數字化聚合下微格教學環境設計

尹合棟

(重慶第二師范學院 教學資源中心，重慶 400065)

1 引言

微格教學(micro-teaching)是將復雜的教學過程分解成十種教學技能，運用錄播技術將這些訓練拍攝下來，再結合所得視頻進行深入反思與討論，以達到促進訓練者教學能力的一種培訓方法。教師以教育學、心理學和視聽理論為依據，結合現代教育技術對學生進行單項技能訓練，實踐證明微格訓練是提高教學技能的有效途徑，也是培訓教師綜合教學能力的最佳方式之一[1]。傳統微格教學運用模擬電路器件控制攝像鏡頭和云臺，利用模擬音、視頻技術把學生的教學技能訓練視頻記錄在磁帶上，再將磁帶上的視頻轉化為數字資源，這種方式利用模擬器控制鏡頭十分不便，對操控人員有較高技術要求，高頻率使用模擬器容易使器件損壞，通過這種方式錄制的視頻資源不易長久保存，且不容易查詢和檢索，不利于微格教學資源的整理和分享[2,3]。微格教學環境是師范生培養體系的重要組成部分，運用微格教學環境中的自主學習系統，通過在線觀摩、微格實訓和校外實習等多種方式，為師范生人才培養創新發展提供重要的保障。傳統的微格教學將學生限制在教室里討論、評價微格訓練極大限制了學生學習的靈活性，傳統的微格訓練模式由于受到場地影響，觀摩微格訓練的人數受到限制，更別提在微格教學里訓練了。這要求我們利用新的計算機、網絡和多媒體技術對傳統的微格教學環境作進一步的完善和修改。

數字化聚合實質上是信息技術的數字化存在形式，多媒體技術、網絡技術以及智能計算機技術快速發展，推動了教學手段現代化進程，數字化環境下的軟、硬件建設對現代微格教學發展產生了較大的影響[4]。為了讓師范生教學訓練、觀摩、評價和資源共享更加方便，為了更好進行師范生職前、職后一體化人才培養，綜合發展師范生教學實踐、教學評價、教學反思和現代教育技術應用能力，本研究通過電子白板和短焦距鏡頭，利用協同控制錄制機、智能導播、高清攝像機、拾音器、調音臺等現代視聽設備，創造高精度屏幕顯示和高保真音質的現代化多媒體視聽微格教學環境。利用智能跟蹤攝像方式，減輕以往傳統錄播方式下的工作人員跟蹤拍攝及教師重復示范講課的勞動強度，通過軟硬件產品的全方位結合，實現遠程視頻直播并為廣大師生、教研員提供課后點播觀摩和評價，完成知識傳承和進行校際課程交流。利用web開發和“云計算”技術以及中央集成控制理念，對全區域內教學對象、教學環境、教學平臺進行統一管理，以便與全國教育信息一體化接軌。

2 微格教學環境的組成

學習環境是學習資源與人際關系的動態整合體，是支持學習活動的外部條件[5]。在現代數字聚合環境下，一個完整的微格教學系統包括“微格教室”、“觀摩室”、“錄播室”和“控制室”等四個部分。微格教室主要是用于教學技能訓練，例如：導入技術、講解技能、提問技能、演示技能、板書技能等，它把一課堂的多項技能分解后逐一練習，它是在錄播教室進行綜合訓練的基礎。微格教室一般建設在相對安靜地方，大小30-40m2為宜，每個微格教室可容納12個學生左右，學生人數太多不利于小組訓練指導和討論，人數太少則無法模擬真實的教學環境，微格教室內的桌子最好為可組拼的正六邊形課桌，這方便學生小組討論學習[6]。錄播室主要用于錄制一節完整的課，而非某單項教學技能，它一般在所有單項教學技能訓練結束后進行，也可以用于師范生實習前進行強化訓練。錄播室大小為90m2為宜，主要用于模擬真實教學環境，里面的桌子是行向排列，錄播室同時可以作為精品視頻公開課錄制場所。觀摩室大小與錄播室相似，里面的桌子可以分兩種排法，前面幾排坐位用于觀摩錄播室內的試講(或示范課)情況，后面的桌子由正六邊形可拼課桌組成，主要用于學生微格訓練后的小組討論、自我評價、小組互評及教師評價。觀摩室除了用于教學觀摩和評價外，還可以當作微格訓練準備室。控制室大小40-50m2左右，主要實現教學訓練的遠程控制、集中錄播管理、課程的調度、在線教學直播、遠程觀摩評議，教師可以在控制室內通過大屏觀察各微格教室的訓練情況，用語音雙向話筒對學生的訓練給予提示和指導，此外控制室還可以起到安全監控的作用。控制室有大屏顯示器和課件非編系統，里面的資源服務器保存著所有的錄制視頻資源，此外還有訓練平臺服務器、調音臺、智能導播服務器和導播服務器等。微格教室、錄播室、觀摩室和控制室的布局如圖1所示。

