淺談數字語言實驗室系統的技術架構

摘 要：數字語言實驗室主要由教師主機（兼服務器）、中央控制器、外部設備、網絡交換機、學生單元及軟件部分組成，按網絡結構類型可分為ATM分組交換網、ATM+TCP/IP雙網絡和TCP/IP以太網，按學生單元類型可分為數字終端型和計算機網絡型。當前，在數字語言實驗室的網絡結構設計中，TCP/IP以太網已經取代ATM網成為發展主流，學生單元直接采用“PC+軟件”的方式取代硬件數字終端顯然

是更好的思路。

關鍵詞：數字語言實驗室 教師機 學生單元 ATM網 TCP/IP以太網

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2012）11（b）-0197-03隨著現代信息技術和計算機網絡技術的飛速發展，數字化及網絡化在外語實驗教學中得到廣泛的應用，促使了語言實驗室從傳統模擬型向數字型和網絡型的轉變。以多媒體技術和計算機數字技術為基礎，網絡技術為橋梁的數字語言實驗室已經成為現代外語教學的重要場所和自主學習環境構建的核心，實現了傳統模擬語言實驗室無法實現的自主式、反饋式、交互式和網絡化的新型語言學習環境，在外語實驗教學中展現出強大的功能，扮演著越來越重要的角色；同時，也為外語教師研究教學方法、提高教學質量、實施教學改革、開展教學科研活動提供了更好的技術平臺。為適應多元化、個性化、網絡化學習模式的需要，滿足國家外語教學改革的要求，運用數字語言實驗室作為外語教學的實施載體具有十分重要的意義。

1 數字語言實驗室的系統配置

數字語言實驗室作為大型成套教學設備，主要由教師主機（兼服務器）、中央控制器、外部設備、網絡交換機、學生單元及軟件部分組成[1]。教師主機（兼服務器）是整個數字語言實驗室的核心部份，要求配置高，性能穩定，它內置采集卡和語音卡。采集卡負責采集外部多媒體設備的模擬信號并進行A/D處理，轉化成數字信號。語音卡一般由廠家自主研發，是衡量廠家技術水平的關鍵部件之一，教師主機的音、視頻信號都要經過語音卡的處理進入網絡交換機再到學生單元，隨著計算機性能的提升，現在廠商可以通過純軟件的方式取代語音卡的功能。中央控制器負責接入教師主機及外部多媒體設備的多路音、視頻信號，管理各信號通道的切換輸出。外部設備主要包括磁帶卡座、DVD影碟機、數字展臺等多媒體接入設備及功放、投影機等音、視頻輸出設備。網絡交換機負責教師主機與各學生單元之間的信號傳輸與數據交換。學生單元由數字終端（含鍵盤、鼠標、顯示器、耳機）或標準PC機構成。軟件部分包括語言實驗教學系統軟件、網絡自主學習軟件、教學網站及資源庫等。

數字語言實驗室系統教師主機的音、視頻信號應有兩路輸出，一路通過網絡廣播到學生單元的耳機和顯示器，另一路輸出到功放和投影儀，其設計意義在于即使數字語言實驗室系統處于故障狀態下，教師控制端的教學內容仍可從功放和投影儀輸出，保障外語課堂教學的順利進行。

2 數字語言實驗室的網絡結構研究

數字語言實驗室系統按網絡結構類型

可分為ATM分組交換網結構、ATM+TCP

/IP雙網絡結構和TCP/IP以太網結構。

（1）ATM（Asynchronous Transfer Mode） 分組交換網結構。

專門針對聲音、視頻的傳輸而設計，基于ATM傳輸協議，教師機通過ATM語音網卡連接ATM網絡交換主機，ATM網絡交換主機連接數臺ATM網絡交換分機，每臺ATM網絡交換分機連接一組學生單元，學生單元配置ATM數字終端或裝有ATM語音網卡的PC機，ATM是一種異步傳輸模式，它將數據信道平均分配給每個固定學生單元，在進行音、視頻點播時，傳輸給每個學生單元的數據流很均勻，系統的實時性好，穩定性強，信號無延時、斷裂，很好地滿足了基本的語言實驗教學功能，并實現同聲傳譯、英語接龍、口譯培訓等功能[2]。由于早期的以太網傳輸速度不夠快，在加上當時的PC機和TCP/IP數字終端的性能相對較差，廣播教學過程中，教師控制端信號在以太網中傳輸的延時較長，造成聲音斷裂、失真、口形與聲音不同步、視頻不流暢等嚴重缺陷，因而在早期數字語言實驗室的網絡結構設計中，ATM網絡扮演著相當重要角色，很快占領了市場[4]。但是ATM也存在一定的缺陷，它一般用于語音傳輸等專業網絡，技術較復雜，網絡設備價格高，兼容性差，能夠直接支持的應用不多，升級和維護困難，需要一定的技術處理才能接入現在普遍使用的基于TCP/IP協議的Internet互聯網。

