C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

鐘曉流, 李海霞, 宋述強(qiáng), 許俊華, 陳基和, 關(guān)士民, 馬　煜

(清華大學(xué) 信息化技術(shù)中心, 北京　100084)

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C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

鐘曉流, 李海霞, 宋述強(qiáng), 許俊華, 陳基和, 關(guān)士民, 馬煜

(清華大學(xué) 信息化技術(shù)中心, 北京100084)

依據(jù)同步與異步相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合的全交互教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境的理念,創(chuàng)建了基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的智能感知、智慧管理、智慧互動(dòng)反饋、智慧顯示等核心技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)同步課堂,實(shí)現(xiàn)了不同實(shí)體或虛擬教學(xué)空間教室畫面、師生電腦畫面等在異地課堂同步顯示、錄制及實(shí)時(shí)直播、發(fā)布、點(diǎn)播、交互與分享等功能,在改進(jìn)教學(xué)模式、豐富教學(xué)手段和提高教學(xué)效率等方面發(fā)揮了積極作用。

交互式教學(xué): 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用； 虛擬演播； C-campus項(xiàng)目

利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)組織教學(xué)活動(dòng)、幫助學(xué)生開展個(gè)性化和協(xié)作式的學(xué)習(xí),成為高校教學(xué)改革的熱點(diǎn)議題[1-3]。隨著學(xué)校國際化發(fā)展及對(duì)口支援建設(shè)等需要,越來越多的課程需要進(jìn)行異地講授[4-5]。本文以清華大學(xué)C-campus項(xiàng)目(國際合作聯(lián)合培養(yǎng)人才計(jì)劃建設(shè)項(xiàng)目)為背景,結(jié)合作者在清華-伯克利深圳學(xué)院項(xiàng)目的實(shí)踐成果,遵循情境認(rèn)知理論、活動(dòng)理論及人體工程學(xué)理論(視覺理論、聽覺理論),提出了同步與異步相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合的全交互式教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境的理念,創(chuàng)建了基于物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的i-perceive(智能感知)、i-management(智慧管理)、i-feedback(智慧互動(dòng)反饋)、i-view(智慧顯示)等核心技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)同步課堂——C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)了本地課堂師生間、國際、國內(nèi)不同區(qū)域的院校間課堂教學(xué)內(nèi)容的任意顯示和師生交互,還可進(jìn)行現(xiàn)場錄制、直播、點(diǎn)播等數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與推送,成為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和科研創(chuàng)新的新型國際化支撐平臺(tái)。

1　C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

1.1全交互教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境

學(xué)習(xí)是在學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)資源和環(huán)境的有效交互中進(jìn)行的[6]。項(xiàng)目組提出了同步與異步相結(jié)合、線上與線下相結(jié)合的全交互教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境的理念,使得教學(xué)活動(dòng)涉及到的各個(gè)主體——教師、學(xué)生、活動(dòng)、資源之間能夠深度交互,尤其是分布在異地的師生也能夠進(jìn)行充分的溝通和交流,相互提供語言和非語言的反饋,從而實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共同建構(gòu)和實(shí)際解決問題能力的培養(yǎng)。

1.2引領(lǐng)研究型和協(xié)作型教學(xué)模式的改進(jìn)

系統(tǒng)提供的教學(xué)環(huán)境和學(xué)習(xí)平臺(tái)幫助教師重新理解教學(xué)目標(biāo),除了知識(shí)傳授之外,更注重交流、互動(dòng)、語言表達(dá)、小組內(nèi)的協(xié)調(diào)和共事能力,并教育學(xué)生尊重來自不同國家、不同民族的同學(xué)的價(jià)值觀,從而引導(dǎo)學(xué)生完成更多的研究型和協(xié)作型任務(wù),提高研究與協(xié)作能力。另外,系統(tǒng)的全向交互功能增強(qiáng)了各物理課堂之間的互動(dòng),方便了學(xué)生的參與；網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)和移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的無縫融合,能夠促使學(xué)生采取更加主動(dòng)、基于問題的研究式學(xué)習(xí)與訓(xùn)練[7]。

1.3構(gòu)建智慧教室,實(shí)現(xiàn)課內(nèi)外一體教學(xué)

C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)實(shí)際上是依托移動(dòng)互聯(lián)/物聯(lián)網(wǎng)為交流載體,以多媒體為信息媒介,以服務(wù)器集群處理(云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘)為技術(shù)支撐,構(gòu)建的泛在化、感知化、一體化、智能化的新型教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)。在線同步課堂或虛擬課堂實(shí)際上是網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)、演示教學(xué)系統(tǒng)、云交互系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)、虛擬演播系統(tǒng)和智能化視窗系統(tǒng)等一體化深度融合而構(gòu)建的智慧教室,將人(教師與學(xué)生)和教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)環(huán)境與教學(xué)資源等教學(xué)活動(dòng)的主要元素統(tǒng)一到在線同步課堂中。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

