù)，并且負(fù)責(zé)分發(fā)視頻數(shù)據(jù)和索引文件。

②Web前端網(wǎng)頁(yè):以HTML5為準(zhǔn)則構(gòu)建前端網(wǎng)頁(yè)。HTML5支持的視頻格式有ogg、MPEG-4、Webm三種。其中，MPEG-4以其視頻體積小、畫(huà)質(zhì)優(yōu)、瀏覽器適配廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用［7］。后臺(tái)管理員將錄像視頻剪輯修改并轉(zhuǎn)換成MPEG-4格式后使用HTML5特有的＜canvas＞，＜video＞，＜audio＞等多媒體標(biāo)簽嵌入網(wǎng)頁(yè)。此外，Web網(wǎng)頁(yè)還為客戶端提供視頻資源訪問(wèn)的菜單索引服務(wù)和視頻播控服務(wù)，一般通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)與后端錄像服務(wù)器連接。

③客戶端:客戶端通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)Web網(wǎng)頁(yè)，進(jìn)行教學(xué)視頻點(diǎn)播操作，所使用的瀏覽器需滿足支持HTML5標(biāo)簽的識(shí)別和支持HTTP協(xié)議的流媒體播放器兩個(gè)基本要求。

3 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)測(cè)試

我們對(duì)目前市場(chǎng)上主流的移動(dòng)平臺(tái)和瀏覽器(如表1所示)進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試結(jié)果檢驗(yàn)該文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)跨平臺(tái)功能。

表1 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)各平臺(tái)瀏覽器支持度

表1中的內(nèi)容為各個(gè)瀏覽器對(duì)應(yīng)的版本號(hào)，打勾表示該平臺(tái)或者瀏覽器支持跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)的使用。從表中可以發(fā)現(xiàn)，除了IE瀏覽器的早期陳舊版本由于自身對(duì)多媒體視頻播放兼容度較差(微軟的操作內(nèi)嵌的IE瀏覽器，一直被用戶視作雞肋，實(shí)際上用戶基本都是選擇另外的瀏覽器作為主要瀏覽工具)，故對(duì)該系統(tǒng)的支持力度不是很好外，其他大部分主流平臺(tái)的瀏覽器都能較好的使用課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)，系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)功能。

3.2 跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)點(diǎn)播應(yīng)用

圖5所示為使用平板電腦通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)系統(tǒng)，獲取云存儲(chǔ)平臺(tái)內(nèi)的教學(xué)資源。除了觀看教學(xué)視頻以外，學(xué)生用戶登陸后可以進(jìn)行精品課評(píng)選活動(dòng);教師用戶登陸后可以進(jìn)行教學(xué)研究等活動(dòng)。

圖5 平板電腦訪問(wèn)平臺(tái)效果圖

該文提出的跨平臺(tái)課堂錄像點(diǎn)播系統(tǒng)以Web技術(shù)作為系統(tǒng)框架，以云存儲(chǔ)技術(shù)作為資源中心，實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的統(tǒng)一管理，整體上構(gòu)建了高校移動(dòng)式自主學(xué)習(xí)的跨平臺(tái)環(huán)境。打破了由于移動(dòng)設(shè)備系統(tǒng)多樣性及自身性能差異性造成的移動(dòng)學(xué)習(xí)難以普及的障礙，對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)從E-Learning到M-Learning再到ULearning的發(fā)展變革有著重要意義。

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