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實(shí)時(shí)雙向交互式遠程教學(xué)系統的設計與實(shí)現論文
摘要：遠程教學(xué)是網(wǎng)絡(luò )教育的重要組成部分，實(shí)時(shí)雙向交互式遠程教學(xué)系統能為遠程教育提供一個(gè)符合信息化教育規律的真正高效的現代化教學(xué)手段。文章闡述了系統設計的理論依據，對該系統進(jìn)行了設計和實(shí)現。
關(guān)鍵詞：遠程教學(xué)；系統；設計
一、引言
傳統的教學(xué)模式在目前的教育教學(xué)體系中仍然占據著(zhù)重要的地位，但其仍存在著(zhù)一些局限性。遠程教育利用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現教學(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(shí)時(shí)交互，更可以通過(guò)把優(yōu)秀的教育資源置于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上，達到資源共享。遠程教育是網(wǎng)絡(luò )教育的重要組成部分，所謂實(shí)時(shí)雙向交互式遠程教學(xué)，就是利用計算機網(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，克服地理區域和時(shí)間上的限制，使任何地方的用戶(hù)都能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行學(xué)習，使師生雙方能進(jìn)行實(shí)時(shí)的、雙向交互的教與學(xué)的活動(dòng)。
二、系統設計的理論依據
（一）設計的理論基礎
隨著(zhù)Internet技術(shù)的普及，遠程教育正經(jīng)歷由“遠”到“近”的轉變過(guò)程。雖然物理距離仍然存在，然而學(xué)生之間的實(shí)際學(xué)習“空間”更近了。網(wǎng)絡(luò )教學(xué)可以傳統教室里獲得更好的交互性，不僅如此，Internet和WWW的應用和推廣，還使得遠程教育從行為注意學(xué)習理論逐漸向建構注意學(xué)習理論轉變。由皮亞杰（J.Piaget）提出的建構主義（Constructivism）學(xué)習理論認為：知識不是通過(guò)教師傳授得到，而是學(xué)習者在一定的情境即社會(huì )文化背景下，借助他人的幫助，利用必要的學(xué)習資料，通過(guò)意義建構的方式而獲得。
通過(guò)Internet進(jìn)行遠程教學(xué)，在教學(xué)上不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，教師和學(xué)生可以在適合自己的時(shí)間、地點(diǎn)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(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互。因此，基于Internet的遠程教學(xué)更能為學(xué)習者提供一個(gè)建構主義的學(xué)習環(huán)境，充分體現學(xué)生的首創(chuàng )精神，學(xué)生有更多的機會(huì )在不同的情境下去運用他們所學(xué)的知識，而且學(xué)生能根據自身行動(dòng)的反饋信息來(lái)形成對客觀(guān)事物的認識和解決實(shí)際問(wèn)題的方案。
（二）系統的設計原則
系統的設計目標是在最大程度上滿(mǎn)足實(shí)時(shí)雙向交互式遠程教學(xué)活動(dòng)的需要，在Internet上實(shí)現教學(xué)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節。系統的基本設計原則有：交互性、開(kāi)放性、實(shí)用性、可擴展性、安全性等。
遠程教學(xué)的方式是多樣化的，信息的交流具有實(shí)時(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò )供學(xué)生隨時(shí)點(diǎn)播學(xué)習，這是遠程教學(xué)方式的異步性體現。遠程教學(xué)的重點(diǎn)在于教學(xué)活動(dòng)的實(shí)時(shí)互動(dòng)性上，而雙向實(shí)時(shí)交互式又是當前采用的先進(jìn)方式，如數字化的會(huì )議電視或視頻會(huì )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，可以讓參與到遠程教學(xué)的師生就像傳統的課堂上那樣進(jìn)行實(shí)時(shí)的互動(dòng)交流，這也比使用BBS、E－mail、留言板要便捷得多。
