移動數(shù)字化教學(xué)資源平臺建設(shè)研究*

冀燕麗，段海濤

（北京科技大學(xué) 教務(wù)處現(xiàn)代教育技術(shù)中心，北京 100083）

一、引言

數(shù)字化教學(xué)資源的開發(fā)和利用是教育信息化的核心任務(wù)，也是教育信息化的薄弱環(huán)節(jié)。數(shù)字化資源開發(fā)和利用的程度是衡量一個高校教育信息化水平的一個重要標(biāo)志。目前，我校數(shù)字化教學(xué)資源平臺為我校師生提供了大量優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化教學(xué)資源（包括教育部視頻公開課、國家級資源共享課、北京市名師課堂、優(yōu)質(zhì)的微課、研究生視頻公開課、來華留學(xué)生品牌課、北京市雙語示范課、院士系列訪談?wù)n等等），這些優(yōu)質(zhì)課程均通過北京科技大學(xué)數(shù)字化教學(xué)資源平臺面向在校本科生和在校研究生開放和共享。第一期開發(fā)的數(shù)字化教學(xué)資源平臺的使用終端僅限于PC端。

隨著移動互聯(lián)技術(shù)和云計(jì)算的迅猛發(fā)展、智能手機(jī)的普及使用，師生更習(xí)慣利用移動網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)知識和共享資源，如何利用移動互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，使全校師生快捷有效地獲取到優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，提供翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式的技術(shù)支持平臺，是我們研究的一個新課題?；诖?，我們提出升級現(xiàn)有的數(shù)字化教學(xué)資源平臺，建設(shè)配套的移動版數(shù)字化教學(xué)資源平臺。建成后，全校師生可以通過手機(jī)、平板電腦等智能移動終端設(shè)備訪問我校數(shù)字化教學(xué)資源平臺，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)效果。

二、建設(shè)移動數(shù)字化教學(xué)資源平臺的必要性

1.新互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為建設(shè)移動資源平臺提供了機(jī)遇

移動互聯(lián)網(wǎng)是一種新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它的核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)。用戶通過移動智能終端設(shè)備可以在移動狀態(tài)下獲取和使用互聯(lián)網(wǎng)資源。[1]此時，學(xué)習(xí)資源的提供方式應(yīng)該隨著新技術(shù)的發(fā)展不斷更新，比如現(xiàn)在日趨普及和完善的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，以智能手機(jī)為載體的4G/5G移動通訊技術(shù)的快速發(fā)展和運(yùn)用，各種公共場所免費(fèi)WIFI的覆蓋以及360隨身WIFI等應(yīng)用，更為人們通過智能手機(jī)上網(wǎng)提供了便利。[2]學(xué)習(xí)資源通過這些新的互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)能夠更直接有效地分享給人們。

2.“翻轉(zhuǎn)”教學(xué)模式的發(fā)展需要移動資源平臺來支撐

翻轉(zhuǎn)課堂(flipped classroom)又稱反轉(zhuǎn)式教學(xué)[3]，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)模式是教師在課堂上傳授知識，學(xué)生被動地接受知識，并在課后完成作業(yè)。學(xué)生在整個學(xué)習(xí)過程中缺乏主動性和針對性，而翻轉(zhuǎn)課堂是對教學(xué)結(jié)構(gòu)和教學(xué)流程的顛覆，學(xué)生課前可以主動通過在線教學(xué)資源學(xué)習(xí)和思考，課堂上主要是針對自己在課前學(xué)習(xí)中遇到的疑惑和問題進(jìn)行針對性的解答和互助，課后通過在線交流和討論，完成作業(yè)，這種模式把學(xué)習(xí)的主動權(quán)交給了學(xué)生。

這種翻轉(zhuǎn)式教學(xué)模式需要將教學(xué)資源通過在線視頻等形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了移動資源平臺，這樣能夠更便利地為學(xué)生提供教學(xué)資源，學(xué)生通過移動設(shè)備隨時隨地加強(qiáng)課前學(xué)習(xí)，教師也能隨時發(fā)現(xiàn)問題并監(jiān)督學(xué)生學(xué)習(xí)，移動設(shè)備和移動資源平臺等信息化工具很大程度地提高了翻轉(zhuǎn)課堂的效果。[4]

3.現(xiàn)代大學(xué)生的特點(diǎn)呼喚移動教學(xué)資源平臺建設(shè)

