多媒體互動教學系統

一、系統介紹

遠程多媒體交互教學系統，通過壓縮教師教學現場的視頻、音頻流結合同步瀏覽課件命令，形成教學資源流，利用網絡實時傳送到遠端學生的電腦上，學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遠程互動教學。ActiveClass 可運行在Internet、Intranet、衛星網、校園網、局域網，提供文字、音視頻、課件、電子白板、互動廣播教學的平臺。ActiveClass虛擬現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。

       遠程多媒體教學系統工程方案適用于多種網絡環境，Internet、Intranet、校園網、局域網、以及衛星網和微波網。系統可應用在企業、事業單位、軍隊等處的遠程實時互動式教學培訓；系統可應校用在遠程大學的異地實時授課，語音文字答疑；應用在校校通環境下，不出校門即可觀摩其它學的現場公開課等；應用在校園網、多媒體網絡教室，可實現目前流行的多媒體網絡教室的全部功能；

二、用戶需求分析

1． 能實現主播室與遠端教室進行實時雙向交互（含音頻、視頻、文字等）動實時情景教學系統音視頻交互系統和BBS文字交互系統
a) 在視頻方面，教師能夠把自己的視頻廣播到教室中，或者廣播某個學生端的視頻；在教師廣播自己視頻時，也可以監視某個學生的視頻。
b) 在音頻方面，教師能把自己的聲音廣播出去，同時可以允許某個學生說話，或者同時允許兩個學生廣播聲音；在系統沒有語音廣播時，教師、學生之間可以私聊，可以一對一，也 可以一對多。
c) 在文字交互方面，教師和學生可以用文字交互系統交流，允許對全體人員或對某個用戶交流。另外，還有消息系統，也可進行文字交流。
 

 2． 能把主播室計算機屏幕操作、電子白板信息及時傳到遠端。
實時情景教學系統中，采用屏幕廣播能把教師的計算機屏幕廣播出去，一般情況下，屏幕廣播要求帶寬為300Kbps。在主播教室，學生可以在教師授權下，一起在白板上寫字、畫圖或粘貼等，并可以傳給其他學生。

3． 要求系統傳輸質量較好，圖象連續，與聲音同步，時延較小。
實時情景教學系統的視頻傳輸，質量穩定，在匹配的帶寬條件下，視頻圖象連續，聲音與視頻完全同步，網絡延遲不到1秒。比如，要傳輸相當與VCD質量的圖象，我們建議使用512Kbps的帶寬。

4． 教學點可用音頻或文字的方式提問。
在前面已經提到，主播室能與各教學點音視頻、文字交互，教學點完全可以通過舉手，在老師許可的情況用語音提出問題。或者直接通過BBS或消息發送來提問。教師端有學生舉手狀態的顯示框，教師可以選擇舉手的學生，并允許發言。學生在被允許發言時，系統會彈出一對話框，提醒學生發言。

5． 支持多種網絡傳輸方式。
網動實時情景教學系統能夠支持局域網、互聯網、VPN虛擬專用網、衛星網等。鑒于本標書情況，我們認為還是先用互聯網系統，在需要時再升級到衛星系統。

6． 要求能遠程輔導計算機程序操作
網動教學系統中，教師可以把自己機器上的應用程序共享給某個學生，并把操作過程廣播所有同學。教師也可以遙控學生的機器，共同操作學生的程序。

7． 有嚴格的權限管理功能
我們的教學系統中，可以對教師、學生上課的權限進行控制，通過管理者程序來設定用戶登陸的名字、密碼和教室的權限。另外，在學生上課過程中，還可以臨時處理不遵守課堂紀律的學生，把學生踢出教室，并可設定若干分鐘后才能登陸。

8． 要求能實時錄制課件。
在使用網動實時情景教學系統時，在按下主控模式按鈕后，教師的上課一切操作都被錄制下來，形成一個可流式點播的課件。再次播放該課件時，以前的上課過程將被還原出來。另外，學生在教師的允許下也能錄制課件，課件可以通過系統自帶的播放器進行播放（播放器是免費的）

