遠(yuǎn)程交互教學(xué)技術(shù)方案的研究與實踐

賈亞剛 齊瑞紅 王 彥

北京聯(lián)合大學(xué)現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)中心 北京 100101

遠(yuǎn)程交互教學(xué)技術(shù)方案的研究與實踐

賈亞剛 齊瑞紅 王 彥

北京聯(lián)合大學(xué)現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)中心 北京 100101

進入21世紀(jì)以來，隨著多媒體和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程交互教學(xué)模式已成為現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的一種發(fā)展趨勢。通過比較法、實驗法、討論法等方法對遠(yuǎn)程交互教學(xué)系統(tǒng)技術(shù)方案進行了研究和總結(jié)；進而在自動錄播教室的基礎(chǔ)上，圍繞著該系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)完成了其整體的設(shè)計與實踐，形成了一套具有代表性的可操作的建設(shè)技術(shù)方案；并結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)現(xiàn)狀提出了此系統(tǒng)今后發(fā)展的方向。

遠(yuǎn)程交互教學(xué)；技術(shù)方案；研究與實踐

隨著教育信息化的進程以及多媒體技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育已經(jīng)成為當(dāng)今教育教學(xué)必不可少的手段之一。現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的主要模式有兩種。一種是利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺提供各種豐富的教學(xué)資源對學(xué)習(xí)者進行線上非實時的異步教學(xué)。這種方式充分打破了時間、空間的限制，使學(xué)習(xí)者能夠隨時隨地的獲取知識，特別是近些年興起的MOOCs教學(xué)方式，學(xué)習(xí)者通過它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單向?qū)W習(xí)的目的，還可以獲得更多交流、指導(dǎo)等[1]。當(dāng)然缺乏實時性和面對面的交互是這種模式的最大弊端。另外一種是通過網(wǎng)絡(luò)等通訊方式實施遠(yuǎn)程面對面的交互式教學(xué)，這種模式有效地彌補了上一種模式的缺憾，使得遠(yuǎn)程教育更加有立體感，為學(xué)習(xí)者提供了更好的學(xué)習(xí)環(huán)境。此種方式對于多校區(qū)高校來說尤為重要，為學(xué)校集中優(yōu)質(zhì)資源和擴大受眾面提供了重要支持，并節(jié)省了大量人力、物力資源[2]。

實現(xiàn)遠(yuǎn)程交互教學(xué)的方法以及手段多種多樣，但大多數(shù)情況僅限于小規(guī)模的嘗試，而且功能較為單一、質(zhì)量不佳，顯然對于學(xué)校教學(xué)來講無論從功能和性能上都有很大的欠缺。因此，隨著教育信息化的發(fā)展，利用現(xiàn)有基礎(chǔ)條件構(gòu)建一套適合學(xué)校進行遠(yuǎn)程交互教學(xué)的系統(tǒng)方案是提升學(xué)校教學(xué)品質(zhì)的有效手段。

1 實現(xiàn)遠(yuǎn)程交互教學(xué)技術(shù)方案的目標(biāo)

實現(xiàn)遠(yuǎn)程交互教學(xué)需要具備三方面的基礎(chǔ)功能：一是單向的實時遠(yuǎn)程直播功能，二是雙向的實時遠(yuǎn)程互動功能，三是遠(yuǎn)程實時交互教學(xué)過程的錄制功能。只有達到這3個功能才能稱作真正的遠(yuǎn)程交互教學(xué)系統(tǒng)。

除去上述3個基礎(chǔ)功能外，在系統(tǒng)技術(shù)方案研究及建設(shè)過程中，我們還需結(jié)合各自學(xué)校的信息化建設(shè)的情況，合理整合現(xiàn)有資源，避免重復(fù)建設(shè)。同時其方案應(yīng)充分遵循課堂教學(xué)規(guī)律和視頻錄制規(guī)范，并為后期開發(fā)和研究提供可操作的空間。

2 實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時教學(xué)技術(shù)方案的比較

通過對市場主流相關(guān)系統(tǒng)的調(diào)研以及有相關(guān)建設(shè)經(jīng)驗高校的走訪，并且進行了相應(yīng)的研究及總結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)上述遠(yuǎn)程交互教學(xué)功能的技術(shù)方案主要有3種。(1)以視頻會議系統(tǒng)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程教學(xué)交互解決方案。(2)視頻會議與傳統(tǒng)錄播系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案。(3)自動錄播系統(tǒng)雙向直播的解決方案。以上3種方案各有各自的特點，以下是對它們的具體分析。