（2）ATM＋TCP/IP雙網絡結構。

為彌補ATM網絡不能直接接入Internet的缺陷，故當時有的數字語言實驗室系統采用ATM＋TCP/IP雙網絡結構設計，每個學生單元由數字終端和PC機組成。“ATM＋數字終端”架構用來構建語言實驗室的課堂教學系統，以保證音、視頻傳輸的實時性和流暢性；“TCP/IP＋PC”架構用來構建強大的計算機網絡以實現開放的外語自主學習與網絡教學功能，學生可通過IE瀏覽外語學習網站，自主點播素材庫中的全部資源[2～3]。該方案雖然使兩者的優勢得到充分發揮，但由于包含兩套體系，故成本很高且系統復雜，任何一個體系出現問題都會影響正常教學，導致故障率增加，不利于維護和升級。系統拓撲如圖1所示。

（3）TCP/IP以太網結構。

基于目前廣泛應用的TCP/IP傳輸協議，教師機通過內置或主板集成的以太網卡連接以太網中心交換機，以太網中心交換機連接各學生單元，進行信號傳輸和數據交換，學生單元配置TCP/IP數字終端或PC機（主板集成以太網卡），各數字語言實驗室的以太網中心交換機又接入語言實驗中心的以太網核心交換機、路由器以連入校園網和Internet。TCP/IP以太網采用全數字化的音、視頻信號處理技術和計算機網絡技術，信息節點密集，可拓展到校園網上其它節點，共享豐富的教學資源，是目前發展速度很快、應用最廣泛、技術最成熟的網絡結構類型[4]，其開放性與兼容性拓展了語言實驗室的功能，解決了傳統模擬語言實驗室難以實現的網頁瀏覽、網絡自主學習、教學資源共享、教師遠程備課及遠程教學等問題。

（4）TCP/IP以太網成為數字語言實驗室網絡結構的發展方向。

隨著高速以太網交換機、高速以太網卡、光纖的出現及計算機、數字終端等硬件設備性能的提升，現代以太網的傳輸速率得到大幅提高，可達千兆，足以滿足大流量多媒體信息的網絡傳輸，音、視頻傳輸速率方面的局限不在是瓶頸，很好地解決了早期以太網的弊端。而且這些硬件設備越來越普及，未來價格也會越來越便宜，組建高速以太局域網的成本也會逐步降低。所以在現代數字語言實驗室的網絡結構設計中，TCP/IP以太網已經取代ATM網成為發展主流。

3 TCP/IP以太網結構數字語言實驗室學生單元的終端類型分析

目前，國內市場的數字語言實驗室系統均采用廣泛流行的TCP/IP以太網結構，按學生單元終端類型的配置方案，可分為數字終端型和計算機網絡型兩種。

（1）學生單元采用專用硬件數字終端的數字終端型。

使用“TCP/IP＋數字終端”技術架構，即在網絡結構上采用TCP/IP以太網，學生單元配置硬件數字終端，數字終端嵌入語言實驗教學系統客戶端軟件，將文字、圖片、動畫、音視頻等多媒體信息處理技術、流媒體播放技術與嵌入式軟件系統結合起來，在學生單元上實現語言實驗教學的各種功能，教師機上安裝語言實驗教學系統控制端軟件，并通過中央控制器接入磁帶卡座、DVD影碟機、數字展臺等外圍多媒體設備及功放、投影儀等教師端音、視頻輸出設備，形成數字語言實驗室和多媒體教室二室合一的外語教學場所。

數字終端作為語言實驗室的學生單元，其優點在于：①嵌入式系統的穩定性，能防止學生對終端系統內容的改寫、破壞，免受病毒、木馬、惡意軟件的侵擾，維護方便。②嵌入式軟件代碼小，響應速度快，性能穩定、高度自動化。③硬件體積小。④不配PC就能上網，目前很多公司開發的數字終端設備能實現網頁瀏覽和AOD/VOD點播，使學生的學習環境得到極大地擴展。

缺點在于：①數字終端屬于廠家專有硬件產品，產量少，沒有像PC那樣大規模的生產，所以產品不僅價格昂貴，而且標準不統一，出現問題后不易更換配件，兼容性差、性價比低。②數字終端的功能局限，無法具備標準PC的全部功能。③數字終端由于采用嵌入式軟件系統，因而升級困難。

正是由于上述缺點，硬件數字終端和PC機相比，勢必面臨嚴峻的挑戰。

（2）學生單元采用“PC＋軟件”方式的計算機網絡型。

使用“TCP/IP＋PC＋軟件”技術架構，即在網絡結構上采用TCP/IP以太網，學生單元配置標準的PC機，PC機上安裝語言實驗教學系統客戶端軟件取代嵌入式硬件數字終端，教師機上安裝語言實驗教學系統控制端軟件，并通過中央控制器接入磁帶卡座、DVD影碟機、數字展臺等外圍多媒體設備及功放、投影儀等教師端音、視頻輸出設備，構建數字語言實驗室、計算機網絡教室和多媒體教室三室合一的外語教學場所。

