直播技術(shù)在電子電路實驗教學中的應(yīng)用實踐

楊昕欣，張曉林，刁為民，劉榮科，李 松

（北京航空航天大學電子信息工程學院，北京100191）

0 引言

在電子信息專業(yè)教學體系中，實驗教學是工程和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，實驗教學有助于學生正確理解理論知識，認識工程與理論之間的聯(lián)系，激發(fā)學生的興趣和熱情，在運用所學知識解決實驗中遇到的問題過程中逐漸積累經(jīng)驗，鍛煉解決復(fù)雜工程問題的能力，在驗證性實驗和分析性研究的過程中培養(yǎng)出設(shè)計實驗和探索性研究的能力［1］。

電子電路系列課程是電子信息工程專業(yè)課程體系中的核心專業(yè)課程，在課程體系中肩負著承前啟后的作用［2］，以其中的“通信電路”課程為例，該課程內(nèi)容多、難度大，而且需要學生擺脫先行課程的思維慣性，教師普遍感覺課時少、難講，而學生則感覺太抽象不易接受。因此通過實踐環(huán)節(jié)幫助學生理解理論知識、建立工程概念，顯得尤為重要。電子電路課程的實驗環(huán)節(jié)歷來受任課教師重視，近年在各種條件建設(shè)的支撐下，各個高校在實驗教學內(nèi)容和方法方面出現(xiàn)不少創(chuàng)新成果。

我校電子信息工程核心課程國家教學團隊在以電子電路和集成電路設(shè)計為主的課程群建設(shè)中，高度重視實驗教學研究和改革，本文就教學團隊近年來依托空天電子信息國家虛擬仿真實驗中心，借鑒SPOC教學模式理念，促進實驗教學有效實施的嘗試和探索，進行了初步總結(jié)［3～4］。

1 電子電路實驗教學常見問題

在“通信電路”課程的實驗教學中我們發(fā)現(xiàn)了一些問題和現(xiàn)象，其在不同程度上影響著實驗課的效果。第一種現(xiàn)象是部分學生在實驗中有時候會卡在某個問題上，不知如何繼續(xù)實驗。經(jīng)過了解，我們發(fā)現(xiàn)其中很大一部分原因在于：電子電路是整個課程體系中學生較早接觸的實踐性較強的課程，學生的思維一般還處于從理論知識到工程概念建立的轉(zhuǎn)換階段，一些實踐中的方法和概念運用尚待熟悉，加之“通信電路”課程又是以非線性電路為主，學生比較陌生，在實驗中遇到一些物理現(xiàn)象時，一部分學生還習慣用線性的思維去解釋或分析，往往會陷入迷惑，不知該如何繼續(xù)。這一方面與學生在實驗之前準備不充分有關(guān)，另一方面也說明實驗環(huán)節(jié)和理論課之間還需要很好的結(jié)合。

第二種現(xiàn)象是，一方面實驗指導教師工作量巨大而另一方面學生往往又覺得指導不足。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，在指定教師指導實驗過程中，需要花不少時間，重復(fù)進行諸如安全操作規(guī)范、儀器使用方法以及其他一些常見的指導，通常在一次實驗的前半程疲于應(yīng)付此類問題，后半程學生又忙于完成基本測試，很多深層次的實驗和測試沒有時間去實踐和思考，實驗效果打了折扣。這一方面表明存在有限的實驗教師隊伍與逐漸增長的實驗指導需求之間的矛盾，另一方面也表明需要采取有效的措施能使學生在實驗課之前有機會充分了解實驗儀器和實驗室環(huán)境。

另外一種現(xiàn)象是，經(jīng)常有些學生無法在預(yù)定時間內(nèi)完成實驗。經(jīng)了解發(fā)現(xiàn)，由于“通信電路”課程實驗的調(diào)試測量過程較為復(fù)雜，其中不少細節(jié)內(nèi)容單靠實驗指導書的文字描述很難描述清楚，不便學生理解，使其在實驗過程中有時會走彎路，在錯誤的方向上花費了較多時間。這說明實驗指導書還有一定的局限性，學生在實驗指導書之外還需要一些更有力的指導。