第一，對于目前市場上能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)實時交互和錄播功能的產(chǎn)品多數(shù)都是以視頻會議系統(tǒng)為基礎(chǔ)而發(fā)展出來的。視頻會議系統(tǒng)發(fā)展至今已經(jīng)擁有較為成熟的技術(shù)方案，穩(wěn)定性高是其最大的優(yōu)點。但由于此類解決方案沿用了大多數(shù)的視頻會議系統(tǒng)的特點，因此，無論在系統(tǒng)架構(gòu)、互動觸發(fā)機制以及畫面呈現(xiàn)方式等方面都是針對會議，并非針對教育場合的應(yīng)用，在適應(yīng)教學(xué)規(guī)律方面較差。此外傳統(tǒng)的視頻會議產(chǎn)品價格昂貴，特別是MCU動輒幾十萬元甚至上百萬的價格因素阻礙了其產(chǎn)品在教育行業(yè)進行大規(guī)模應(yīng)用。

第二，視頻會議與傳統(tǒng)錄播系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，此方案的組成結(jié)構(gòu)也主要是由錄播系統(tǒng)和視頻會議系統(tǒng)組成。錄播系統(tǒng)負(fù)責(zé)教室端信號的采集及錄制和直播，視頻會議系統(tǒng)負(fù)責(zé)音視頻的遠(yuǎn)程交互。其最大的優(yōu)點是兩套系統(tǒng)各司其職，互不影響，在保障課程錄制和直播的同時又完成了教學(xué)的互動功能。但由于是拼湊起來的系統(tǒng)，因此在系統(tǒng)管理方面只能對兩個單獨的系統(tǒng)進行操作和管理。由于互動功能是由視頻會議系統(tǒng)提供的，因此，方案一中的問題依舊難以解決。

第三，自動錄播系統(tǒng)雙向直播的解決方案是利用自動錄播系統(tǒng)中的直播功能實現(xiàn)互動，即互動教室和主講教室分別通過各自錄播系統(tǒng)觀看對方的直播畫面。顯然這種解決方案更加容易實現(xiàn)，也更為節(jié)省資源和方便管理，但在聲音、延時、多點交互等方面都無法正常保障實時教學(xué)的過程。

據(jù)此，將3種實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時教學(xué)的技術(shù)方案進行對比(見表1)。

表1 實現(xiàn)遠(yuǎn)程交互教學(xué)功能技術(shù)方案對比分析表

3 遠(yuǎn)程實時教學(xué)技術(shù)方案的實踐

隨著教育信息化建設(shè)進程的不斷推進，大部分高校都具備了相當(dāng)規(guī)模的具有自動導(dǎo)播和跟蹤功能的多機位錄播教室，它們?yōu)檫h(yuǎn)程交互教學(xué)的方式提供了基本的前端采集設(shè)施，我們只需在此基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的少量用于交互的設(shè)施即可(如交互控制系統(tǒng)、反饋抑制器、顯示設(shè)備等)。對于遠(yuǎn)程交互教學(xué)來說，教學(xué)中音視頻的遠(yuǎn)程交互效果是決定其是否能夠滿足需求的基礎(chǔ)條件，而對于是否能夠達到這個基礎(chǔ)條件又取決于三方面的設(shè)計，它們分別是觸發(fā)機制、顯示模式、操控方式。

3.1 觸發(fā)機制的設(shè)計實踐

對于遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中的觸發(fā)機制是指為能夠達由正常的遠(yuǎn)程教學(xué)模式到建立遠(yuǎn)程交互狀態(tài)的模式而進行觸動的某一事件的過程。只有建立良好穩(wěn)定的觸發(fā)機制才能保障在遠(yuǎn)程實時教學(xué)中的交互過程得以順利進行。大多數(shù)遠(yuǎn)程交互教學(xué)類的系統(tǒng)都沿用了視頻會議系統(tǒng)的觸發(fā)機制，它們一般是采用主講控制、管理員控制、自動輪詢以及語音激勵等幾種方式。這些觸發(fā)機制的前提是需要有一定的規(guī)律性，而這種規(guī)律是事先確定好的，對于教學(xué)來說，大多數(shù)情況是不確定的，隨機性比較大，因此上述這些觸發(fā)機制就不太符合要求了。

