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實時雙向交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)論文
摘要：遠(yuǎn)程教學(xué)是網(wǎng)絡(luò)教育的重要組成部分，實時雙向交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)能為遠(yuǎn)程教育提供一個符合信息化教育規(guī)律的真正高效的現(xiàn)代化教學(xué)手段。文章闡述了系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù)，對該系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程教學(xué)；系統(tǒng)；設(shè)計
一、引言
傳統(tǒng)的教學(xué)模式在目前的教育教學(xué)體系中仍然占據(jù)著重要的地位，但其仍存在著一些局限性。遠(yuǎn)程教育利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)教學(xué)方式在空間層面上的跨地域性，可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時交互，更可以通過把優(yōu)秀的教育資源置于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，達(dá)到資源共享。遠(yuǎn)程教育是網(wǎng)絡(luò)教育的重要組成部分，所謂實時雙向交互式遠(yuǎn)程教學(xué)，就是利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和多媒體技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)作為載體，進(jìn)行教學(xué)工作，克服地理區(qū)域和時間上的限制，使任何地方的用戶都能夠通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，使師生雙方能進(jìn)行實時的、雙向交互的教與學(xué)的活動。
二、系統(tǒng)設(shè)計的理論依據(jù)
（一）設(shè)計的理論基礎(chǔ)
隨著Internet技術(shù)的普及，遠(yuǎn)程教育正經(jīng)歷由“遠(yuǎn)”到“近”的轉(zhuǎn)變過程。雖然物理距離仍然存在，然而學(xué)生之間的實際學(xué)習(xí)“空間”更近了。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)可以傳統(tǒng)教室里獲得更好的交互性，不僅如此，Internet和WWW的應(yīng)用和推廣，還使得遠(yuǎn)程教育從行為注意學(xué)習(xí)理論逐漸向建構(gòu)注意學(xué)習(xí)理論轉(zhuǎn)變。由皮亞杰（J.Piaget）提出的建構(gòu)主義（Constructivism）學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：知識不是通過教師傳授得到，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境即社會文化背景下，借助他人的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)的方式而獲得。
通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程教學(xué)，在教學(xué)上不受時間和地點的限制，教師和學(xué)生可以在適合自己的時間、地點上網(wǎng)，能夠提供給教師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時的交互。因此，基于Internet的遠(yuǎn)程教學(xué)更能為學(xué)習(xí)者提供一個建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)環(huán)境，充分體現(xiàn)學(xué)生的首創(chuàng)精神，學(xué)生有更多的機(jī)會在不同的情境下去運用他們所學(xué)的知識，而且學(xué)生能根據(jù)自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認(rèn)識和解決實際問題的方案。
（二）系統(tǒng)的設(shè)計原則
系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是在最大程度上滿足實時雙向交互式遠(yuǎn)程教學(xué)活動的需要，在Internet上實現(xiàn)教學(xué)活動的各個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的基本設(shè)計原則有：交互性、開放性、實用性、可擴(kuò)展性、安全性等。
遠(yuǎn)程教學(xué)的方式是多樣化的，信息的交流具有實時性和異步性，比如可以利用流媒體技術(shù)把事先錄制好的課堂教學(xué)視音頻信息或事先制作好的多媒體教材，通過網(wǎng)絡(luò)供學(xué)生隨時點播學(xué)習(xí)，這是遠(yuǎn)程教學(xué)方式的異步性體現(xiàn)。遠(yuǎn)程教學(xué)的重點在于教學(xué)活動的實時互動性上，而雙向?qū)崟r交互式又是當(dāng)前采用的先進(jìn)方式，如數(shù)字化的會議電視或視頻會議技術(shù)，利用視音頻交互、文字交互、白板及圖片圖形等共享，可以讓參與到遠(yuǎn)程教學(xué)的師生就像傳統(tǒng)的課堂上那樣進(jìn)行實時的互動交流，這也比使用BBS、E－mail、留言板要便捷得多。