三、系統設計原則及特點

1、系統設計原則
我們認為一套遠程教育系統，它應該解決以下幾方面的問題：
●先進性、方便性
通過互聯網進行遠程教育的關鍵問題，就是如何向教師和學習者之間的充分溝通和交互提供先進的、方便的遠程教學支撐平臺。所有的溝通和交互都是需要一些專用的工具來支持，這些工具主要有：BBS系統、郵件系統、電子白板、視頻會議系統、舉手提問機制、作業機制、網絡考試等。教師在交互式教學過程中，往往需要在不同的交互系統之間，進行頻繁的切換，這就要求遠程教學平臺提供全面的、統一工具支持，而不需要在各種工具切換上花費精力。

●多功能、實用性
我們在設計遠程教學系統時，考慮到遠程教學不僅要突破教室的時空間概念，而且遠程教學系統作為基于互聯網的一種新的教學方式，它不能完全沿襲傳統的教學方式，必須是以學習者為中心，教師從知識的傳授者和教學的組織者轉變為學習的幫助者和引導者的主控式教學方式。因此，通過該套遠程教學系統，既要支持實時交互教學方式，也要支持非實時的課件教學方式；既要提供傳統的現場情景教學支撐環境，也要提供一個學習者主動的、探索式學習的場所。
在設計遠程教學系統中，我們考慮到系統的實用性，既要根據國內的網絡環境適應不同的帶寬，同時也要適應國內信息化教育的總體水平。目前國內網絡教室使用較多，網動遠程教學系統在結合網絡教室中實用的、優秀的功能基礎上，增加了大量易操作、實用的功能，如系統中增加的同步瀏覽課件、網頁功能，錄制和播放廣播功能，課堂評價功能（含課堂測試），文件發送功能和程序共享功能。

●開放性、可擴展性
遠程教學所涉及的行業范圍大，教學的資料來源廣泛，所需輔助的教學工具很多，這就要求遠程教學系統能解決各種常用的教學資源和教學程序之間的兼容問題。本系統支持所有能在Windows環境下運行的輔助教學程序，能夠支持所有能形成IE瀏覽的各種文件。
由于網絡技術發展非�？欤�要求系統通過自身的升級來保證先進性外，對于橫向和縱向的可擴展性也非常重要。在橫向方面，系統支持ITU-H.323/H.320國際標準，可同時支持多種網絡接入（衛星、LAN、WAN等），支持ISDN、DDN、ADSL等多種傳輸方式，并在系統容量方面可支持服務器集群和二級分發服務器。在縱向方面，隨著網絡技術的發展，系統留有一些接口，可同其他標準系統或產品相結合。

●易用性
系統采用C-S結構，各客戶端平等、并聯接入系統，系統借用了網絡教室的成功經驗，若老師使用過網絡教室，則無須培訓可直接使用，初次使用的用戶，也能在半個小時內學會全部使用方法。系統中界面人性化，功能按鈕符合人們平常習慣。
在系統維護方面，無須專業人員維護，一般能在Windows下操作計算機者，懂得WIN2000的組件安裝和連接上網即可。

●安全性
網動遠程教育系統既考慮信息資源的充分共享，更要注意信息的保護和隔離，因此系統應分別針對不同的應用和不同的網絡通信環境，采取不同的措施，包括系統安全機制、數據存取的權限控制和支持專用網等。

2、系統功能特點
我們把遠程教學系統中的主體部分定義為實時交互的情景教學系統
實時交互的情景教學系統是一整套提供實時的遠程教學服務的系統軟件，它采用音視頻交互系統、文件共享交互系統、電子白板、BBS系統等多種系統的整合，為教師與學生提供了方便、適用交流工具。它是學校的教室課堂在互聯網上的延伸，突破了教室空間的概念，它把教師和學生緊密聯結在一起。實時交互的情景教學系統不僅是先進的計算機科學和技術體現，更重要的是能夠為遠程教育提供一個符合信息化教育規律，真正高效的現代化教學手段。