此外，實驗教學是個動態(tài)發(fā)展的過程，實驗的更新、變化需要及時發(fā)布給學生，而指導教師也需要及時掌握學生的反饋。相對理論課的互動教學，實驗課教師與學生的互動方式還比較單一，理論課一般都建有相應(yīng)的課程網(wǎng)站，其中通常包含互動模塊，有較好的效果。當然把實驗環(huán)節(jié)整合到理論課網(wǎng)站上是一種常見的解決辦法，不過這種文字互動的方式對實驗環(huán)節(jié)而言效率還不夠高，實踐教學還需要一種更直觀的互動方式。

2 定制化直播平臺的支撐作用

上述分析表明為了更好地達到電子電路實驗教學改革的目標，需要做好實驗環(huán)節(jié)與理論課有效銜接、提高實驗指導效率，要解決好有限的實驗課時資源與逐漸豐富的實驗內(nèi)容之間的矛盾問題。這需要理論和實驗課教師緊密配合，從課程教學方法、實施保障等多方面入手，持續(xù)不斷地進行改進。

當前，寬帶網(wǎng)、云計算技術(shù)、智能終端、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展與普及，也為實驗教學手段創(chuàng)新提供了支撐。例如，以云計算的數(shù)據(jù)存儲和管理為核心，借助虛擬化技術(shù)，使得使用者可以在任何時間、任何地方，通過任何可聯(lián)網(wǎng)的裝置連接到云上，可以方便地存取數(shù)據(jù)?；谠朴嬎愕腃DN（Content Delivery Network）技術(shù)，通過建立索引、緩存、流分裂、組播等技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)容發(fā)布，借助負載均衡技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)容路由，實現(xiàn)了盡可能避開互聯(lián)網(wǎng)上有可能影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性的瓶頸和環(huán)節(jié)，使內(nèi)容傳輸?shù)酶?、更穩(wěn)定。

這些技術(shù)很好地解決了視頻等高帶寬應(yīng)用的低時延和自由接入等關(guān)鍵問題，而使用這些技術(shù)的成本也逐漸大眾化，這就導致可以結(jié)合實驗課程教學定制以視頻為核心的師生信息共享平臺。在這個平臺上，教師可以從實驗教學的有效實施等角度出發(fā)，高效地組織教學活動或展開教學探索。

教學視頻直播一般包括采集、壓縮、轉(zhuǎn)發(fā)、接入等環(huán)節(jié)，從實驗教學需要出發(fā)，對視頻直播整體定制，可以為師生帶來諸多便利。其中采集端的定制可以兼容專業(yè)攝錄設(shè)備和各類便攜終端攝錄傳感器，支持實驗室、課堂等多種場景的直播采集方式；采用成熟的音視頻編碼壓縮技術(shù)可以有效控制標清乃至超高清視頻的碼率，有效降低帶寬成本；基于云計算的一系列技術(shù)及定制轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)可有效解決延遲問題，突破了距離的限制，從而使在線課堂可以延伸到校園之外；在寬帶無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的支撐下定制基于各類智能終端的接入應(yīng)用，則可以真正實現(xiàn)隨時隨地獲取直播。

這樣的信息共享平臺與普通課程網(wǎng)站模式不同，該平臺是師生共同參與的信息共享平臺，不再是單向信息發(fā)布平臺，可以基于這些特點在實驗教學中探索出一些新的途徑和方法，從而提升實驗教學效果。直播信息共享平臺用于實驗教學具有如下優(yōu)點：

