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方案文章
     
 
一、系统介绍

  远程多媒体交互教学系统,通过压缩教师教学现场的视频、音频流结合同步浏览课件命令,形成教学资源流,利用网络实时传送到远端学生的电脑上,学生可以及时通过举手提问、共享教师端程序、文字交流等方式实现远程互动教学。ActiveClass 可运行在Internet、Intranet、卫星网、校园网、局域网,提供文字、音视频、课件、电子白板、互动广播教学的平台。ActiveClass虚拟现实中的教室打破时空限制,让异地师生通过音视频实时交互,如同置身于同一课堂之中。

       远程多媒体教学系统工程方案适用于多种网络环境,Internet、Intranet、校园网、局域网、以及卫星网和微波网。系统可应用在企业、事业单位、军队等处的远程实时互动式教学培训;系统可应校用在远程大学的异地实时授课,语音文字答疑;应用在校校通环境下,不出校门即可观摩其它学的现场公开课等;应用在校园网、多媒体网络教室,可实现目前流行的多媒体网络教室的全部功能;

二、用户需求分析

1. 能实现主播室与远端教室进行实时双向交互(含音频、视频、文字等)动实时情景教学系统音视频交互系统和BBS文字交互系统
a) 在视频方面,教师能够把自己的视频广播到教室中,或者广播某个学生端的视频;在教师广播自己视频时,也可以监视某个学生的视频。
b) 在音频方面,教师能把自己的声音广播出去,同时可以允许某个学生说话,或者同时允许两个学生广播声音;在系统没有语音广播时,教师、学生之间可以私聊,可以一对一,也 可以一对多。
c) 在文字交互方面,教师和学生可以用文字交互系统交流,允许对全体人员或对某个用户交流。另外,还有消息系统,也可进行文字交流。
 

 2. 能把主播室计算机屏幕操作、电子白板信息及时传到远端。
实时情景教学系统中,采用屏幕广播能把教师的计算机屏幕广播出去,一般情况下,屏幕广播要求带宽为300Kbps。在主播教室,学生可以在教师授权下,一起在白板上写字、画图或粘贴等,并可以传给其他学生。

3. 要求系统传输质量较好,图象连续,与声音同步,时延较小。
实时情景教学系统的视频传输,质量稳定,在匹配的带宽条件下,视频图象连续,声音与视频完全同步,网络延迟不到1秒。比如,要传输相当与VCD质量的图象,我们建议使用512Kbps的带宽。

4. 教学点可用音频或文字的方式提问。
在前面已经提到,主播室能与各教学点音视频、文字交互,教学点完全可以通过举手,在老师许可的情况用语音提出问题。或者直接通过BBS或消息发送来提问。教师端有学生举手状态的显示框,教师可以选择举手的学生,并允许发言。学生在被允许发言时,系统会弹出一对话框,提醒学生发言。

5. 支持多种网络传输方式。
网动实时情景教学系统能够支持局域网、互联网、VPN虚拟专用网、卫星网等。鉴于本标书情况,我们认为还是先用互联网系统,在需要时再升级到卫星系统。

6. 要求能远程辅导计算机程序操作
网动教学系统中,教师可以把自己机器上的应用程序共享给某个学生,并把操作过程广播所有同学。教师也可以遥控学生的机器,共同操作学生的程序。

7. 有严格的权限管理功能
我们的教学系统中,可以对教师、学生上课的权限进行控制,通过管理者程序来设定用户登陆的名字、密码和教室的权限。另外,在学生上课过程中,还可以临时处理不遵守课堂纪律的学生,把学生踢出教室,并可设定若干分钟后才能登陆。

8. 要求能实时录制课件。
在使用网动实时情景教学系统时,在按下主控模式按钮后,教师的上课一切操作都被录制下来,形成一个可流式点播的课件。再次播放该课件时,以前的上课过程将被还原出来。另外,学生在教师的允许下也能录制课件,课件可以通过系统自带的播放器进行播放(播放器是免费的)


 

三、系统设计原则及特点

1、系统设计原则
我们认为一套远程教育系统,它应该解决以下几方面的问题:
●先进性、方便性
通过互联网进行远程教育的关键问题,就是如何向教师和学习者之间的充分沟通和交互提供先进的、方便的远程教学支撑平台。所有的沟通和交互都是需要一些专用的工具来支持,这些工具主要有:BBS系统、邮件系统、电子白板、视频会议系统、举手提问机制、作业机制、网络考试等。教师在交互式教学过程中,往往需要在不同的交互系统之间,进行频繁的切换,这就要求远程教学平台提供全面的、统一工具支持,而不需要在各种工具切换上花费精力。

