基于網絡的數字化微格教學系統的建設

【摘要】文章介紹了數字微格教學系統建設的設備選型及具體的建設過程。基于網絡的數字化微格教學系統，并能夠實現校園網內的資源共享，將會成為微格教學系統的發展趨勢。

【關鍵詞】網絡，數字化，微格教學系統

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2007）09—0102—03

一、引言

數字化時代的到來，推動著社會各個方面的迅猛發展，在整個教育中也不例外。微格教學是以教育學、心理學等學科理論為基礎，以教育技術為手段的“一個有控制的實習系統，它使師范生有可能集中解決某一特定的教學行為，或在有控制的條件下進行學習”。[1]對于師范學生的教學技能訓練和提高，有著不可忽視的作用。它可以使被訓練者在結束教學技能訓練之后，返回來全方位的觀看自己的教學過程，并在教師和小組人員點評中，找出缺點，發揚優點，縮短學生教學技能的形成時間。

在微格教學的過程中，要利用攝錄像設備來拍攝并記錄教學技能的訓練活動，其訓練時間短、人數少，并且需要進行多次的反復。這就要求根據微格教學的特點入手思考微格教學訓練系統的建設，做到充分利用學校現有的網絡資源、結合新的視聽技術、存貯技術建設一個更為方便與實用的微格教學訓練系統，來滿足微格教學訓練的需要。

二、數字化微格教學系統及其優點

數字化微格教學系統實際上是將計算機技術、網絡技術、視音頻技術、視頻壓縮技術、存儲技術以及傳輸技術進行綜合性的應用，構建出一個集視音頻錄制、實時監控、局域網內點播為一體化的系統。在該系統中，通過計算機和網絡的控制與管理，以視頻數字壓縮格式的硬盤錄像機為核心，以配備方位可調的高清晰彩色攝像機為影像攝取和高靈敏度的拾音器為音頻拾取設備，采集多路視音頻素材，并經視頻合成卡合成后，在硬盤錄像機中進行實時壓縮存貯。以方便調閱和回放觀看，這不僅僅局限于微格教室，在校園網范圍內均可調閱觀看。

對于數字化微格教學系統來說，其具有傳統的微格教學系統不可比擬的優勢。

1.在錄制方面，由于實現了錄制與回放的分離，使的對于微格教學訓練錄制減少了干擾，提高了微格教學資源利用率，使得能夠用更少的設備投入，來訓練更多的學員。同時，由于實現了集中錄像控制，減少了微格教室的試驗人員配備。

2.回放更為靈活。由于實現了數字化，錄制的視頻資料以數字方式存貯，其調用回放觀看，將不再受時間，地點的限制，只需在接入校園網上的任何一臺計算機上進行點播調閱，既可進行回放觀看。

3.點評方式更為開放和靈活。由于實現了在校園網內的點播觀看，其點評的人員也不僅僅局限于本班的同學和任課老師，其它班級的同學或非任課的教師也可以進行點評和指導；點評的時間和地點也更為靈活，組織方式也可以實現集中式點評或分散式點評。

4.反饋的優勢也更加明顯。主管教學計劃和培養目標的部門可以隨時點播觀看學生的訓練情況，了解學生對于教師技能水平的掌握，為教學決策提供依據。

5.由于數字視頻資料占用空間小，圖像質量高，可無限次的點播調閱，使資料的保存更加方便，也為教師技能掌握的精品訓練資料提供了更為方便的積累方式，能夠讓不同班，不同年級的同學間的觀摩更為方便，真正實現了博采眾長、汲取精華。

三、數字化微格教學系統的建設

在建設基于網絡的數字化微格教學系統過程中，我們應該注意以下幾個方面：

（一）視頻編解碼標準的選擇

基于校園網絡的數字化微格教學系統由于要實現網絡的傳輸，因此對于視頻編解碼標準的選擇極為重要。MPEG-2的視頻編解碼標準是一種使用了10多年的第一代的信源標準，已經處于被淘汰的邊緣；而MPEG-4和H.264 (也是MPEG-4的第10部分，是ITU-T提出的標準)的視頻編解碼標準隨著技術的成熟，迅速上升為新一代的信源標準，而且這兩種編解碼標準的碼率較低，在網絡上占用的帶寬資源小，更適于交互AV服務，是一個有交互性的動態圖像標準。因此對于新建的數字微格教學系統應該采用這兩種視頻編解碼標準的一種。但這兩種編解碼技術標準，誰更具有優勢呢。