(1) 利用云交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全方位交互。系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程虛擬視頻技術(shù),使參與課程的師生雖遠(yuǎn)隔千里,但如同在同一教室。另外,系統(tǒng)采用軟交換技術(shù)將本地和遠(yuǎn)程音視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度,使用戶可以隨時(shí)得到教室全局、教師電腦、學(xué)生電腦、電子白板的音視頻數(shù)據(jù),便于信息的交流與共享,增強(qiáng)了物理課堂之間的互動(dòng),方便了學(xué)生的參與。

(2) 采用集群推送技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源共享。系統(tǒng)利用集群推送技術(shù),使教師或?qū)W生的教學(xué)資源(查詢/檢索在教育資料管理系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù))能夠?qū)崟r(shí)地推送或策展,并將結(jié)果顯示在大屏幕上或下載到師生電腦中。

(3) 應(yīng)用虛擬演播系統(tǒng)(i-studio)實(shí)時(shí)記錄。應(yīng)用三訊道高清記錄采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程全記錄,可實(shí)時(shí)參與或非實(shí)時(shí)點(diǎn)播,便于師生重復(fù)學(xué)習(xí),積累教學(xué)素材[8]。系統(tǒng)的錄播功能可以同步記錄教室全局畫面、學(xué)生畫面、學(xué)生電腦畫面、電子白板畫面等,對(duì)于錄制的所有畫面,無論是本地的還是其他院校的內(nèi)容,都將在后臺(tái)保存起來,并且可以分享到網(wǎng)絡(luò)上。學(xué)生只需輸入網(wǎng)址、賬戶、密碼,即可在播放課程的同時(shí)對(duì)課程進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)論,并且這些評(píng)論也會(huì)和所對(duì)應(yīng)的課程保存在一起,在點(diǎn)播相同內(nèi)容時(shí)一并呈現(xiàn),從而建立起了一個(gè)有關(guān)課程錄制、發(fā)布、分享、點(diǎn)播以及評(píng)論的有效建設(shè)機(jī)制。

(4) 引入移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無縫學(xué)習(xí)。系統(tǒng)通過深度的網(wǎng)上多方交互功能,輔助建立跨文化、跨學(xué)科的虛擬學(xué)習(xí)社區(qū),實(shí)現(xiàn)教學(xué)的課內(nèi)外無縫鏈接。系統(tǒng)為教學(xué)提供了豐富的交流模式,包括視頻、音頻、文件等在內(nèi)的素材,在課程進(jìn)行中可以靈活展示,同時(shí)配合有專門的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)及移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。來自各國的學(xué)生可以隨時(shí)復(fù)習(xí)、重復(fù)瀏覽、開展討論、提交作業(yè)、進(jìn)行協(xié)助任務(wù)等,獲得無縫的信息共享。

2　系統(tǒng)架構(gòu)與基本功能

C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)的目標(biāo)功能是滿足國際教學(xué)交流與合作的全方位交互需求,不僅要實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外不同區(qū)域院校之教室的全景畫面、教師畫面、學(xué)生畫面、師生電腦畫面在本、異地課堂中的同步顯示,能夠進(jìn)行分組討論,而且還要將這些畫面同步錄制下來,通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)直播和非實(shí)時(shí)發(fā)布、點(diǎn)播、分享。其設(shè)計(jì)遵循了智慧教室的總體理念[9-10],系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　智慧教室的系統(tǒng)架構(gòu)

C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)根據(jù)智慧教室的設(shè)計(jì)理念和具體需求,分為信息門戶系統(tǒng)、多媒體演示系統(tǒng)、云交互系統(tǒng)、移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)、高清錄播系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)和智能化管理控制系統(tǒng)等7個(gè)子系統(tǒng),7個(gè)子系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立,又深度融合。7個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本功能如下:

(1) 信息門戶系統(tǒng)。主要針對(duì)適用對(duì)象(教學(xué)主管人員、教師、學(xué)生、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)人員)的權(quán)限管理,解決用戶注冊(cè)、登錄、認(rèn)證問題,其中教師可對(duì)學(xué)生的權(quán)限進(jìn)行管理。

(2) 多媒體演示系統(tǒng)。多媒體教學(xué)設(shè)備齊全,教師或?qū)W生可根據(jù)教學(xué)資源、教學(xué)手段和教學(xué)模式的需要,選擇多種演示型多媒體教學(xué)設(shè)備或系統(tǒng)(音視頻播放、動(dòng)畫、PPT、實(shí)物、手寫板或圖片等)。

(3) 云交互系統(tǒng)。云交互系統(tǒng)包括師生之間的課堂交互和課下交互、本地交互和異地交互等；此外,教師可根據(jù)需要對(duì)本地和異地學(xué)生進(jìn)行隨意編組并展開討論。

(4) 移動(dòng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。即使教師或?qū)W生不在課堂,根據(jù)授權(quán)可通過移動(dòng)終端加入教學(xué)活動(dòng)。