●多功能、实用性
我们在设计远程教学系统时,考虑到远程教学不仅要突破教室的时空间概念,而且远程教学系统作为基于互联网的一种新的教学方式,它不能完全沿袭传统的教学方式,必须是以学习者为中心,教师从知识的传授者和教学的组织者转变为学习的帮助者和引导者的主控式教学方式。因此,通过该套远程教学系统,既要支持实时交互教学方式,也要支持非实时的课件教学方式;既要提供传统的现场情景教学支撑环境,也要提供一个学习者主动的、探索式学习的场所。
在设计远程教学系统中,我们考虑到系统的实用性,既要根据国内的网络环境适应不同的带宽,同时也要适应国内信息化教育的总体水平。目前国内网络教室使用较多,网动远程教学系统在结合网络教室中实用的、优秀的功能基础上,增加了大量易操作、实用的功能,如系统中增加的同步浏览课件、网页功能,录制和播放广播功能,课堂评价功能(含课堂测试),文件发送功能和程序共享功能。

●开放性、可扩展性
远程教学所涉及的行业范围大,教学的资料来源广泛,所需辅助的教学工具很多,这就要求远程教学系统能解决各种常用的教学资源和教学程序之间的兼容问题。本系统支持所有能在Windows环境下运行的辅助教学程序,能够支持所有能形成IE浏览的各种文件。
由于网络技术发展非常快,要求系统通过自身的升级来保证先进性外,对于横向和纵向的可扩展性也非常重要。在横向方面,系统支持ITU-H.323/H.320国际标准,可同时支持多种网络接入(卫星、LAN、WAN等),支持ISDN、DDN、ADSL等多种传输方式,并在系统容量方面可支持服务器集群和二级分发服务器。在纵向方面,随着网络技术的发展,系统留有一些接口,可同其他标准系统或产品相结合。

●易用性
系统采用C-S结构,各客户端平等、并联接入系统,系统借用了网络教室的成功经验,若老师使用过网络教室,则无须培训可直接使用,初次使用的用户,也能在半个小时内学会全部使用方法。系统中界面人性化,功能按钮符合人们平常习惯。
在系统维护方面,无须专业人员维护,一般能在Windows下操作计算机者,懂得WIN2000的组件安装和连接上网即可。

●安全性
网动远程教育系统既考虑信息资源的充分共享,更要注意信息的保护和隔离,因此系统应分别针对不同的应用和不同的网络通信环境,采取不同的措施,包括系统安全机制、数据存取的权限控制和支持专用网等。

2、系统功能特点
我们把远程教学系统中的主体部分定义为实时交互的情景教学系统
实时交互的情景教学系统是一整套提供实时的远程教学服务的系统软件,它采用音视频交互系统、文件共享交互系统、电子白板、BBS系统等多种系统的整合,为教师与学生提供了方便、适用交流工具。它是学校的教室课堂在互联网上的延伸,突破了教室空间的概念,它把教师和学生紧密联结在一起。实时交互的情景教学系统不仅是先进的计算机科学和技术体现,更重要的是能够为远程教育提供一个符合信息化教育规律,真正高效的现代化教学手段。

该系统特点是
(1)通过各种现代远程教育教学的交互手段,保证现代远程教育得以方便、顺利实施。
(2)为各远程教育机构,提供切实可行的远程教育操作平台,解决远程教育过程中可能遇到的实际工程上的问题。
(3)通过学生状态记录系统、网络测试、作业机制等系统,系统地记录学生学习的过程、态度、积极性和平时测试成绩,为远程教育提供一个适应素质教育的公正的学习评价系统。
(4)采用统一、完整的界面,教师和学生都在同一个登录界面下以不同的身份登录,,教师能够教师界面下完成其教学所需的一切操作,学生也能够通过学生界面完成学习所需的一切联结。
(5)通过先进的课件流多路广播技术,最大限度地利用教师的劳动成果,让更多的学生参加教师的教学活动。
(6)通过提供最能体现网络特色的主控式的教学模式,改变传统教学中强迫式教学方式,增强学生在学习过程中的主动性。
(7)支持多教室、多科目的同时教学。
(8)能实现powerpoint分页同步浏览,其他能形成IE浏览的
(9)有较严格的系统权限管理和认证管理。
实时交互的情景教学系统是由服务器、客户端(包含教师端和学生端)组成,根据远程教育实际工程的需要,我们还设计了服务器集群和二级服务器来增加允许同时在线人数。该系统架构于互联网或卫星的网络传输平台上,有较强的适应性,能够在40K以上的不同带宽环境下运行。其系统结构图如下:


                                  实时交互的情景教学系统拓扑图


3、系统的性能特点
●采用先进的MPEG4实时软件压缩视频算法,允许视频从25kbps到1Mbps的质量,512k即可达全屏25帧MPEG-I的播放质量。
●支持G723.1, G721, G723等音频压缩算法,允许6.4kbps到40kbps的语音质量,可达到原声音质
l 512kbps以上带宽即可实现基本实现视频、音频、电子白板、屏幕的零延迟传输
●在56kModem上可达到电话级音质、实时小窗口视频,电子白板,网络课件的同步
●单服务器:支持25个教室、500人同时在线 

