基于嵌入式視頻服務(wù)器的教學(xué)評估系統(tǒng)

[摘要]教學(xué)評估是教學(xué)管理中重要的環(huán)節(jié)之一。隨著高校規(guī)模的迅速擴(kuò)大和教育教學(xué)模式的改變，特別是多校區(qū)教學(xué)活動的展開和多媒體教學(xué)方法的運(yùn)用，對教學(xué)評估工作提出了新的要求。文章依托學(xué)?，F(xiàn)有的數(shù)字化教學(xué)環(huán)境，通過對教學(xué)過程評估工作需求的分析，提出了構(gòu)建“基于嵌入式視頻服務(wù)器的教學(xué)評估系統(tǒng)”的總體框架和設(shè)計實(shí)現(xiàn)方案。

[關(guān)鍵詞]教學(xué)評估系統(tǒng)；嵌入式視頻服務(wù)器；數(shù)據(jù)庫；屏幕共享

[中圖分類號]G432 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [論文編號]1009－8097(2008)05－0109－05

一 引言

教學(xué)質(zhì)量評估是根據(jù)既定的指標(biāo)體系收集信息，通過定量或定性分析，對教師的課堂教學(xué)進(jìn)行評價的過程。它是促使學(xué)校提升人才培養(yǎng)質(zhì)量意識，進(jìn)一步強(qiáng)化教學(xué)中心地位而采取的一項重要的、有效的舉措。通過教學(xué)評估，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)能夠及時全面的掌握全校教師教學(xué)業(yè)務(wù)狀況，有針對性地幫助教師改進(jìn)工作方法，提高教學(xué)質(zhì)量。

目前國內(nèi)高校教學(xué)評估主要包括以下幾種形式：

1聽課形式。由有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)、教學(xué)管理部門、院系主任及教研室主任組成聽課小組，進(jìn)行聽課、評課。

2督導(dǎo)形式。由學(xué)校選調(diào)經(jīng)驗豐富的教師(主要是離退休領(lǐng)導(dǎo)、教師)組成教學(xué)質(zhì)量督導(dǎo)組，以抽查聽課形式檢查教師教學(xué)質(zhì)量。

3教學(xué)檢查形式。教務(wù)處提出教學(xué)檢查意見，對教師階段教學(xué)工作各環(huán)節(jié)情況進(jìn)行檢查。

4學(xué)生評教形式。由教務(wù)處組織實(shí)施，采用問卷調(diào)查、給教師打分等方式，讓學(xué)生對教師的教學(xué)情況進(jìn)行評估。

這些評估方式在一定程度上發(fā)揮了教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控的作用，但其效果還不夠理想。主要問題在于：

1教務(wù)管理人員因業(yè)務(wù)繁忙，難以親臨教學(xué)現(xiàn)場或通過教學(xué)實(shí)況錄像了解課堂狀況，僅靠統(tǒng)計數(shù)據(jù)對教學(xué)活動進(jìn)行決策和指導(dǎo)，具有一定的局限性。

2教學(xué)督導(dǎo)組采取的單人抽樣聽課方式，存在樣本代表性差和評估結(jié)果可信度不足的問題，會造成統(tǒng)計數(shù)據(jù)權(quán)威性減弱。另外，督導(dǎo)組老師在抽樣檢查中奔走于多個教室之間，既浪費(fèi)時間且效率較低。

3采用人工方式分析、管理調(diào)查表等大量的評估數(shù)據(jù)，時效性較差，難以對教學(xué)活動做出及時的決策和指導(dǎo)。

為了提高教學(xué)評估工作的質(zhì)量和效率，不少高等院校針對上述問題提出了自己的解決辦法。其中最主要的就是在本院校教學(xué)評估體系下利用現(xiàn)代信息技術(shù)建立教學(xué)評估系統(tǒng)，提升評估技術(shù)手段。

二 教學(xué)評估系統(tǒng)

