為了提升教學質量,清華大學開設了“討論式教學課堂”,這種模式不僅是本班級的學生相互討論,還會與國內外院校的師生實現共同互動,因此就需要不定期的派學生去國內外的知名學校交流學習,或是這些知名院校的師生不定期的來清華大學進行交流學習。一期試點由清華大學北京校區與瑞典皇家理工學院、澳大利亞墨爾本大學實現跨境實時的多國家、多校區、多教室間的教學課堂交流。

雖然這種方式達到了最終交流學習的目的,但是這也使得整體的教學成本飛速增長,同時還消耗大量的時間和精力。為了節約成本,提高效率,并優化教學模式提升交互體驗。

1)   目前清華大學采用的是“遠程視頻會議系統”,雖然在一定程度上簡化了“面對面”的教學流程,但是基于傳統的視頻會議模式,還是不能很好地滿足教育、教學在功能要求上的需要;

2)  目前的系統只能將上課的畫面通過攝像機拍攝下來后傳輸到其他地方,而教師的電子白板內容、PPT內容卻無法外圍最大的球莊錄制且傳輸到其他地方,實現異地觀看;

3)   在異地的教室,無法看到遠程教室中每個學生的畫面以及他們各自所使用電腦屏幕的畫面;

4)   采用攝像機拍攝電子白板內容的方式,其實際的效果達不到預期的效果,希望使用其他的方式,將電子白板的畫面,傳送給遠在異地的多個教室;

5)  目前的應用模式達不到靈活的交互式教學目的,無法真正的實現清華大學與國內外其他不同區域、院校的遠程教學及互動;

6)  不能完整地實現課程內容的錄制以及點播等要求,也無法將正在進行或者已經錄制的課程,通過網絡系統,與其他的校區進行分享;

7)  在進行遠程異地互動教學的過程中,無論是播放PPT,還是播放視頻,無法實現教室燈光和攝像機拍攝的聯動,導致拍攝的畫面質相對比較差;

8)   無論是對于現場畫面的拍攝還是錄制,都需要支持1920x1080/50i的高清畫質;

解決方案

隨著現代信息化的飛速發展,與其花費昂貴的費用、消耗大量的時間精力去國外學習,不如建立一套“基于網絡的交互式云課堂”教學系統,這樣既滿足了與國內外知名院校的外圍最大的球莊交流學習,提升了教學質量,還大大降低了教學的成本。

本系統的建立不僅實現了身處不同區域的院校之間的互動,以及教室全局畫面、學生畫面、學生電腦畫面、電子白板畫面在異地學校課堂中的外圍最大的球莊顯示,而且還可以將這些畫面外圍最大的球莊錄制下來,發布在網絡上,供學生們點播、分享。

在所有的各個獨立的校區中,分別建立獨立的后臺服務系統,這些位于不同校區的系統,采用完全對等物理結構,它們的主要功能,包括如下的這四個部分:

數據采集

本系統所需要采集的信號,主要包括三大部分,即:

1)   教室信號。包括通過話筒所采集的公共音頻、通過攝像機所采集的公共視頻,以及來自電子白板的視頻;

2)   學生信號。在每個學生的電腦上面,通過攝像頭和話筒所拾取的視頻和音頻信號。除此以外,每個學生電腦上所顯示的畫面也包括在內,這些信號將和所拍攝的學生畫面以及所拾取的音頻一起,被打包外圍最大的球莊傳輸以及錄制;

3)   公共信號。來自衛星電視,以及其他媒體播放源的信號;

所有被采集的信號,都保存在每個校區自己獨立的數據存儲系統中。所有的這些信號都被“貼”上了唯一的“地理位置標簽”和“時間碼”,以確保在任何時候,都能非常方便地根據這些信息找到它們;

數據存儲

每個校區都建立自己獨立的數據存儲系統,所有采集來的數據都存放在本校區的存儲系統中。存儲系統中存放的數據,依據圖像質量的高低,分為了兩套,級“高質量(HD)”畫面數據和“低質量(LQ)”畫面數據。對于高質量的數據,用于存檔以及合成最終的成片;而對于低質量的數據,則用于在不同的校區之間進行實時傳輸和分享之用,這樣將極大地降低對網絡帶寬的要求。