如今，大學(xué)校園里90后是大學(xué)生主體。90后學(xué)生具有很強(qiáng)的自主意識、喜歡自由，他們更樂意通過自主的學(xué)習(xí)方式來獲取教學(xué)資源。在依靠移動智能終端教學(xué)資源平臺的教學(xué)中，學(xué)生可以自由地安排學(xué)習(xí)時間，提高學(xué)習(xí)的效率；可以自己選擇學(xué)習(xí)難度和深度，培養(yǎng)自身的自學(xué)能力；可以反復(fù)學(xué)習(xí)，有助于解決不懂的問題。

三、移動數(shù)字化教學(xué)資源平臺的關(guān)鍵技術(shù)分析

1.轉(zhuǎn)碼技術(shù)

因?yàn)槠脚_資源多為視頻資源，原始錄制的視頻碼率高、體積大，并不適合通過移動終端進(jìn)行分發(fā)、實(shí)時觀看。為了方便師生在移動終端流暢地獲取教學(xué)資源，我們采用了視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)，主要包括視頻碼率的轉(zhuǎn)換、視頻空間分辨率的轉(zhuǎn)換、視頻時間分辨率的轉(zhuǎn)換和視頻編碼格式的轉(zhuǎn)換。

我們所建設(shè)的移動數(shù)字化教學(xué)資源平臺中視頻資源的轉(zhuǎn)碼工具是諸如ffmpeg和mencoder這樣的開源軟件。像素域轉(zhuǎn)碼結(jié)構(gòu)主要采用“全解全編”模式。視頻資源的碼率轉(zhuǎn)換原理是，從待轉(zhuǎn)碼的視頻流中提取出運(yùn)動矢量和編碼模式這些信息，從而對圖像進(jìn)行重新編碼。視頻資源空間分辨率的轉(zhuǎn)換原理是，在轉(zhuǎn)碼結(jié)構(gòu)中，通過增加視頻采樣模塊降低視頻的空間分辨率。進(jìn)行時間分辨率轉(zhuǎn)換時，通過丟棄視頻幀和幀類型轉(zhuǎn)換的方式來降低時間分辨率。轉(zhuǎn)碼后的資源，最后呈現(xiàn)為H.264的視頻格式和AAC的音頻格式。

轉(zhuǎn)碼流程大致分為四步：第一步是分布式存儲，第二步是任務(wù)分發(fā)，第三步是編碼調(diào)度節(jié)點(diǎn)，最后一步是執(zhí)行轉(zhuǎn)碼任務(wù)和監(jiān)控轉(zhuǎn)碼任務(wù)。如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)碼流程圖

整個轉(zhuǎn)碼流程如下：

（1）上傳資源

用戶把公開課、共享課、微課、雙語課等視頻資源通過資源管理系統(tǒng)上傳到資源平臺上，這些文件又通過資源管理系統(tǒng)的TCP協(xié)議和存儲主服務(wù)器上的上傳服務(wù)通信功能保存到存儲服務(wù)器。

（2）分配轉(zhuǎn)碼任務(wù)

當(dāng)視頻文件被傳送至存儲主服務(wù)器時，存儲主服務(wù)器會啟用轉(zhuǎn)碼調(diào)度任務(wù)。轉(zhuǎn)碼調(diào)度節(jié)點(diǎn)會挑選出當(dāng)前沒有執(zhí)行任務(wù)的轉(zhuǎn)碼節(jié)點(diǎn)，根據(jù)待轉(zhuǎn)碼視頻的文件大小，結(jié)合一定的算法，把轉(zhuǎn)碼任務(wù)分配給它。同時，會更新轉(zhuǎn)碼調(diào)度表，以備后續(xù)工作開展。

（3）執(zhí)行轉(zhuǎn)碼任務(wù)

本地轉(zhuǎn)碼的任務(wù)節(jié)點(diǎn)接受到轉(zhuǎn)碼任務(wù)后，會通過本地服務(wù)器和遠(yuǎn)程存儲服務(wù)器之間的通信協(xié)議，把待轉(zhuǎn)碼視頻文件拷貝到本地，并將之加入到本地轉(zhuǎn)碼任務(wù)列表中，開始執(zhí)行轉(zhuǎn)碼任務(wù)。轉(zhuǎn)碼任務(wù)完成后，會通知遠(yuǎn)方調(diào)度節(jié)點(diǎn)，更新轉(zhuǎn)碼調(diào)度表。同時，通知存儲服務(wù)器再次執(zhí)行分發(fā)任務(wù)操作。