系統既要根據國內的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境適用不同的帶寬，同時(shí)也要適應國內信息化教育的總體水平。遠程教學(xué)系統在結合網(wǎng)絡(luò )教室中實(shí)用的、優(yōu)秀的功能基礎上，應增加大量易操作、實(shí)用的功能，如同步瀏覽課件、網(wǎng)頁(yè)功能等。系統既要考慮信息資源的充分共享，更應注意信息的保護和隔離，如系統安全機制、數據存取的權限控制等。
三、系統功能設計
要形成基于Internet實(shí)時(shí)雙向交互式遠程教學(xué)系統，學(xué)生和教師擁有一臺計算機便可以通過(guò)軟件進(jìn)行遠距離教學(xué)活動(dòng)，實(shí)現實(shí)時(shí)互動(dòng)。系統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(yè)課件等多媒體資源裝入課件列表，在上課時(shí)實(shí)現主控式的同步瀏覽。
2、課件同步。系統能將課件自動(dòng)壓縮上傳服務(wù)器，教師和學(xué)生可以同步以網(wǎng)頁(yè)的方式瀏覽。此外，系統也可以讓學(xué)生自動(dòng)下載課件到本地，教師與學(xué)生同步瀏覽時(shí)，直接打開(kāi)本地文件，不用訪(fǎng)問(wèn)，這樣可以提高課件訪(fǎng)問(wèn)速度，節省網(wǎng)絡(luò )帶寬。
3、錄制播放。教師和學(xué)生都能根據自己的需要進(jìn)行現場(chǎng)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
在這樣的系統中，學(xué)生可以進(jìn)行學(xué)習、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。本系統的用戶(hù)截面最多可以同時(shí)顯示八路視頻端，用戶(hù)可以根據自己的需要隨時(shí)對需要顯示的界面進(jìn)行切換；教師可以將授課內容及教學(xué)情景實(shí)時(shí)的傳送到網(wǎng)絡(luò )教室中去，或者也可以播放某個(gè)學(xué)生的視頻；在教師廣播自己視頻時(shí)，也可以監視某個(gè)學(xué)生的視頻。教師能把自己的聲音廣播出去，同時(shí)可以允許某個(gè)學(xué)生說(shuō)話(huà)，或者同時(shí)允許兩個(gè)學(xué)生廣播聲音；在系統沒(méi)有開(kāi)啟語(yǔ)音廣播時(shí)，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(shí)，系統會(huì )彈出一個(gè)對話(huà)框，提醒學(xué)生發(fā)言。
2、文字交互系統。在文字討論區，教師可以與全體學(xué)生，也可以與某個(gè)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(gè)人發(fā)送信息時(shí)，進(jìn)行一對一的交流，其他教師成員則看不到。文字交互系統中還有關(guān)于教師操作信息的系統提示和公告等，如教師允許某人發(fā)言，錄制課件等。另外，系統還有詞典過(guò)濾功能，可以過(guò)濾那些出現的不文明用語(yǔ)。
3、白板交互系統。教師和學(xué)生可以同時(shí)在白板上作圖、寫(xiě)字、編輯或粘貼現有的圖形和圖片等。教師可以對白板的使用權限進(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)行設置。本系統目前支持十頁(yè)白板，可根據需要加以擴充。
4、文件共享系統。本系統的文件共享系統是基于服務(wù)器的FTP服務(wù)器的基礎之上，各個(gè)用戶(hù)端連接上服務(wù)器時(shí)，教師批準了文件共享后，FTP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域內，供參加網(wǎng)絡(luò )教學(xué)的學(xué)生上傳或下載。
四、系統結構設計
本網(wǎng)絡(luò )課堂教學(xué)系統采用客戶(hù)機/服務(wù)器結構，使客戶(hù)端具有相當的穩定性和易操作性。實(shí)現工具采用Microsoft公司的Visual C++，Visual C++是一種非常完善和全面的程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它采用面向對象的程序設計方法，在多媒體圖形處理方面功能強大。Visual C++的核心是Microsoft基本類(lèi)庫（MFC），它一方面用類(lèi)封裝了Windows API，另一方面使用稱(chēng)為“消息映射”的機制把Windows消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖及其對象，MFC能成功的把面向對象和事件驅動(dòng)編程聯(lián)系起來(lái)。在對參與系統的用戶(hù)的用戶(hù)名及密碼信息的控制是通過(guò)與XML（Extensible Markup Language）文檔中的數據的交互來(lái)實(shí)現的。