教學(xué)評估系統(tǒng)利用校園網(wǎng)絡(luò)平臺收集用戶評估數(shù)據(jù)，并且能靈活地將這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與分析，為學(xué)校提高辦學(xué)水平提供決策依據(jù)。目前，我國各高校建立的教學(xué)評估系統(tǒng)主要是以減輕人工處理評估數(shù)據(jù)所帶來的負(fù)擔(dān)為目的，圍繞評估數(shù)據(jù)的采集與管理來設(shè)計實(shí)現(xiàn)的，主要采用了動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，基于B/S模式進(jìn)行設(shè)計，如蘭州大學(xué)教學(xué)評估系統(tǒng)、暨南大學(xué)教學(xué)評估系統(tǒng)及桂林電子科技大學(xué)教學(xué)評估系統(tǒng)等。這些教學(xué)評估系統(tǒng)支持評估數(shù)據(jù)的動態(tài)輸入、修改、輸出、查詢、排序和統(tǒng)計，極大地提高評估材料收集的速度和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了評估材料的集中管理。上述系統(tǒng)能大幅減輕評估工作人員的工作量，但是在評估的實(shí)時性上有著很大的不足，在國內(nèi)高校普遍使用的教學(xué)督導(dǎo)評估模式下，尚未給教學(xué)督導(dǎo)人員帶來較大的工作便利。

本研究依托西北工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代化教學(xué)基礎(chǔ)環(huán)境(該教學(xué)環(huán)境由校園網(wǎng)、多媒體教學(xué)系統(tǒng)、教學(xué)實(shí)況轉(zhuǎn)播系統(tǒng)等組成)，針對國內(nèi)大多數(shù)教學(xué)評估系統(tǒng)評估實(shí)時性不足等問題，采用嵌入式視頻服務(wù)器構(gòu)建了一種教學(xué)評估系統(tǒng)。嵌入式視頻服務(wù)器完成教學(xué)實(shí)況音視頻信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)壓縮及分發(fā)，音視頻流通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸，速度快、質(zhì)量穩(wěn)定，更適合遠(yuǎn)程評估的需要。與現(xiàn)有評估系統(tǒng)相比較，這種系統(tǒng)保證了評估的實(shí)時性。在該系統(tǒng)下，評估專家、督導(dǎo)組老師或教學(xué)管理人員通過觀看教學(xué)實(shí)況圖像可以隨時掌握課堂教學(xué)中教師的教學(xué)態(tài)度、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)效果，使教師課堂教學(xué)質(zhì)量處于實(shí)時監(jiān)控狀態(tài)；校領(lǐng)導(dǎo)也能實(shí)時察看學(xué)校的教學(xué)管理、教學(xué)實(shí)施和教學(xué)保障的工作狀態(tài)。

三 總體設(shè)計方案

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的教學(xué)評估系統(tǒng)大多采用B/S體系結(jié)構(gòu)。雖然B/S模式的系統(tǒng)易于拓展、開發(fā)周期短、移植方便，但其缺點(diǎn)是瀏覽器端的處理能力差，很難完成與其它程序之間的數(shù)據(jù)交互；同時，如在該模式下進(jìn)行教學(xué)實(shí)況數(shù)據(jù)分發(fā)，其數(shù)據(jù)的安全性很難保證。相對于B/S模式而言，C/S模式封裝了Client和Server之間的數(shù)據(jù)交互，且開發(fā)方式靈活，能夠滿足復(fù)雜的系統(tǒng)功能需求，所以它更適合于本文研究的教學(xué)評估系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用C/S體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)從邏輯上分為客戶端、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層三個層次。各層具有相對獨(dú)立性，對任何一層的修改并不影響其它各層或影響較小。系統(tǒng)設(shè)計的三層結(jié)構(gòu)隔離了客戶端直接對數(shù)據(jù)庫的訪問，客戶端只能通過提出訪問請求的方式，從服務(wù)層來訪問數(shù)據(jù)層。這樣的設(shè)計減少了數(shù)據(jù)層入口點(diǎn)，保護(hù)了數(shù)據(jù)庫的安全。

