信息化時(shí)代高校多校區(qū)互動(dòng)教學(xué)的技術(shù)及硬件支撐淺探

林 飛 邢躍林

在高等教育課堂中，教師始終是占據(jù)講臺(tái)中心的主角，師生互動(dòng)應(yīng)該始終是學(xué)習(xí)的核心過(guò)程。傳統(tǒng)的黑板和粉筆，原生態(tài)的教室環(huán)境，讓教師能夠徹底放松，沉浸到教學(xué)活動(dòng)中；而教師和學(xué)生近距離的語(yǔ)言和眼神交流，能夠讓教師隨時(shí)把握學(xué)生的心理活動(dòng)，讓“教”與“學(xué)”兩種活動(dòng)相互牽引，形成良性互動(dòng)，并相互激勵(lì)，達(dá)成最佳的教學(xué)實(shí)踐。但事實(shí)上，頂尖的教師資源是稀缺的，對(duì)多個(gè)校區(qū)的大學(xué)來(lái)說(shuō)尤其如此。為此，在信息化時(shí)代，多校區(qū)遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)成為有效選擇，以在課堂教學(xué)和遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)活動(dòng)中達(dá)到“現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)具有沉浸感，遠(yuǎn)程教學(xué)具有現(xiàn)場(chǎng)感”的效果?！艾F(xiàn)場(chǎng)教學(xué)具有沉浸感”的效果是指課堂授課教師應(yīng)該避免受到電化教學(xué)設(shè)備的干擾，三尺講臺(tái)是教師的地盤，在他最熟悉的環(huán)境中，盡情的表演和發(fā)揮?！斑h(yuǎn)程教學(xué)具有現(xiàn)場(chǎng)感”的效果是指在遠(yuǎn)程教室參與上課的學(xué)生能夠最真切的感受到教師的存在，這種感受體驗(yàn)應(yīng)該是全方位的。這也是多校區(qū)大學(xué)建設(shè)互動(dòng)課堂的基本動(dòng)力。多媒體資源的運(yùn)用是有益的，也是必要的，是高等教育中的輔助教學(xué)手段。要從教室環(huán)境的營(yíng)造、信號(hào)采集、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、實(shí)時(shí)互動(dòng)、維護(hù)管理等方面強(qiáng)化對(duì)多校區(qū)互動(dòng)教學(xué)的硬件和技術(shù)支撐。

一、教室環(huán)境

高校多校區(qū)遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)可劃分為主講教室系統(tǒng)和聽(tīng)課教室系統(tǒng)，兩種系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)略有不同，主講教室在保持教室原有風(fēng)格的基礎(chǔ)上，更強(qiáng)調(diào)原始信號(hào)的采集，而聽(tīng)課教室更關(guān)心遠(yuǎn)程音視頻信號(hào)的完美還原、呈現(xiàn)與互動(dòng)。當(dāng)然兩種系統(tǒng)可以很好的融合，以更好地平衡教學(xué)體驗(yàn)和錄制效果之間的關(guān)系。我們應(yīng)該更關(guān)注教室使用人的心理感受，講課和聽(tīng)課的體驗(yàn)。盡可能少對(duì)教室進(jìn)行改造，避免使用過(guò)分封閉的環(huán)境，避免使用大面積鮮艷的色塊，在聲光處理上要盡可能柔和，同時(shí)一定要避免裝修的化學(xué)污染。多媒體設(shè)備的使用上，要簡(jiǎn)單易用，不能讓多媒體設(shè)備成為教師的“拐棍”。一般來(lái)說(shuō)，教師服務(wù)部門或者物業(yè)在上課前一鍵啟動(dòng)設(shè)備，下課時(shí)一鍵關(guān)閉設(shè)備，不能給授課教師增加任何麻煩和不便利性。

依據(jù)2011年版的《多媒體教學(xué)環(huán)境工程建設(shè)規(guī)范》，一般多媒體教室的水平照度為300-400lx，而錄播型教室需要達(dá)到500lx。我們的建議是如果現(xiàn)有多媒體教室水平照度能夠達(dá)到300-400lx，就不必再增加光照強(qiáng)度。普通教室影響上課效果的一個(gè)重要因素是陽(yáng)光直射導(dǎo)致的光照度不均勻問(wèn)題，例如，如果陽(yáng)光直射黑板，會(huì)導(dǎo)致一半暗、一半亮，嚴(yán)重影響板書(shū)的采集效果。如果有樹(shù)蔭影響，也可以導(dǎo)致教師臉部灰白斑駁。所以，建議盡可能選擇建筑物北側(cè)的教室，并配有與墻壁顏色相近的窗簾。