系統(tǒng)既要根據(jù)國內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境適用不同的帶寬，同時也要適應(yīng)國內(nèi)信息化教育的總體水平。遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)在結(jié)合網(wǎng)絡(luò)教室中實用的、優(yōu)秀的功能基礎(chǔ)上，應(yīng)增加大量易操作、實用的功能，如同步瀏覽課件、網(wǎng)頁功能等。系統(tǒng)既要考慮信息資源的充分共享，更應(yīng)注意信息的保護(hù)和隔離，如系統(tǒng)安全機(jī)制、數(shù)據(jù)存取的權(quán)限控制等。
三、系統(tǒng)功能設(shè)計
要形成基于Internet實時雙向交互式遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，學(xué)生和教師擁有一臺計算機(jī)便可以通過軟件進(jìn)行遠(yuǎn)距離教學(xué)活動，實現(xiàn)實時互動。系統(tǒng)的功能主要分為課件教學(xué)功能和交互教學(xué)功能。
（一）課件教學(xué)功能
1、課件列表。教師可將所需的圖片、各種office文檔、網(wǎng)頁課件等多媒體資源裝入課件列表，在上課時實現(xiàn)主控式的同步瀏覽。
2、課件同步。系統(tǒng)能將課件自動壓縮上傳服務(wù)器，教師和學(xué)生可以同步以網(wǎng)頁的方式瀏覽。此外，系統(tǒng)也可以讓學(xué)生自動下載課件到本地，教師與學(xué)生同步瀏覽時，直接打開本地文件，不用訪問，這樣可以提高課件訪問速度，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。
3、錄制播放。教師和學(xué)生都能根據(jù)自己的需要進(jìn)行現(xiàn)場課程制作，教師端還支持已錄制的課件再次廣播。教師可以允許或禁止學(xué)生錄制課件。
（二）交互教學(xué)功能
在這樣的系統(tǒng)中，學(xué)生可以進(jìn)行學(xué)習(xí)、考試、討論等，學(xué)生和教師之間可以傳輸圖像、文字、圖形、聲音等各種信息。系統(tǒng)的主要功能包括：視音頻交互、文字交互、白板交互、文件交互等。
1、視音頻交互系統(tǒng)。本系統(tǒng)的用戶截面最多可以同時顯示八路視頻端，用戶可以根據(jù)自己的需要隨時對需要顯示的界面進(jìn)行切換；教師可以將授課內(nèi)容及教學(xué)情景實時的傳送到網(wǎng)絡(luò)教室中去，或者也可以播放某個學(xué)生的視頻；在教師廣播自己視頻時，也可以監(jiān)視某個學(xué)生的視頻。教師能把自己的聲音廣播出去，同時可以允許某個學(xué)生說話，或者同時允許兩個學(xué)生廣播聲音；在系統(tǒng)沒有開啟語音廣播時，教師、學(xué)生之間可以私聊，可以一對一，也可以一對多。教師端有學(xué)生舉手狀態(tài)的顯示框，教師可以選擇舉手的學(xué)生并允許發(fā)言。學(xué)生在被允許發(fā)言時，系統(tǒng)會彈出一個對話框，提醒學(xué)生發(fā)言。
2、文字交互系統(tǒng)。在文字討論區(qū)，教師可以與全體學(xué)生，也可以與某個學(xué)生進(jìn)行文字交流，教師一旦在人員列表中選定對一個人發(fā)送信息時，進(jìn)行一對一的交流，其他教師成員則看不到。文字交互系統(tǒng)中還有關(guān)于教師操作信息的系統(tǒng)提示和公告等，如教師允許某人發(fā)言，錄制課件等。另外，系統(tǒng)還有詞典過濾功能，可以過濾那些出現(xiàn)的不文明用語。
3、白板交互系統(tǒng)。教師和學(xué)生可以同時在白板上作圖、寫字、編輯或粘貼現(xiàn)有的圖形和圖片等。教師可以對白板的使用權(quán)限進(jìn)行控制，允許或禁止其他人使用白板，選擇是否顯示白板上的對象的創(chuàng)建者，還可以對白板上所創(chuàng)建對象的顏色、字體等屬性進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)目前支持十頁白板，可根據(jù)需要加以擴(kuò)充。
4、文件共享系統(tǒng)。本系統(tǒng)的文件共享系統(tǒng)是基于服務(wù)器的FTP服務(wù)器的基礎(chǔ)之上，各個用戶端連接上服務(wù)器時，教師批準(zhǔn)了文件共享后，F(xiàn)TP服務(wù)器中的FTP文件夾中的各種資源就顯示在文件的共享區(qū)域內(nèi)，供參加網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的學(xué)生上傳或下載。
