多媒體教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探析

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摘要：為了給多媒體教學(xué)提供良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提升教學(xué)效果，提高學(xué)生積極性，根據(jù)傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)的不同，整合教學(xué)資源，設(shè)計(jì)、開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)。此系統(tǒng)由視顯文件配置、直播錄制、用戶管理、設(shè)備管理、授課管理與導(dǎo)播切換六大模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)的建成，可加強(qiáng)學(xué)生間以及師生間互動(dòng)，增強(qiáng)輔導(dǎo)學(xué)生的實(shí)時(shí)性，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：多媒體教學(xué)系統(tǒng)；多媒體數(shù)據(jù)庫；傳統(tǒng)教學(xué)；多媒體教室

0引言

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是使用黑板、粉筆、掛圖、教具等教學(xué)介質(zhì)，由教師講授，這種教學(xué)方式中教師往往占有主導(dǎo)地位，而學(xué)生常常處于被動(dòng)的接受狀態(tài)[1]。多媒體教學(xué)是在電子教室中把圖像、圖形、聲音、動(dòng)畫以及文字等各種多媒體信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地引入教學(xué)過程中，充分利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)進(jìn)行同步教學(xué)活動(dòng)[2]。顯然多媒體教學(xué)利用了先進(jìn)的技術(shù)手段，讓教學(xué)內(nèi)容能直觀、生動(dòng)、形象地表示出來，從而加深學(xué)生對(duì)問題的理解，提高學(xué)生的參與度，提升教學(xué)效果。隨著語音、數(shù)據(jù)、視頻的壓縮編碼技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的不斷提高，人們可以快速隨時(shí)隨地獲得來自異地的視頻、音頻及數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)[3]。教師可通過多媒體教室進(jìn)行課堂相關(guān)的管理[4]。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中教師能夠把授課視頻直播到各教室或進(jìn)行學(xué)生端工位輪巡，一對(duì)一輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)訓(xùn)。學(xué)生可觀看授課直播、課件播放及板書，課后查詢并察看歷史授課視頻。觀摩考評(píng)人員可觀看學(xué)生間或師生互動(dòng)視頻直播，查看存儲(chǔ)于資源管理服務(wù)器的歷史交互視頻。

1系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于C/S體系結(jié)構(gòu)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用C++開發(fā)環(huán)境，生成音視頻編解碼庫以實(shí)現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。多媒體教學(xué)系統(tǒng)由智能電子黑板、智能電視、智顯教學(xué)終端、智慧講臺(tái)系統(tǒng)、學(xué)生交互終端及資源管理服務(wù)器構(gòu)成，如圖1所示。⑴智能電子黑板采用系統(tǒng)智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)，內(nèi)嵌系統(tǒng)教學(xué)軟件，支持多場景教學(xué)，教師可選擇資源管理服務(wù)器上的課件文件或本地課件播放與顯示，切換授課板書或?qū)嵅僖曨l畫面。⑵智能電視終端登錄后可通過直播服務(wù)獲取音視頻流解碼后播放，觀摩考評(píng)人員觀看授課直播或查詢歷史授課視頻后播放，終端登錄避免無權(quán)限人員觀看授課直播及歷史視頻，電視終端使用網(wǎng)絡(luò)接口連接至資源管理服務(wù)器可遠(yuǎn)程觀看。⑶智顯教學(xué)終端展示教師授課內(nèi)容，播放實(shí)時(shí)實(shí)操視頻，可切換至課件瀏覽或課堂板書，通過此種授課方式的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)教師授課內(nèi)容的豐富性，提升教學(xué)效果。⑷智慧講臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同授課教師的登錄、授課設(shè)備的管理、直播視頻畫面與課件白板的智慧導(dǎo)播、授課視頻的直播與錄制、授課管理，輪巡學(xué)生終端工位，該設(shè)計(jì)驗(yàn)證教師用戶權(quán)限，多個(gè)教師授課流程互不干擾，直播視頻、課件及白板可導(dǎo)播切換，錄制授課直播視頻，有利于學(xué)生課后多次觀摩。⑸學(xué)生交互終端提供教師授課直播、實(shí)訓(xùn)工位終端學(xué)生的實(shí)時(shí)操作及一對(duì)一輔導(dǎo)，該終端交互方式有別于傳統(tǒng)授課方式，加強(qiáng)學(xué)生間以及師生互動(dòng)，輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)。⑹資源管理服務(wù)器功能涵蓋課件管理、授課管理、直播服務(wù)、錄制文件點(diǎn)播及數(shù)據(jù)庫訪問，此功能設(shè)計(jì)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，實(shí)現(xiàn)教師導(dǎo)入課件、學(xué)生查詢?yōu)g覽課件及歷史授課視頻的檢索觀看。網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備用來提供不同網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)的互連及互通，廣域網(wǎng)連接線路采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、交換式，需選擇合適的廣域網(wǎng)線路。智能電子黑板、智能電視、智顯教學(xué)終端、智慧講臺(tái)系統(tǒng)、學(xué)生交互終端及資源管理服務(wù)器皆通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連。