教室聲音環(huán)境主要有兩個(gè)方面的問(wèn)題需要注意，首先是外界噪聲干擾問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)大學(xué)教室區(qū)域比較安靜，如沒(méi)有特別的需求問(wèn)題不大。另一個(gè)問(wèn)題是教室內(nèi)部混響特性問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)教室環(huán)境在設(shè)計(jì)之初就考慮了這個(gè)問(wèn)題，如果發(fā)現(xiàn)混響超標(biāo)，影響了遠(yuǎn)程授課效果和錄制，也可以采用簡(jiǎn)單的方法（例如增加褶皺窗簾，增加主要聲場(chǎng)反射區(qū)的遮擋物等等）予以彌補(bǔ)處理。另外，當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展，完全電子化和數(shù)字化的音視頻設(shè)備的出現(xiàn)，使得優(yōu)化和處理錄制后的音視頻質(zhì)量和效果成為可能。

二、信號(hào)采集

音視頻信號(hào)的采集是遠(yuǎn)程互動(dòng)教室的信號(hào)源，我們?cè)谛盘?hào)采集時(shí)需要依據(jù)三個(gè)原則如下：盡可能不影響教師授課；盡可能還原教師授課的視覺(jué)原貌；盡可能還原教師授課和問(wèn)答的聽(tīng)覺(jué)原貌。

面對(duì)聚光燈和攝像機(jī)鏡頭，一般人都會(huì)不適應(yīng)，教師也不例外，為保證教師授課的自然發(fā)揮，信號(hào)采集設(shè)備包括攝像機(jī)和麥克風(fēng)應(yīng)該盡可能隱藏起來(lái)，至少不應(yīng)該過(guò)分突兀，不應(yīng)該有明顯的跟蹤動(dòng)作。燈光要避免過(guò)于明亮，特別是避免對(duì)講臺(tái)區(qū)域的燈光直射。

教師授課一般會(huì)使用黑板板書(shū)和（或）電腦PPT(電教投影播放)，并在講臺(tái)區(qū)域走動(dòng)，使用語(yǔ)言和肢體語(yǔ)言進(jìn)行充分表達(dá)。為此教師信號(hào)的采集應(yīng)該至少包含講臺(tái)區(qū)域全景，教師特寫(xiě)和電腦信號(hào)三路。教師特寫(xiě)信號(hào)應(yīng)該能夠在黑板書(shū)寫(xiě)時(shí)獲得清晰的板書(shū)信號(hào)。錄播教室系統(tǒng)一般采用帶有跟蹤的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)用來(lái)還原教師信號(hào)和板書(shū)信號(hào)。為保證攝像的效果，建議盡量避免在教室布置對(duì)比度很強(qiáng)烈的畫(huà)框和標(biāo)語(yǔ)，盡量避免講臺(tái)區(qū)域有非常大面積的對(duì)比強(qiáng)烈的色塊。

國(guó)外在階梯教室的MOOC錄制經(jīng)常使用佩戴型的領(lǐng)夾式麥克風(fēng)，好處是教師的話音始終清晰和穩(wěn)定，但在初次使用時(shí)，同樣也會(huì)帶來(lái)教師的不適感，但就遠(yuǎn)程和錄制效果來(lái)說(shuō)這是最好的選擇。

針對(duì)大空間的聲音信號(hào)采集，傳統(tǒng)麥克風(fēng)或者拾音器在距離較遠(yuǎn)時(shí)往往會(huì)同步放大環(huán)境聲音而導(dǎo)致聲音混響的不一致?，F(xiàn)代的數(shù)字語(yǔ)音采集的技術(shù)可以使用數(shù)字技術(shù)聚焦講話人，使全向麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)指向型麥克風(fēng)的效果，用非線性技術(shù)再放大講話人聲音的同時(shí)，降低環(huán)境噪音和混響，達(dá)成聲音效果與距離無(wú)關(guān)的目標(biāo)。