該系統特點是
（1）通過各種現代遠程教育教學的交互手段，保證現代遠程教育得以方便、順利實施。
（2）為各遠程教育機構，提供切實可行的遠程教育操作平臺，解決遠程教育過程中可能遇到的實際工程上的問題。
（3）通過學生狀態記錄系統、網絡測試、作業機制等系統，系統地記錄學生學習的過程、態度、積極性和平時測試成績，為遠程教育提供一個適應素質教育的公正的學習評價系統。
（4）采用統一、完整的界面，教師和學生都在同一個登錄界面下以不同的身份登錄，，教師能夠教師界面下完成其教學所需的一切操作，學生也能夠通過學生界面完成學習所需的一切聯結。
（5）通過先進的課件流多路廣播技術，最大限度地利用教師的勞動成果，讓更多的學生參加教師的教學活動。
（6）通過提供最能體現網絡特色的主控式的教學模式，改變傳統教學中強迫式教學方式，增強學生在學習過程中的主動性。
（7）支持多教室、多科目的同時教學。
（8）能實現powerpoint分頁同步瀏覽，其他能形成IE瀏覽的
（9）有較嚴格的系統權限管理和認證管理。
實時交互的情景教學系統是由服務器、客戶端（包含教師端和學生端）組成，根據遠程教育實際工程的需要，我們還設計了服務器集群和二級服務器來增加允許同時在線人數。該系統架構于互聯網或衛星的網絡傳輸平臺上，有較強的適應性，能夠在40K以上的不同帶寬環境下運行。其系統結構圖如下：

                                  實時交互的情景教學系統拓撲圖

3、系統的性能特點
●采用先進的MPEG4實時軟件壓縮視頻算法，允許視頻從25kbps到1Mbps的質量，512k即可達全屏25幀MPEG-I的播放質量。
●支持G723.1, G721, G723等音頻壓縮算法，允許6.4kbps到40kbps的語音質量，可達到原聲音質
l 512kbps以上帶寬即可實現基本實現視頻、音頻、電子白板、屏幕的零延遲傳輸
●在56kModem上可達到電話級音質、實時小窗口視頻，電子白板，網絡課件的同步
●單服務器：支持25個教室、500人同時在線 

四、系統實現功能

 1、課件教學功能
a) 課件列表：教師可將上課所需的圖片、各種office文檔、網頁課件等多媒體資源裝入課件列表，在上課時實現主控式的同步瀏覽。
b) 課件同步：系統能將課件自動壓縮上傳服務器，教師和學生可以同步以網頁的方式瀏覽。另外，系統也可以讓學生自動下載課件到本地，教師與學生同步瀏覽時，直接打開本地文件，不用訪問服務器，可以提高課件訪問速度，節省網絡帶寬。
c) 錄制播放功能：教師和學生都能根據自己的需要進行現場課程的錄制，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生錄制課件。
d) 課件點播：教師能將制作好的課件、視頻，遠程上傳到服務器，供學生自主學習時點播，具體點播權限由點播系統管理員來控制。