圖1 微格教學環境平面布局

3 教室裝修設計與要求

3.1 教室吊頂與墻面設計

微格教室和錄播室的天花板應能夠承受5公斤重量吊裝，主要用于安裝燈和話筒。吊頂可以為整體石膏吊頂和礦棉板吊頂。整體石膏吊頂的特點是安裝完畢后中間沒有拼縫，涂完涂料之后整體顏色一致，整體視覺效果給人美觀大方的感覺，但整體石膏吊頂對環境內部的聲音吸收效果沒有礦棉板的效果好。吊頂鋪設之前應檢查是否要增加線纜，因為吊頂裝好后很難更換或者增加線纜，吊頂破損之后不能很簡單的修補。木質吸音板采用薄板共振吸聲原理，在共振頻率上由于吸音板振動而大量吸收聲能。木質的有較好的吸聲效果，而且它安裝簡便，不易污染。墻面最好安裝木質吸音板，這樣會有效減小教室內聲音的反射，在這環境中錄制的聲音質量較好。

3.2 地面、窗簾和燈光設計

教室的地面要平整，選用矩形為宜，圓形的不適合當作微格教室用。教室地面采用復合吸音地板或者化纖地毯，這樣可以保證教室內部的整體美觀效果，并且可以最大限度吸收環境內產生的回聲。地板下鋪設隔音膜，有效地吸收在地板上走動的聲音，但沒有地毯上走動的聲音小。教室可用整體地毯，這種地毯耐磨有彈性，不易生蟲不易被弄臟，價格也相對合理，在上面走動不會產生明顯的聲音，這樣可以在最大限度上防止錄像中有不必要的聲音被采集。教室內部不能有柱子等障礙物，否則嚴重影響攝像效果和采光。教室最好采用雙層遮光厚窗簾，既可以擋光又可以吸音。教室內的布光要均勻，內部采光基本采用格柵燈，內部平均照度在300～500流明之間。講臺旁邊區域增加補光，保證照度在800～1000流明。使用電子整流器的三基色燈管。講臺區域一般安裝三組面光燈，采用 36瓦× 4的補光燈，距講臺前方1 m，三盞燈均勻分布于講臺左右內側。補光燈的型號：36W×4 DSR系列三基色冷光燈，在墻面需要對應每個燈單獨增加開關。

3.3 師、生采音方案設計

教師話筒采用無線領夾式(或手持式)和界面式結合使用，學生的采音使用拾音器，一般90m2的教室用四個吊式話筒拾音器即可。教師在講臺前授課或在講臺兩側講話均可用界面話筒有效采音。教師在黑板板書時的授課聲音可通過黑板下方的界面話筒采音。無線話筒使用在采音和擴音時效果比界面話筒好，但有個問題是，當話筒電池沒電或話筒耳機接線與衣服摩擦產生靜電會影響聲音采集，而界面話筒剛好可以彌補這些不足。學生的話筒采用吊頂式，其安裝位置離黑板中間有大約2～5m，偏離中間2m左右，話筒向下傾斜40度。安裝話筒的位置盡量避開日光燈以及投影機，因為日光燈的整流器在運行的過程中會產生噪聲，投影機運行的時候散熱風扇也會有較大的噪聲，會對聲音錄制有較大影響。空調建議選用低噪音的,比如直流變頻空調,盡量避免因空調噪聲影響采音效果[7]。

4 微格錄播環境的布置

本文研究的錄播系統是智能錄播系統與微格訓練系統有機結合，這種方式結合了學校教師教育設計而成，并且將這兩種系統軟件作了無縫銜接。微格教學系統由軟件集中控制，通過校園網絡連接一起，系統中心交換機采用Intel千兆網連接，以保證系統對多媒體素材高速率傳輸的要求，微格教室電腦和交換機采用千兆連接。系統主交換機通過千兆校園網線連接，以保證整個網絡數據傳輸的暢通性。