四、系统实现功能

 1、课件教学功能
a) 课件列表:教师可将上课所需的图片、各种office文档、网页课件等多媒体资源装入课件列表,在上课时实现主控式的同步浏览。
b) 课件同步:系统能将课件自动压缩上传服务器,教师和学生可以同步以网页的方式浏览。另外,系统也可以让学生自动下载课件到本地,教师与学生同步浏览时,直接打开本地文件,不用访问服务器,可以提高课件访问速度,节省网络带宽。
c) 录制播放功能:教师和学生都能根据自己的需要进行现场课程的录制,教师端还支持已录制的课件再次广播。教师可以允许或禁止学生录制课件。
d) 课件点播:教师能将制作好的课件、视频,远程上传到服务器,供学生自主学习时点播,具体点播权限由点播系统管理员来控制。

2、交互教学功能
e) 音视频交互系统:
教师能够把自己的视频广播到教室中,或者广播某个学生端的视频;在教师广播自己视频时,也可以监视某个学生的视频。
教师能把自己的声音广播出去,同时可以允许某个学生说话,或者同时允许两个学生广播声音;在系统没有语音广播时,教师、学生之间可以私聊,可以一对一,也可以一对多。
教师端有学生举手状态的显示框,教师可以选择举手的学生,并允许发言。学生在被允许发言时,系统会弹出一对话框,提醒学生发言。(语音教学、师生对讲)
f) 文字交互系统:在文字讨论区,教师、学生可以与全体人员或某个人进行文字交谈,当选择对一个人发送信息时,其他教室成员则看不到。文字交互系统中还有关于老师操作信息的系统提示和教室公告,如教师允许某人发言、教师允许某人录制课件等。另外,系统还有词典过滤功能,可以过滤那些经常出现的不文明的词汇。
g) 白板交互系统:教师和学生可以同时在白板上画图、写字、粘贴图片、粘贴编辑好的图形等,并且所有的人都能看到;教师可以对白板使用权限进行控制,可以允许或禁止其他人使用白板。
h) 消息系统:消息发送、一对一的交流,提供消息收发的管理机制
i) 学生示范:上课模式下,主持人允许他人进行视频、音频等进行广播,允许电子举手。
j) 程序共享:教师能够将一些教学辅助程序的操作权开放,让学生和教师共同操作一个程序,有利于逐步辅导学生进行某项操作,并把该过程转播给其他学生。(教学示范、转播教学)

3、辅助教学功能
k) 屏幕广播:能把教师的计算机屏幕广播到学生端,在屏幕广播时,还可以使用电子教鞭进行电子标注。(广播教学)
l) 文件发送:可以通过多播发送一些文档资料。(文件传输)
m) 课堂测验:可进行现场学习效果测试,对于客观题有自动判卷机制。(相当于电子抢答,系统会显示学生抢答的时间,结果)
n) 网络影院:在带宽的允许下,师生可同步欣赏教师机播放的影片;(建议在互联网上不使用)
o) 远程控制:教师能够遥控辅导学生、锁定学生机器,执行远程命令等。

4、管理功能
p) 教室频道管理:通过系统管理员,可以设定或修改教室频道。
q) 用户管理:对师生的帐号、密码进行权限管理和分组管理
r) 选择教室:支持多个教室同时上课,具有多教室、帐号等管理功能
s) 座位列表:具有学生签到功能,教师能一目了然的查看学生登录情况。
t) 学生状态监视:对学生的系统状态监视、对学生的视频、屏幕监视,可对学生上课的举手、发言、上课实到时间进行记录。
u) 系统设置:教师端可以根据网络环境情况,选择相应的视频压缩格式,从而调整教学系统所需的带宽。
5、扩展功能
v) 点播功能:支持用本系统录制的课件流媒体点播,同时也支持下载。自适应带宽,确保当前点播者的数据流畅良好的可扩展性,支持多网卡与及多服务器集群工作;
w) 专业视频会议系统:能够远程开展视频会议,能在一屏幕上同时观看5~8路视频(可选模块)
x) 异步远程学习平台:WEB结构的教学平台,主要功能模块有:课程管理、作业发布、答疑社区、评价系统等;(可选模块)
y) 远程资源管理平台: 可以对课件资源进行管理、允许老师建立自己的收藏夹。(可选模块)

五.典型应用

1.互联网方案
某大学,需要在互联网上建设一套100用户的远程交互教学系统,它的网络拓扑如下图所示,系统服务器托管在电信数据中心,通过100M共享对外连接(根据具体情况考虑双机热备份,再原有的基础上增加一台服务器托管,增加该功能需要另外增加5万元的费用)。助教机和教师机通过DDN专线或ADSL与服务器连接,建议教师机和助教机连接的带宽为512K。学生机通过ADSL或电话拨号连接到服务器,如果用户在某一局域网内较为集中,则可增加转发服务器,让这些用户共享一路带宽,降低用户使用成本和服务器的压力。


3、系统安装
在中心服务器上,安装网动实时情景教学系统的SERVER端,该服务器对外必须有一个固定的IP地址,客户端通过各种上网方式用该IP地址连接服务器 。

 
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