三、遠(yuǎn)程呈現(xiàn)

遠(yuǎn)程教室的大屏幕播放設(shè)備，是不同校區(qū)的學(xué)生加入互動(dòng)課程，與授課教師近距離接觸的唯一手段（當(dāng)然如果未來(lái)VR技術(shù)引入之后會(huì)更好）。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教室的現(xiàn)場(chǎng)感，一般情況下，大屏幕顯示設(shè)備以投影機(jī)正投模式顯示為主，也有采用拼接平板顯示器的多媒體教室。依據(jù)2011年版的《多媒體教學(xué)環(huán)境工程建設(shè)規(guī)范》，采用投影機(jī)正投模式顯示的多媒體教室，屏幕垂直照度以50-150lx 為宜，其照度均勻度應(yīng)不低于0.7。采用平板顯示器的多媒體教室，屏幕垂直照度以80-200lx 為宜，其照度均勻度應(yīng)不低于0.7。拼接屏（16：9）顯示系統(tǒng)的最佳視距以屏幕高度的3 倍為宜，投影（4：3）顯示系統(tǒng)的中心視距（最佳視距）以屏幕高度的5 倍為宜，最佳視距0.4-1.5 倍的范圍為有效視距。這樣對(duì)于100平方米的教室來(lái)說(shuō)，拼接屏顯示系統(tǒng)尺寸的建議是150-180英寸，投影顯示系統(tǒng)的尺寸建議100-120英寸。

為保證投影系統(tǒng)的還原度和色彩度，建議選用3LCD、3DLP 投影機(jī)，投影機(jī)物理分辨率不應(yīng)低于1920×1080，屏幕最低亮度不低于100-120尼特，對(duì)應(yīng)120英寸屏幕來(lái)說(shuō)，投影機(jī)要求達(dá)到3500流明。但當(dāng)投影機(jī)吊頂安裝時(shí)，建議采用金屬屏幕。

在遠(yuǎn)程教室里，教室擴(kuò)音系統(tǒng)主要是為了還原遠(yuǎn)程教師的聲音效果，并不是聲音越大越好，能完整聽(tīng)清，而又感覺(jué)不到音箱的存在為最佳。建議遠(yuǎn)程教室擴(kuò)音系統(tǒng)的響度為60-70Phon，聲壓為80-85SPL。揚(yáng)聲器的安裝位置一般應(yīng)與視頻顯示設(shè)備在相同的方向，以保證學(xué)生視聽(tīng)的統(tǒng)一性。

四、實(shí)時(shí)互動(dòng)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)互動(dòng)是增加遠(yuǎn)程教室現(xiàn)場(chǎng)感的重要手段，更關(guān)心學(xué)生的體驗(yàn)，“現(xiàn)場(chǎng)感”是其目標(biāo)。實(shí)時(shí)互動(dòng)系統(tǒng)的建立一般通過(guò)視頻會(huì)議技術(shù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于遠(yuǎn)程教室聽(tīng)課的學(xué)生而言，他們面對(duì)主顯示設(shè)備聽(tīng)課，并通過(guò)這個(gè)屏幕與主講教師實(shí)時(shí)提問(wèn)和交流。因此，足夠清晰的畫(huà)面，能夠真切反映教師的舉手投足和一顰一笑，能夠清楚顯示教師的板書(shū)；足夠清晰響亮的聲音，能夠清晰逼真的呈現(xiàn)教師的聲音，包括粉筆敲擊黑板的咔咔聲；通過(guò)近乎無(wú)延遲的音視頻互動(dòng)能力，建立起遠(yuǎn)程學(xué)生與教師無(wú)障礙的音視頻溝通是“遠(yuǎn)程教學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)感”的重要保證。

主講教室的教師不僅對(duì)講臺(tái)下的學(xué)生講課，也在對(duì)遠(yuǎn)程教室的學(xué)生講課并問(wèn)答。這樣教師需要一個(gè)新的屏幕來(lái)呈現(xiàn)遠(yuǎn)程教室的情景，這塊屏幕既不能影響現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)效果，又能在需要的時(shí)候成為教師和遠(yuǎn)程教室學(xué)生的媒介。

