面向MOOCs的云錄播教學環境的設計與實現

宋述強，鐘曉流，李海霞，杜 婧，許俊華

(清華大學 信息化技術中心，北京 100084)

自20世紀80年代以來，在以多媒體、計算機和互聯網為代表的信息技術的推動下，各級各類學校的教學環境建設也日益信息化。20世紀90年代學校信息化建設的重點是計算機和多媒體的普及與應用，要求教室接入校園網并能夠便捷地訪問互聯網[1]。本世紀初的第1個10年，國內學校圍繞著數字校園的醞釀、規劃、建設和應用展開教育信息化工作。進入本世紀的第2個10年，學校信息化建設正經歷著從數字校園到智慧校園的發展轉型[2]。

2012年以來，大規模在線開放課程(massive open online course,MOOCs)在全球范圍內廣泛興起[3-5]。MOOCs源自加拿大曼尼托巴大學(University of Manitoba)喬治·西蒙斯(George Siemens)2008年所開設的聯通主義與聯通的知識(Connectivism & Connective Knowledge)課程[6]。2012年，發端于美國頂尖大學的MOOCs網站Udacity、Coursera、edX相繼上線并廣受關注。《紐約時報》(New York Times)更是把2012年稱為“MOOC之年(The Year of the MOOC)”[7]。2013年5月，清華大學、北京大學相繼宣布加入edX。7月上海交通大學、復旦大學先后加入Coursera。2013年10月，清華大學基于edX開放源代碼研發的中文在線教育平臺“學堂在線(xuetangX)”投入運營。

出于規模化錄制教學視頻用以支持MOOCs建設的迫切需求，自2013年下半年起，清華大學啟動MOOCs錄播環境建設專項，并由清華大學信息化技術中心負責具體實施。本文以該項目為背景，設計并實現了一個基于云計算技術的錄播型教學環境。錄播系統不能孤立地存在，必須在一個特定的應用環境中，與環境中其他設備或應用系統相結合，才能顯示其生命力[8]。基于云計算架構、大數據存儲和物聯網智能管理的錄播教學環境，正成為智慧校園建設的重要內容之一。我們希望通過對一個云錄播教學環境的系統剖析，能夠為相關的建設項目提供可資參考的案例。

1 MOOCs中教學視頻的主要類別

大規模在線開放課程通常包括基本信息、課程日歷、課程大綱、教學視頻、拓展資源、互動論壇、作業測試等元素。由于注冊學生規模龐大并且知識背景、學習能力各有不同，為了保證教學效果，促進有效學習活動的發生，課程通常會提供大量結構化的教學視頻供學生開展自主學習。按照制作方式，這些教學視頻通常可以分為專題制作、錄屏合成和課堂實錄三大類別。

(1) 專題制作類。專題制作類教學視頻除了滿足教學需要外，還具有較高的藝術水準，畫面優美、制作精良。這一類教學視頻通常需要專業的制作團隊運用專業的攝錄編設備進行專業級，甚至是廣播級的制作，制作成本高且周期長。

(2) 錄屏合成類。錄屏合成類教學視頻是通過錄屏軟件(Camtasia Studio、Articulate Storyline、Snap by Lectora等)將課程講義、演示或演算過程以及講解旁白所合成的視頻格式的教學課件。這類教學視頻制作成本低，個人即可完成，但適用范圍有限，品質也難以保證。

(3) 課堂實錄類。課堂實錄類教學視頻通過在教學現場多機位(通常為三機位)的拍攝，并經過后期的編輯加工，真實地記錄了課堂教學的全過程,包括教師講授、板書書寫、課件演示、學生反應等。這一類教學視頻具有較強的臨場感，可以調動學生學習的積極性。

2 傳統錄播教室的組成及特點

與專題制作和錄屏合成相比，課堂實錄具有最好的臨場感，可以很好地兼顧教學視頻的品質與編輯制作的成本，是規模化制作教學視頻的首選方案。課堂實錄類教學視頻通常在錄播教室中錄制。