除此以外,每個校區的存儲系統中,還存儲其他校區所傳輸過來的低質量畫面。這樣,當任何校區想重放一個完整的教學過程時,就不必通過網絡再從其他的校區調用有關的數據,使得系統的靈活性得到了極大的加強。

當然,任何一個校區也能得到其他校區的高質量數據,用于最終的成片合成,但是這需要在系統素材管理的權限控制下進行。另外,由于高質量素材的碼率相對比較大,因此對于高質量畫面數據文件的遷移操作,需要視網絡的繁忙程度,在相對空閑的時間進行,以盡量避免對正常的業務造成干擾和影響。

數據推送

在進行“云教學”的時候,幾個參與教學的校區,都有很多的數據需要通過網絡推送到其他的校區。為了最大限度地降低對網絡帶寬的消耗,系統設計規劃了“按需推送”的數據推送原則,即只發送其他校區有需要的數據,而對于其他校區暫時沒有需要的數據,則不發送。

對于任何校區而言,需要發送到其他校區的數據,可能同時會包含很多路視頻信號。為了保證這些發送的多路數據,在其他校區接收到了以后還能保持嚴格的外圍最大的球莊,系統在數據發送的時候,將這些數據進行了特殊的處理,利用其中精確的時間碼,來保證這些數據在接收端能夠非常方便地對齊,而不至于在不同的畫面之間出現“失步”的現象。

數據呈現

本系統的應用的一個主要方面,就是在當前的校區,能夠看看到其他校區的上課過程,并且還能互動。因此,在這個過程中,如何將其他校區所拾取的媒體數據,結合本校區所拾取的媒體數據,在時間軸上面對齊以后,以清晰、流暢、豐富并且直觀的方式呈現出來,是整個系統用戶體驗的關鍵。

1)   校區畫面顯示。通過在教室中部署一套“分布式集群超高清拼接顯示”系統,其顯示的最終清晰度,依據其拼接屏幕的數量而定,幾乎可以實現任意清晰度的顯示。

由于整塊大屏幕從邏輯上來看一體的,而且其清晰度非常高。在教室中使用的時候,就可以按照教學進度的具體需要,隨時變換屏幕的布局,以實現不同的應用需求。一方面是用于教學的電子白板,另一方面是用于顯示其他校區中的教室、學生以及電腦中的畫面。

另外,對于這些諸多畫面,在拼接顯示屏幕中能夠縮略成小畫面顯示并外圍最大的球莊播放,老師手中的平板電腦作為拼接顯示屏幕的“控制端”也將外圍最大的球莊顯示這些內容。當老師需要將某個畫面與大家分享時,可以“點擊”某個畫面,并將這個畫面放大顯示,或填充滿整個屏幕,從而實現與同學們之間的共同分享。

2)   學生畫面分享。使用學生電腦上所具備的視頻拍攝以及音頻拾取功能,在上課開始時,攝像頭將自動開啟并拍攝,同時學生電腦中所顯示的畫面,也被外圍最大的球莊地采集起來。

在操作權限的控制下,任何一個校區的老師,都可以隨意調取任何一個學生的畫面,并且將這些畫面展示在本校區,或者其他校區同學的面前。

同時,系統也允許跨校區的不同同學之間,通過本系統進行視頻、音頻以及電腦畫面的分享,從而實現任意數量的分組操作。不僅如此,在對方允許的情況下,任意一個學生可以通過自己的電腦,控制對方電腦的操作,并且將自己的屏幕分享對對方。

3)   白板內容標注。對于異地的教學課堂,在學生的電腦中還可以實時地觀看到電子白板內容,并且學生還可以在各自的電腦中對電子白板的內容進行標注,同時對于標注的內容,系統后臺還可以外圍最大的球莊的錄制下來,并與大家共同分享。

