基于互聯網的現代遠程教育平臺的研究與實現*

李韶馳，劉小萍，李志清，黃 嵩

（中共廣州市委黨校 廣州行政學院 信息網絡中心，廣東 廣州510070）

在遠程教育中，學生和教師處于時空相對分離的狀態，技術媒介的教學即基于信息技術的媒介教學代替傳統課堂連續面授教學成為遠程教學的主體。技術媒介的遠程教學劃分為兩類不同的遠程教育交互模式：“單向發送技術媒介的遠程教學”和“雙向交互技術媒介的遠程教學”。“基于資源的個別化獨立自主學習”通常是通過“單向發送技術媒介的遠程教學”實現的；而“基于通信的師生交互和協作學習”通常是通過“雙向交互技術媒介的遠程教學”實現的。[1]本文以黨校系統遠程教學網的建設為切入點，深入分析遠程教學網及遠程教育平臺建設實踐中存在的問題，采取相應的對策并最終構建一個基于互聯網的集單向發送技術媒介和雙向交互技術媒介為一體的現代遠程教育平臺。

一、平臺構建的背景

在現代化背景下，世界各國都以積極的態度開展對于遠程教育理論和實踐的探索，積極發展現代遠程教育也是我國實施科教興國戰略的一項重要舉措。[2]在黨校系統，遠程教育已經成為創建學習型社會、素質教育及干部教育進程中無法取代的重要手段。目前，中央黨校采用衛星通信方式實現全國黨校系統遠程教學網，該網以中央黨校為中心主站組成星狀網絡結構，遠端站分為A、B、C三級，省級和市級城市黨校建立A級站、中小城市黨校建立B級站、縣區一級黨校建立C級站。[3]這種組網方式雖然也實現了雙向通信的遠程教學，但在互聯網高速發展和日益普及的今天，也逐漸暴露出一些問題：第一，遠端站必須購置一些用于衛星通信的專用設備，成本費用較高，硬件維護困難，在黨校系統內部推廣尚且適合，但站在創建學習型社會的角度而言，這存在一定的局限性；第二，基于衛星遠程教學網實現的遠程教育平臺，在擴展性方面會受到衛星通信網的制約，難以實現更多的增值服務，例如與教學管理相關應用系統的整合、實現遠程考試及一站式服務等，而這些擴展功能往往還是要依賴互聯網來實現。

二、平臺架構設計

互聯網的優點之一就是所有人都可根據需要進行互連，但遺憾的是，這種隨需連接也可能導致無法預測的嚴重網絡阻塞，這也正是和衛星通信網等專用網絡相比之下，采用互聯網實現遠程教育所面臨的主要問題。問題的根源在于互聯網按“盡力而為”的方式處理所有出入的流量，而唯一的解決辦法就是建立一個基于互聯網的專用網絡，始終以互聯網的最大帶寬作為這個專用網絡的帶寬。經過課題組的選型，本研究選擇思科公司的WebEx MediaTone網絡作為本平臺的遠程教學網，在MediaTone網絡的基礎上構建一個實時授課系統，并采用VPN技術進一步擴展實現非實時的輔助學習系統，前者屬于“基于通信的師生交互和協作學習”，后者屬于“基于資源的個別化獨立自主學習”。

本研究采用軟件架構設計的思想分別從物理架構視圖和邏輯架構視圖細化本平臺的架構：[4]

1.物理架構設計

作為本平臺的遠程教學網，MediaTone網絡通過可持續進行全球性連線的專用高帶寬連線連接至大規模的互聯網數據交換中心，類似于語音電話系統中使用干線連接的局端交換機，再在MediaTone網絡上創建一套MediaTone架構的應用程序，使分布于各地的多媒體交換機專用系統相互連接。[5]如圖1所示，本平臺部署在校園局域網內，和電子政務網、企業局域網及各類家庭辦公網絡一樣，通過與互聯網的連接，都能接入到MediaTone網絡的某個節點，使整個平臺架設在MediaTone網絡之上。教師在校內授課，任何能接入互聯網的終端，不論在校內還是在校外，都能通過MediaTone網絡同步在線學習，學生也能向授課教師在線反饋信息，實現實時的雙向交互。

