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远程实时教学技术方案的比较与实践论文
摘 要：进入21世纪以来，随着多媒体和信息技术的不断发展，远程交互教学模式已成为现代远程教育的一种发展趋势。通过比较法、实验法、讨论法等方法对远程交互教学系统技术方案进行了研究和总结；进而在自动录播教室的基础上，围绕着该系统的关键环节完成了其整体的设计与实践，形成了一套具有代表性的可操作的建设技术方案；并结合当前的技术现状提出了此系统今后发展的方向。
关键词：远程交互教学；技术方案；研究与实践。
随着教育信息化的进程以及多媒体技术的发展，现代远程教育已经成为当今教育教学必不可少的手段之一。现代远程教育的主要模式有两种。一种是利用网络教学平台提供各种丰富的教学资源对学习者进行线上非实时的异步教学。这种方式充分打破了时间、空间的限制，使学习者能够随时随地的获取知识，特别是近些年兴起的MOOCs教学方式，学习者通过它不仅能够实现单向学习的目的，还可以获得更多交流、指导等[1].当然缺乏实时性和面对面的交互是这种模式的最大弊端。另外一种是通过网络等通讯方式实施远程面对面的交互式教学，这种模式有效地弥补了上一种模式的缺憾，使得远程教育更加有立体感，为学习者提供了更好的学习环境。此种方式对于多校区高校来说尤为重要，为学校集中优质资源和扩大受众面提供了重要支持，并节省了大量人力、物力资源[2].
实现远程交互教学的方法以及手段多种多样，但大多数情况仅限于小规模的尝试，而且功能较为单一、质量不佳，显然对于学校教学来讲无论从功能和性能上都有很大的欠缺。因此，随着教育信息化的发展，利用现有基础条件构建一套适合学校进行远程交互教学的系统方案是提升学校教学品质的有效手段。
1、实现远程交互教学技术方案的目标
实现远程交互教学需要具备三方面的基础功能：一是单向的实时远程直播功能，二是双向的实时远程互动功能，三是远程实时交互教学过程的录制功能。只有达到这3个功能才能称作真正的远程交互教学系统。
除去上述3个基础功能外，在系统技术方案研究及建设过程中，我们还需结合各自学校的信息化建设的情况，合理整合现有资源，避免重复建设。同时其方案应充分遵循课堂教学规律和视频录制规范，并为后期开发和研究提供可操作的空间。
2、实现远程实时教学技术方案的比较
通过对市场主流相关系统的调研以及有相关建设经验高校的走访，并且进行了相应的研究及总结，能够实现上述远程交互教学功能的技术方案主要有3种。
（1）以视频会议系统为基础的远程教学交互解决方案。
（2）视频会议与传统录播系统相结合的解决方案。
（3）自动录播系统双向直播的解决方案。以上3种方案各有各自的特点，以下是对它们的具体分析。
第一，对于目前市场上能够实现教学实时交互和录播功能的产品多数都是以视频会议系统为基础而发展出来的。视频会议系统发展至今已经拥有较为成熟的技术方案，稳定性高是其最大的优点。但由于此类解决方案沿用了大多数的视频会议系统的特点，因此，无论在系统架构、互动触发机制以及画面呈现方式等方面都是针对会议，并非针对教育场合的应用，在适应教学规律方面较差。此外传统的视频会议产品价格昂贵，特别是MCU动辄几十万元甚至上百万的价格因素阻碍了其产品在教育行业进行大规模应用。
第二，视频会议与传统录播系统相结合的解决方案，此方案的组成结构也主要是由录播系统和视频会议系统组成。录播系统负责教室端信号的采集及录制和直播，视频会议系统负责音视频的远程交互。其最大的优点是两套系统各司其职，互不影响，在保障课程录制和直播的同时又完成了教学的互动功能。但由于是拼凑起来的系统，因此在系统管理方面只能对两个单独的系统进行操作和管理。由于互动功能是由视频会议系统提供的，因此，方案一中的问题依旧难以解决。
第三，自动录播系统双向直播的解决方案是利用自动录播系统中的直播功能实现互动，即互动教室和主讲教室分别通过各自录播系统观看对方的直播画面。显然这种解决方案更加容易实现，也更为节省资源和方便管理，但在声音、延时、多点交互等方面都无法正常保障实时教学的过程。
据此，将3种实现远程实时教学的技术方案进行对比（见表1）。
3、远程实时教学技术方案的实践
随着教育信息化建设进程的不断推进，大部分高校都具备了相当规模的具有自动导播和跟踪功能的多机位录播教室，它们为远程交互教学的方式提供了基本的前端采集设施，我们只需在此基础上增加相应的少量用于交互的设施即可（如交互控制系统、反馈抑制器、显示设备等）。对于远程交互教学来说，教学中音视频的远程交互效果是决定其是否能够满足需求的基础条件，而对于是否能够达到这个基础条件又取决于三方面的设计，它们分别是触发机制、显示模式、操控方式。
