可視化巡課系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張凱++楊再明++宋慧寧

摘 要：巡課已經(jīng)成為很多學(xué)校的教學(xué)管理和教學(xué)督導(dǎo)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，使教學(xué)管理工作走向精細(xì)化、科學(xué)化的一個(gè)標(biāo)志。本文在分析目前巡課模式和現(xiàn)有硬件的基礎(chǔ)上，對(duì)可視化教學(xué)巡課系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)教學(xué)過(guò)程的全面質(zhì)量監(jiān)控。筆者相信在相應(yīng)制度保障下，本系統(tǒng)一定會(huì)成為教學(xué)管理的重要抓手，在深化教學(xué)改革、提升教學(xué)質(zhì)量方面產(chǎn)生一定影響。

關(guān)鍵詞：可視化； 巡課系統(tǒng)； 教學(xué)管理； 教學(xué)評(píng)價(jià)； 設(shè)計(jì)與開發(fā)

中圖分類號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1673-8454（2017）13-0066-04

前言

為保證正常的教學(xué)秩序，加強(qiáng)教學(xué)的過(guò)程化管理， 減少或杜絕教學(xué)工作中各種教學(xué)事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)教師的教風(fēng)和學(xué)生的學(xué)風(fēng)良性循環(huán)，促進(jìn)學(xué)校教育教學(xué)質(zhì)量的穩(wěn)步提高，很多學(xué)校都實(shí)行巡課制度。巡課儼然已經(jīng)成為很多學(xué)校的教學(xué)管理和教學(xué)督導(dǎo)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，使教學(xué)管理工作走向精細(xì)化、科學(xué)化的一個(gè)標(biāo)志。目前，很多高校巡課的一般有教務(wù)處的管理人員、學(xué)校的教學(xué)督導(dǎo)人員以及各二級(jí)學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)負(fù)責(zé)實(shí)施，傳統(tǒng)的巡課主要采取的是巡課人員根據(jù)教學(xué)課表到教室進(jìn)行聽課、查課并記錄相關(guān)情況，主要內(nèi)容包含老師是否按時(shí)到達(dá)所上課教室，學(xué)生大致的出勤情況、教師的言行、教學(xué)儀態(tài)以及課堂教學(xué)的組織紀(jì)律等情況，并進(jìn)行描述性記錄。這樣描述性的巡課記錄不具體、不詳實(shí)，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行后期的統(tǒng)計(jì)與分析，很難反映出課堂上師生的真實(shí)教學(xué)狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)揮巡課的應(yīng)有功效，達(dá)到對(duì)課堂教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控和促進(jìn)教師專業(yè)成長(zhǎng)。同時(shí)，此種查課方式不但浪費(fèi)了學(xué)校大量的人力和物力，也影響到了部分老師的教學(xué)思路常，很多教師對(duì)這種模式下的巡課方式提出異議，教務(wù)管理人員也覺信息收集效率低下，并缺乏連貫性，僅僅成為了教學(xué)秩序檢查的一種方式，很難達(dá)到預(yù)期的效果，巡課也就流于了一種形式。如何打造一個(gè)常態(tài)化教學(xué)下的過(guò)程性評(píng)價(jià)的信息化教學(xué)巡課系統(tǒng)，在巡課人員不進(jìn)入教室的情況下，即可全面掌握教室的上課情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂教學(xué)質(zhì)量全程的監(jiān)控，是一個(gè)值得教育技術(shù)工作者思考和研究的課題。

一、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)劃

1.項(xiàng)目前期的基礎(chǔ)

為進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)家教育考試管理，根據(jù)教育部、財(cái)政部相關(guān)文件和通知的要求，我校在2012年完成了國(guó)家教育考試標(biāo)準(zhǔn)化考點(diǎn)建設(shè)工作，在302間多媒體教室內(nèi)建設(shè)了384個(gè)考場(chǎng)，每間大教室有2個(gè)攝像機(jī)，小教室為1個(gè)攝像機(jī)，每個(gè)攝像機(jī)配備一個(gè)編碼器和拾音器，全面覆蓋的考點(diǎn)考場(chǎng)監(jiān)控和網(wǎng)上視頻巡查系統(tǒng)（C/S模式）。攝像頭主要采集的是學(xué)生場(chǎng)景畫面。

