劉翔 王明忠 陳織光 吳斯杰 袁資楨 楊鴻平
摘? ?要:目前,高職院校的專任教師大都從高校畢業(yè)后直接進入學校任教,沒有企業(yè)經(jīng)驗。根據(jù)國家“十三五”啟動實施的職業(yè)教育產(chǎn)教融合工程的建設要求,聘用企業(yè)的高級技術人才作為兼職教師,是教師團隊建設的重要內(nèi)容。但是,由于路途等原因,企業(yè)教師不方便面授,需要借助新技術、新媒體進行遠程授課。而現(xiàn)在市面上的直播軟件不能完全貼近高職面授的環(huán)境,效果不好。文章介紹的平臺能最大限度地實現(xiàn)和面授同樣的網(wǎng)絡授課效果,是將課堂考勤、教學直播、教學互動等多功能融于一身的智能視頻教學直播互動平臺。
關鍵詞:教學直播;人臉識別;教學互動
隨著學校招生數(shù)量不斷擴大,專業(yè)種類增多,校外實訓基地建設加大,與此同時產(chǎn)生一系列師資、教室場地等教學資源不足的問題。校外實訓基地有場地、設備和企業(yè)專家,但離學校較遠,學生往返不方便,也不安全。在國內(nèi),網(wǎng)絡在線直播教育還處于起步階段。在線直播技術主要應用于具有娛樂性質(zhì)的傳統(tǒng)秀場直播、游戲直播和泛娛樂直播等,然而真正成熟運用于在線教育的直播系統(tǒng)還很少[1]。市面上的網(wǎng)絡在線教育直播系統(tǒng)的教學模式主要是以點播的方式實現(xiàn),并不是實時直播。因此,這類系統(tǒng)不具備實時性,缺少師生互動,老師無法及時解答學生的疑惑。
為滿足教育部“教育信息化2.0”對新時代教師的新要求,提高專業(yè)教師的課堂教學展示能力及新媒體新技術的靈活運用能力,將混合式教學手段應用到課前的手機考勤、課中的交互式教學、課后的精準教學評估之中,提高知識的傳授效果,激發(fā)學生主動學習的興趣和熱情,達到提升課堂教學質(zhì)量的目標。在省團委2019年“攀登計劃”廣東大學科技創(chuàng)新培育專項資金的大力支持下,學院啟動了“高職高專視頻互動教學直播平臺”的建設。
1? ? 平臺主要擬解決的問題和實現(xiàn)對策
1.1? 解決師生不能當面授課問題
因地域、實訓環(huán)境等限制,教師不能當面授課,尤其在校外實訓基地,需要大批學生提前出發(fā)前往路途遠的基地,耗費時間,還會出現(xiàn)安全等問題。現(xiàn)鼓勵產(chǎn)教融合、校企合作,鼓勵企業(yè)工程師來學校授課。但有些工程師離學校很遠,前往學校授課并不方便。現(xiàn)可通過在線教育直播把師生連接互動起來,學生在本校即可享受校外實訓基地的資源,企業(yè)工程師可通過在線教育直播進行授課。
1.2? 解決一個老師只能在同一時間段上一個班的問題
基于學校師資緊張、學生數(shù)量大、課程多,一個老師往往在一個時間段只能給一個班上課,若要安排合班上課,則需要容納100~200人的大教室,但大教室資源有限?,F(xiàn)可利用直播系統(tǒng),讓一個老師在同時段給多個不同課室的班級學生講授同一門課,實現(xiàn)并行上課,從而解決師資緊張問題。
1.3? 解決傳統(tǒng)點名考勤占用時間長、考勤數(shù)據(jù)反饋滯后等問題
教師點名考勤往往需要5~10 min,大班課需要的時間更長,考勤記錄也不能第一時間反饋給輔導員和教學負責人,導致數(shù)據(jù)信息滯后。在線教育直播具有移動考勤功能,學生只需要在課室門口用手機掃描終端上的隨機二維碼,獲取該課室的定點位置,之后用手機刷臉識別考勤。上課老師、輔導員和教學負責人都會第一時間收到課堂的考勤數(shù)據(jù)信息。
2? ? 平臺的基本思路和實現(xiàn)步驟