2 系統(tǒng)各層功能設(shè)計

(1)客戶端

客戶端提供簡潔的人機(jī)界面，負(fù)責(zé)用戶與應(yīng)用程序的交互，接受用戶的數(shù)據(jù)請求。將請求結(jié)果返回給用戶。它以圖形界面方式引導(dǎo)用戶進(jìn)行業(yè)務(wù)操作，使用戶與應(yīng)用系統(tǒng)緊密地結(jié)合起來。系統(tǒng)的評估客戶端主要實(shí)現(xiàn)六個功能：實(shí)時播放教學(xué)實(shí)況，并能以圖片或視頻文件形式保存實(shí)況數(shù)據(jù)；獲取遠(yuǎn)程教師計算機(jī)屏幕信息；支持特殊權(quán)限用戶對評估數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，比如數(shù)據(jù)查看、刪除、添加等操作；對普通權(quán)限用戶提供評估信息查詢接口：控制教室攝像頭及云臺；對系統(tǒng)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證。

(2)服務(wù)層

服務(wù)層是聯(lián)系用戶和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的橋梁，是應(yīng)用邏輯處理的核心。它根據(jù)用戶的請求，執(zhí)行業(yè)務(wù)功能程序，為具體應(yīng)用提供事務(wù)處理、安全控制以及對不同客戶端的請求進(jìn)行協(xié)調(diào)。在本系統(tǒng)，服務(wù)層主要提供以下四種業(yè)務(wù)服務(wù)：

a教學(xué)實(shí)況服務(wù)

由嵌入式視頻服務(wù)器提供遠(yuǎn)程課堂的教學(xué)實(shí)況數(shù)據(jù)。嵌入式視頻服務(wù)器完成對教學(xué)過程模擬音視頻信號的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字壓縮后，通過以太網(wǎng)將多媒體數(shù)據(jù)分發(fā)到評估客戶端進(jìn)行播放，從而實(shí)現(xiàn)評估用戶對教學(xué)過程的實(shí)時評估。

b屏幕共享服務(wù)

由屏幕共享服務(wù)器提供遠(yuǎn)程教師計算機(jī)的桌面圖像。屏幕共享服務(wù)器程序安置于教師計算機(jī)上，在教學(xué)過程中，它能夠定時捕獲教師計算機(jī)屏幕圖像，并通過以太網(wǎng)將屏幕圖像傳送給評估客戶端。評估用戶通過屏幕共享服務(wù)獲得授課教師計算機(jī)上使用的幻燈片課件內(nèi)容。屏幕共享原理圖如圖2所示。

c設(shè)備控制服務(wù)

由設(shè)備控制服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對教學(xué)實(shí)況轉(zhuǎn)播設(shè)備(視頻切換矩陣、攝像頭和云臺)的遠(yuǎn)程控制。此服務(wù)器通過矩陣切換器和解碼器控制攝像機(jī)和麥克風(fēng)的音視頻信道切換，以及攝像機(jī)的焦距、光圈、云臺的上下左右變動，以實(shí)現(xiàn)最佳觀看場景的目的。由圖3所示，在教學(xué)實(shí)況實(shí)時評估系統(tǒng)中，我們將前端模擬信號采集所用到的設(shè)備組成一個RS485串口網(wǎng)絡(luò)?？蛻舳送ㄟ^設(shè)備控制服務(wù)器完成對RS485設(shè)備的一點(diǎn)對多點(diǎn)通信，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的集中控制。

d評估信息服務(wù)

由評估數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提供評估數(shù)據(jù)信息。具體功能有：對教學(xué)評估指標(biāo)體系、評估材料和評估相關(guān)文件等各類評估信息進(jìn)行歸檔管理和共享；提供評估數(shù)據(jù)的輸入、修改、輸出服務(wù)；對量化的評估數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，生成評估結(jié)果；信息安全控制。