2．1 提高實踐環(huán)節(jié)的課前預(yù)習效率

由于實驗課時有限，課前預(yù)習如果不夠充分，例如對實驗內(nèi)容和要求不了解，對儀器使用不熟練，對實驗室環(huán)境及安全規(guī)范不清楚，這些都會造成實驗過程中出現(xiàn)各種問題。學生以往主要通過實驗指導書和課程網(wǎng)站發(fā)布的公告做預(yù)習準備，而基于直播信息共享平臺，可以將基礎(chǔ)實驗、儀器使用、實驗環(huán)境、安全規(guī)范等做出演示視頻，根據(jù)教學實際不定期更新，這樣一些不容易用文字描述清楚的細節(jié)就可以方便地展現(xiàn)給學生。這些內(nèi)容適合采用專業(yè)攝錄設(shè)備制作，畫面質(zhì)量清晰，經(jīng)過剪輯后，短小精悍，對輔助學生課前預(yù)習很有效。在這樣的條件支持下，可以將實驗的消化學習時間分配到課下，為課上展開引導、啟發(fā)式的探索性實驗節(jié)約出來的時間，可用于嘗試開展翻轉(zhuǎn)課堂模式的實驗教學［5～6］。

2．2 促進實驗課與理論課的緊密耦合

課程網(wǎng)站是實現(xiàn)實驗與理論課整合的一種方式，通過良好的網(wǎng)站設(shè)計和合理的用戶管理機制，可以較好地實現(xiàn)實驗課與理論課的有效整合。不過由于SNS（Social Networking Services）的發(fā)展普及，網(wǎng)站模式的信息共享機制受到一定沖擊，師生用戶更樂意采用微信等方式建立快捷的聯(lián)系?；谠朴嬎愕男畔⒐蚕砥脚_，可以方便地將傳統(tǒng)課程網(wǎng)站與SNS服務(wù)結(jié)合在一起，將傳統(tǒng)網(wǎng)站作為后臺，結(jié)合云存儲和CDN轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，以微信公眾號作為統(tǒng)一入口，整體布局，實現(xiàn)整個課程體系各個環(huán)節(jié)的緊密耦合。

2．3 利于加強實驗教學過程精細化控制

定制化直播平臺為加強實驗教學過程的精細化控制提供了方便快捷的互動機制。實驗教學是一個動態(tài)發(fā)展的過程，始終伴隨著教學內(nèi)容、教學方法的發(fā)展帶來的不斷更新和變化，為了盡快將這些更新和變化變成教學實踐，需要師生之間有更直觀、即時的互動方式，此外，課時、教室、設(shè)備、儀器等教學資源的高效利用也依賴于高效互動所支持的精細化管理。基于定制的信息共享平臺，采用隨手拍短視頻方式，無需專業(yè)攝錄和編輯，可以快速將實驗教學進行中的答疑、故障排除、優(yōu)秀作品、經(jīng)驗交流等現(xiàn)場分享出來，輔以評論和彈幕功能，結(jié)合課程微信群，可以實現(xiàn)即時互動，根據(jù)學生的反饋對教學活動做出快速更新和調(diào)整。

2．4 提供一種新的實驗教學考核方式

定制的信息共享平臺中，也可以使學生成為視頻發(fā)布者，這樣學生就可以將實驗的成果直播給指導教師和其他學生，在約定的時間進行實驗考核，對場地幾乎沒有限制；用同樣的方式，學生也可以把實驗中遇到的問題展現(xiàn)給教師，在約定的時間答疑，這非常適合對開放和創(chuàng)新類實驗展開教學指導和考核評估。

3 直播平臺定制方案

基于云計算服務(wù)的電子電路實驗教學共享直播平臺如圖1所示。主要包括三個部分：采集端處理與推流、云端流媒體服務(wù)和終端播放顯示。

圖1 基于云計算服務(wù)的直播平臺

3．1 采集端處理與推流

對于視頻內(nèi)容的采集，目前教學直播場景中使用的采集源有三種：①手機或平板的前后置攝像頭，②電腦的攝像頭以及桌面，③專業(yè)的攝像機。雖然三種情況都是采集音視頻數(shù)據(jù)，編碼壓縮發(fā)送到流媒體服務(wù)器進行處理后廣播出去，但是每一種場景下采集用到的方式還是有所不同，具體如下：