圖1 平臺物理架構

在校園局域網內，我們將非實時的輔助學習系統劃分為在線學習和在線考試兩部分應用，分別部署在在線學習應用服務器和在線考試應用服務器上。其中，在線學習應用服務器的視頻教學資源是從視頻存儲服務器中獲取的，我們采用自動更新策略實現視頻教學資源的自動更新，即教師在課堂授課過程中，課件直錄播系統就自動跟蹤錄制整個教學活動，包括授課現場場景和授課教師的電子講稿，并在實時錄制的同時自動生成教學大綱索引，最終合成一個完整的多媒體課件，上傳到多媒體課件存儲服務器。

在線學習、在線考試、課件直錄播、教學綜合管理等各種應用以及部署在遠程的MediaTone服務都通過身份認證服務器進行統一的用戶權限管理及身份認證，用戶信息以LDAP方式存儲在目錄服務器中，VPN設備通過目錄服務器獲取共享的用戶信息，使VPN設備與身份認證服務器之間實現握手，這樣，校園局域網以外的用戶在通過VPN建立隧道后，就能把用戶身份信息直接提交身份認證服務器，無需二次認證就能直接進入相關的應用。

2.邏輯架構設計

本平臺包括教學綜合管理、課件直錄播、在線學習和在線考試四個子系統，部署在統一的數據訪問服務層上，通過統一身份認證服務實現單點登錄，在業務邏輯層，采用面向對象技術實現LDAP目錄的訪問，采用面向服務的機制實現與遠程MediaTone網絡的通信，整個平臺的邏輯架構如圖2所示。

圖2 平臺邏輯架構

（1）教學綜合管理系統

教學綜合管理系統主要用于調配教學資源、組織教學活動、總結教學數據，使教學能夠順利實施，實現整個教學管理過程的現代化和管理的規范化。

教學綜合管理首先是對教學主體的管理，教學主體包括教師和學員，與教師相關的功能模塊包括師資庫管理、案例庫管理、教學質量評估和教師工作量統計，與學員相關的功能模塊包括學員學籍檔案管理、班級信息管理和學員成績管理。教師和學員與系統管理員一樣，都是整個平臺的用戶，所有用戶信息及其權限都由教學綜合管理系統統一管理，用戶的公共屬性包括用戶登錄信息會在存儲的過程中同步到LDAP目錄，以提供給統一身份認證系統及VPN設備使用。

其次，教學綜合管理還包括對教學活動的管理，主要功能模塊有教學計劃編制、通知公告管理、查詢統計和報表輸出。教學計劃主要是針對協作學習而制定的，即基于MediaTone網絡的實時交互式學習，教師在課堂現場授課，學員在異地同步學習。教學計劃定稿后，系統會將數據通過Web Services的方式同步到遠程的MediaTone服務器上。

（2）課件直錄播系統

課件直錄播系統是一個基于IP網絡實現的全自動課件生成系統，它可以將視頻、音頻信號和計算機動態屏幕信號進行一體化的同步錄制、直播和點播。直播信號可以直接切入到MediaTone網絡中，錄制的視頻包括授課現場場景和授課教師的電子講稿兩路視頻流 （分別簡稱為A路視頻和B路視頻），經過系統的自動化處理后再上傳到多媒體課件資源庫中，視頻處理的步驟如下：

1）抽取大綱

對B路視頻進行圖像處理，提取電子講稿中的圖像進行OCR技術識別，生成文字，以此抽取出大綱及相應的視頻時間點，默認取第一個視頻時間點為0，其對應的大綱標題為整個課程的標題。

2）修正大綱

把識別出的大綱跟電子講稿源文件（PPT）進行比對，修正OCR識別錯誤，以提高準確率。

3）合成視頻

以大綱為索引，遍歷每個視頻時間點，先在A路視頻中從第一個視頻時間點開始截取若干秒，再切換到B路視頻，截取直到下一個視頻時間點，然后再切換回A路視頻，以此類推，直到兩路視頻都播放完畢，再將截取的視頻合成一個完整的視頻，其時長與錄制的兩路視頻相同。