3.1 触发机制的设计实践
对于远程教学系统中的触发机制是指为能够达由正常的远程教学模式到建立远程交互状态的模式而进行触动的某一事件的过程。只有建立良好稳定的触发机制才能保障在远程实时教学中的交互过程得以顺利进行。大多数远程交互教学类的系统都沿用了视频会议系统的触发机制，它们一般是采用主讲控制、管理员控制、自动轮询以及语音激励等几种方式。这些触发机制的前提是需要有一定的规律性，而这种规律是事先确定好的，对于教学来说，大多数情况是不确定的，随机性比较大，因此上述这些触发机制就不太符合要求了。
远程交互教学系统引起触发动作的两个对象分别是主讲教师和远程学生。对于主讲教师而言，由于对象单一，他的触发机制一般为主动控制即可，即通过触动相应按钮达到与某交互对象进行远程交流状态。对于远程学生而言，由于对象众多，上述方式显然不能满足要求。经过研究分析，触发机制的设计需要达到两方面条件：一方面远程学生发起的交互请求必须由学生自主完成，不能由管理人员再进行干涉；另外其触发过程必须是在稳定准确的基础上进行的。
目前，大多数的自动录播系统都支持学生起立的图像跟踪触发机制，即当学生由坐姿到站立的时候，高度发生了变化，从而起到触发作用，运用图像识别技术进行定位，进而图像可自动切换到该学生画面。经过实践发现，中小学的学生由于他们的上课管理制度较为严格，随意性较低，学生与教师在课堂上的交流方式主要以站立为主，上述触发机制正是以高度的变化为触发点的，因此这种方式对于中小学的学生来说较为适合，并不具有普遍性。对于高校学生而言，他们的交流方式较为随意，既有起立进行交流，也有坐在座位上的方式交流。因此，在系统的设计时我们采取了触发式的模式。这种模式的优点就是不受学生行为动作的影响，而且由于其原理是机械性的所以稳定性及准确性都较高。这种方式有两种实现办法。第一种是在远程教室中每个学生位置都安装触发装置，这种做法最容易实现，但其维护、管理较困难，并且成本较高。第二种是选择接收端带有发码功能的无线手持麦克，每个远程教室根据人数配置相应麦克个数，一般每10个人为一个区域，配置一只麦克，即每个麦克代表一个区域，当触动麦克开关时即代表发出交互请求，摄像机也会同时根据此麦克定义的区域进行定位抓取。实践表明，第二种方法更加符合实际需求。
3.2 采集及呈现模式设计的实践
远程交互教学系统建立的首要目标就是要实现跨区域的实时音视频交互，因此，对于教学活动音视频的采集和呈现方式有着不同的设计要求。为保证教室的通用性，我们把教室的采集及显示设备方案进行统一化设计，这样就能保证所涉及的教室可以适应所有角色。系统的使用对于用户主体（主讲教师和学生）来讲，存在3种不同角色场所，分别是主讲教室、远程交互教室以及直播教室。一般情况下，对于一节课程来说，主讲教室只有1间、远程交互教室和直播教室可以是多间，也就是一点对多点，当然普遍情况下直播教室的数量会远远多于远程交互教室。对于3种不同角色类型的教室，它们所展示的内容是有很大区别的，因此，我们需要对3种角色类型教室画面所呈现的模式分别做出不同的设计。
3.2.1 采集及显示设备方案的设计
为充分利用学校现有系统和资源，因而对于它们的设计是以原有传统录播教室的基础而进行的。对于原有传统录播教室，主要采集及显示设备部署如图1所示。
整个教室中有5台摄像机（部分厂家的方案为4台摄像机），教室后端3台摄像机分别用来拍摄教室全景、教师近景和板书，教室前端两台摄像机分别用来拍摄学生正面全景和学生特写。主讲教师所用计算机及显示屏幕安放于多媒体讲台中，而用于学生观看主讲教师课件内容（即VGA画面）是由一块大屏幕来呈现的。然而对于进行远程交互教学的主讲教室而言显然这样的配置是不够的。
对于主讲教室中的主讲教师而言有3种状态的收视需求：第一种状态是主讲教师在发生交互前（即正常本地授课过程中），需要看到全部加入到远程交互教室的情况；第二种状态是在发生有交互请求时可以看到是哪些远程交互教室在请求互动，以用来对交互请求做出选择；第三种状态是在与远程交互教室发生互动时，可以看到远程交互的学生的画面，并听到其声音。而对于主讲教室中的学生而言还需要观看本地主讲教师课件的VGA画面。
目前，在主讲教室中用于显示的设备共有两种，分别是教师计算机的显示屏幕和多媒体大屏，它们可以满足主讲教师对于现场多媒体教学的需要和本地学生学习的需要。但为了能够实现远程交互，就必须要添加另外的显示设备。