（4）分發(fā)轉(zhuǎn)碼文件

轉(zhuǎn)碼任務(wù)完成后，轉(zhuǎn)碼調(diào)度節(jié)點(diǎn)會更新轉(zhuǎn)碼任務(wù)調(diào)度列表，并通知分布式存儲系統(tǒng)分發(fā)轉(zhuǎn)碼文件。轉(zhuǎn)碼后的文件通過分布式存儲在多個服務(wù)器上，這是為了減輕視頻播放的網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。

（5）監(jiān)控轉(zhuǎn)碼任務(wù)

為了確保轉(zhuǎn)碼任務(wù)節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行，本地的轉(zhuǎn)碼任務(wù)節(jié)點(diǎn)會與遠(yuǎn)程的轉(zhuǎn)碼調(diào)度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定時通信，如果兩者之間長時間沒有通信，那么轉(zhuǎn)碼調(diào)度節(jié)點(diǎn)會在任務(wù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的前提下重新分配轉(zhuǎn)碼任務(wù)。

2.直播多播流轉(zhuǎn)發(fā)

圖2 多播流轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖

（1）多播流轉(zhuǎn)發(fā)的兩種情況

①單個IP客戶端情況

客戶端首先單播直連服務(wù)器接收信號，這時客戶端從多播組內(nèi)接收不到任何信號，也不會發(fā)送心跳信號。

②多個IP客戶端情況

為了保證信號的暢通，新的客戶機(jī)會首先選擇采用單播直連的方式連接服務(wù)器。新客戶機(jī)在接收多播組信號的同時發(fā)送心跳信號。新客戶機(jī)的心跳信號在被多播組內(nèi)的原有客戶機(jī)接收后，多播組內(nèi)的原有客戶機(jī)為了完成轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)的篩選任務(wù)，會向組內(nèi)發(fā)送帶有客戶機(jī)附加信息的心跳信號。

收到心跳信號的客戶機(jī)在符合條件的情況下開始轉(zhuǎn)發(fā)多播信號，前提是子網(wǎng)內(nèi)不存在多播轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)，條件的判定是客戶機(jī)根據(jù)特定的信息規(guī)則（目前是選擇IP地址最小的那個客戶端）計(jì)算出來的。

新客戶機(jī)在接收到多播信號后，會停止單播直連服務(wù)器。圖3為多播流轉(zhuǎn)發(fā)流程示意圖。

圖3 多播流轉(zhuǎn)發(fā)流程圖

（2）遷移多播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

當(dāng)正在執(zhí)行任務(wù)的多播轉(zhuǎn)發(fā)主機(jī)停止任務(wù)后，就會遷移多播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。流程描述如下：

為了確保信號的穩(wěn)定性，當(dāng)客戶機(jī)接收不到多播信號時，會優(yōu)先選擇采用單播方式連接服務(wù)器。之后，客戶機(jī)再發(fā)送心跳信號，與此同時，等待來自其他客戶機(jī)發(fā)來的心跳信號。

當(dāng)子網(wǎng)里只有一個客戶機(jī)的情況下，客戶機(jī)在等待的過程中不會再接受來自別的客戶機(jī)的心跳信號。那么此時，客戶機(jī)就只能采用單播方式直連服務(wù)器。

當(dāng)來自外部的心跳信號接收完成后，為了找到新的超級客戶機(jī)，它會根據(jù)一定的篩選原則，計(jì)算子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里的各個客戶機(jī)。

如果找不到新的超級客戶機(jī)，那么當(dāng)前客戶機(jī)依然會在保持單播直連的前提下，繼續(xù)嘗試接收多播信號。

3.共享代碼技術(shù)

平臺的共享按鈕，可以生成在其他網(wǎng)站也可以播放的視頻鏈接。目前使用的是內(nèi)嵌frame技術(shù)，給出的播放鏈接類似＜iframe src=‘視頻播放地址’＞＜/iframe＞。 第三方網(wǎng)頁可以直接將這段代碼嵌入自己的網(wǎng)頁，frame中調(diào)用的則是資源門戶對外共享的視頻播放頁面。

4.免瀏覽器播放技術(shù)

