多媒體教學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)探析

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摘要：為了給多媒體教學提供良好的網(wǎng)絡環(huán)境，提升教學效果，提高學生積極性，根據(jù)傳統(tǒng)教學與多媒體教學的不同，整合教學資源，設計、開發(fā)了基于網(wǎng)絡的多媒體教學系統(tǒng)。此系統(tǒng)由視顯文件配置、直播錄制、用戶管理、設備管理、授課管理與導播切換六大模塊構成。該系統(tǒng)的建成，可加強學生間以及師生間互動，增強輔導學生的實時性，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學效果。

關鍵詞：多媒體教學系統(tǒng)；多媒體數(shù)據(jù)庫；傳統(tǒng)教學；多媒體教室

0引言

傳統(tǒng)的教學方式是使用黑板、粉筆、掛圖、教具等教學介質，由教師講授，這種教學方式中教師往往占有主導地位，而學生常常處于被動的接受狀態(tài)[1]。多媒體教學是在電子教室中把圖像、圖形、聲音、動畫以及文字等各種多媒體信息實時動態(tài)地引入教學過程中，充分利用現(xiàn)有的計算機、網(wǎng)絡、通信技術進行同步教學活動[2]。顯然多媒體教學利用了先進的技術手段，讓教學內(nèi)容能直觀、生動、形象地表示出來，從而加深學生對問題的理解，提高學生的參與度，提升教學效果。隨著語音、數(shù)據(jù)、視頻的壓縮編碼技術以及網(wǎng)絡傳輸技術的不斷提高，人們可以快速隨時隨地獲得來自異地的視頻、音頻及數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)多媒體教學[3]。教師可通過多媒體教室進行課堂相關的管理[4]。本文設計并實現(xiàn)了基于網(wǎng)絡的多媒體教學系統(tǒng)，系統(tǒng)中教師能夠把授課視頻直播到各教室或進行學生端工位輪巡，一對一輔導學生實訓。學生可觀看授課直播、課件播放及板書，課后查詢并察看歷史授課視頻。觀摩考評人員可觀看學生間或師生互動視頻直播，查看存儲于資源管理服務器的歷史交互視頻。

1系統(tǒng)架構

本系統(tǒng)基于C/S體系結構，利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，使用C++開發(fā)環(huán)境，生成音視頻編解碼庫以實現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。多媒體教學系統(tǒng)由智能電子黑板、智能電視、智顯教學終端、智慧講臺系統(tǒng)、學生交互終端及資源管理服務器構成，如圖1所示。⑴智能電子黑板采用系統(tǒng)智能驅動技術，內(nèi)嵌系統(tǒng)教學軟件，支持多場景教學，教師可選擇資源管理服務器上的課件文件或本地課件播放與顯示，切換授課板書或實操視頻畫面。⑵智能電視終端登錄后可通過直播服務獲取音視頻流解碼后播放，觀摩考評人員觀看授課直播或查詢歷史授課視頻后播放，終端登錄避免無權限人員觀看授課直播及歷史視頻，電視終端使用網(wǎng)絡接口連接至資源管理服務器可遠程觀看。⑶智顯教學終端展示教師授課內(nèi)容，播放實時實操視頻，可切換至課件瀏覽或課堂板書，通過此種授課方式的有機結合，增強教師授課內(nèi)容的豐富性，提升教學效果。⑷智慧講臺系統(tǒng)實現(xiàn)不同授課教師的登錄、授課設備的管理、直播視頻畫面與課件白板的智慧導播、授課視頻的直播與錄制、授課管理，輪巡學生終端工位，該設計驗證教師用戶權限，多個教師授課流程互不干擾，直播視頻、課件及白板可導播切換，錄制授課直播視頻，有利于學生課后多次觀摩。⑸學生交互終端提供教師授課直播、實訓工位終端學生的實時操作及一對一輔導，該終端交互方式有別于傳統(tǒng)授課方式，加強學生間以及師生互動，輔導學生實時性得到增強。⑹資源管理服務器功能涵蓋課件管理、授課管理、直播服務、錄制文件點播及數(shù)據(jù)庫訪問，此功能設計彌補傳統(tǒng)教學的不足，實現(xiàn)教師導入課件、學生查詢?yōu)g覽課件及歷史授課視頻的檢索觀看。網(wǎng)絡互連設備用來提供不同網(wǎng)絡通信時的互連及互通，廣域網(wǎng)連接線路采用點對點、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、智顯教學終端、智慧講臺系統(tǒng)、學生交互終端及資源管理服務器皆通過網(wǎng)絡交換機相連。

2系統(tǒng)模塊設計與實現(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、設備管理、授課管理與導播切換。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、智顯教學終端、智慧講臺系統(tǒng)、學生交互終端及資源管理服務器中生成相應的程序并發(fā)布至設備以實現(xiàn)多媒體教學系統(tǒng)的運作。