為了解決上述問題,結(jié)合現(xiàn)實技術水平,認真分析學校的教學模式,參考大量前沿的國內(nèi)外相關文獻資料,包括新聞報道、學術專著、論文期刊、研究報告等,結(jié)合研究的主題,嚴格選取具有高度相關性的資料,總結(jié)現(xiàn)有模式的優(yōu)缺點,并針對不足之處,利用現(xiàn)有的人工智能技術、視頻編碼解碼技術、傳輸技術、數(shù)據(jù)庫技術等,設計出智能互動教學系統(tǒng)。從設計方案上看,該系統(tǒng)是可行的。系統(tǒng)改善了教學方式,具有可實施性和科學性。本平臺設計一種以網(wǎng)絡互動直播教學為基礎,結(jié)合人臉識別技術,進行學生考勤管理的智能互動直播教學系統(tǒng)。
(1)對智能互動教學直播系統(tǒng)進行需求分析,梳理總結(jié)技術要點和關鍵業(yè)務流程,提出系統(tǒng)設計的總體框架,明確各子系統(tǒng)的功能劃分,包括直播服務器系統(tǒng)、教師直播系統(tǒng)、學生端等。
(2)利用Protobuf協(xié)議定義一套高效的通信協(xié)議,承載直播課堂互動和管理功能的全部數(shù)據(jù),在此基礎上建立直播服務器,通過多線程異步處理,實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的消息處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和虛擬對象管理。
(3)以RTMP直播協(xié)議為基礎、Nginx提供Web服務器為核心的流媒體直播平臺,具備直播模塊化、高清視頻流及流暢性好的特點。
使用流媒體相關技術,通過Nginx服務器搭載nginx-rtmp流媒體模塊來實現(xiàn)本平臺流媒體服務器模塊。采集教師直播視頻并進行編碼,使用RTMP流媒體協(xié)議傳輸?shù)搅髅襟w服務器;客戶端發(fā)出請求后,再次使用RTMP流媒體協(xié)議傳送給客戶端,在PC瀏覽器、Android/iOS移動終端完成解碼并實現(xiàn)低延遲的視頻直播。
RTMP也被稱為實時消息傳輸協(xié)議。它具有實時性好、編碼兼容性高、保密性好、穩(wěn)定性高、容錯性高等優(yōu)點[2],傳輸?shù)囊曨l格式為flv。
(4)在用戶端(包括老師和學生)完成對Protobuf消息的處理,與上層的程序完成數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)文字聊天、課堂答題等功能;在Web學生客戶端中,解決瀏覽器與直播服務器的通信鏈路保持問題。
(5)在APP端,利用hybrid開發(fā)模式,在Web端使用ccv.js(初始人臉檢測)、numeric.js(矩陣數(shù)學)和clmtrackr(跟蹤人臉),實現(xiàn)人臉活體檢測,并采集人臉圖像傳輸至人臉檢測服務端;人臉檢測服務端進行以下步驟:人臉圖像預處理、人臉檢測與定位、人臉圖像特征提取、人臉圖像識別。
(6)本平臺的教學直播模塊選取MySQL建立后臺數(shù)據(jù)庫表,采用Thinkphp5.0和MVC開發(fā)架構(gòu),前端界面使用HTML構(gòu)建網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)、CSS設計界面樣式,采用EasyUI的UI庫開發(fā),方便用戶交互。
3? ? 平臺的邏輯結(jié)構(gòu)分層和系統(tǒng)模塊設計
從總體設計角度出發(fā),分別從邏輯結(jié)構(gòu)分層、系統(tǒng)模塊進行設計。系統(tǒng)的總體架構(gòu)在邏輯上分為4個層次,分別是數(shù)據(jù)層、基礎服務層、功能服務層和用戶應用層。數(shù)據(jù)層包括關系型數(shù)據(jù)庫、非關系型數(shù)據(jù)庫以及緩存組件,為上層應用提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖?;A服務層對系統(tǒng)需要的基礎數(shù)據(jù)和功能進行了抽象,包括用戶服務、消息編解碼、鏈路保持服務、Ngnix服務等內(nèi)容,為全體用戶和直播課提供了基礎元素和數(shù)據(jù)通道的服務抽象。功能服務層包括消息服務、視頻服務、人臉識別服務、日志監(jiān)控、定位服務、答題服務、成員管理、資源管理,為人臉識別考勤、課堂互動和直播視頻提供業(yè)務支持,同時為Web學生端通過PC瀏覽器訪問提供支持。用戶應用層包括教師直播端、Web學生端、Android/iOS學生客戶端,為上課老師、學生提供操作交互界面。本平臺系統(tǒng)由定位模塊、人臉識別考勤模塊、直播服務模塊、互動消息模塊、資源管理模塊這5個模塊組成。