1）手機／平板電腦

對于目前主流的Android系統(tǒng)和iOS系統(tǒng)，由于在AppStore上線APP比較繁瑣，我們目前只開發(fā)了Android端的推流APP北航云推流。通過推流APP實時采集攝像頭視頻和麥克風音頻數(shù)據(jù)，根據(jù)移動設(shè)備硬件性能選擇軟編碼或者硬編碼壓縮數(shù)據(jù)，同時根據(jù)需要可以做一些美化、鏡像、靜音等特殊處理，處理完成的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置的服務(wù)器地址和端口號推到流媒體服務(wù)器上進行處理分發(fā)。

2）個人計算機

對于PC端，目前采用的方式是利用第三方免費推流直播軟件，體驗較好的有XSplit和OBS。它們的功能比較豐富，通過安裝插件可以實現(xiàn)捕獲桌面或者外接的音視頻設(shè)備、具有打開PPT等主流格式的文檔、白板功能、插入網(wǎng)頁、添加文字及水印、選擇場景以及選擇分辨率和幀率等強大的功能。最后一般都是以RTMP格式串流出去。

3）專業(yè)攝像機

在直播討論或?qū)嶒瀮x器操作的應(yīng)用場景下，有時候為了保證畫面的質(zhì)量需要用到專業(yè)的攝像機，由于目前攝像機內(nèi)部并沒有集成直播需要的推流功能，此時，我們采用攝像機加高清視頻編解碼器的方式進行視頻直播。編解碼器一般采用H．264／AVC視頻壓縮算法和AAC音頻壓縮算法，具備優(yōu)異的視頻表現(xiàn)和音頻還原性。同時提供了豐富的流媒體協(xié)議，例如 RTMP、HTTP、RTSP／RTP、UDP 等。通常通過WEB頁面進行配置，簡單高效。

3．2 云端流媒體服務(wù)

流媒體服務(wù)器的主要功能是以流式協(xié)議（RTP／RTSP，MMS，RTMP等）將視頻文件傳輸?shù)娇蛻舳?，供用戶在線觀看；也可從視頻采集、壓縮軟件接收實時視頻流，再以流式協(xié)議直播給客戶端。

典型的流媒體服務(wù)器有Windows Media Service（WMS），Adobe公司的 Flash Media Server（FMS），以及Wowza、RED5等，部署方式和功能大體都相近，一般都支持跨平臺。部署好流媒體服務(wù)器，即可實現(xiàn)從采集端接收推流視頻，經(jīng)轉(zhuǎn)碼同時生成不同分辨率的視頻流，從而滿足不同觀看條件的需要。

3．3 終端播放顯示

播放器端功能主要是從服務(wù)器上拉取視頻流，然后解碼播放，保證畫面和聲音清晰度，做到穩(wěn)定、流暢且無卡頓。對于PC端，可以用VLC、Potplayer等現(xiàn)有的主流播放器播放 RTMP、HLS、HTTP等格式的視頻流觀看直播。在移動端的Android平臺上，我們開發(fā)了直播播放器APP北航云播，當然還需要做一些工作來解決兼容Android系統(tǒng)平臺差異的問題，iOS系統(tǒng)上則考慮上線安裝過程較為繁瑣，還沒有開發(fā)。目前，Android系統(tǒng)用戶和iOS系統(tǒng)用戶都可以通過手機HTML5網(wǎng)頁流暢地觀看直播。

為了觀看的便利性，我們基于HTML5開發(fā)了WEB端的直播播放器。網(wǎng)頁嵌入免費開源的播放器jwplayer插件實現(xiàn)直播流的播放。同時與開發(fā)的微信公眾號相結(jié)合，只需要一個網(wǎng)址鏈接，就可以利用微信里內(nèi)嵌的瀏覽器觀看直播。為了實現(xiàn)互動、增加趣味性，我們增加了當下大學生追捧的彈幕和留言聊天室功能，教師可以根據(jù)學生實時的問題調(diào)整教學節(jié)奏，提高大家學習的熱情和效率。