經過處理的視頻與大綱一起合成一個完整的多媒體課件，通過FTP協議自動上傳到多媒體課件資源庫中，再把當前課程的相關信息及多媒體課件的URL保存到在線學習系統的課程庫中。

（3）在線學習系統

在線學習系統是整個遠程教育平臺的核心，也是涉眾最廣、訪問量最大、性能要求最高的子系統，根據平臺設計的初衷，我們把在線學習系統劃分為實時與非實時兩部分功能模塊。

實時的功能模塊主要包括實時授課管理和在線交流討論，這是教師和學員進入網上虛擬課堂的入口，借助單點登錄技術，已經登錄進入在線學習系統的用戶即可直接訪問MediaTone網絡。根據教學計劃，MediaTone平臺會在指定時間創建相應課程的網上虛擬課堂，教師在實體課堂上授課，課件直錄播系統將授課現場的音視頻信號及教師電腦桌面等多媒體數據發送到MediaTone網絡中，MediaTone平臺會將這些多媒體數據都轉換為WebEx通用通信格式（UCF），并采用高級加密標準及負載平衡機制進行傳輸，進入網上虛擬課堂的學員就可以通過自己電腦上的攝像頭和耳麥在線聽課，并與教師進行實時互動。

非實時的功能模塊主要是為學員提供一個基于資源的自主學習平臺，是一種輔助教學的手段，由選課中心和學習中心兩個部分組成。學員可以根據自己的興趣選學相關的課程，課程視頻存儲在由課件直錄播系統錄制的多媒體課件資源庫中，學員在學習過程中，不僅可以像觀看普通視頻一樣直接拖動進度條，還可以在課程大綱中點擊標題直接定位。系統采用累計學時的方式來監督學員的學習，只有以正常速度播放視頻，其時間才能計入累計學時中，累計學時達到課程時長，該課程才算學習完畢。為避免學員掛機學習，本系統還特別設計了課程互動答題的環節，即在學習過程中，系統會在預設的時間點暫停播放視頻并彈出課堂作業要求學員現場作答（在“視頻題庫管理”模塊中設置），答題完畢才能繼續播放視頻，而答題成績會記入學員的課程學習成績中。

（4）在線考試系統

在線考試系統是在線學習系統的延伸，完成在線學習的學員可進入在線考試環節，在線考試系統也可直接開放給面授學員使用。本系統分為后臺管理和前臺操作兩部分功能模塊：

1）后臺管理包括試題庫管理、試卷管理、成績管理和系統設置。

將試題錄入到試題庫中有兩種方式：一種是在系統中手動添加，另一種是按照既定的模板在Excel或Word文件中編輯好再導入。根據不同題型的特征，教師可以自定義相應題型的屬性，如可以定義題目的難度系數、選擇題的選項是否隨機、填空題的答案是否有序、操作題的附件設置等。

試卷管理包括試卷組卷、試卷導入導出、試卷發布和試卷批改。組卷是從試題庫中抽取試題組合生成試卷，如果選擇隨機抽取，教師只需定義好試卷的總分、各類題型的數量和分值以及發布試卷的份數，系統會采用相似度算法進行組卷，以避免在同一份試卷中出現相似度較高的試題，然后，再采用靜態發布的方式生成試卷，每一份試卷就是一個獨立的html文件。

2）前臺操作包括在線答卷和查詢管理。

在線考試系統的前臺操作模塊在設計上必須充分考慮易用性和魯棒性。在易用性方面，我們采用了與在線學習系統中的視頻學習類似的操作方式，即在試卷界面的左側使用試卷大綱作為索引，考生可以一目了然地獲知整份試卷的已答、未答及標記為不確定的題目，并可隨時點擊試卷大綱中的題目序號定位到相應的題干上。在魯棒性方面，由于試卷是靜態發布的，考生電腦進入考試狀態后就會從服務器端抽取一份靜態的試卷文件并保存在本地磁盤上，整個答題過程都是脫機進行的，只有等到提交試卷的時候才重新聯機。計時器和答題結果都以加密的方式保存在試卷文件所在的文件夾中，并以考生的個人信息作為密鑰，一方面可以確保考試不會受到斷網或系統故障的影響，另一方面也可以防止答題結果被復制作弊。

