面向?qū)嵱?xùn)室的多媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)及應(yīng)用

袁華 杜廣龍 張凌

摘 要：針對(duì)實(shí)訓(xùn)室與數(shù)字資源教學(xué)平臺(tái)實(shí)訓(xùn)效果差等問(wèn)題，研發(fā)面向?qū)嵱?xùn)室實(shí)踐能力培養(yǎng)的多媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)，包括視音頻采集系統(tǒng)、在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)和云存儲(chǔ)系統(tǒng)三大部分。該平臺(tái)可部署于不同專業(yè)的實(shí)訓(xùn)室，從不同角度采集示范操作，不僅可現(xiàn)場(chǎng)直播，還可存儲(chǔ)資源以供點(diǎn)播;平臺(tái)提供Andriod和IoS應(yīng)用，學(xué)生學(xué)習(xí)不受時(shí)間、空間限制。將平臺(tái)應(yīng)用于某職校中西面點(diǎn)制作實(shí)訓(xùn)室，取得了很好的效果。

關(guān)鍵詞：視音頻采集;在線學(xué)習(xí);實(shí)訓(xùn)室

0 引言

教育部2010年發(fā)布《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)[1]。因此各中、高等院校紛紛加強(qiáng)其實(shí)踐能力培養(yǎng)的設(shè)施建設(shè)，尤其是一些職業(yè)院校，通過(guò)新建或改造大批實(shí)訓(xùn)室，添置大量教學(xué)儀器設(shè)備，增設(shè)實(shí)訓(xùn)建設(shè)項(xiàng)目，加大學(xué)生實(shí)訓(xùn)教學(xué)力度，逐步推行開(kāi)放的實(shí)訓(xùn)教學(xué)[2～5]。但由于教學(xué)理念、管理方法和手段的落后，實(shí)訓(xùn)室使用率和效果亟待提升[6]。實(shí)訓(xùn)室普遍存在的問(wèn)題包括[6～7]：重視硬件建設(shè)，輕視內(nèi)容建設(shè);理論和實(shí)訓(xùn)銜接不緊，實(shí)訓(xùn)前、中、后缺乏銜接;實(shí)訓(xùn)效果缺乏考評(píng)手段;實(shí)訓(xùn)室圍觀老師示范的效果差;實(shí)踐技能滯后等問(wèn)題。

針對(duì)實(shí)訓(xùn)室重建設(shè)、輕使用等問(wèn)題，宋旭明[8]提出“研、觀、練、評(píng)”的實(shí)踐技能訓(xùn)練模式，“研”指學(xué)習(xí)相關(guān)理論并為掌握技能作充足的理論準(zhǔn)備，“觀”指觀摩老師示范操作，“練”指在以上環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上自己操練，“評(píng)”指老師點(diǎn)評(píng)學(xué)生的操練;胡寧等[9]提出實(shí)訓(xùn)鏈概念，完整設(shè)計(jì)并實(shí)施了實(shí)訓(xùn)的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié);耿陽(yáng)婕等[10]主張實(shí)訓(xùn)室建設(shè)引入全時(shí)教育體系。

各職業(yè)院校也爭(zhēng)相進(jìn)行數(shù)字化教學(xué)資源平臺(tái)建設(shè)，但平臺(tái)使用效率并不高，存在的主要問(wèn)題有：重視平臺(tái)建設(shè)，忽視資源內(nèi)容建設(shè)，最終導(dǎo)致平臺(tái)淪為擺設(shè);教學(xué)觀念和模式與先進(jìn)設(shè)備不匹配;標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，功能不完善，且與其它系統(tǒng)的接口不順暢;資源庫(kù)存在安全隱患等[11-12]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一個(gè)面向?qū)嵱?xùn)室實(shí)踐能力培養(yǎng)的課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)多角度采集老師操作視頻，實(shí)時(shí)同步到各學(xué)生操作臺(tái)，點(diǎn)到點(diǎn)全真演示，并多地存儲(chǔ)，供學(xué)生課后點(diǎn)播、反復(fù)揣摩;系統(tǒng)功能貫穿研、觀、練、評(píng)各教學(xué)環(huán)節(jié)，充分利用現(xiàn)有實(shí)訓(xùn)室，調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，既為老師提供資源傳遞入口，還為學(xué)生提供隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)的平臺(tái)。

1 實(shí)訓(xùn)室多媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)構(gòu)成與設(shè)計(jì)

多媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)是由實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的視音頻資源采集系統(tǒng)（CoolView）、在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)（LMS）和私有云存儲(chǔ)系統(tǒng)（WebLib）三大部分構(gòu)成;CoolView負(fù)責(zé)采集和錄制視頻，然后調(diào)用WebLib接口，將視頻存儲(chǔ)到WebLib私有云系統(tǒng)中，LMS再調(diào)用WebLib接口使用視頻資料。3部分可自成系統(tǒng)，也可集成在一起，形成一個(gè)無(wú)縫的多媒體學(xué)習(xí)平臺(tái)，集中用戶管理，數(shù)據(jù)完全同步。