錄播室采用最新的布線方法，在教室的前端配有電子白板和短焦距投影儀，短焦距投影儀可以避免教師的影子投到白板上，也方便教師直接觸摸電子白板進行演示、板書，增強課堂教學的交互性。以錄播室為例，教師講臺上配有一個10寸顯示器，主要用于視頻錄制過程中訓練者能實時看到錄制效果。錄播室采用5機位拍攝法，2臺廣播級攝像機及3臺高清攝像機，分別用于跟蹤拍攝教師特寫、學生特寫、教師板書及課堂全景。5個機位所采集的視頻信號傳送到智能導播系統，導播系統將信息傳送至服務器錄制課件。拾音器采集聲音后通過調音臺將信號傳送給智能導播系統。控制室主要存放智能導播、圖像定位、調音臺、錄制服務器、直播非編服務器、微格實訓平臺服務器等設備，在這些設備中要預留硬件升級接口，能將錄播室和微格教室的音視頻設備連接起來。中控將所有信號源匯合，可實現教學實時錄播，可以通過網絡進行在線觀摩、互動和學習。微格教學環境主要部分網絡拓撲結構如圖2所示。

4.1 智能跟蹤系統

用圖像識別技術實現智能跟蹤，根據教師不同身高自動調整教師在鏡頭里的位置，整個跟蹤無需人為操控和干預，教師也無需使用其它跟蹤儀器拍攝，這在一定程度上消除教師的緊張情緒，使其更好、更快進入教學角色。智能跟蹤可以對在教室行走的教師進行跟蹤拍攝并給予特寫，當有學生站起來回答問題則可激發學生定位系統，從而學生攝像機就對學生進行特寫拍攝，學生回答結束坐下后，智能跟蹤又重新發揮作用，如果有多名學生同時站起來回答問題，學生定位系統則自動切換到學生全景，當只有一個學生回答時又給予特寫，這種特寫、近影和全景的自動切換過程充分體現了智能跟蹤拍攝高效性。

4.2 智能導播系統

攝像機接收到圖像定位系統的指令后，對老師板書、學生進行跟蹤拍攝，然后把采集的視頻信號傳送給智能導播系統。智能導播系統主要是對所錄制的多場景和多視頻信號和計算機畫面進行智能切換，通過觸摸顯示屏可以方便控制多路視頻信號。智能導播系統有自動錄播系統的導播功能，同時也有切換視頻信號的功能。運用智導播系統可以有效調度及切換教師的講授、板書，學生回答，師生的交互，計算機桌面以及其它實物展示畫面。這種智能化調試與切換與實際教學的程序一致，精準的畫面表達可以有效展示教學的重、難點，基本符合學習者的學習認知需求。

4.3 課件實時錄制系統

智能導播系統完成導播過程后，把屏幕流、音頻和視頻數據，通過集控式錄播服務器進行實時采集并生成課件。各教學點(采集端)設計方案如表1所示，其中教室視頻采集端主要采用三種形式：第一種方式(軟件形式)是在教師機上安裝視頻采集卡及PowerCreator Composer軟件，通過軟件采集視頻、音頻、VGA等信息。第二種方式(硬件形式)是在教室安裝視頻服務器(編輯器)，通過專門的硬件采集視頻、音頻、VGA等信息。第三種方式(混合形式)是VGA信息通過PowerCreator Teacher軟件捕獲，視頻信息通過視頻服務器捕獲。課件實時錄制系統可以高效地把教學場景錄下來，生成完整的流媒體課件，還能將電腦桌面的內容和電子白板的內容以及鼠標移動軌跡記錄下來，并且通過動態捕捉每章課件的標題生成文字索引，文字索引給學生播放課件及后期資源整理帶來了很大方便。音視頻部分采用MPEG4壓縮算法(ASF/WMV格式)，文件質量和大小相對合適。教室音頻采集用無線Mic，用音頻線連接采集端計算機的聲卡，采集端計算機把音頻信號傳遞到集控式錄播系統服務器。也可以把音頻信號接到視頻服務器，通過網線傳遞音頻信號。

課件錄制過程中，可以通過圖像和聲音預覽和監視，實時檢查課件的完整性，避免課件聲音失真。生成的課件既可以為三分屏模式、單畫面電影模式。三分屏模式包括視頻播放區、課件目錄區和電腦顯示區。其中單畫面電影模式中的畫面可以是單一的教師講解的視頻，也可以是教師講解與學生互動、教師問學生回答、學生操作練習與教學課件的結合，單畫面電影模式一般以畫中畫模式呈現。通過這種方式得到的視頻為ASF格式或VGA格式，ASF 格式點播時無需安裝播放插件，VGA格式課件小、圖像質量好。