遠程交互式教學(xué)系統主要由多媒體授課室、多媒體聽(tīng)課室、多點(diǎn)控制器、信道（傳輸網(wǎng)絡(luò )）及控制管理軟件組成，基本結構如圖1所示。教師在授課室通過(guò)電子白板、視音頻設備、傳輸網(wǎng)絡(luò )將授課內容及教學(xué)情景實(shí)時(shí)傳送到遠端聽(tīng)課室，同時(shí)學(xué)生可以在遠端聽(tīng)課室現場(chǎng)回答教師提出的問(wèn)題或向教師提出疑問(wèn)，教師在授課室可以看到和聽(tīng)到聽(tīng)課室的全貌，還可以看到發(fā)問(wèn)、回答問(wèn)題的學(xué)生的表情和動(dòng)作，并和學(xué)生進(jìn)行現場(chǎng)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(yǔ)教學(xué)。
授課室和聽(tīng)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，數字信號的壓縮編碼和解碼，最后將符合國際標準的壓縮碼流經(jīng)線(xiàn)路接口傳送到信道，或從信道上將標準壓縮碼流經(jīng)線(xiàn)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，計算機硬件設備基本上可以滿(mǎn)足系統的要求，在教師端，對計算機設備、視音頻采集設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備。
多點(diǎn)控制器（Multipoint Control Unit，MCU）是一種橋接設備，是網(wǎng)絡(luò )課堂教學(xué)系統中的關(guān)鍵部分，它的主要作用是對視頻、音頻、數據信號等數據流進(jìn)行切換。
五、系統界面設計及系統實(shí)現
系統的用戶(hù)界面設計直觀(guān)，具有良好的操作性，包括文字、圖標、圖形、色彩和其他視覺(jué)方面的設計。屏幕的界面設計考慮到學(xué)習者的視覺(jué)心理特點(diǎn)，突出整體，具有統一的界面風(fēng)格。同時(shí)注重了界面內容的交互性和可控制性，以及教學(xué)內容超級連接的有序性。界面區域工包括五大控制板塊：視頻顯示區、電子白板、課堂成員列表、文件共享區域、文字交互。用戶(hù)可以根據自己的需要對各板塊自由拖動(dòng)、改變大小，移動(dòng)板塊改變其在界面中的相對位置，選擇或隱藏板塊等。
遠程多媒體實(shí)時(shí)交互教學(xué)系統，通過(guò)壓縮教師教學(xué)現場(chǎng)的視頻、音頻流結合同步瀏覽課件命令，形成教學(xué)資源流，利用網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳送到遠端學(xué)生的電腦上，學(xué)生可以及時(shí)通過(guò)舉手提問(wèn)、共享教師端程序、文字交流等方式實(shí)現遠程互動(dòng)教學(xué)。本系統可運行在Internet、Intranet、衛星網(wǎng)、校園網(wǎng)、局域網(wǎng)，提供文字、音視頻、課件、電子白板、互動(dòng)廣播教學(xué)的平臺，并在虛擬現實(shí)中的教室打破時(shí)空限制，讓異地師生通過(guò)音視頻實(shí)時(shí)交互，如同置身于同一課堂之中。
六、結束語(yǔ)
隨著(zhù)Internet的普及和在教育領(lǐng)域中的應用，Internet將會(huì )在遠程教育中發(fā)揮巨大的作用�；贗nternet的遠程教育，實(shí)現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，這正是遠程教育發(fā)展的方向和追求的目標。當然遠程網(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(shí)現異地交互式教學(xué)是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，目前網(wǎng)絡(luò )安全也是制約Internet發(fā)展的一個(gè)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(wèn)題。
參考文獻：
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