遠(yuǎn)程交互教學(xué)系統(tǒng)引起觸發(fā)動作的兩個對象分別是主講教師和遠(yuǎn)程學(xué)生。對于主講教師而言，由于對象單一，他的觸發(fā)機制一般為主動控制即可，即通過觸動相應(yīng)按鈕達到與某交互對象進行遠(yuǎn)程交流狀態(tài)。對于遠(yuǎn)程學(xué)生而言，由于對象眾多，上述方式顯然不能滿足要求。經(jīng)過研究分析，觸發(fā)機制的設(shè)計需要達到兩方面條件：一方面遠(yuǎn)程學(xué)生發(fā)起的交互請求必須由學(xué)生自主完成，不能由管理人員再進行干涉；另外其觸發(fā)過程必須是在穩(wěn)定準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上進行的。

目前，大多數(shù)的自動錄播系統(tǒng)都支持學(xué)生起立的圖像跟蹤觸發(fā)機制，即當(dāng)學(xué)生由坐姿到站立的時候，高度發(fā)生了變化，從而起到觸發(fā)作用，運用圖像識別技術(shù)進行定位，進而圖像可自動切換到該學(xué)生畫面。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，中小學(xué)的學(xué)生由于他們的上課管理制度較為嚴(yán)格，隨意性較低，學(xué)生與教師在課堂上的交流方式主要以站立為主，上述觸發(fā)機制正是以高度的變化為觸發(fā)點的，因此這種方式對于中小學(xué)的學(xué)生來說較為適合，并不具有普遍性。對于高校學(xué)生而言，他們的交流方式較為隨意，既有起立進行交流，也有坐在座位上的方式交流。因此，在系統(tǒng)的設(shè)計時我們采取了觸發(fā)式的模式。這種模式的優(yōu)點就是不受學(xué)生行為動作的影響，而且由于其原理是機械性的所以穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性都較高。這種方式有兩種實現(xiàn)辦法。第一種是在遠(yuǎn)程教室中每個學(xué)生位置都安裝觸發(fā)裝置，這種做法最容易實現(xiàn)，但其維護、管理較困難，并且成本較高。第二種是選擇接收端帶有發(fā)碼功能的無線手持麥克，每個遠(yuǎn)程教室根據(jù)人數(shù)配置相應(yīng)麥克個數(shù)，一般每10個人為一個區(qū)域，配置一只麥克，即每個麥克代表一個區(qū)域，當(dāng)觸動麥克開關(guān)時即代表發(fā)出交互請求，攝像機也會同時根據(jù)此麥克定義的區(qū)域進行定位抓取。實踐表明，第二種方法更加符合實際需求。

3.2 采集及呈現(xiàn)模式設(shè)計的實踐

遠(yuǎn)程交互教學(xué)系統(tǒng)建立的首要目標(biāo)就是要實現(xiàn)跨區(qū)域的實時音視頻交互，因此，對于教學(xué)活動音視頻的采集和呈現(xiàn)方式有著不同的設(shè)計要求。為保證教室的通用性，我們把教室的采集及顯示設(shè)備方案進行統(tǒng)一化設(shè)計，這樣就能保證所涉及的教室可以適應(yīng)所有角色。系統(tǒng)的使用對于用戶主體(主講教師和學(xué)生)來講，存在3種不同角色場所，分別是主講教室、遠(yuǎn)程交互教室以及直播教室。一般情況下，對于一節(jié)課程來說，主講教室只有1間、遠(yuǎn)程交互教室和直播教室可以是多間，也就是一點對多點，當(dāng)然普遍情況下直播教室的數(shù)量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于遠(yuǎn)程交互教室。對于3種不同角色類型的教室，它們所展示的內(nèi)容是有很大區(qū)別的，因此，我們需要對3種角色類型教室畫面所呈現(xiàn)的模式分別做出不同的設(shè)計。

3.2.1 采集及顯示設(shè)備方案的設(shè)計

為充分利用學(xué)?，F(xiàn)有系統(tǒng)和資源，因而對于它們的設(shè)計是以原有傳統(tǒng)錄播教室的基礎(chǔ)而進行的。對于原有傳統(tǒng)錄播教室，主要采集及顯示設(shè)備部署如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)錄播教室主要采集及顯示設(shè)備部署圖

整個教室中有5臺攝像機(部分廠家的方案為4臺攝像機)，教室后端3臺攝像機分別用來拍攝教室全景、教師近景和板書，教室前端兩臺攝像機分別用來拍攝學(xué)生正面全景和學(xué)生特寫。主講教師所用計算機及顯示屏幕安放于多媒體講臺中，而用于學(xué)生觀看主講教師課件內(nèi)容(即VGA畫面)是由一塊大屏幕來呈現(xiàn)的。然而對于進行遠(yuǎn)程交互教學(xué)的主講教室而言顯然這樣的配置是不夠的。