四、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，使客戶端具有相當(dāng)?shù)姆�(wěn)定性和易操作性。實現(xiàn)工具采用Microsoft公司的Visual C++，Visual C++是一種非常完善和全面的程序集成開發(fā)環(huán)境，它采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法，在多媒體圖形處理方面功能強(qiáng)大。Visual C++的核心是Microsoft基本類庫（MFC），它一方面用類封裝了Windows API，另一方面使用稱為“消息映射”的機(jī)制把Windows消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖及其對象，MFC能成功的把面向?qū)ο蠛褪录?qū)動編程聯(lián)系起來。在對參與系統(tǒng)的用戶的用戶名及密碼信息的控制是通過與XML（Extensible Markup Language）文檔中的數(shù)據(jù)的交互來實現(xiàn)的。
遠(yuǎn)程交互式教學(xué)系統(tǒng)主要由多媒體授課室、多媒體聽課室、多點控制器、信道（傳輸網(wǎng)絡(luò)）及控制管理軟件組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。教師在授課室通過電子白板、視音頻設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)將授課內(nèi)容及教學(xué)情景實時傳送到遠(yuǎn)端聽課室，同時學(xué)生可以在遠(yuǎn)端聽課室現(xiàn)場回答教師提出的問題或向教師提出疑問，教師在授課室可以看到和聽到聽課室的全貌，還可以看到發(fā)問、回答問題的學(xué)生的表情和動作，并和學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場交流，可以取得比較好的教學(xué)效果，尤其是那些需要學(xué)生參與的課程，比如外語教學(xué)。
授課室和聽課室也即課堂終端包括教師端和學(xué)生端，主要功能包括：視音頻信息的采集、傳輸、顯示輸出，數(shù)字信號的壓縮編碼和解碼，最后將符合國際標(biāo)準(zhǔn)的壓縮碼流經(jīng)線路接口傳送到信道，或從信道上將標(biāo)準(zhǔn)壓縮碼流經(jīng)線路接口送到終端中。在課堂終端還可以進(jìn)行文字、文件、圖片信息等輸入輸出操作。目前，計算機(jī)硬件設(shè)備基本上可以滿足系統(tǒng)的要求，在教師端，對計算機(jī)設(shè)備、視音頻采集設(shè)備的要求相對要高些，如盡量采用較高像素的攝像頭等采集設(shè)備。
多點控制器（Multipoint Control Unit，MCU）是一種橋接設(shè)備，是網(wǎng)絡(luò)課堂教學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它的主要作用是對視頻、音頻、數(shù)據(jù)信號等數(shù)據(jù)流進(jìn)行切換。
五、系統(tǒng)界面設(shè)計及系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計直觀，具有良好的操作性，包括文字、圖標(biāo)、圖形、色彩和其他視覺方面的設(shè)計。屏幕的界面設(shè)計考慮到學(xué)習(xí)者的視覺心理特點，突出整體，具有統(tǒng)一的界面風(fēng)格。同時注重了界面內(nèi)容的交互性和可控制性，以及教學(xué)內(nèi)容超級連接的有序性。界面區(qū)域工包括五大控制板塊：視頻顯示區(qū)、電子白板、課堂成員列表、文件共享區(qū)域、文字交互。用戶可以根據(jù)自己的需要對各板塊自由拖動、改變大小，移動板塊改變其在界面中的相對位置，選擇或隱藏板塊等。
遠(yuǎn)程多媒體實時交互教學(xué)系統(tǒng)，通過壓縮教師教學(xué)現(xiàn)場的視頻、音頻流結(jié)合同步瀏覽課件命令，形成教學(xué)資源流，利用網(wǎng)絡(luò)實時傳送到遠(yuǎn)端學(xué)生的電腦上，學(xué)生可以及時通過舉手提問、共享教師端程序、文字交流等方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程互動教學(xué)。本系統(tǒng)可運行在Internet、Intranet、衛(wèi)星網(wǎng)、校園網(wǎng)、局域網(wǎng)，提供文字、音視頻、課件、電子白板、互動廣播教學(xué)的平臺，并在虛擬現(xiàn)實中的教室打破時空限制，讓異地師生通過音視頻實時交互，如同置身于同一課堂之中。
六、結(jié)束語
隨著Internet的普及和在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，Internet將會在遠(yuǎn)程教育中發(fā)揮巨大的作用�；贗nternet的遠(yuǎn)程教育，實現(xiàn)了全球信息資源的共享，使教育和科技逐步走向國際化和全球化，這正是遠(yuǎn)程教育發(fā)展的方向和追求的目標(biāo)。當(dāng)然遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)需要大量使用各種多媒體信息，而目前視頻多媒體的傳輸受網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的影響較大，成為了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的瓶頸，尤其是如何實現(xiàn)異地交互式教學(xué)是需要解決的關(guān)鍵問題。同時，目前網(wǎng)絡(luò)安全也是制約Internet發(fā)展的一個因素，如何保證信息的安全，怎樣做好安全保障，同樣也是需要解決的關(guān)鍵問題。
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