為了提高多媒體教室的管理效率和智能化管理水平，我校以第三代信息交互式網(wǎng)絡(luò)中控為核心，更新了網(wǎng)絡(luò)中控、讀卡器、電子講臺(tái)，教室內(nèi)新增了變焦云臺(tái)攝像機(jī)、編碼器、拾音器等設(shè)備。技術(shù)升級(jí)改造后多媒體教室實(shí)現(xiàn)了基于校園網(wǎng)的多媒體信息交互、教學(xué)設(shè)備遠(yuǎn)程可視化管理與控制、教學(xué)過(guò)程視頻監(jiān)控等功能。

由于前后兩期招標(biāo)在核心設(shè)備（音視頻編解碼器）的技術(shù)上存在一定差異，造成兩期的視頻管理平臺(tái)無(wú)法統(tǒng)一，尤其是視頻資源的有效利用存在諸多不便和不足。為此，筆者以設(shè)計(jì)巡課系統(tǒng)為契機(jī)，統(tǒng)籌復(fù)用為原則，提出對(duì)兩期的管理平臺(tái)進(jìn)行融合，設(shè)計(jì)開發(fā)了以視頻的直播、點(diǎn)播、采集、存儲(chǔ)、回放為基礎(chǔ)一體化教學(xué)巡課管理平臺(tái)，并復(fù)用于電子監(jiān)考和可視化多媒體教室的管理，提高平臺(tái)使用的便捷性和易用性。

2.項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

巡課系統(tǒng)從現(xiàn)有的C/S模式的管理平臺(tái)中分離出來(lái)，采用模塊化架構(gòu)設(shè)計(jì)，基于B/S模式開發(fā)，將標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)和可視化教學(xué)多媒體管理平臺(tái)教室終端的攝像機(jī)、編碼器、拾音器設(shè)備進(jìn)行融合，在不影響原來(lái)系統(tǒng)的前提下，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，集錄像、存儲(chǔ)、管理、應(yīng)用、評(píng)價(jià)為一體，統(tǒng)一納入到巡課管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與教育教學(xué)管理手段的整合。利用其在線巡課、聽課、評(píng)課等功能提高信息化教學(xué)管理水平，增加教學(xué)評(píng)價(jià)的真實(shí)性、公開性、公正性，提高教學(xué)管理效率。

3.在線巡課系統(tǒng)拓?fù)鋱D

在線巡課系統(tǒng)主要由教室端的學(xué)生攝像機(jī)、教師變焦攝像機(jī)、編碼器、拾音器、VGA采集器和錄像、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫(kù)、Web、流媒體、服務(wù)器集群以及大屏顯示系統(tǒng)、巡課管理平臺(tái)構(gòu)成（如圖1所示）。一般情況，大教室需要安裝三臺(tái)攝像機(jī)，兩路為學(xué)生攝像機(jī)，一路為教師攝像機(jī)；小教室需要安裝兩臺(tái)攝像機(jī)，一臺(tái)為學(xué)生攝像機(jī)，一臺(tái)為教師攝像機(jī)。為了統(tǒng)籌復(fù)用，我校的學(xué)生攝像機(jī)為國(guó)家教育考試標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)定焦攝像機(jī)，教師的攝像機(jī)一般應(yīng)為變焦的球機(jī)，具備變焦、云臺(tái)控制功能，最好具備圖像識(shí)別的智能跟蹤功能，采用圖像分析處理技術(shù)，老師無(wú)需佩戴任何設(shè)備，通過(guò)不同的策略定義，便可以實(shí)現(xiàn)多區(qū)域智能跟蹤，完成對(duì)教師授課過(guò)程的圖像采集。在講臺(tái)區(qū)域和學(xué)生區(qū)域分別安裝全向拾音器，用于課堂教學(xué)教師和學(xué)生的聲音采集。[1]視頻信號(hào)與聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼器同步編碼后，傳到錄制轉(zhuǎn)碼服務(wù)器進(jìn)行錄制，保證音視頻同步錄制。通過(guò)軟件抓屏采集對(duì)電腦的VGA信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)巡課平臺(tái)進(jìn)行整合，可以生成教學(xué)視頻課件。

由于系統(tǒng)涉及的設(shè)備數(shù)量多、音視頻錄制的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算量大，對(duì)服務(wù)器性能要求極高，為保障服務(wù)器運(yùn)算性能及系統(tǒng)的穩(wěn)定性，[2]后端的服務(wù)器集群必須采用科學(xué)合理的方案，才能保證視頻直播和點(diǎn)播觀看效果以及滿足錄制視頻的存儲(chǔ)需求，從而達(dá)到巡課的流暢性。為此專門配備了錄像服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、Web專用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及大容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)（磁盤陣列系統(tǒng)），基礎(chǔ)架構(gòu)如圖2所示。