三、關鍵技術研究

1.統一身份認證技術

本平臺的教學綜合管理系統、在線學習系統和在線考試系統是基于J2EE架構開發的，而課件直錄播系統則是在第三方的嵌入式直錄播服務器上進行二次開發，其后臺管理程序是采用ASP開發的，此外，遠程的MediaTone平臺是一套完整獨立的應用程序，對外提供Web Services接口。統一身份認證就是全面整合這些應用系統的身份管理，實現各種應用系統間跨域單點登錄、退出等統一的身份認證和用戶管理功能。

在本平臺中，我們采用Agent技術實現統一身份認證，如圖3所示，在該集成框架中，用于將協作應用整合起來的有兩個模塊，分別是IDS Agent和協同模塊。[6]Agent包含對協作應用相應請求的截獲處理，與身份認證服務器（Identity Server，簡稱IDS）的通信等過程。協同模塊則根據協作應用的不同情況采用不同的實現方法，這是一個很小的模塊，僅包含協作應用自身的登錄、退出等過程的邏輯。在基于J2EE架構開發的應用系統中，可直接在系統的業務邏輯層開發Actor接口類，用來處理與身份認證相關的業務邏輯，完成與IDS的協同；在ASP應用程序中，則通過修改與登錄、退出等邏輯相關的ASP頁面代碼來實現協同；在與遠程MediaTone平臺的集成時，IDS Agent是通過WebEx提供的URL API向MediaTone平臺提出請求，采用輕量級的機制實現與MediaTone平臺的通訊。

圖3 統一身份認證的集成框架

2.資源自動更新技術

在線學習系統的視頻資源是由課件直錄播系統錄制并自動上傳的，我們將這些資源從原始素材衍生為多媒體課件的整個自動化過程稱為“資源自動更新”，在這個過程中采用的各種技術統稱為“資源自動更新技術”。上文已經闡述了視頻資源自動處理與上傳的整個流程，其中涉及幾項關鍵的技術，如視頻圖像的OCR識別技術、大綱的糾錯算法、視頻流的合成算法等，這些關鍵技術是在不同的程序中實現的，其中還包括嵌入式系統。在不同的系統（程序）之間，我們采用Web Services進行集成，使用規范的XML來描述數據及接口，以此構建系統（程序）之間的通訊總線。例如上文提到的大綱索引，我們定義如下：

四、結束語

本平臺所屬項目于2009年正式批準立項，經過兩年的研發，各個子系統先后建成并投入使用，目前，本平臺已在廣州市委黨校及其分校全面推廣使用，并已成功地運用在省內外部分政府機構的培訓中，取得良好效果。

總之，基于互聯網的現代遠程教育平臺，是創建學習型社會和普及干部教育的需求，也是互聯網發展與教育變革相結合的產物，它使廣大干部能夠打破固定時間和固定地點的束縛，靈活安排學習時間、學習場所和學習計劃，隨時隨地地學習，滿足全黨干部在職在崗學習的需求。此外，本平臺的設計思想和研究方法已經過工程實踐的檢驗，具有一定的可行性，可以推廣應用在其他領域的遠程教學中，以此推動現代遠程教育事業的發展。

[1]丁興富.一種新設計的技術媒介遠程教學模式理論分析框架[J].開放教育研究，2010,16(4).

[2]龔祥國等.遠程開放教育網絡平臺的構建、應用與反思[J].遠程教育雜志，2006(4).

[3]蘇啟寅.全國黨校系統衛星遠程教學網的構建及應用[J].制造業自動化，2011(3).

[4]溫昱.軟件架構設計[M].北京:電子工業出版社，2008.

[5]網迅（中國）軟件有限公司.WebEx MediaTone網絡深入介紹白皮書[R]，2007.

[6]北京拓爾思信息技術股份有限公司.TRSIDS3.0協作應用集成手冊[R]，2008.