表1 課件錄制方式組合方案

4.4 非線性課件編輯系統

課件實時錄制系統生成的課件，可能會對其進行編輯，比如刪減PPT中的錯別字，剪切掉錄制的雜音、噪音等等，普通的非線性編輯系統premiere只能對單畫面電影模式的視頻課件進行二次編輯的，而對于三分屏流媒體課件則要用到專門的PowerCreator media studio v2.0編輯軟件，因為三分屏課件的視頻、PPT和文字索引是一個數據包，而非單一的視頻對象，它只能用該軟件對三分屏進行編輯，運用這種軟件可以很方便對PPT內容進行刪減、補充，也可以對課件聲音進行再加工，也可以添加字幕、片頭和片尾。

5 直播、點播功能設計

系統支持點播也支持多個教室同時直播，實時直播的內容包括教師的圖像、聲音、學生畫面及電腦屏幕等。實時直播教師的圖像與聲音能與屏幕直播保持同步，在小網絡環境下也能收看直播。動態屏幕直播可把計算機屏幕教學內容、FLASH動畫、鼠標運動軌跡以及電子白板等內容流暢的傳輸到客戶端。這種直播方式自動化程度高，客戶端無需任何操作，通過服務器直接控制客戶端直播。在直播前必須運行直播服務器上的PowerCreator Live Server軟件，直播服務器從錄制服務器實時取得視頻、音頻以及屏幕信息，并發送給客戶端用戶進行直播。通過局域網、互聯網可把課堂內容實時傳播出去，客戶端用戶通過IE瀏覽器可收看直播課堂內容。學生可以在觀摩室的電子白板觀看各個微格教室和錄播室的現場試講或授課情況，學生也可以用Internet Explorer游覽器收看基于Web的課堂直播。點播與直播相似，學習者可以通過互聯網訪問點播資源庫內的視頻進行在線學習。直播服務器結構如圖3所示。

圖3 直播系統結構圖

6 微格教學環境設計要注意的問題

在進行微格教學環境設計時要充分利用學校現有的計算機、投影儀、電子白板、服務器、視頻采集設備、調音臺等資源，除了要對錄播教室進行防噪處理和燈光設計外，還要對錄播過程中的智能跟蹤、智能定位、智能導播以及課件的實時錄制作科學、合理地架構。攝像機對教師的智能跟蹤要穩定，跟蹤拍攝出來的畫面要連續，不能有跳躍感，跟蹤系統對強光和電磁波要有一定程度的抗干擾性能力，不能因強光和電磁干擾而影響智能跟蹤的靈敏性。跟蹤過程中應無盲區，所拍攝的畫面要有重點且能進行實時特寫跟蹤。智能定位主要是針對學生的回答問題自動給予特寫，學生回答完畢后能自動切換到教師攝像機，整個切換過程應自動完成，最好不用人工干預，這樣可以提高錄播的效率。智能導播要做到智能切換，能自動識別場景變化內容并且自動對核心內容作特寫。智能導播系統的跟蹤與切換方法要以實際教學為基準，并要求支持多通道和多文件輸入。課件實時錄制所得課件能自動生成文字索引，并能創建縮略圖索引，所得課件音、視頻能保持原圖像。

7 結束語

本文設計的微格教室、錄播室采用先進的數據傳輸、數字存儲、多媒體編輯、視頻點播、在線直播技術，這種智能化教學環境使學生微格訓練的方式發生了很大改變，激發他們對教學技能訓練的興趣，這種方式也改變微格教學評價的方式，由傳統的面對面的評價轉變為在線評價，運用智能化錄播系統可以制作豐富的微格教學案例資源庫，也可以在他們的微格訓練視頻中選擇一些正、反案例作為資源庫素材，同時也可以將這些視頻作為分析教學的訓練情景。這種數字化微格教學環境使師范技能訓練過程更優化，教學效果得到進一步提高。微格教學環境的設計與應用提高了應用型本科院校師范生教學能力，增加了他們的核心競爭力，利用微格教學錄播系統能有效進行網絡課程和微課程的實時錄制，有利于區域內教學資源收集整理，從而儲備優質教學資源，為今后優質教學信息化環境搭建提供有力的數據保障。

參考文獻：

[1]尹合棟.數字化網絡微格教學平臺的構建與應用[J].中國遠程教育,2012,(5):69-75.

[2]薛勝蘭.信息技術環境下微格教學系統的構建[J].實驗室研究與探索,2007,26(5):64-68.

[3]俞樹文,王鋒.基于網絡的數字化微格教學系統的建設[J].現代教育技術,2007,17(9):102-104.

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[7]胡檢勤.中小學高清錄播室建設方案[J].中小學電教,2011,(6):20-21.