集中式教學(xué)巡課室提供大屏顯示系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)字音視頻矩陣配合18塊超窄邊液晶屏拼接成一個(gè)3行×6列的大屏幕顯示系統(tǒng)，可以在液晶屏上以1、4、6、9、12畫面分割顯示教室的畫面。在聽評(píng)課模式下以一個(gè)教室的三路畫面（教師、學(xué)生、計(jì)算機(jī)VGA），顯示聽課教室教學(xué)情況，并可以通過(guò)云臺(tái)控制對(duì)教師視頻進(jìn)行畫面的調(diào)整。通過(guò)管理平臺(tái)設(shè)置可以完成教室的圖像自動(dòng)循環(huán)切換，完成全校所有教室監(jiān)控畫面的顯示。系統(tǒng)復(fù)用于可視化多媒體教學(xué)管理系統(tǒng)和國(guó)家教育考試標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)巡查系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)平臺(tái)功能模塊

巡課平臺(tái)主要包括：統(tǒng)一身份認(rèn)證、在線巡課、在線巡考、聽課評(píng)課、視頻點(diǎn)播、視頻管理、數(shù)據(jù)中心等七個(gè)主要功能模塊。

1.統(tǒng)一認(rèn)證

（1）與數(shù)字化校園認(rèn)證系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)實(shí)名制訪問(wèn)。

（2）支持用戶分類設(shè)置，分類為：校級(jí)領(lǐng)導(dǎo)、教務(wù)管理人員、巡課員、任課教師、學(xué)生、管理人員、系統(tǒng)管理員五大類，可設(shè)置系統(tǒng)的模塊訪問(wèn)權(quán)限。

2.在線巡課

在線巡課支持兩種模式的定位查找：區(qū)域模式、課表模式?！皡^(qū)域模式”實(shí)際是按樓宇、分區(qū)等對(duì)教室進(jìn)行批量巡檢。在該模式下一般實(shí)現(xiàn)分屏顯示（可設(shè)置分屏顯示數(shù)量，默認(rèn)為9分屏），當(dāng)選擇教室數(shù)大于分屏顯示數(shù)時(shí)，要求支持翻頁(yè)瀏覽；且支持不同鏡頭之間的切換（教師鏡頭、學(xué)生鏡頭、課件鏡頭）。在“課表模式”下，與學(xué)校教務(wù)系統(tǒng)對(duì)接，系統(tǒng)能自動(dòng)按當(dāng)前日期和上課時(shí)間（節(jié)次）篩選正在上課的課程記錄，并按學(xué)院和老師進(jìn)行分類顯示界面左側(cè)，以便快速定位。在視頻圖像下方顯示當(dāng)前教室的基本信息：教師名稱、課程名稱、應(yīng)到學(xué)生數(shù)等。當(dāng)用戶定位到指定教室時(shí)，左側(cè)顯示課程名稱、任課教師等信息，右側(cè)將顯示該教室內(nèi)的所有攝像頭監(jiān)控畫面，屏1顯示教師的視頻，屏2-3顯示學(xué)生的視頻，屏4顯示VGA信號(hào)。授權(quán)用戶可以對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行云臺(tái)控制，對(duì)教學(xué)場(chǎng)景進(jìn)行多角度巡查。

3.在線巡考

“在線巡考”的功能與“在線巡課”的功能基本相同。由于考場(chǎng)安排信息相對(duì)與課程安排比較簡(jiǎn)單，所以“在線巡考”僅要求提供按區(qū)域模式進(jìn)行在線巡查即可。為做到快速定位，要求在分類顯示時(shí)，顯示有考試任務(wù)的教室（考場(chǎng)）。