對于主講教室中的主講教師而言有3種狀態(tài)的收視需求：第一種狀態(tài)是主講教師在發(fā)生交互前(即正常本地授課過程中)，需要看到全部加入到遠(yuǎn)程交互教室的情況；第二種狀態(tài)是在發(fā)生有交互請求時可以看到是哪些遠(yuǎn)程交互教室在請求互動，以用來對交互請求做出選擇；第三種狀態(tài)是在與遠(yuǎn)程交互教室發(fā)生互動時，可以看到遠(yuǎn)程交互的學(xué)生的畫面，并聽到其聲音。而對于主講教室中的學(xué)生而言還需要觀看本地主講教師課件的VGA畫面。

目前，在主講教室中用于顯示的設(shè)備共有兩種，分別是教師計算機的顯示屏幕和多媒體大屏，它們可以滿足主講教師對于現(xiàn)場多媒體教學(xué)的需要和本地學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。但為了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程交互，就必須要添加另外的顯示設(shè)備。

基于上述分析和基本現(xiàn)狀，為滿足主講教師對于交互教室情況和交互過程中遠(yuǎn)程學(xué)生的觀看，前后進行了3種方案的設(shè)計及實踐。第一種方案是在教室正后端安置兩臺液晶大屏，分別用于顯示全部遠(yuǎn)程交互教室情況和發(fā)生交互時遠(yuǎn)程交互學(xué)生的近景畫面。這種方案不僅能夠?qū)崿F(xiàn)上述主講教師觀看要求，而且對于交互時主講教師畫面的構(gòu)圖也滿足對于遠(yuǎn)程互動學(xué)生以及直播教室學(xué)生收看的需要。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)這種方案也存著一些問題，如對于較大教室來說，教室縱深較長，主講教師距離2塊液晶大屏的距離較遠(yuǎn)(甚至可能超過20米)，對于觀看交互時遠(yuǎn)程學(xué)生的近景還可以接受，但對于眾多交互教室情況的觀看和操控就顯得不太容易了，這會直接影響到整個教學(xué)過程的流暢度。第二種方案是采用在教室的正后端安置一塊液晶大屏用于顯示交互發(fā)生時遠(yuǎn)程交互學(xué)生的近景畫面，而在多媒體講臺中教師計算機顯示屏側(cè)面安放一個一臺同大小的液晶屏幕用于對全部交互教室情況的觀看和操作。這種解決方案可以達到上述的要求，但也存在其不利之處，如使用同一鼠標(biāo)操控2臺顯示器，加大了主講教師對于計算機的操控難度，并且對于多媒體講臺還需要重新制作，浪費了資源，另外對于遠(yuǎn)程交互學(xué)生的近景畫面的觀看還是有些不便。因此，由于眾多原因，經(jīng)過改進產(chǎn)生了第三種設(shè)計方案。將用來顯示遠(yuǎn)程互動學(xué)生近景的液晶大屏放置教室靠前位置的側(cè)方，而用于顯示全部交互教室和操作的設(shè)備采用Surface平板電腦實現(xiàn)，這樣可以把Surface平板電腦鑲嵌到原有多媒體機柜中而不用重新制作，并且Surface平板電腦使用的Windows操作系統(tǒng)相對于基于iOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)的平板電腦通用性較強。此外，為保障在播放交互時主講教師的構(gòu)圖，設(shè)計在側(cè)前方液晶大屏上端加裝一臺攝像，用來拍攝交互發(fā)生時主講教師的視頻。具體設(shè)備部署如圖2所示。

圖2 改造后主講教室主要采集和顯示設(shè)備部署圖

3.2.2 呈現(xiàn)模式的設(shè)計

由于收視者對于遠(yuǎn)程交互教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用不同，因此，對于不同角色的教室在畫面的呈現(xiàn)方式上是不同的。

首先，在主講教室中，當(dāng)正常本地授課時，用來顯示全部交互教室情況的Surface平板電腦和顯示交互學(xué)生近景的液晶大屏顯示的內(nèi)容是一致的，采用九宮格的方式，當(dāng)發(fā)生交互時，顯示交互學(xué)生近景的液晶大屏變換為兩路信號的交互界面(遠(yuǎn)程交互學(xué)生近景與主講教師近景)，而Surface平板電腦不發(fā)生變化。當(dāng)交互結(jié)束后顯示交互學(xué)生近景的液晶大屏再回到九宮格畫面，如圖3所示。