2、交互教學功能
e) 音視頻交互系統：
教師能夠把自己的視頻廣播到教室中，或者廣播某個學生端的視頻；在教師廣播自己視頻時，也可以監視某個學生的視頻。
教師能把自己的聲音廣播出去，同時可以允許某個學生說話，或者同時允許兩個學生廣播聲音；在系統沒有語音廣播時，教師、學生之間可以私聊，可以一對一，也可以一對多。
教師端有學生舉手狀態的顯示框，教師可以選擇舉手的學生，并允許發言。學生在被允許發言時，系統會彈出一對話框，提醒學生發言。（語音教學、師生對講）
f) 文字交互系統：在文字討論區，教師、學生可以與全體人員或某個人進行文字交談，當選擇對一個人發送信息時，其他教室成員則看不到。文字交互系統中還有關于老師操作信息的系統提示和教室公告，如教師允許某人發言、教師允許某人錄制課件等。另外，系統還有詞典過濾功能，可以過濾那些經常出現的不文明的詞匯。
g) 白板交互系統：教師和學生可以同時在白板上畫圖、寫字、粘貼圖片、粘貼編輯好的圖形等，并且所有的人都能看到；教師可以對白板使用權限進行控制，可以允許或禁止其他人使用白板。
h) 消息系統：消息發送、一對一的交流，提供消息收發的管理機制
i) 學生示范：上課模式下，主持人允許他人進行視頻、音頻等進行廣播，允許電子舉手。
j) 程序共享：教師能夠將一些教學輔助程序的操作權開放，讓學生和教師共同操作一個程序，有利于逐步輔導學生進行某項操作，并把該過程轉播給其他學生。（教學示范、轉播教學）

3、輔助教學功能 
k) 屏幕廣播：能把教師的計算機屏幕廣播到學生端，在屏幕廣播時，還可以使用電子教鞭進行電子標注。（廣播教學）
l) 文件發送：可以通過多播發送一些文檔資料。（文件傳輸）
m) 課堂測驗：可進行現場學習效果測試，對于客觀題有自動判卷機制。（相當于電子搶答，系統會顯示學生搶答的時間，結果）
n) 網絡影院：在帶寬的允許下，師生可同步欣賞教師機播放的影片；（建議在互聯網上不使用）
o) 遠程控制：教師能夠遙控輔導學生、鎖定學生機器，執行遠程命令等。

4、管理功能
p) 教室頻道管理：通過系統管理員，可以設定或修改教室頻道。
q) 用戶管理：對師生的帳號、密碼進行權限管理和分組管理
r) 選擇教室：支持多個教室同時上課，具有多教室、帳號等管理功能
s) 座位列表：具有學生簽到功能，教師能一目了然的查看學生登錄情況。
t) 學生狀態監視：對學生的系統狀態監視、對學生的視頻、屏幕監視，可對學生上課的舉手、發言、上課實到時間進行記錄。
u) 系統設置：教師端可以根據網絡環境情況，選擇相應的視頻壓縮格式，從而調整教學系統所需的帶寬。
5、擴展功能
v) 點播功能：支持用本系統錄制的課件流媒體點播，同時也支持下載。自適應帶寬，確保當前點播者的數據流暢良好的可擴展性，支持多網卡與及多服務器集群工作；
w) 專業視頻會議系統：能夠遠程開展視頻會議，能在一屏幕上同時觀看5~8路視頻（可選模塊）
x) 異步遠程學習平臺：WEB結構的教學平臺，主要功能模塊有：課程管理、作業發布、答疑社區、評價系統等；（可選模塊）
y) 遠程資源管理平臺： 可以對課件資源進行管理、允許老師建立自己的收藏夾。（可選模塊）

五．典型應用

1．互聯網方案
某大學，需要在互聯網上建設一套100用戶的遠程交互教學系統，它的網絡拓撲如下圖所示，系統服務器托管在電信數據中心，通過100M共享對外連接（根據具體情況考慮雙機熱備份，再原有的基礎上增加一臺服務器托管，增加該功能需要另外增加5萬元的費用）。助教機和教師機通過DDN專線或ADSL與服務器連接，建議教師機和助教機連接的帶寬為512K。學生機通過ADSL或電話撥號連接到服務器，如果用戶在某一局域網內較為集中，則可增加轉發服務器，讓這些用戶共享一路帶寬，降低用戶使用成本和服務器的壓力。

3、系統安裝
在中心服務器上，安裝網動實時情景教學系統的SERVER端，該服務器對外必須有一個固定的IP地址，客戶端通過各種上網方式用該IP地址連接服務器 。