免瀏覽器播放技術(shù)目前主要有兩種，一種是通過FLASH實(shí)現(xiàn)，另一種是通過HTML5實(shí)現(xiàn)。資源系統(tǒng)首先判斷當(dāng)前瀏覽器是否支持HTML5，如果支持，則使用HTML5，否則使用FLASH。

無論使用哪種免瀏覽器播放技術(shù)，播放的都是轉(zhuǎn)碼后的視頻，視頻編碼格式為H.264，音頻編碼格式為AAC，封裝為 MP4。

使用FLASH播放視頻代碼示例如下：

在HTML5里播放視頻代碼示例如下：

5.JS技術(shù)

JS（全稱JavaScript）是一種動態(tài)類型、弱類型、基于原型的直譯式腳本語言，內(nèi)置支持類型。[6]就是我們所說的腳本語言。不同于C++/java等語言，它更加方便靈活，它的解釋器被稱為JavaScript引擎，用來給HTML網(wǎng)頁增加動態(tài)功能。

（1）JavaScript組成部分如圖 4所示。 其中，ECMAScript，歐洲計(jì)算機(jī)制造協(xié)會，對 JavaScript的編程語法和基本的對象做詳細(xì)描述。文檔對象模型（DOM），用于處理網(wǎng)頁內(nèi)容的方法和接口描述。瀏覽器對象模型（BOM），用于介紹與瀏覽器如何進(jìn)行交互的方法和接口。[7]

圖4 JavaScript組成部分

（2）基本特點(diǎn)

JavaScript是一種輕量級的編程語言。JavaScript插入HTML頁面后，可由所有的現(xiàn)代瀏覽器執(zhí)行。能夠改變?nèi)我釮TML元素的大多數(shù)屬性，而不僅僅是圖片。

6.jQuery技術(shù)

jQuery是一個兼容多種瀏覽器的javascript框架，它的語法設(shè)計(jì)讓開發(fā)者使用起來感到更加方便快捷，比如在文檔對象、動畫效果的制作、DOM元素的選擇等方面。jQuery是一種具有結(jié)構(gòu)化功能的開發(fā)技術(shù)，它更加注重模塊化，這就方便開發(fā)者可以利用它提供的API來直接編寫自己所需要的插件，從而開發(fā)出非常強(qiáng)大的功能網(wǎng)頁。

其特點(diǎn)如下：與其它的js庫相比較，jQuery是輕量級的js庫，因?yàn)槠鋲嚎s后只有21k。它不僅兼容CSS3，還兼容各種瀏覽器。jQuery技術(shù)能夠把用戶的網(wǎng)頁代碼和網(wǎng)頁內(nèi)容分割開來，這方便了用戶。

四、移動數(shù)字化教學(xué)資源平臺的應(yīng)用

改造完成后，各種移動終端，如平板電腦、智能手機(jī)等設(shè)備完全可以通過此平臺進(jìn)行精品課程瀏覽、接收電視節(jié)目直播，擺脫時間和空間的限制將數(shù)字化教學(xué)平臺的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到校園的任何角落，使平臺的應(yīng)用做到師生可以隨時隨地對資源進(jìn)行訪問。具體實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1.移動資源門戶應(yīng)用

①系統(tǒng)可以直接調(diào)用數(shù)字化教學(xué)資源平臺的用戶管理子系統(tǒng)中的用戶體系及用戶信息。②系統(tǒng)服務(wù)器端支持集群轉(zhuǎn)碼功能，可指多臺服務(wù)器同時轉(zhuǎn)碼，并可監(jiān)控到當(dāng)前多臺轉(zhuǎn)碼服務(wù)器的狀態(tài)，如服務(wù)器是否正常，服務(wù)器CPU、服務(wù)器內(nèi)存占用情況、當(dāng)前轉(zhuǎn)碼文件、轉(zhuǎn)碼類型、分辨率、碼流等。③系統(tǒng)服務(wù)器端可設(shè)置轉(zhuǎn)碼文件的類型，如flv、mp4，并可設(shè)置同時轉(zhuǎn)兩種格式資源。④系統(tǒng)支持轉(zhuǎn)碼參數(shù)設(shè)置，可自定義轉(zhuǎn)碼文件的分辨率、音視頻碼流。⑤系統(tǒng)可以直接調(diào)用數(shù)字化教學(xué)平臺的資源中心管理系統(tǒng)中的資源?？上葘Y源中心管理系統(tǒng)的資源欄目進(jìn)行發(fā)布，同時支持整體發(fā)布，然后對發(fā)布欄目下的資源進(jìn)行管理。⑥系統(tǒng)可設(shè)置欄目下資源的轉(zhuǎn)碼參數(shù)，也可單獨(dú)設(shè)置資源的轉(zhuǎn)碼參數(shù)，同時可以監(jiān)控到資源的轉(zhuǎn)碼狀態(tài)、轉(zhuǎn)碼完成后可取消，并可設(shè)置轉(zhuǎn)碼的優(yōu)先級等。⑦轉(zhuǎn)碼完成的資源文件，PC端瀏覽時，不需要安裝播放插件即可播放。⑧客戶端采用B/S架構(gòu)，支持多種瀏覽器訪問。⑨系統(tǒng)支持基于IOS操作系統(tǒng)的PAD、PHONE及Android2.1以上版本的移動終端進(jìn)行瀏覽。