與傳統的電子白板不同,由于本系統所實現的電子白板是在超高清拼接屏幕上,通過“虛擬區域”的技術手段來實現的。因此,可以在屏幕上同時打開多個白板,其中一塊是自己的,而另外的幾塊是其他校區的。通過這種應用,不同校區的教師,除了可以在自己的白板上進行書寫以外,還能在其他老師的白板上也同樣進行書寫,從而在不同的校區之間實現白板應用的共享。

4)   電腦畫面分享。老師可以提出問題,并且指定某位學生作答,或是針對某位同學在電腦中所標注內容,將指定的畫面內容與其他同學進行分享。

此外,老師也可以對某位學生的標注進行點評,學生還可以自發組織小組討論,小組討論時也同樣需要有視頻和PPT傳輸。電腦畫面的分享,使得任意兩個同學以及多個同學之間的交流,變得快捷方便起來,而不會受阻于地理距離的限制。這個操作也是本系統設計規劃所要實現的一個重要目標之一。

5)   課程內容點播。對于錄制的這些所有畫面、無論是本地的還是其他院校的內容,都將在后臺保存起來,并且這些畫面可以分享到網絡上,同學們只需通過輸入相應的網址,以及賬戶、密碼即可對這些內容進行點播。

除了對于課程內容的點播以外,每一位登錄的用戶,都可以在播放課程的同時,對課程進行實時評論,并且這些評論也會和所對應的課程保存在一起,在其他的同學點播相同內容的時候實時呈現,從而建立起了一個有關課程錄制、發布、分享、點播以及評論的虛擬學習社區。

上述的這四個部分,是基于“云概念”的交互式遠程學習系統的核心所在。這些操作功能的實現,都是建立網絡傳輸基礎上的,而整個系統最終的表現,還依賴于整個網絡的性能。

系統建設完成后,實現了清華大學北京校區與瑞典皇家理工學院、澳大利亞墨爾本大學實現跨境實時的多國家、多校區、多教室間的教學課堂交流。達到了“不在一起上課,勝似一起上課”建設初衷,在國際間的互動教學領域拓展了創新高效的應用方式,并受到國內國外參與院校及師生的高度肯定與贊譽。

除了課堂交互體驗之外,對于課上內容的實時記錄、管理、課后點播、資源的再利用等環節也非常重要。因此,我們同時規劃了一套完整互補的教學資源管理平臺。

資源管理平臺

?  課程內容錄制

授課教師只需要提前提交錄制課程申請,便可以輕松完成錄制視音頻內容,實現全程多畫面的高質量錄制。在提交申請的同時,教師還可以錄入與錄制課程相關的信息,如教學目標、教學難點等相關信息,使教育資源更加優化,具有針對性。

?  課程錄制審批

教師申請課程錄制經審批通過后,審批結果會自動記錄進系統的數據庫,系統會根據課程的安排,控制啟停進程。系統同時支持人工干預控制。

?  資源管理

該系統能夠對人員等進行管理,通過賬號設置,可以為不同的使用和管理人員設置不同的權限,為系統管理和安全提供了保障。此外,還可以進行相關資源的設置。

?  課程資源統一存儲、管理

錄制完成的教育資源由智能存儲系統進行統一的存儲和管理,相關操作人員可以檢索課程,以及設置課程公開性、是否可以評價、評分等相關設置。

?  網絡直播課堂教學現場

系統提供了教學現場內容的直播,可以輕松點擊觀看多媒體課件,教室講課實況、現場實況等多個角度的教學現場,還能夠看到關于教師、課程等的有關介紹。在觀看直播的同時還可以根據需要做出相關的評價,增加教師之間互動,有利與教師之間的互相學習和教學水平的提高。

?  課后點播精彩課堂內容

錄制的課堂視頻可以通過網絡點播進行觀看,教師在課后通過點播課堂視頻可以進行自我觀摩、提升教學質量;學生點播觀看可以將再次進行學習;甚至家長通過點播也可以更多地了解學生學習情況。




2016年12月12日

外圍最大的球莊中標翠微中學交互式綜合信息發布項目
清華大學交互式云課堂教學系統

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