(1)定位模塊。課室配合定位終端,學生掃描定位終端上的隨機二維碼,獲得進入本課室的權限,取得定位信息。
(2)人臉識別考勤模塊。以人臉識別技術為基礎,在客戶端設計人臉活體檢測功能,把人臉圖像傳輸?shù)椒斩?,服務端實行人臉檢測,從而匹配出人臉、確認身份、數(shù)據(jù)庫記錄考勤時間。
(3)直播服務模塊?;趯崟r消息傳輸協(xié)議(Real Time Message Protocol,RTMP),設計教學視頻的直播鏈路,分別在教室直播系統(tǒng)和學生客戶端實現(xiàn)視頻采集、編碼、傳輸、解碼等功能。
(4)互動消息模塊。基于Netty框架設計,實現(xiàn)模塊間的消息快速處理和轉(zhuǎn)發(fā),以及虛擬教室和成員對象的管理。
(5)資源管理模塊。資源包括教學演示文稿、視頻、音頻、教學軟件等??紤]到大量資源所需要的存儲空間,設計使用七牛云存儲方案,基于分布式存儲架構(gòu),具備高可用性和高可靠性,并支持水平擴展至EB級存儲容量,解決數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和云服務資源不同步的問題。
(6)數(shù)據(jù)庫。教學實際應用中龐大的信息決定了將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。對其進行處理并存儲,無疑會涉及許多信息,需要建立數(shù)據(jù)庫。
4? ? 平臺的先進性和新穎性
4.1? 人臉識別技術在互動直播教學系統(tǒng)中的創(chuàng)新應用
以往的互動直播教學系統(tǒng)更多地應用在遠程教育當中,忽略考勤的監(jiān)督。本項目結(jié)合學校情況,把人臉識別加入到互動直播教學系統(tǒng)中,實現(xiàn)人臉識別考勤的創(chuàng)新應用。
4.2? 互動直播教學系統(tǒng)在傳統(tǒng)教學方式中的創(chuàng)新應用
傳統(tǒng)的教學方式需要大量的課室和教師資源,導致教學資源緊缺。本項目可以讓教師通過互動直播系統(tǒng),實現(xiàn)在線考勤和在線互動直播教學,不受學生數(shù)量和課室資源的限制。是針對以往教學方式的創(chuàng)新改進。
4.3? 互動直播教學系統(tǒng)在校外實訓基地的創(chuàng)新應用
由于校外實訓基地的場地和位置等原因,未能讓師生親臨教學現(xiàn)場。本項目設計的互動直播教學系統(tǒng),可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術把校外實訓基地的設備和師資展示給學生,是促進校企資源融合、符合產(chǎn)教融合的方針,也是校企合作的一次創(chuàng)新應用。
5? ? 結(jié)語
該平臺可以應用到同類院校教學中,解決院校存在的共通問題。目前,結(jié)合人臉識別考勤技術的互動直播教學系統(tǒng)在院校使用很少,尚處于嘗試階段。所以,該平臺有廣闊的應用前景,一經(jīng)推出必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
[參考文獻]
[1]趙成.基于流媒體的教學直播系統(tǒng)的研究[D].武漢:華中科技大學,2019.
[2]黃穎鋒.新一代安卓系統(tǒng)網(wǎng)絡流媒體關鍵技術的研究與實現(xiàn)[D].廣州:華南理工大學,2013.