(3)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層中的教學(xué)評估數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為整個評估系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息。在評估系統(tǒng)建立之前，需要根據(jù)實(shí)施評估的要求，對評估需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、分析、歸納，并結(jié)合評估系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境(Windows 2003 Server，VC6.0，Oracle 9i數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))，建立評估數(shù)據(jù)庫。本研究選用的Oracle 9i數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能強(qiáng)大、可靠性高、支持多線程，能滿足教學(xué)評估數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可靠性、并發(fā)性、數(shù)據(jù)完整性和安全性等方面的要求。評估數(shù)據(jù)庫設(shè)置在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)信息中心的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上，這樣實(shí)現(xiàn)了用戶與數(shù)據(jù)的分離，保證了數(shù)據(jù)的安全性。教學(xué)評估數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成如圖4所示，整個數(shù)據(jù)庫由五模塊構(gòu)成，分別是課表系統(tǒng)模塊、設(shè)備控制信息模塊、評估指標(biāo)模塊、原始評估數(shù)據(jù)模塊和用戶認(rèn)證模塊。其中，課表系統(tǒng)模塊用于存放課程安排及其他相關(guān)信息；設(shè)備控制信息模塊用于存放RS485網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有受控設(shè)備的地址：評估指標(biāo)模塊用于存放評估體系的各項指標(biāo)和評估規(guī)則；原始評估數(shù)據(jù)模塊用于存放實(shí)時教學(xué)評估工作中產(chǎn)生的所有評估數(shù)據(jù)，包括課堂教學(xué)實(shí)況截圖、教師計算機(jī)屏幕截圖、實(shí)況錄像、各種定性\\定量的評價數(shù)據(jù)等；用戶認(rèn)證模塊用于存放用戶身份認(rèn)證信息。

四 嵌入式視頻服務(wù)器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1 嵌入式視頻服務(wù)器概述

嵌入式視頻服務(wù)器是基于嵌入式處理器技術(shù)，采用音視頻處理芯片和嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)構(gòu)成。嵌入式視頻服務(wù)器將攝像機(jī)和麥克風(fēng)傳來的模擬音視頻信號進(jìn)行數(shù)字采集和壓縮，把壓縮好的音視頻數(shù)據(jù)送到內(nèi)置的HTTP服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)上用戶可以通過瀏覽器或?qū)Ｓ每蛻舳擞^看HTTP服務(wù)器上的視頻實(shí)況。

2 嵌入式視頻服務(wù)器的設(shè)計

系統(tǒng)通過嵌入式視頻服務(wù)器采集教學(xué)實(shí)況的音視頻數(shù)據(jù)。如圖5所示，嵌入式視頻服務(wù)器的硬件平臺由音視頻信號采集編碼模塊和網(wǎng)絡(luò)通信控制模塊兩部分組成。

(1)音視頻信號采集編碼模塊

該模塊用A/D和DSP芯片對教室傳過來的模擬音視頻信號進(jìn)行采集和編碼，設(shè)計思路是：對于視頻信號，將攝像頭的模擬信號以一定的采樣頻率離散化為數(shù)字視頻信號；然后進(jìn)行編碼預(yù)處理，即把視頻解碼輸出的CCIR601格式的信號轉(zhuǎn)化為編碼器可以處理的CIF或QCIF格式；最后再對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。

具體設(shè)計里采用Philips芯片SAA7113H，支持將PAL、NTSC、SECAM多種制式視頻信號采樣轉(zhuǎn)換成4：2：2的YUV的數(shù)字視頻信號。在圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理方面，我們選用Winbond公司的W99682BCD作為專用的DSP硬件壓縮工具，將SAA7113H采集后的數(shù)據(jù)壓縮成JPEG圖片格式。通過快速地圖像采集和發(fā)送(可以達(dá)到18frame/sec的速度)，評估客戶端顯示出流暢的動態(tài)圖像效果。