圖3 主講教室顯示畫面變化圖

其次，在交互教室中，當(dāng)主講教室的教師進行正常本地授課時(即發(fā)生交互前)，遠(yuǎn)程交互教室前的投影幕布顯示的是主講教師和主講教師計算機的VGA畫面，當(dāng)發(fā)生交互時，我們需考慮的是在進行交互的學(xué)生可能要根據(jù)主講教師計算機的VGA畫面的內(nèi)容進行提問和討論，這時既要保障學(xué)生能看到交互雙方的畫面又要能看到主講教師計算機的VGA的畫面，因此，采用了圖4所示的方案，交互完成后返回原畫面。

圖4 交互教室顯示畫面變化圖

3.3 操控方式設(shè)計的實踐

由于遠(yuǎn)程交互教學(xué)系統(tǒng)使用的主導(dǎo)對象為教師，而教師的主要精力是放在教學(xué)活動中的，因此，作為輔助教學(xué)的系統(tǒng)其設(shè)計必須簡潔、易用，對于其操控方式主要進行了三方面的設(shè)計。

首先，遠(yuǎn)程交互教學(xué)環(huán)境的創(chuàng)建。主講教師可根據(jù)具備交互功能的教室列表進行選擇需要遠(yuǎn)程實時教學(xué)的教室，添加完畢后，就可在交互液晶屏及平板電腦中觀看到所有加入教室的圖像。

其次，直播和錄制的創(chuàng)建及停止。通過明確的按鈕及信息填寫表單完成直播和錄制的開啟，并在圖像區(qū)域顯著顯示當(dāng)前直播時間和錄制時間，同樣通過停止按鈕可結(jié)束當(dāng)前的直播和錄制。

最后，交互過程的建立及停止。當(dāng)遠(yuǎn)程學(xué)生發(fā)出交互請求的時候，交互液晶屏及平板電腦的九宮格畫面中相應(yīng)教室的圖像將發(fā)生閃動，并發(fā)出提示聲音，主講教師可根據(jù)需要直接點擊相應(yīng)的圖像區(qū)域即可實現(xiàn)交互過程的建立，交互停止通過點擊同樣圖像區(qū)域完成。

4 總結(jié)與展望

通過對遠(yuǎn)程交互教學(xué)技術(shù)方案的研究與實踐，對現(xiàn)有教學(xué)環(huán)境進行改造，在原有系統(tǒng)條件的基礎(chǔ)上，進行部分設(shè)備的添加及簡單系統(tǒng)的設(shè)計，達到了遠(yuǎn)程交互教學(xué)的目的，不僅深度挖掘了原有系統(tǒng)的功能，豐富了教學(xué)手段，更為學(xué)校信息化的進程提供了有效的技術(shù)保障條件。當(dāng)然現(xiàn)有的技術(shù)方案并不能完全達到理想狀態(tài)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，將遠(yuǎn)程交互教學(xué)擴展到移動終端上的應(yīng)用以及與多媒體教學(xué)控制系統(tǒng)的整合是今后需要進一步研究及發(fā)展的目標(biāo)。

[1] 陳麗,林世員,鄭勤華.“互聯(lián)網(wǎng)+”時代中國遠(yuǎn)程教育的機遇和挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究,2016(1):3-10.

[2] 張瑛.利用錄播技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程互動的探索與實踐[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015(30):68-70.

[3] 孫維海.探索網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下互動錄播課堂的有效應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊:教育技術(shù),2016(9):1-2.

[4] 謝舒瀟,陳毓超,劉冠.智能教室建設(shè)的探索與實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2016(6):221-240.

Study and Practice on The Technical Scheme of Remote Interactive Teaching

Jia Yagang, Qi Ruihong, Wang Yan

Modern Teaching Technology Center, Beijing Union University, Beijing, 100101, China

Since the 21st century, the model of remote interactive teaching has been a trend in modern distance education, with the development of multimedia and information technology. In this paper, the technical scheme of remote interactive teaching system is studied and summarized through the method of comparison, experiment, discussion and others. Based on the study of automatic taped classroom, the overall design and practice of the system are completed in the key link of the system. What’s more, a representative and operational construction technology scheme has been formed. And combined with the current situation of the technology, the future development direction of this system is put forward.

remote interactive teaching; technology scheme; study and practice

賈亞剛，碩士，工程師。齊瑞紅，碩士，高級工程師。王彥，碩士，工程師。