2.1 傳統錄播教室的系統組成

錄播教室源于微格教室，通過專門的錄播軟硬件設備代替人工錄像，把教室內的聲音、圖像、課件以及教學過程同步錄制為流媒體文件，用于存儲、編輯、直播、點播等[9-10]。典型的錄播教室主要由基礎設施、演示系統、音頻系統、中控系統和錄播系統五大部分組成(如圖1所示)。基礎設施主要涉及物理空間、供配電、燈光照明、網絡接入、空調新風、桌椅講臺、黑板等。演示系統包括計算機、投影機、投影幕、顯示屏等設備。音頻系統包括拾音話筒、調音臺、功率放大器、音箱等設備。中控系統包括AV管理中心、控制觸摸屏、繼電器、中控主機等設備。錄播系統包括多機位攝像機、控制云臺、特技切換臺、編碼器和存儲服務器等設備。

圖1 錄播教室的系統組成

2.2 傳統錄播教室的主要特點

錄播系統的廣泛應用能夠推動精品課程資源建設，進而帶動教與學質量的提升[11]。傳統錄播教室的最大特點是以單一教室為運行單位，各間錄播教室自成體系，遇到有多門課程需要同時錄制的情況，每個教室都要配備1～2位技術人員進行操作。由于沒有流媒體發布平臺和視頻管理系統，傳統的錄播教室也不能實現現場直播和網絡點播。總之，系統的集成度較低不利于擴展、建設運行的成本較高難以統一管理、缺少管理與發布系統資源共享不便捷,是傳統錄播教室的3個主要的缺點。

3 一個云錄播教學環境的設計與實現

如前所述，隨著MOOCs在國內外的蓬勃興起，各個高校建設海量視頻資源的需求正源源不斷地產生。如何在原有錄播教室的基礎上，進一步搭建高效率、低成本、多應用的錄播教學環境，已經成為各級各類教育培訓機構進軍MOOCs領域需要迫切解決的先決問題之一。下文將從設計原則、體系架構和系統功能3個方面詳細地介紹一個面向MOOCs的云錄播教學環境的設計與實現。

3.1 設計原則

云錄播教學環境建設項目是系統化的集成工程，它不是將各間錄播教室簡單地連接和疊加，而是立足需求，采用技術領先且成熟可靠的集成方案，將各種軟硬件設備以最優的性價比，科學合理地應用到系統工程中，使竣工后的項目不但能夠滿足課程錄播和資源共享的功能需求，而且操作簡單、應用便捷。在本項目的設計方案中，我們主要遵循了如下原則[1]：

(1) 實用性與先進性。基于錄播和教學的實際需求，在保證方案實用性的基礎上，著眼于提升錄播教學環境的智能化水平，以適應未來應用與技術的發展趨勢。

(2) 可靠性與高性能。采用成熟并有較多成功案例的錄播軟硬件設備與集成方案，保證系統的安全性與穩定性，為錄播全過程提供高效率、高品質的技術環境支持。

(3) 完備性與拓展性。充分考慮錄播環境與智慧校園的優化融合，發揮系統整體的最優性能，同時遵循各種標準化的錄播技術體系，便于未來系統的拓展與升級。

3.2 體系架構

云錄播教學環境面向課程錄播和教學應用，以分布式音視頻信號采集與編碼為基礎，以云端錄播服務為核心，支持多間錄播教室統一管理和信號同步采集，可以實現集中式錄制或分布式錄制，在高并發用戶情況下實現流暢的視頻錄制和資源共享。云錄播教學環境的體系架構包括錄播教室單元、錄制私有云、播出公有云和多訪問終端4層結構，具體如圖2所示。

圖2 云錄播教學環境的系統架構

(1) 錄播教室單元。分布在不同校區的錄播教室是云錄播教學環境的信息采集單元。錄播教室中被采集到的各種音視頻信息在進行了相應的編碼處理后，通過校園網被推送到私有云端。錄播教室可以便捷地調用處于私有云端的錄播、編輯以及存儲服務。

(2) 錄制私有云。錄制私有云是云錄播教學環境的核心組成部分，它是面向錄制需求而運作的云端軟硬件及服務，主要包括錄播主機、編輯工作站和存儲服務器及其相應的錄播、編輯和存儲服務等。錄制私有云提高了系統的高效率和敏捷性。

(3) 播出公有云。播出公有云是云錄播教學環境的視頻播出平臺，借助于直播服務器和點播服務器等基礎設施，面向終端用戶提供標準的視頻直播或點播服務，同時提供嚴格的用戶認證管理機制，保障資源獲取的安全性和穩定性。