目前國內采用的編碼標準有MPEG-4和H.264[2][3]。H.264由于采用了多項提高圖像質量和增加壓縮比的技術措施，如包括4×4整數變換、空域內的幀內預測、1/4象素精度的運動估計、多參考幀與多種大小塊的幀間預測技術等。新技術帶來了較高的壓縮比，不僅比H.263和MPEG-4節約了50%的碼率，還具有較強的抗誤碼特性，可適應丟包率高、干擾嚴重的信道中的視頻傳輸，從而容易獲得平穩的圖像質量。MPEG-4則是由MEPG(動態圖像專家組)制訂的一個ISO/IEC標準，是為交互式多媒體通訊制定得壓縮標準，幾乎包括了所有多媒體、存儲媒體和通信的接口；MPEG－4是為了播放流式媒體的高質量視頻而專門設計的，它可利用很窄的帶度，通過幀重建技術，壓縮和傳輸數據，以求使用最少的數據獲得最佳的圖像質量。目前MPEG-4最有吸引力的地方在于它能夠保存接近于DVD畫質的小體積視頻文件。另外，這種文件格式還包含了以前MPEG壓縮標準所不具備的比特率的可伸縮性、動畫精靈、交互性等一些特殊功能。

MPEG-4與H.264相比，信源碼率要高出一倍，占用帶寬資源至少在3M以上，由于一些學校的校園網建設較早，其帶寬資源并不豐富，采用H.264的技術標準，將不愧是個明智的選擇。另外雖然H.264和MPEG-4同時都是應用了混合編碼的框架，但H.264在該框架下引入了新的編碼方式，提高了編碼效率，在低碼流下可達到優質圖像質量，能夠在有限的帶寬資源下進一步提高圖像質量，但目前提供PMEG-4技術支持的廠商較多。總之，在校園網帶寬資源相對豐富的情況下，可以采用這兩種技術標準中的一種，如果帶寬資源比較短缺，則選擇H.264較為理想。

（二）系統的組成

系統的組成一般分為控制中心和微格教室兩部分[4] [5]，如果條件容許的學校還可以設立示范室。其構成結構如圖1：

在數字化微格教學系統的前端，也即微格教室中包括高清晰度彩色攝像機、萬向云臺、云臺控制解碼器、拾音器、聯網計算機以及大屏幕顯示設備各一套。攝像機和拾音器的主要功能是視頻攝取和音頻的拾取，計算機和大屏幕顯示主要模擬多媒體的顯示環境，同時也作為回放觀看的顯示設備，以便進行小組點評。在后端的總控制室，也是該系統的核心，主要放置硬盤錄像機、視音頻處理器、同步監視電視墻、系統控制單元（云臺控制器、視音頻特技機）、視頻服務器等設備。其主要用途是對各個微格教室進行錄像控制、同步觀看各個微格教室的訓練情況、提供訓練時的實時錄像。

1.布線技術

在該數字化微格教學系統中，還有一個很重要的技術方面的問題，就是綜合布線的技術問題。布線要符合ISO/IEC11801和ANSI/TIA/EIA568B1-B3[6]，保證弱電線路網絡高速、可靠的數據傳輸要求。因為在該系統中，存在四種類型的布線，即視音頻線路、控制線路、電源線路與計算機網絡線路。在條件容許的范圍內，這四類線可以分開架設，這樣有利于信號傳輸的暢通，如果沒有條件，但最好能夠使用專門的通道，將強電線路和其它三類弱電線路分開架設，因為強電線路具有較強的輻射型，能夠形成對其它三類弱電線路的干擾。另外對于線路材料的選擇也應格外的注意，因為不同的距離和不同的信號源所需要的線路材料不同。在布線時，也要注意每條線一定要做好相應的編號，留好備用線路，方便日后的維護與線路替換；制作線路焊接與接口時，一定要按接線的技術標準來完成，且不可忽視，因為這些雖是小問題，但對于信號質量的影響是相當大的。

2.系統的功能[7]