2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊主要包括視顯文件配置、直播錄制、用戶管理、設(shè)備管理、授課管理與導(dǎo)播切換。通過選取各模塊中的子功能添加至智能電子黑板、智能電視、智顯教學(xué)終端、智慧講臺(tái)系統(tǒng)、學(xué)生交互終端及資源管理服務(wù)器中生成相應(yīng)的程序并發(fā)布至設(shè)備以實(shí)現(xiàn)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)作。

2.1視顯文件配置

音視頻數(shù)據(jù)的采集通過連接攝像機(jī)使用特定協(xié)議通信實(shí)現(xiàn)，教室流媒體數(shù)據(jù)源較多，建立視顯配置文件生成視頻畫面，這樣視頻顯示不限于單幅畫面，可自由設(shè)置多幅畫面組合。配置文件根節(jié)點(diǎn)為顯示框，視頻流或音頻流地址屬于子節(jié)點(diǎn)配置，視頻窗體起始點(diǎn)坐標(biāo)、寬度及高度以占屏幕尺寸的百分比計(jì)數(shù)，播放音量及狀態(tài)添加至音頻流節(jié)點(diǎn)。視頻位置與寬高在配置文件中設(shè)定，音頻播放音量及狀態(tài)參數(shù)等在程序中設(shè)置。讀取配置文件參數(shù)，獲取視頻流地址，使用三種樣式類型，包括主次畫面、畫中畫及矩陣布局，生成并輸出復(fù)合視頻。單幅畫面是矩陣布局中的特例。獲取攝像機(jī)視頻流，解碼轉(zhuǎn)換為樣式布局畫面并輸出多畫面視頻。

2.2直播錄制

直播管理負(fù)責(zé)建立教師授課直播會(huì)話，接收智能電子黑板、智能電視、學(xué)生交互終端及智顯教學(xué)終端直播連接，發(fā)送直播音視頻數(shù)據(jù)。直播錄制服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)教師授課直播流發(fā)送與接收，可錄制直播流存儲(chǔ)至資源管理服務(wù)器。教師端通過攝像機(jī)及音頻輸入采集音視頻數(shù)據(jù)，發(fā)送至資源管理服務(wù)器直播模塊。數(shù)據(jù)庫維護(hù)直播表與課堂表數(shù)據(jù)，直播表字段包括直播名稱、直播類型、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、狀態(tài)等，課堂表字段包括課堂名稱、課堂介紹、主講教師、學(xué)生數(shù)等。學(xué)生端定時(shí)查詢直播服務(wù)是否有直播會(huì)話建立，有直播會(huì)話建立的情況下開始接收直播流，在學(xué)生交互終端更新直播課堂數(shù)據(jù)。

2.3用戶管理

用戶管理模塊實(shí)現(xiàn)教師、學(xué)生、觀摩考評(píng)人員及管理員的維護(hù)管理，包括查詢、添加、修改、刪除記錄。系統(tǒng)用戶由教師、學(xué)生、觀摩考評(píng)人員與管理員構(gòu)成。教師登錄智慧講臺(tái)系統(tǒng)，初次使用需注冊，輸入教師基本信息，存儲(chǔ)至教師信息表。注冊完成后登錄系統(tǒng)，開始授課直播。學(xué)生輸入學(xué)號(hào)與密碼，選擇教室后登錄學(xué)生交互終端，驗(yàn)證通過開始觀看授課直播。觀摩考評(píng)人員登錄智能電視觀看授課直播及歷史授課視頻。系統(tǒng)管理員負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)參數(shù)配置與其他用戶的管理。

2.4設(shè)備管理

設(shè)備管理主要由攝像機(jī)管理、麥克風(fēng)管理及音響管理組成。攝像機(jī)類型包括定位攝像機(jī)、教師攝像機(jī)與學(xué)生攝像機(jī)。智慧講臺(tái)系統(tǒng)攝像機(jī)管理可選擇已注冊教師攝像機(jī)或?qū)W生攝像機(jī)，選擇單個(gè)攝像機(jī)可進(jìn)行云臺(tái)控制。云臺(tái)控制攝像機(jī)移動(dòng)方向?yàn)樯?、下、左、右，可伸縮調(diào)焦、遠(yuǎn)近聚焦、放大縮小光圈及設(shè)置云臺(tái)速度。系統(tǒng)加載已安裝麥克風(fēng)與揚(yáng)聲器設(shè)備，選擇需使用的設(shè)備，可調(diào)節(jié)設(shè)備音量。