4.聽課評(píng)課

通過(guò)本系統(tǒng)只要能連接到校園網(wǎng)的在任何地點(diǎn)均可隨時(shí)看到各教室場(chǎng)景、聽到聲音，并可控制機(jī)攝像機(jī)的鏡頭、云臺(tái)動(dòng)作。在不干擾正常教學(xué)的情況下實(shí)現(xiàn)巡查、聽課、在線實(shí)時(shí)教學(xué)評(píng)估等功能。每天系統(tǒng)自動(dòng)按上課教師所處學(xué)院-教師姓名進(jìn)行分類顯示正在上課的教室，聽評(píng)課畫面和“在線巡課”顯示內(nèi)容一樣，并提供評(píng)價(jià)量規(guī)和打點(diǎn)評(píng)價(jià)功能方便教學(xué)評(píng)價(jià)人員進(jìn)行評(píng)價(jià)。在講課過(guò)程中，如果評(píng)課人員發(fā)現(xiàn)老師有需要糾正的地方或者其他需要記錄的信息，可隨時(shí)按熱鍵進(jìn)行記錄，所有的打點(diǎn)信息將與多畫面的視頻信息一起存儲(chǔ)在資源庫(kù)中，[3]并實(shí)時(shí)對(duì)所有評(píng)課程記錄進(jìn)行保存統(tǒng)計(jì)，同時(shí)也支持課后視頻點(diǎn)播聽課，可對(duì)教學(xué)過(guò)程反復(fù)多次評(píng)估，學(xué)期末自動(dòng)生成本課程的教學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果。

5.視頻點(diǎn)播

原始標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)的錄像存儲(chǔ)名稱是以日期和時(shí)間命名，非常不利于檢索、查找和回放。本系統(tǒng)將按照實(shí)際教學(xué)需求和考試安排，對(duì)指定教室進(jìn)行視頻錄像，按規(guī)定格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。包括：錄像參數(shù)設(shè)定、錄像任務(wù)定制、課表數(shù)據(jù)導(dǎo)入、考場(chǎng)教室數(shù)據(jù)導(dǎo)入等。錄像模式支持“任務(wù)定制錄像”和“課表自動(dòng)錄像”兩種模式。其中“課表自動(dòng)錄像”模式按課表設(shè)定時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)錄像，要求與課表進(jìn)行對(duì)接；“任務(wù)定制錄像”模式一般用于各類國(guó)家級(jí)教育考試和校內(nèi)正常考試所進(jìn)行的教室錄像等情況，該模式需要輸入定制的任務(wù)名稱。視頻點(diǎn)播是對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)的錄像資源進(jìn)行回放。包括課堂錄像視頻和考場(chǎng)視頻。視頻存儲(chǔ)按目錄形式進(jìn)行歸類（如圖3、4所示），并以流媒體格式進(jìn)行點(diǎn)播、回放所選視頻。同時(shí)，可以按“學(xué)院、教師、課程、教室、日期、節(jié)次、年級(jí)”等進(jìn)行組合查詢，檢索到指定教室的視頻資源，以流媒體格式進(jìn)行點(diǎn)播回放所選視頻。

6.數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心主要記錄相關(guān)配置系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及對(duì)重要數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。主要包含：系統(tǒng)數(shù)據(jù)、錄像日記、巡查日記、點(diǎn)播日記。

（1）系統(tǒng)數(shù)據(jù)：與系統(tǒng)有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，含組織機(jī)構(gòu)、學(xué)院設(shè)置、專業(yè)分類、課程分類、年歷與作息時(shí)間、教室信息等。對(duì)于數(shù)據(jù)量大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)模板下載和外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。對(duì)這些數(shù)據(jù)具有編輯修改功能。

（2）錄像日記：記錄錄像操作錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)的基本信息，便于對(duì)有錯(cuò)誤的錄像過(guò)程與行為進(jìn)行跟蹤和檢查。

（3）巡查日記：記錄用戶在進(jìn)行巡課、巡考時(shí)發(fā)生的基本信息，包括用戶名、巡查教室、上線時(shí)間、下線時(shí)間、使用時(shí)長(zhǎng)、是否下載等。

（4）點(diǎn)播日記：記錄用戶在進(jìn)行點(diǎn)播視頻資源時(shí)發(fā)生的基本信息，包括：用戶名、訪問(wèn)資源名稱、上線時(shí)間、下線時(shí)間、使用時(shí)長(zhǎng)、是否下載等。

三、平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

項(xiàng)目系統(tǒng)從體系架構(gòu)可分為接入層、應(yīng)用層和接口層三層。接入層：接入層位于通平臺(tái)的最上端，直接面向客戶，提供面向客戶的功能展現(xiàn)；接收客戶的請(qǐng)求，進(jìn)行邏輯處理。應(yīng)用層：應(yīng)用層分為統(tǒng)一接入平臺(tái)層和應(yīng)用邏輯層。應(yīng)用邏輯層是應(yīng)用層的核心，對(duì)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)對(duì)象、業(yè)務(wù)處理封裝，提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)邏輯。[4]接口層：接口層完成平臺(tái)系統(tǒng)與其它第三方系統(tǒng)的交互。應(yīng)用程序采用分層的體系結(jié)構(gòu)方法，這是為了保證清晰的關(guān)注點(diǎn)分離，避免耦合，每一層都將負(fù)責(zé)他只關(guān)注的那一層，并對(duì)其它層有較少的關(guān)聯(lián)，這提高了可重用性和避免耦合。例如如果一個(gè)請(qǐng)求是來(lái)自瀏覽器或通過(guò)API那么在業(yè)務(wù)層的服務(wù)是不可知的。