在微格教室，通過攝像機攝取清晰度較高的視頻信號，送往控制中心。在控制中心，通過視音頻的處理器的合成與實時編輯，生成兩路信號，一路送到電視墻進行實時監看，另一路送到硬盤錄像機進行數字化處理并存貯。數字硬盤錄像機是整個數字化微格教學系統的工作核心，它具有畫面分割（可根據輸入視頻源路數的不同分割為4、9、16等不同的畫面）、實時傳輸、每路信號單獨調整與錄制等多項功能。硬盤錄像機將輸入的視音頻信號進行實時的壓縮，把模擬信號轉化為數字信號，以數字化的視音頻文件形式存貯與錄像機硬盤上。可以根據自己對壓縮圖像質量的不同要求進行設定，質量越高，存儲所占用的磁盤空間也越大。

視頻服務器安裝有數據庫，作為精品訓練視頻資料的存儲平臺和錄像后的視頻資料媒流體服務的提供平臺，支持各種當前較為主流的媒體格式，在寬帶網絡上提供實時的，高質量的媒流體服務，以便在校園網范圍進行回放觀看、點評。

3.系統運行環境

系統一般需要固定的場地做系統設備運行的場地環境。系統中所用到的硬件設備，由于目前提供廠家眾多，選擇面較廣，但一般直根據自己的實際需要，選用性價比較好的設備即可。如攝像機可以采用三星SOC-4030和索尼SSC-ET180/181P這兩種型號，硬盤錄像機可以用計算機加卡式的，也可以采用專業的硬盤錄像機。對于操作系統，硬盤錄像機可以采用性能較為穩定的Win2000Pro的操作系統，視頻服務器可以采用Win2003 Serve版本的服務器操作系統，數據庫可以采用微軟公司的SQL Serve2000數據庫。終端的計算機可以根據所配置的機器裝有常用操作系統即可。

4.綜合性能的檢測

系統搭建完成之后，要對數字化微格教學系統進行系統測試。測試內容包括系統中對攝像機及其云臺操作的控制測試，看其控制操作是否靈敏，穩定；攝取的視頻信號和拾取的音頻信號是否失真，信噪比是否偏大；硬盤錄像機所采集壓縮的視頻數字信號是否丟幀現象嚴重，清晰度不夠；在這些測試完成之后，應該還要關注的一點就是視頻服務器在校園網范圍內的媒流體服務是否流暢，不然建設基于校園網的數字化微格教學系統將失去了意義。

四、安全性與可靠性

基于網絡的數字化微格教學系統的安全性也是相當重要的，在系統設計中，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等。

1.數據安全方面，可以在條件容許的范圍內，硬盤錄像機采用雙機主備的，以確保視頻錄像壓縮的安全，服務器可以采用帶有冗余磁盤陣列的雙服務器結構，來確保服務器的可靠性。正常情況下主服務器工作，備用服務器通過網絡監視主服務器的工作情況，一旦發現主服務器不能正常工作，備用服務器接管主服務器的工作，確保數據提供的暢通性，因為服務器不僅提供訓練情況錄像的再現點播回放服務，還提供訓練情況視頻資料的下載任務。

2.對于數據存取權限應該根據不同需要的類型，設定不同的數據訪問與存取的權限等級，來防止文件被破壞；另外還應在所要應用的計算機和服務器，安裝防火墻，來訪止來自網絡黑客的攻擊，安裝殺毒軟件，防止系統感染病毒。總之安裝防火墻、殺毒軟件及數據存取權限都是為了提高數據的安全性，以便為師生服務。

充分發揮網絡資源，構建基于網絡的數字化微格教學系統，營造良好的教學技能訓練環境，激發學生的積極主動性、全身心全方位的參與到教學技能的訓練中去，提高學生教學技能的訓練。文中根據微格教學訓練的特性，對于搭建網絡數字化微格教學系統，做了一個粗淺的介紹，為師范院校的基于網絡的數字化微格教學訓練系統的建設提供一點可以參考建議。

參考文獻

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[6]宋建峰．綜合布線工程實用設計施工手冊[M]．北京：中國建筑工業出版社，2000

[7]趙永生，張紅霞．微格教室的設計[J]．兵團教育學院學報，2006，16(3)：72－74