PC機作為語言實驗室的學生單元，其優點在于：①與數字終端相比，PC機功能強大并可通過軟件方式無限擴充，應用于PC機上的軟件及流媒體格式也相當豐富。②PC機應用廣泛，技術成熟，硬件標準統一，出現問題后容易更換配件，兼容性好，性價比高。③計算機流媒體技術已非常成熟，多媒體表現性能好；硬件方面，現代PC機的音、視輸出設備已經達到CD音質和高清DVD畫質；軟件方面，從操作系統到播放軟件都在不斷的升級，PC機的多媒體表現性能不斷提高；與傳統嵌入式硬件數字終端上相比，音、視頻在PC機上的播放更加流暢。④系統除具備數字語言實驗室所有功能外，還具備計算機網絡教室的功能，教學資源相當豐富。⑤系統擁有無限的升級能力，管理員利用中央部署軟件，僅用一臺PC就能同步安裝和升級實驗室內所有的計算機系統，實現集中管理、一點維護，多點升級。

缺點在于：①PC機的軟件系統容易被學生改寫、破壞，容易遭受病毒、木馬及惡意軟件的攻擊，軟件系統的穩定性差，維護工作量大。②與數字終端相比，硬件體積大。③“PC＋軟件”方式成為學生單元的最佳配置方案。

隨著硬盤保護卡在數據差異變量傳輸技術上的發展，PC機在軟件系統穩定性方面的缺點得到有效解決。現代差異變量傳輸硬盤保護卡具備系統瞬間還原、磁盤分區管理和局域網計算機的部署，在網絡克隆方面能實現數據差異變量傳輸、斷點續傳、自動連線對拷、網絡參數自動修改、自動分配IP地址和計算機名等功能。傳統硬盤保護卡的缺陷在于網絡克隆完成之后所有PC機的IP地址和計算機名都會變成一樣，需要逐臺進行修改，維護工作量大，而現代差異變量傳輸硬盤保護卡可以在網絡克隆之后自動分配好PC機的IP地址和計算機名并保存下來，從而快速復制安裝軟件，搭建好整個網絡，不僅有效地防范病毒、木馬的侵擾及學生對系統的改寫，保證了PC機系統的穩定性，而且極大地減輕了軟件系統安裝、維護、升級的工作量[5]。

PC機在未來性能越來越高，軟件功能也越來越強大，運用越來越普及，價格越來越便宜，性價比優勢日益突出；同時，PC機通過安裝變量硬盤保護卡，其穩定性和維護方便性得到大幅提高，已接近硬件數字終端。因而學生單元直接采用“PC＋軟件”的方式取代硬件數字終端顯然是更好的思路。

4 數字語言實驗室系統技術架構的發展方向

數字語言實驗室系統的技術架構主要包含網絡結構和終端類型兩個方面，通過對網絡結構和學生單元終端類型的分析，從系統的功能、性能、價格、擴展升級、穩定性、兼容性、開放性、資源豐富性及技術先進性等方面進行比較，采用“TCP/IP＋PC＋軟件”技術架構的計算機網絡型數字語言實驗室具有非常明顯的優勢。它是在目前普遍應用的計算機以太網絡的基礎上部署數字語言實驗室教學系統軟件，并配置外部多媒體設備，組成數字語言實驗室、多媒體教室、網絡教室、考試中心、開放式自主學習中心等多功能合一的專業教學環境，不僅使設備和場地得到最大價值的利用，而且無需專門布線，無需添加專用數字終端、專用擴展板卡等任何硬件，完全基于標準的TCP/IP傳輸協議和普通PC機，徹底解決了各語言實驗室廠家之間操作系統不統一，數字終端以及其它硬件設備互不兼容，配件不通用等問題，保證了外語網絡教學系統的通用性和延續性，該技術架構代表了現代數字語言實驗室建設的發展方向。

參考文獻

[1] 彭旭鳴．數字語言實驗室的系統配置與優化[J]．湖南城市學院學報：自然科學版，2010，19（1）：67-69.

[2] 熊長江，顧恒棟．優化數字語言實驗室網絡結構 共享數字化網絡教學資源[J]．現代教育技術，2010，4：150-152.

[3] 熊長江，薛榮顧，恒棟，等．數字語言實驗室建設與維護探討[J]．中國現代教育裝備，2010，21：132-134.

[4] 蔣蘇．淺談數字化語言實驗室構建[J]．教育教學論壇，2011，29：188-189.

[5] 郭珍華．高校計算機網絡安全探析與行為管理[J]．微計算機信息，2011，1-8：148-149.