(4) 多訪問終端。隨著3G和4G移動網絡的興起，互聯網的訪問終端不再局限于臺式機和筆記本電腦，智能手機、平板電腦等移動終端得到越來越廣泛的應用，用戶可以通過多種訪問終端獲取位于公有云端的教學視頻直播服務或點播服務。

3.3 設備選型

設備選型是指根據最優性價比的原則和未來升級擴容的要求，對各種設備進行全面調查和分析比較，以選定錄播軟硬件設備的優化方案。本方案中的主要設備見表1。

表1 云錄播教學環境的主要設備

3.4 功能特點

云錄播采用按需分配資源的模式，大大提高了各種軟硬件資源的利用效率[12]。在提高資源利用率的同時，云錄播教學環境也大大降低了單間錄播教室的建設成本，這有助于常態化課堂錄播的普及。由于數據和應用都以服務的形式統一部署在云端，因此可以輕松實現數據和應用的共享，基于網絡的應用擴展也變得更加簡單快捷。基于云端的分布式存儲也使數據的可靠性和安全性得到了極大的提高。具體說來，本方案設計與實現的云錄播教學環境具有如下功能特點：

(1) 多種方式并存的錄制功能。傳統方案在每間錄播教室都配備一臺錄播主機，本方案基于錄制私有云，通過一臺云錄播主機可以對接多間錄播教室(最多可以接入20間)。既可以進行統一的集中式錄制，也可以單獨控制各個錄播教室進行分布式錄制。

(2) 高效率的集中化管理功能。通過位于私有云層的中央控制系統，對云錄播教學環境中的各種音視頻設備進行集中化的管理，能夠實現無人值守的多頻道7×24小時自動直播。集中化的管理既保證了系統運作的高效率，同時也便于未來的拓展和升級。

(3) 方便快捷的資源發布功能。如有需要，在錄制教學視頻的同時通過公有云端的直播服務器可以進行現場直播。錄制編輯后的教學視頻能一鍵上傳到點播服務器，MOOCs學習者可以通過多種終端進行點播學習。無論直播還是點播，呈現頁面都可以靈活定制，這大大減少了發布的工作量。

4 結束語

隨著MOOCs在全球范圍內的廣泛興起，出于規模化錄制教學視頻的迫切需求，錄播教學環境正成為智慧校園建設新的重點。通過調研MOOCs中教學視頻的主要形式，我們認為課堂實錄是規模化制作教學視頻的首選方案。在分析了傳統錄播教室的系統組成和特點之后，我們提出了一個面向MOOCs的云錄播教學環境的設計與實現。通過對該案例的系統剖析，我們期望能夠為相關的建設項目提供可資借鑒的參考。

[1] 聶鳳華,鐘曉流,宋述強.智慧教室:概念特征、系統模型與建設案例[J].現代教育技術,2013,23(7):5-8.

[2] 胡欽太,鄭凱,林南暉.教育信息化的發展轉型:從數字校園到智慧校園[J].中國電化教育,2014(1):35-39.

[3] 蔡文璇,汪瓊.2012:MOOC元年[J].中國教育網絡,2013(4):16-18.

[4] 焦建利.MOOC:大學的機遇與挑戰[J].中國教育網絡,2013(4):21-23.

[5] 李明華.MOOCs革命:獨立課程市場形成和高等教育世界市場新格局[J].開放教育研究,2014,19(3):11-29.

[6] Massive open online course[EB/OL].[2014-03-31].維基百科網站,http://en.wikipedia.org/wiki/Massive_open_online_course.

[7] Laura Pappano.The Year of the MOOC[EB/OL].[2014-03-31].紐約時報網站,http://www.nytimes.com/2012/11/04/education/edlife/massive-open-online-courses-are-multiplying-at-a-rapid-pace.html?pagewanted=all.

[8] 鐘曉流,李海霞,宋述強.流媒體錄播環境的設計[J].智能建筑與城市信息,2013(3):91-95.

[9] 中國教育技術協會技術標準委員會.多媒體教學環境工程建設規范(第三冊)視頻系統設計規范[M].北京:清華大學出版社,2011:53.

[10] 黃山涯,陳磊.錄播教室的功能設計及其建設[J].實驗室研究與探索,2010,29(10):378-380.

[11] 董榕,許瑋,張劍平.高校視頻公開課建設及其思考[J].現代教育技術,2012,22(6):54-59.

[12] 房棟,李宣.基于云錄播的職教微格實訓系統設計[J].現代教育技術,2014,24(2):115-119.