對(duì)于主講教室而言，黑板區(qū)域和投影區(qū)域主要用于本班教室學(xué)生觀看，同時(shí)黑板區(qū)域供教師攝像機(jī)采集教師特寫(xiě)和板書(shū)信號(hào)使用。互動(dòng)屏幕不宜放在正面，因?yàn)樗鼤?huì)占據(jù)更多的書(shū)寫(xiě)空間，也是為避免遠(yuǎn)程教室的畫(huà)面干擾本班教室學(xué)生的聽(tīng)課注意力。而反向吊裝模式比較方便教師與遠(yuǎn)程教室學(xué)生的互動(dòng)，但它往往會(huì)遮擋主攝像機(jī)的攝像，同時(shí)互動(dòng)時(shí)教師需要抬頭交流，會(huì)使遠(yuǎn)程學(xué)生感覺(jué)并不自然。因此，建議互動(dòng)屏固定安裝在講臺(tái)區(qū)域的側(cè)面，與黑板成90°夾角。也可以使用可移動(dòng)電視支架，放置在講臺(tái)一側(cè)，由教師靈活安置。

遠(yuǎn)程教室的聲音建議采用數(shù)字化智能麥克風(fēng)系統(tǒng)，使聲音與距離無(wú)關(guān)，避免使用手持式麥克風(fēng)等移動(dòng)設(shè)備。遠(yuǎn)程教室的聲音傳送到主講教室后的放音建議使用互動(dòng)屏幕上的放音設(shè)備（電視機(jī)音箱），如電視機(jī)音箱音量不足可在相同位置增配擴(kuò)音系統(tǒng)。

五、維護(hù)管理

互動(dòng)教室系統(tǒng)的管理比一般多媒體教室的管理更為復(fù)雜，一堂課往往涉及到不在同一物理位置的多間教室，多套多媒體設(shè)備，故障排查更困難，修復(fù)更復(fù)雜，一旦出現(xiàn)故障，影響也會(huì)更大、更惡劣。這對(duì)系統(tǒng)的可靠性、可管理性、可維護(hù)性提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

高可靠性是對(duì)互動(dòng)教室系統(tǒng)的關(guān)鍵要求，為了保證系統(tǒng)的可靠性，我們建議設(shè)備應(yīng)盡可能精簡(jiǎn)，多一臺(tái)設(shè)備就多增加一個(gè)故障點(diǎn)。同時(shí)，我們也建議設(shè)備盡可能使用基于DSP的嵌入式設(shè)備，避免使用基于通用操作系統(tǒng)的設(shè)備。我們也建議盡可能減少設(shè)備與設(shè)備之間的連接電纜，多一個(gè)連接也多一分故障的概率?；?dòng)教室系統(tǒng)應(yīng)該可以支持預(yù)先配置，加電恢復(fù)，允許直接斷電的使用模式。系統(tǒng)的使用應(yīng)盡可能簡(jiǎn)潔清晰，一般來(lái)說(shuō)要支持一鍵開(kāi)關(guān)，圖形化操作指示。

互動(dòng)教室的大規(guī)模使用會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可管理性提出很高的要求。這里的可管理性包括幾個(gè)層面的可管理問(wèn)題。首先是設(shè)備可管理，每間教室的所有分離設(shè)備都應(yīng)該可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，設(shè)備采集的信號(hào)都可以在控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)看，設(shè)備狀態(tài)都可以實(shí)時(shí)在控制中心顯示。其次是互動(dòng)課程的管理，控制中心可以遠(yuǎn)程配置互動(dòng)課程，例如某次課哪間教室作為主講，哪間教室作為聽(tīng)講，課程時(shí)間，主講教師等等?；?dòng)課程的管理應(yīng)能夠與本科生和研究生的教務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接，例如，從教務(wù)系統(tǒng)獲得課程信息，自動(dòng)配置相關(guān)教師的業(yè)務(wù)狀態(tài)等等。

互動(dòng)教室的管理系統(tǒng)要能夠支持遠(yuǎn)程設(shè)備啟動(dòng)遠(yuǎn)程調(diào)試和測(cè)試能力，教室無(wú)人值守時(shí)能夠測(cè)試設(shè)備是否正常，錄制和互動(dòng)效果是否令人滿意等等工作。能夠遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置、升級(jí)和維護(hù)操作。