(2)網(wǎng)絡(luò)通信控制模塊

網(wǎng)絡(luò)通信控制模塊是整個嵌入式視頻服務(wù)器的核心。它實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與遠(yuǎn)程客戶端的通信功能，并起到控制和協(xié)調(diào)各模塊工作的作用。本模塊設(shè)計思路：以ARM7微處理器和uClinux操作系統(tǒng)構(gòu)建嵌入式HTTP服務(wù)器。當(dāng)HTTP服務(wù)器監(jiān)聽到評估客戶端的教學(xué)實(shí)況觀看請求時，便從音視頻信號采集編碼模塊獲取教學(xué)實(shí)況數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過RJ45接口源源不斷的發(fā)送到評估客戶端。

設(shè)計中選用W90N740CD作為ARM7主控芯片。在uClinux環(huán)境下，我們移植了Boa(專門面向嵌入式系統(tǒng)的小型i－rlTP服務(wù)器)，它在設(shè)定的端口下監(jiān)聽用戶的請求，并根據(jù)不同的請求內(nèi)容調(diào)用響應(yīng)的CGI程序進(jìn)行處理。

五 系統(tǒng)應(yīng)用

本文研究的基于嵌入式視頻服務(wù)器的教學(xué)評估系統(tǒng)在西北工業(yè)大學(xué)教學(xué)評估工作中得以很好的應(yīng)用。系統(tǒng)表現(xiàn)出視頻實(shí)時性高，圖像流暢穩(wěn)定；音頻播放平滑，與視頻同步良好：評估客戶端界面簡潔，操作方便；數(shù)據(jù)查詢速度快等特點(diǎn)。各個系統(tǒng)功能模塊之間能很好的兼容，基本滿足教學(xué)管理要求。圖6、圖7、圖8分別是教學(xué)實(shí)況評估界面、屏幕共享界面和評估數(shù)據(jù)庫訪問界面。

應(yīng)用表明，基于嵌入式視頻服務(wù)器的教學(xué)評估系統(tǒng)作為教學(xué)過程評估的重要評估手段，是可行且有效的。它能夠提高教學(xué)過程評估的工作效率，盡量減少人為因素的參與，并且做到評估結(jié)束后仍然有據(jù)可查，由此保證教學(xué)評估的公平公正。

六 結(jié)語

高等教學(xué)質(zhì)量監(jiān)控的根本目的在于提高教育教學(xué)質(zhì)量。近年來，隨著我國高等教育事業(yè)的快速發(fā)展，特別是高等學(xué)校在校學(xué)生人數(shù)的大幅度增加、高校的多校區(qū)建設(shè)，使得如何增強(qiáng)教學(xué)評估的科學(xué)性、時效性成為學(xué)校教學(xué)管理工作面臨的一項重要課題。在網(wǎng)絡(luò)信息化時代，高科技手段為教學(xué)評估體系的現(xiàn)代化提供了良好的條件。利用現(xiàn)有的校園計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，促進(jìn)教學(xué)評估理念的提升、教學(xué)評估方式和手段的改革，更全面、更充分、更及時地反映和評估課堂教學(xué)質(zhì)量，對于高等學(xué)校而言是一項迫切而有意義的工作。本研究是在教育部開展本科教學(xué)工作水平評估的形勢下，依據(jù)高校目前的教學(xué)評估需求，針對現(xiàn)有教學(xué)評估系統(tǒng)實(shí)時性不強(qiáng)等不足，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了以嵌入式視頻服務(wù)器作為視頻信號采集工具的教學(xué)實(shí)況實(shí)時評估系統(tǒng)。在這基礎(chǔ)上，我們將嵌入式視頻服務(wù)器技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)評估系統(tǒng)研究，實(shí)現(xiàn)了平時管理與評估工作的緊密結(jié)合，極大提高了教學(xué)信息化的水平。但是對于評估工作的深入需求，我們還計劃對目前建立的教學(xué)評估系統(tǒng)進(jìn)行如下后期改進(jìn)：

1引入數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)并增加網(wǎng)絡(luò)安全方面的設(shè)計。

2加入SPSS來增強(qiáng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。

3借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的評估技術(shù)，加人智能化的評價模塊和決策模塊。