2.5授課管理

教師成功登入智慧講臺(tái)系統(tǒng)后設(shè)置相應(yīng)的攝像機(jī)、音響等設(shè)備，進(jìn)入直播管理開啟授課直播。資源管理服務(wù)器直播服務(wù)負(fù)責(zé)接收智慧講臺(tái)系統(tǒng)直播流數(shù)據(jù)，發(fā)送至各終端解碼顯示，可錄制授課視頻存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫以供課后學(xué)生查詢觀看。教師如需播放課件，須連接資源管理服務(wù)器，選擇播放的課件資料發(fā)送至各終端播放，切換課件時(shí)同步更新各終端播放畫面。使用白板時(shí)可任意標(biāo)注、繪畫并即時(shí)顯示，筆形包括普通筆、排筆與毛筆等，標(biāo)注筆顏色可任意設(shè)定，標(biāo)注內(nèi)容可隨時(shí)利用電子橡皮擦除，或隨時(shí)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫及打印。此外可實(shí)現(xiàn)屏幕內(nèi)容放大、聚光燈、遮屏、查看板書及屏幕校準(zhǔn)，支持白板操作錄制，實(shí)時(shí)同步白板與實(shí)操畫面。

2.6導(dǎo)播切換

導(dǎo)播切換包括跟蹤子系統(tǒng)、智能導(dǎo)播子系統(tǒng)及手動(dòng)導(dǎo)播子系統(tǒng)。使用定位攝像機(jī)對(duì)教師進(jìn)行定位，將數(shù)據(jù)傳遞給攝像機(jī)通過移動(dòng)與變焦進(jìn)行跟蹤。教師攝像機(jī)、學(xué)生攝像機(jī)根據(jù)切換策略智能切換，教師可在活動(dòng)中進(jìn)行手動(dòng)控制。智能導(dǎo)播集導(dǎo)播功能與跟蹤功能于一體，實(shí)現(xiàn)教師授課、教師板書、課件展示多個(gè)教學(xué)場景與教學(xué)課件間智能調(diào)度及切換。跟蹤范圍不僅局限于攝像機(jī)固有的視野范圍內(nèi)，而是在整個(gè)教師活動(dòng)的范圍內(nèi)，無論教師在活動(dòng)范圍內(nèi)做任何動(dòng)作都能智能跟蹤，始終保持教師在圖像中的位置，不出現(xiàn)半邊身的狀況。導(dǎo)播策略涵蓋以下三種情況：教師在講臺(tái)區(qū)域講課時(shí)是教師特寫鏡頭，教師板書時(shí)切換到板書特寫鏡頭，當(dāng)教師區(qū)域有多目標(biāo)時(shí)切換到教師全景鏡頭。教師成功登錄智慧講臺(tái)系統(tǒng)后開啟智能導(dǎo)播，移動(dòng)時(shí)攝像機(jī)跟蹤教師畫面，無需教師進(jìn)行手動(dòng)控制。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)中授課視頻直播、錄制和點(diǎn)播采用流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)流媒體可同時(shí)捕獲與播放音視頻，授課直播時(shí)教師攝像機(jī)實(shí)時(shí)攝取教師授課畫面，學(xué)生端攝像機(jī)捕獲學(xué)生實(shí)操畫面，教師可輪巡學(xué)生工位，學(xué)生觀看教師授課直播，此交互方式不局限于單個(gè)教室，多個(gè)教室內(nèi)的學(xué)生可共同觀看教師授課以及與教師交互。在處理流媒體時(shí)帶寬是一個(gè)重要的考量因素，連接資源管理服務(wù)器的學(xué)生交互終端數(shù)量越多，則流媒體傳輸所需帶寬越大，同時(shí)視頻分辨率決定所需帶寬，在指定時(shí)間段內(nèi)同等直播服務(wù)器并發(fā)數(shù)情況下標(biāo)清傳輸?shù)牧髁啃∮诟咔宸直媛剩瑧?yīng)盡可能選擇最大帶寬及較高分辨率。實(shí)時(shí)流協(xié)議（RTSP）是一種應(yīng)用級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，通過直接與流式傳輸數(shù)據(jù)的服務(wù)器通信，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從多媒體服務(wù)器傳輸至終端，該協(xié)議通過充當(dāng)時(shí)間同步音視頻媒體流的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制來建立媒體會(huì)話并控制客戶端設(shè)備及服務(wù)器間的媒體流。當(dāng)學(xué)生交互終端或智能電視軟件從遠(yuǎn)程源流式傳輸音/視頻時(shí)，客戶端設(shè)備會(huì)向資源管理服務(wù)器發(fā)送RTSP連接數(shù)據(jù)以確定可用選項(xiàng)，如播放、暫停與錄制，服務(wù)器返回可通過RTSP接受的連接類型列表，客戶端向流媒體服務(wù)器發(fā)送媒體描述數(shù)據(jù)，服務(wù)器以媒體描述作為響應(yīng)。客戶端發(fā)送設(shè)置命令，服務(wù)器響應(yīng)有關(guān)傳輸機(jī)制來啟動(dòng)流媒體傳輸過程。

4結(jié)束語

本文闡述了多媒體教學(xué)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的多媒體教學(xué)系統(tǒng)的建成，促進(jìn)不同于傳統(tǒng)教學(xué)方式的多媒體教學(xué)系統(tǒng)改革，加強(qiáng)學(xué)生間以及師生間的互動(dòng)，提高學(xué)生的積極性，授課內(nèi)容能直觀、生動(dòng)、形象地表示出來，輔導(dǎo)學(xué)生實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學(xué)效果。

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作者:董華軍 單位:江蘇卓越計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司