4 基于直播平臺的實驗教學方案

直播平臺為提高教學效率提供了良好基礎(chǔ)，下面就以乘法器電路實驗為例，簡單說明基于直播平臺的實驗教學方案［7］。

（1）新學期開始，實驗教師便要求學生關(guān)注課程公眾號，介紹實驗視頻、仿真實驗視頻、實驗指導、直播頻道等課程資源的訪問方法。

（2）實驗課教師在課程公眾號中發(fā)布信息，以提醒學生預(yù)習實驗。學生只需在公眾號內(nèi)回復(fù)關(guān)鍵字，即可觀看實驗室安全規(guī)范和常用儀器介紹視頻。

（3）學生可在實驗開始前就預(yù)習中的問題在公眾號內(nèi)提問，由助教負責整理。指導教師根據(jù)需要對問題進行回復(fù)，既可采用隨時信息發(fā)布方式，也可以采取在約定的時間，集中進行直播答疑和文字互動。

（4）理論課教師在授課中講到調(diào)制解調(diào)電路部分時，在適當?shù)奈恢梅胖枚S碼，學生可以掃碼觀看相關(guān)實驗視頻。例如，課堂上可以簡單提示靜態(tài)工作電流與乘法器增益之間的關(guān)系，而詳細的靜態(tài)工作點分析則可掃碼瀏覽，學生還可以掃碼觀看相關(guān)實驗視頻進行預(yù)習。這樣就將實驗和理論課緊密的結(jié)合在一起，實驗視頻和實驗指導書成為課堂教學的延伸和思考，而學生在學習理論課的同時可以方便地預(yù)習實驗內(nèi)容，避免了理論和實驗課不同步而造成的生疏感，實驗預(yù)習的效率和理論課學習的效果都可以提高，可以使實驗進行得更順利。

（5）實驗一般以小班為單位進行，在先行小班實驗中出現(xiàn)的問題可以采用短視頻的方式在公眾號內(nèi)發(fā)布提醒后續(xù)學生注意。

（6）實驗的更新、課時和場地調(diào)整信息可在公眾號內(nèi)公布，必要時還可輔以補充視頻。

（7）實驗課后學生可以留言，指導教師根據(jù)學生的反饋對相關(guān)教學資源進行更新調(diào)整。

（8）綜合及創(chuàng)新性實驗屬于選作內(nèi)容，一般有獎勵成績，凡是在實驗中有成果的學生，例如用乘法器實現(xiàn)鑒頻功能完成了對調(diào)頻波解調(diào)，則可以申請發(fā)直播，全體師生都可觀看，供學生之間相互學習和參考。

5 結(jié)語

基于云計算的直播技術(shù)可為實驗教學提供極大的便利，為課前預(yù)習、動態(tài)調(diào)整、互動答疑、考核評估等環(huán)節(jié)帶來了新的解決途徑，為實驗教學與改革的有效實施提供保障。2016年，本教學團隊所負責的“電子電路I”課程獲批成為首批國家精品資源共享課，團隊以此為契機積極開展教學研究與探索，已將該平臺應(yīng)用于高頻電路實驗等教學環(huán)節(jié)中，并收到了良好的教學效果。學生反映該平臺信息豐富、與教師溝通方便，對于其順利完成實驗和提高實踐能力發(fā)揮了積極作用。

此外基于云計算的定制直播平臺，具有成本低、易配置的特點，定制簡單，容易實現(xiàn)與現(xiàn)有課程網(wǎng)站和課程公眾號的融合，使用方便，不受時間、地點限制，在教學中將發(fā)揮更多的作用?；诖似脚_可能還會出現(xiàn)一些新的教學場景，如在理論授課時適時接入實驗室的現(xiàn)場直播可以開展演示實驗教學；或者在課程教學的討論課環(huán)節(jié)，邀請有經(jīng)驗的工程師參與直播，可以使學生接觸到更多、更新的工程知識。