(5) 高清錄播系統(tǒng)。三訊道高清錄播系統(tǒng)主要解決了課件實(shí)時(shí)錄制、非實(shí)時(shí)點(diǎn)播的問題,對(duì)錄制的課程可進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、添加說明、分享給其他人等操作。

(6) 大屏幕顯示系統(tǒng)。大屏幕顯示系統(tǒng)可調(diào)用教師畫面(如手寫屏、視頻和PC界面等)、學(xué)生畫面(如手寫屏、視頻和PC界面等)、本地或異地師生交互畫面、流媒體課件點(diǎn)播重放畫面、異地校區(qū)/教室/學(xué)生的畫面等,可根據(jù)需要,將本地或異地教學(xué)畫面或分組討論教學(xué)畫面進(jìn)行單屏、雙屏或多屏(最多9畫面)顯示。

(7) 智能化管理控制系統(tǒng)。主要解決各種設(shè)備控制與信號(hào)的調(diào)度、教學(xué)活動(dòng)在線錄制以及重放、師生之間資源信號(hào)的集群推送或策展、本地和異地之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和遷移等。

3　主要技術(shù)指標(biāo)比較

C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)依托通信和信息技術(shù)的集成,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)活動(dòng)環(huán)境(教學(xué)活動(dòng)及過程)、教學(xué)活動(dòng)資源(教師講義、學(xué)生作業(yè)等)、教學(xué)活動(dòng)管理(教學(xué)活動(dòng)預(yù)約、編組討論和互動(dòng)反饋等)和教學(xué)服務(wù)(系統(tǒng)或設(shè)備控制管理)的智慧化[11-12]。它功能強(qiáng)大,不僅適用于演示型教學(xué)、案例教學(xué)、討論教學(xué)、語言教學(xué)等,還具備視頻會(huì)議、討論型會(huì)議等功能。系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)外高校中都屬于比較領(lǐng)先的水平。圖2和圖3分別對(duì)比了與清華大學(xué)開展國際課程合作的瑞典皇家理工學(xué)院、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校等類似平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo),可以發(fā)現(xiàn),C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)在最大分辨率、所支持的視頻流、計(jì)算機(jī)屏幕抓屏、課堂環(huán)境聲音拾取、教室畫面轉(zhuǎn)場特技、校區(qū)/教室虛擬呈現(xiàn)、互動(dòng)過程同步錄制、交互過程重放、網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)社區(qū)等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖2　與國外類似平臺(tái)KTH的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

圖3　與國外類似平臺(tái)美國UTA的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

4　結(jié)語

目前,C-campus交互式教學(xué)支持系統(tǒng)除了服務(wù)于學(xué)校人才培養(yǎng)和跨國遠(yuǎn)程學(xué)術(shù)交流外,也用于與國內(nèi)外各高校合作開設(shè)課程,已為學(xué)校7個(gè)院系和國內(nèi)外9所大學(xué)聯(lián)合開展的課程提供了支持。系統(tǒng)的使用一方面開拓了學(xué)生的視野,使他們可以直接參與具有國際水準(zhǔn)的課程學(xué)習(xí),并以新的教學(xué)方式實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)；另一方面,節(jié)約了大量邀請(qǐng)國際專家往返交流的經(jīng)費(fèi),為推動(dòng)教學(xué)和科研發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

系統(tǒng)的建成使用得到了師生的肯定,也得到同行的認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)。最近兩年先后有來自瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)、首爾大學(xué)、北京大學(xué)、中國人民大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、浙江大學(xué)等20余所高校的教育技術(shù)部門到清華大學(xué)進(jìn)行實(shí)地考察,該系統(tǒng)也已成為國內(nèi)外高校建設(shè)交互式教學(xué)支持系統(tǒng)的參考范例。另外,本項(xiàng)目的建設(shè)成果作為中國教育技術(shù)協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《多媒體教學(xué)環(huán)境工程建設(shè)規(guī)范》的典型建設(shè)案例，被推廣到全國上百所高校。

References)

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Research and realization of C-campus interactive teaching support system

Zhong Xiaoliu, Li Haixia, Song Shuqiang, Xu Junhua, Chen Jihe, Guan Shimin, Ma Yu

(InformationTechnology Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Based on the idea of combining synchronous and asynchronous,online and offline teaching and learning, this article explorates the technology of cloud computing and Intenet of things,the whole interactive system has been developed with i-perceive (intelligent perceive),i-management (intelligent management),i-feedback (intelligent feedback),i-view (intelligent view), and other core technology. Fuctions of the system include synchronized displaying teachers and computer screen simultaneously in remote classrooms; recording, displaying and sharing the live scene of teaching and learning; etc. And the system has played a positive role in improving the teaching mode,teaching methods and teaching efficiency.

interactive teaching； application of Internet of thing; virtual studio； C-campus project

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.038

現(xiàn)代教育技術(shù)

2016-04-28

鐘曉流(1963—),男,江西新建,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)槎嗝襟w視聽技術(shù)與應(yīng)用環(huán)境.E-mail：dj-zhxl@tsinghua.edu.cn

G642.4

A

1002-4956(2016)10-0152-04