系統(tǒng)基于.NET企業(yè)級(jí)架構(gòu)平臺(tái)，部署在IIS應(yīng)用服務(wù)器集群、SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)、Mongo dB分布式文檔型數(shù)據(jù)庫(kù)、Redis分布式緩存之上。技術(shù)以bootstrap+asp.net mvc+spring.net+entity framework為核心結(jié)合Ajax、數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離等企業(yè)級(jí)應(yīng)用技術(shù)。平臺(tái)在模塊之間采用面向服務(wù)的SOA架構(gòu)思想，以WCF構(gòu)建面向Restful Web Service。

四、結(jié)束語(yǔ)

我校根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在整合標(biāo)準(zhǔn)化考場(chǎng)和可視化教學(xué)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，2016年在國(guó)內(nèi)率先建設(shè)完成了基于視頻的可視化教學(xué)巡課系統(tǒng)，共有教室終端300間。在教學(xué)管理中心，可以通過(guò)大屏顯示系統(tǒng)校領(lǐng)導(dǎo)、教學(xué)督導(dǎo)等管理人員的集中式聽課，各級(jí)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)、教研室、教學(xué)管理人員、輔導(dǎo)員通過(guò)校園進(jìn)行實(shí)時(shí)巡課和隨時(shí)點(diǎn)播課程對(duì)學(xué)校的教學(xué)狀況進(jìn)行信息化教學(xué)監(jiān)督。改變了以往計(jì)劃性的聽課安排很難覆蓋到各個(gè)學(xué)科、不同職級(jí)的教師，利用本系統(tǒng)可以發(fā)揮信息技術(shù)記錄信息、存儲(chǔ)信息的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行評(píng)教，突破聽課制度的時(shí)間和空間約束。而且，巡課所觀察的是教師的常態(tài)教學(xué)情況和學(xué)生的常態(tài)學(xué)習(xí)情況，那么對(duì)教師和學(xué)生的評(píng)價(jià)也就更加中肯。對(duì)于一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)人員，可利用10分鐘左右的時(shí)間完成一堂課的評(píng)價(jià)，利用此方式可以有效提升聽評(píng)課數(shù)量。在這種覆蓋面下，量的倍增將促進(jìn)質(zhì)的變化，形成較大的改善教學(xué)的壓力和動(dòng)力。任課老師也通過(guò)教學(xué)過(guò)程常態(tài)化記錄，建立了教師課堂教學(xué)電子檔案袋，老師可以通過(guò)回看教學(xué)錄像進(jìn)行教學(xué)反思和了解學(xué)生的接受情況，從不斷的改善教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)計(jì)劃，提高自己的教學(xué)能力。教學(xué)管理人員也可以抽取教師課堂的教學(xué)錄像，作為申報(bào)教改項(xiàng)目、教學(xué)成果獎(jiǎng)、“最受學(xué)生歡迎的老師”、教學(xué)競(jìng)賽評(píng)比以及職稱職務(wù)評(píng)定等客觀依據(jù)，促進(jìn)課堂教學(xué)質(zhì)量提升以及教師教學(xué)能力的提高。[5]經(jīng)教師授權(quán)，學(xué)生也觀看課堂教學(xué)錄像、對(duì)于老師課堂上講解的難點(diǎn)，沒(méi)有理解的或理解的不夠透徹，進(jìn)行點(diǎn)播回放，進(jìn)行有重點(diǎn)的復(fù)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在國(guó)家教育考試以學(xué)校各類考試過(guò)程中，啟用錄像和巡考功能，對(duì)考試過(guò)程進(jìn)行了全程記錄，巡考人員也可以在不進(jìn)入教室情況即可完成巡考，不但保證了考試過(guò)程的公平、公正，也促進(jìn)了良好考風(fēng)、學(xué)風(fēng)的形成。筆者相信在相應(yīng)制度保障下，本系統(tǒng)一定會(huì)成為教學(xué)管理的重要抓手，在深化教學(xué)改革、提升教學(xué)質(zhì)量方面產(chǎn)生一定影響。

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（編輯：王曉明）