基于上述分析和基本现状，为满足主讲教师对于交互教室情况和交互过程中远程学生的观看，前后进行了3种方案的设计及实践。第一种方案是在教室正后端安置两台液晶大屏，分别用于显示全部远程交互教室情况和发生交互时远程交互学生的近景画面。这种方案不仅能够实现上述主讲教师观看要求，而且对于交互时主讲教师画面的构图也满足对于远程互动学生以及直播教室学生收看的需要。经过实践发现这种方案也存着一些问题，如对于较大教室来说，教室纵深较长，主讲教师距离2块液晶大屏的距离较远（甚至可能超过20米），对于观看交互时远程学生的近景还可以接受，但对于众多交互教室情况的观看和操控就显得不太容易了，这会直接影响到整个教学过程的流畅度。第二种方案是采用在教室的正后端安置一块液晶大屏用于显示交互发生时远程交互学生的近景画面，而在多媒体讲台中教师计算机显示屏侧面安放一个一台同大小的液晶屏幕用于对全部交互教室情况的观看和操作。这种解决方案可以达到上述的要求，但也存在其不利之处，如使用同一鼠标操控2台显示器，加大了主讲教师对于计算机的操控难度，并且对于多媒体讲台还需要重新制作，浪费了资源，另外对于远程交互学生的近景画面的观看还是有些不便。因此，由于众多原因，经过改进产生了第三种设计方案。将用来显示远程互动学生近景的液晶大屏放置教室靠前位置的侧方，而用于显示全部交互教室和操作的设备采用Surface平板电脑实现，这样可以把Surface平板电脑镶嵌到原有多媒体机柜中而不用重新制作，并且Surface平板电脑使用的Windows操作系统相对于基于iOS系统和Android系统的平板电脑通用性较强。此外，为保障在播放交互时主讲教师的构图，设计在侧前方液晶大屏上端加装一台摄像，用来拍摄交互发生时主讲教师的视频。具体设备部署如图2所示。
3.2.2 呈现模式的设计
由于收视者对于远程交互教学系统的应用不同，因此，对于不同角色的教室在画面的呈现方式上是不同的。
首先，在主讲教室中，当正常本地授课时，用来显示全部交互教室情况的Surface平板电脑和显示交互学生近景的液晶大屏显示的内容是一致的，采用九宫格的方式，当发生交互时，显示交互学生近景的液晶大屏变换为两路信号的交互界面（远程交互学生近景与主讲教师近景），而Surface平板电脑不发生变化。当交互结束后显示交互学生近景的液晶大屏再回到九宫格画面，如图3所示。
其次，在交互教室中，当主讲教室的教师进行正常本地授课时（即发生交互前），远程交互教室前的投影幕布显示的是主讲教师和主讲教师计算机的VGA画面，当发生交互时，我们需考虑的是在进行交互的学生可能要根据主讲教师计算机的VGA画面的内容进行提问和讨论，这时既要保障学生能看到交互双方的画面又要能看到主讲教师计算机的VGA的画面，因此，采用了图4所示的方案，交互完成后返回原画面。
3.3 操控方式设计的实践
由于远程交互教学系统使用的主导对象为教师，而教师的主要精力是放在教学活动中的，因此，作为辅助教学的系统其设计必须简洁、易用，对于其操控方式主要进行了三方面的设计。
首先，远程交互教学环境的创建。主讲教师可根据具备交互功能的教室列表进行选择需要远程实时教学的教室，添加完毕后，就可在交互液晶屏及平板电脑中观看到所有加入教室的图像。
其次，直播和录制的创建及停止。通过明确的按钮及信息填写表单完成直播和录制的开启，并在图像区域显着显示当前直播时间和录制时间，同样通过停止按钮可结束当前的直播和录制。
最后，交互过程的建立及停止。当远程学生发出交互请求的时候，交互液晶屏及平板电脑的九宫格画面中相应教室的图像将发生闪动，并发出提示声音，主讲教师可根据需要直接点击相应的图像区域即可实现交互过程的建立，交互停止通过点击同样图像区域完成。
4、总结与展望
通过对远程交互教学技术方案的研究与实践，对现有教学环境进行改造，在原有系统条件的基础上，进行部分设备的添加及简单系统的设计，达到了远程交互教学的目的，不仅深度挖掘了原有系统的功能，丰富了教学手段，更为学校信息化的进程提供了有效的技术保障条件。当然现有的技术方案并不能完全达到理想状态，随着信息技术的发展，将远程交互教学扩展到移动终端上的应用以及与多媒体教学控制系统的整合是今后需要进一步研究及发展的目标。
参考文献
[1] 陈丽，林世员，郑勤华。“互联网+”时代中国远程教育的机遇和挑战[J].现代远程教育研究，2016（1）：3-10.
[2] 张瑛。利用录播技术实现远程互动的探索与实践[J].企业技术开发，2015（30）：68-70.
[3] 孙维海。探索网络环境下互动录播课堂的有效应用[J].软件导刊：教育技术，2016（9）：1-2.
[4] 谢舒潇，陈毓超，刘冠。智能教室建设的探索与实践[J].实验技术与管理，2016（6）：221-240.
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