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使用特定協(xié)議通信實現(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，可自由設置多幅畫面組合。配置文件根節(jié)點為顯示框，視頻流或音頻流地址屬于子節(jié)點配置，視頻窗體起始點坐標、寬度及高度以占屏幕尺寸的百分比計數(shù)，播放音量及狀態(tài)添加至音頻流節(jié)點。視頻位置與寬高在配置文件中設定，音頻播放音量及狀態(tài)參數(shù)等在程序中設置。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，生成并輸出復合視頻。單幅畫面是矩陣布局中的特例。獲取攝像機視頻流，解碼轉換為樣式布局畫面并輸出多畫面視頻。

2.2直播錄制

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

2.3用戶管理

用戶管理模塊實現(xiàn)教師、學生、觀摩考評人員及管理員的維護管理，包括查詢、添加、修改、刪除記錄。系統(tǒng)用戶由教師、學生、觀摩考評人員與管理員構成。教師登錄智慧講臺系統(tǒng)，初次使用需注冊，輸入教師基本信息，存儲至教師信息表。注冊完成后登錄系統(tǒng)，開始授課直播。學生輸入學號與密碼，選擇教室后登錄學生交互終端，驗證通過開始觀看授課直播。觀摩考評人員登錄智能電視觀看授課直播及歷史授課視頻。系統(tǒng)管理員負責維護系統(tǒng)參數(shù)配置與其他用戶的管理。

2.4設備管理

設備管理主要由攝像機管理、麥克風管理及音響管理組成。攝像機類型包括定位攝像機、教師攝像機與學生攝像機。智慧講臺系統(tǒng)攝像機管理可選擇已注冊教師攝像機或學生攝像機，選擇單個攝像機可進行云臺控制。云臺控制攝像機移動方向為上、下、左、右，可伸縮調焦、遠近聚焦、放大縮小光圈及設置云臺速度。系統(tǒng)加載已安裝麥克風與揚聲器設備，選擇需使用的設備，可調節(jié)設備音量。

2.5授課管理

教師成功登入智慧講臺系統(tǒng)后設置相應的攝像機、音響等設備，進入直播管理開啟授課直播。資源管理服務器直播服務負責接收智慧講臺系統(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至數(shù)據(jù)庫以供課后學生查詢觀看。教師如需播放課件，須連接資源管理服務器，選擇播放的課件資料發(fā)送至各終端播放，切換課件時同步更新各終端播放畫面。使用白板時可任意標注、繪畫并即時顯示，筆形包括普通筆、排筆與毛筆等，標注筆顏色可任意設定，標注內(nèi)容可隨時利用電子橡皮擦除，或隨時存儲至數(shù)據(jù)庫及打印。此外可實現(xiàn)屏幕內(nèi)容放大、聚光燈、遮屏、查看板書及屏幕校準，支持白板操作錄制，實時同步白板與實操畫面。

2.6導播切換

導播切換包括跟蹤子系統(tǒng)、智能導播子系統(tǒng)及手動導播子系統(tǒng)。使用定位攝像機對教師進行定位，將數(shù)據(jù)傳遞給攝像機通過移動與變焦進行跟蹤。教師攝像機、學生攝像機根據(jù)切換策略智能切換，教師可在活動中進行手動控制。智能導播集導播功能與跟蹤功能于一體，實現(xiàn)教師授課、教師板書、課件展示多個教學場景與教學課件間智能調度及切換。跟蹤范圍不僅局限于攝像機固有的視野范圍內(nèi)，而是在整個教師活動的范圍內(nèi)，無論教師在活動范圍內(nèi)做任何動作都能智能跟蹤，始終保持教師在圖像中的位置，不出現(xiàn)半邊身的狀況。導播策略涵蓋以下三種情況：教師在講臺區(qū)域講課時是教師特寫鏡頭，教師板書時切換到板書特寫鏡頭，當教師區(qū)域有多目標時切換到教師全景鏡頭。教師成功登錄智慧講臺系統(tǒng)后開啟智能導播，移動時攝像機跟蹤教師畫面，無需教師進行手動控制。

3系統(tǒng)關鍵技術

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

4結束語

本文闡述了多媒體教學系統(tǒng)的功能設計與實現(xiàn)技術，基于網(wǎng)絡的多媒體教學系統(tǒng)的建成，促進不同于傳統(tǒng)教學方式的多媒體教學系統(tǒng)改革，加強學生間以及師生間的互動，提高學生的積極性，授課內(nèi)容能直觀、生動、形象地表示出來，輔導學生實時性得到增強，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學效果。

參考文獻:

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[3]李晨.基于網(wǎng)絡的多媒體教學系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].科技資訊,2008(11):141,143

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作者:董華軍 單位:江蘇卓越計算機系統(tǒng)有限公司