多媒體教學系統設計與實現探析

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摘要：為了給多媒體教學提供良好的網絡環境，提升教學效果，提高學生積極性，根據傳統教學與多媒體教學的不同，整合教學資源，設計、開發了基于網絡的多媒體教學系統。此系統由視顯文件配置、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，提升教師授課內容的豐富性與教學效果。

關鍵詞：多媒體教學系統；多媒體數據庫；傳統教學；多媒體教室

0引言

傳統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[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地引入教學過程中，充分利用現有的計算機、網絡、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、數據、視頻的壓縮編碼技術以及網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、音頻及數據信息，實現多媒體教學[3]。教師可通過多媒體教室進行課堂相關的管理[4]。本文設計并實現了基于網絡的多媒體教學系統，系統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系統架構

本系統基于C/S體系結構，利用MySQL數據庫存儲數據，使用C++開發環境，生成音視頻編解碼庫以實現流媒體數據發送與接收。多媒體教學系統由智能電子黑板、智能電視、智顯教學終端、智慧講臺系統、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智能驅動技術，內嵌系統教學軟件，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，增強教師授課內容的豐富性，提升教學效果。⑷智慧講臺系統實現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、錄制文件點播及數據庫訪問，此功能設計彌補傳統教學的不足，實現教師導入課件、學生查詢瀏覽課件及歷史授課視頻的檢索觀看。網絡互連設備用來提供不同網絡通信時的互連及互通，廣域網連接線路采用點對點、交換式，需選擇合適的廣域網線路。智能電子黑板、智能電視、智顯教學終端、智慧講臺系統、學生交互終端及資源管理服務器皆通過網絡交換機相連。

2系統模塊設計與實現

系統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、學生交互終端及資源管理服務器中生成相應的程序并發布至設備以實現多媒體教學系統的運作。

2.1視顯文件配置

音視頻數據的采集通過連接攝像機使用特定協議通信實現，教室流媒體數據源較多，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。配置文件根節點為顯示框，視頻流或音頻流地址屬于子節點配置，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，播放音量及狀態添加至音頻流節點。視頻位置與寬高在配置文件中設定，音頻播放音量及狀態參數等在程序中設置。讀取配置文件參數，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，發送直播音視頻數據。直播錄制服務功能實現教師授課直播流發送與接收，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據，發送至資源管理服務器直播模塊。數據庫維護直播表與課堂表數據，直播表字段包括直播名稱、直播類型、開始時間、結束時間、狀態等，課堂表字段包括課堂名稱、課堂介紹、主講教師、學生數等。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據。

2.3用戶管理

用戶管理模塊實現教師、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，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，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。系統管理員負責維護系統參數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，可調節設備音量。

2.5授課管理

教師成功登入智慧講臺系統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直播流數據，發送至各終端解碼顯示，可錄制授課視頻存儲至數據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，標注內容可隨時利用電子橡皮擦除，或隨時存儲至數據庫及打印。此外可實現屏幕內容放大、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、智能導播子系統及手動導播子系統。使用定位攝像機對教師進行定位，將數據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，而是在整個教師活動的范圍內，無論教師在活動范圍內做任何動作都能智能跟蹤，始終保持教師在圖像中的位置，不出現半邊身的狀況。導播策略涵蓋以下三種情況：教師在講臺區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系統關鍵技術

系統中授課視頻直播、錄制和點播采用流媒體技術實現，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，在指定時間段內同等直播服務器并發數情況下標清傳輸的流量小于高清分辨率，應盡可能選擇最大帶寬及較高分辨率。實時流協議（RTSP）是一種應用級網絡通信協議，通過直接與流式傳輸數據的服務器通信，將實時數據從多媒體服務器傳輸至終端，該協議通過充當時間同步音視頻媒體流的網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送RTSP連接數據以確定可用選項，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送媒體描述數據，服務器以媒體描述作為響應。客戶端發送設置命令，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的功能設計與實現技術，基于網絡的多媒體教學系統的建成，促進不同于傳統教學方式的多媒體教學系統改革，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，提升教師授課內容的豐富性與教學效果。

參考文獻:

[1]姜燕,王曉.基于多媒體技術的三維教學系統設計與實現[J].電子設計工程,2013(11):56-58

[2]張曉明.高校網絡與多媒體教學系統初探[J].吉林工程技術師范學院學報,2008(11):73-75

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

[4]楊楠.網絡多媒體教學系統平臺的設計與實踐[J].中國科技信息,2009(3):225-227.

作者:董華軍 單位:江蘇卓越計算機系統有限公司