圖5為開發(fā)完成的移動版資源平臺及其使用情況。

圖5 移動版數(shù)字化平臺資源目錄及名師課堂目錄

2.移動直播應(yīng)用

此模塊主要是基于流媒體應(yīng)用服務(wù)器，直播學(xué)校原來建成的數(shù)字有線電視信號。并且通過多碼率編碼技術(shù)編碼數(shù)字電視信號，這樣可以適應(yīng)學(xué)生區(qū)和教學(xué)區(qū)不同的帶寬需求。建成后的移動直播平臺有如下幾個特點(diǎn)：①移動終端支持IOS及Android系統(tǒng)，IOS系統(tǒng)采用瀏覽器訪問直接播放；Android系統(tǒng)采用APP應(yīng)用方式，訪問直播頁面后直接提示下載應(yīng)用，安裝后即可接收直播。②移動支持欄目及頻道管理。③移動直播后臺管理與原后臺管理統(tǒng)一。④系統(tǒng)支持不同碼流直播，可設(shè)置不同的直播碼流提供給PC客戶端和移動終端。

圖6 移動直播平臺頻道目錄圖和BBC、CCN截圖

建成后的移動直播頻道，支持包括BBC、CNN、NHK在內(nèi)的多路境外節(jié)目的直播，從而為原有的數(shù)字有線電視資源賦予了新的生命力，全校師生可以隨時隨地觀看原汁原味的外語教學(xué)資源，而不再受時間與空間的限制（見圖 6）。

五、結(jié)論

通過北京科技大學(xué)移動數(shù)字化教學(xué)資源平臺，全校師生可以利用微信、qq、瀏覽器的掃一掃功能，在校園網(wǎng)環(huán)境下，隨時隨地免流量獲取平臺上的所有優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化教學(xué)資源。同期，與學(xué)校信息辦合作溝通，開通了平臺的校外網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限，至此，在校學(xué)生可以在包括管莊校區(qū)、天津?qū)W院在內(nèi)的任何地點(diǎn)、任何時間，訪問本校的數(shù)字化資源平臺。此次開發(fā)移動版數(shù)字化教學(xué)資源平臺并不是要替代pc版的資源平臺，兩者是共同協(xié)調(diào)發(fā)展，服務(wù)于全校師生，從而真正意義上達(dá)到了我校優(yōu)質(zhì)數(shù)字化教學(xué)資源的全面開放和共享。

[1]薛建強(qiáng).大學(xué)英語移動學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建與發(fā)展研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014(3):176-179.

[2]石昌遠(yuǎn),聶國東,陳紅兵.手機(jī)使用對大學(xué)生行為影響分析及對策研究[J].教育與職業(yè),2014(15):185-187.

[3]曾貞.反轉(zhuǎn)教學(xué)的特征、實(shí)踐及問題[J].中國電化教育,2012(7):114-117.

[4]A New Method of Teaching Is Turning the Traditional Class-room on Its Head[EB/OL].[2013-04-09].http://www.knew-ton.com/flipped-classroom/.

[5]李海龍,鄧敏杰,梁存良.基于任務(wù)的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2013(9).

[6]劉倩汝.大學(xué)生移動學(xué)習(xí)現(xiàn)狀及影響因素分析[D].蘭州:西北師范大學(xué),2014.

[7]陳楠楠.基于HTML5的移動學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.