1.1 用戶管理中間件

3個(gè)系統(tǒng)均可作為獨(dú)立的系統(tǒng)，為了將它們有機(jī)地集成在一起，使用戶管理功能獨(dú)立出來(lái)，設(shè)計(jì)一個(gè)用戶管理中間件，為應(yīng)用系統(tǒng)提供用戶服務(wù)，不同用戶被賦予不同權(quán)限，該中間件還可為新增的應(yīng)用系統(tǒng)提供用戶服務(wù)，如圖2所示。

用戶管理中間件把WebLib、CoolView等應(yīng)用系統(tǒng)的用戶管理與Grouper用戶分組整合在一起[13-14]，實(shí)現(xiàn)用戶管理、分組權(quán)限管理等使用功能。應(yīng)用系統(tǒng)不再管理自身用戶，而是通過(guò)接口從中間件獲取相應(yīng)信息，授權(quán)指定用戶和用戶組給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)使用。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)需獲取用戶及其分組信息時(shí)，通過(guò)接口訪問(wèn)用戶管理中間件，實(shí)現(xiàn)其對(duì)訪問(wèn)來(lái)源的權(quán)限過(guò)濾，用戶管理中間件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該用戶管理中間件使WebLib更專注于存儲(chǔ)服務(wù)與應(yīng)用存儲(chǔ)管理，使CoolView專注于視音頻信號(hào)采集和存儲(chǔ)，使LMS專注于在線學(xué)習(xí)功能設(shè)計(jì);該設(shè)計(jì)可更好地為各應(yīng)用系統(tǒng)提供用戶管理服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)用戶同步與共享，且具有良好的擴(kuò)展性，可靈活接入其它應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2 多進(jìn)程錄制服務(wù)器

CoolView視音頻采集系統(tǒng)由編碼器、錄制服務(wù)器、SIP服務(wù)器和管理服務(wù)器構(gòu)成。其中，錄制服務(wù)器最重要[14]，它負(fù)責(zé)完成音視頻流采集、傳輸及存儲(chǔ)為標(biāo)準(zhǔn)MP4文件，再調(diào)用WebLib私有云存儲(chǔ)系統(tǒng)接口，完成錄制和分布式存儲(chǔ)任務(wù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)錄制，采用多個(gè)進(jìn)程協(xié)同工作，以克服單進(jìn)程資源無(wú)法滿足多點(diǎn)采集實(shí)時(shí)錄制要求的問(wèn)題;災(zāi)難性錯(cuò)誤主要包括對(duì)空指針取值、寫內(nèi)存越界導(dǎo)致數(shù)據(jù)破壞、拋出未處理的異常導(dǎo)致進(jìn)程無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行等。為增強(qiáng)應(yīng)用魯棒性，最小化以上錯(cuò)誤帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程監(jiān)控與恢復(fù)，當(dāng)某進(jìn)程崩潰后，可盡快被發(fā)現(xiàn)并從崩潰前的狀態(tài)重新運(yùn)行;同時(shí)降低模塊間耦合度，使各模塊實(shí)現(xiàn)升級(jí)而不影響進(jìn)程間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

錄制服務(wù)器主要進(jìn)程及其功能模塊包括：

（1）主進(jìn)程。其主要包括錄制控制模塊和用戶界面。用戶界面支持各種錄制操作及錄像作業(yè)狀態(tài)監(jiān)視，比如正在被錄像的媒體流與音視頻接收情況、錄像時(shí)長(zhǎng)與文件大小等信息;錄制控制模塊為錄制服務(wù)器新加入模塊，用于管理錄像作業(yè)。

（2）SIP通信進(jìn)程。該進(jìn)程用于與SIP服務(wù)器通信，負(fù)責(zé)SIP信令封裝發(fā)送和接收解析，協(xié)調(diào)模塊間及服務(wù)器間的控制。

（3）監(jiān)控與恢復(fù)進(jìn)程。該進(jìn)程監(jiān)控硬件設(shè)備和進(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到異常情況時(shí)及時(shí)作出反應(yīng)，如恢復(fù)崩潰的進(jìn)程、提示或重啟硬件異常等，以確保整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（4）媒體流指令分派器進(jìn)程。該進(jìn)程負(fù)責(zé)接收主進(jìn)程控制消息，并創(chuàng)建媒體流處理進(jìn)程，然后轉(zhuǎn)發(fā)消息，維護(hù)媒體流處理進(jìn)程的狀態(tài)。

（5）媒體流處理進(jìn)程，負(fù)責(zé)接收媒體流并轉(zhuǎn)碼和錄制接收到的音視頻。

（6）錄制服務(wù)器進(jìn)程。該進(jìn)程用于實(shí)現(xiàn)實(shí)際錄制之外的其它功能，主要包括：①遠(yuǎn)程控制，基于Web Service的遠(yuǎn)程控制接口，實(shí)現(xiàn)錄制遠(yuǎn)程操作和錄制狀態(tài)查看;②數(shù)據(jù)庫(kù)管理，將完成的錄像信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供數(shù)據(jù)庫(kù)查詢功能;③遠(yuǎn)程查詢和資源獲取，可從PC端或移動(dòng)端遠(yuǎn)程查詢并下載錄像信息;④磁盤容量監(jiān)視，檢測(cè)磁盤空間，在空間不足時(shí)作出響應(yīng)，并滾動(dòng)刪除最早錄像，確保錄像數(shù)據(jù)完整。