C-campus交互式教學支持系統研究與實現

鐘曉流, 李海霞, 宋述強, 許俊華, 陳基和, 關士民, 馬　煜

(清華大學 信息化技術中心, 北京　100084)

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C-campus交互式教學支持系統研究與實現

鐘曉流, 李海霞, 宋述強, 許俊華, 陳基和, 關士民, 馬煜

(清華大學 信息化技術中心, 北京100084)

依據同步與異步相結合、線上與線下相結合的全交互教學與學習環境的理念,創建了基于物聯網和云計算的智能感知、智慧管理、智慧互動反饋、智慧顯示等核心技術的遠程實時同步課堂,實現了不同實體或虛擬教學空間教室畫面、師生電腦畫面等在異地課堂同步顯示、錄制及實時直播、發布、點播、交互與分享等功能,在改進教學模式、豐富教學手段和提高教學效率等方面發揮了積極作用。

交互式教學: 物聯網應用； 虛擬演播； C-campus項目

利用物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術組織教學活動、幫助學生開展個性化和協作式的學習,成為高校教學改革的熱點議題[1-3]。隨著學校國際化發展及對口支援建設等需要,越來越多的課程需要進行異地講授[4-5]。本文以清華大學C-campus項目(國際合作聯合培養人才計劃建設項目)為背景,結合作者在清華-伯克利深圳學院項目的實踐成果,遵循情境認知理論、活動理論及人體工程學理論(視覺理論、聽覺理論),提出了同步與異步相結合、線上與線下相結合的全交互式教學與學習環境的理念,創建了基于物聯網和云計算的i-perceive(智能感知)、i-management(智慧管理)、i-feedback(智慧互動反饋)、i-view(智慧顯示)等核心技術的遠程實時同步課堂——C-campus交互式教學支持系統,不僅實現了本地課堂師生間、國際、國內不同區域的院校間課堂教學內容的任意顯示和師生交互,還可進行現場錄制、直播、點播等數據采集、存儲與推送,成為創新型人才培養和科研創新的新型國際化支撐平臺。

1　C-campus交互式教學支持系統設計理念

1.1全交互教學與學習環境

學習是在學習者與學習資源和環境的有效交互中進行的[6]。項目組提出了同步與異步相結合、線上與線下相結合的全交互教學與學習環境的理念,使得教學活動涉及到的各個主體——教師、學生、活動、資源之間能夠深度交互,尤其是分布在異地的師生也能夠進行充分的溝通和交流,相互提供語言和非語言的反饋,從而實現知識的共同建構和實際解決問題能力的培養。

1.2引領研究型和協作型教學模式的改進

系統提供的教學環境和學習平臺幫助教師重新理解教學目標,除了知識傳授之外,更注重交流、互動、語言表達、小組內的協調和共事能力,并教育學生尊重來自不同國家、不同民族的同學的價值觀,從而引導學生完成更多的研究型和協作型任務,提高研究與協作能力。另外,系統的全向交互功能增強了各物理課堂之間的互動,方便了學生的參與；網絡學習平臺和移動學習系統的無縫融合,能夠促使學生采取更加主動、基于問題的研究式學習與訓練[7]。

1.3構建智慧教室,實現課內外一體教學

C-campus交互式教學支持系統實際上是依托移動互聯/物聯網為交流載體,以多媒體為信息媒介,以服務器集群處理(云計算、數據挖掘)為技術支撐,構建的泛在化、感知化、一體化、智能化的新型教學生態系統。在線同步課堂或虛擬課堂實際上是網絡感知系統、演示教學系統、云交互系統、智能化控制系統、虛擬演播系統和智能化視窗系統等一體化深度融合而構建的智慧教室,將人(教師與學生)和教學設計、教學環境與教學資源等教學活動的主要元素統一到在線同步課堂中。系統具有以下特點:

(1) 利用云交互平臺實現全方位交互。系統采用遠程虛擬視頻技術,使參與課程的師生雖遠隔千里,但如同在同一教室。另外,系統采用軟交換技術將本地和遠程音視頻數據進行統一調度,使用戶可以隨時得到教室全局、教師電腦、學生電腦、電子白板的音視頻數據,便于信息的交流與共享,增強了物理課堂之間的互動,方便了學生的參與。

(2) 采用集群推送技術實現資源共享。系統利用集群推送技術,使教師或學生的教學資源(查詢/檢索在教育資料管理系統中的各種數據)能夠實時地推送或策展,并將結果顯示在大屏幕上或下載到師生電腦中。

(3) 應用虛擬演播系統(i-studio)實時記錄。應用三訊道高清記錄采集系統實現教學過程全記錄,可實時參與或非實時點播,便于師生重復學習,積累教學素材[8]。系統的錄播功能可以同步記錄教室全局畫面、學生畫面、學生電腦畫面、電子白板畫面等,對于錄制的所有畫面,無論是本地的還是其他院校的內容,都將在后臺保存起來,并且可以分享到網絡上。學生只需輸入網址、賬戶、密碼,即可在播放課程的同時對課程進行實時評論,并且這些評論也會和所對應的課程保存在一起,在點播相同內容時一并呈現,從而建立起了一個有關課程錄制、發布、分享、點播以及評論的有效建設機制。

(4) 引入移動學習系統,實現無縫學習。系統通過深度的網上多方交互功能,輔助建立跨文化、跨學科的虛擬學習社區,實現教學的課內外無縫鏈接。系統為教學提供了豐富的交流模式,包括視頻、音頻、文件等在內的素材,在課程進行中可以靈活展示,同時配合有專門的網絡學習平臺及移動學習系統。來自各國的學生可以隨時復習、重復瀏覽、開展討論、提交作業、進行協助任務等,獲得無縫的信息共享。

2　系統架構與基本功能

C-campus交互式教學支持系統的目標功能是滿足國際教學交流與合作的全方位交互需求,不僅要實現國內外不同區域院校之教室的全景畫面、教師畫面、學生畫面、師生電腦畫面在本、異地課堂中的同步顯示,能夠進行分組討論,而且還要將這些畫面同步錄制下來,通過網絡實時直播和非實時發布、點播、分享。其設計遵循了智慧教室的總體理念[9-10],系統架構如圖1所示。

圖1　智慧教室的系統架構

C-campus交互式教學支持系統根據智慧教室的設計理念和具體需求,分為信息門戶系統、多媒體演示系統、云交互系統、移動學習系統、高清錄播系統、大屏幕顯示系統和智能化管理控制系統等7個子系統,7個子系統既相對獨立,又深度融合。7個子系統實現的基本功能如下:

(1) 信息門戶系統。主要針對適用對象(教學主管人員、教師、學生、運行維護技術人員)的權限管理,解決用戶注冊、登錄、認證問題,其中教師可對學生的權限進行管理。

(2) 多媒體演示系統。多媒體教學設備齊全,教師或學生可根據教學資源、教學手段和教學模式的需要,選擇多種演示型多媒體教學設備或系統(音視頻播放、動畫、PPT、實物、手寫板或圖片等)。

(3) 云交互系統。云交互系統包括師生之間的課堂交互和課下交互、本地交互和異地交互等；此外,教師可根據需要對本地和異地學生進行隨意編組并展開討論。

(4) 移動學習系統。即使教師或學生不在課堂,根據授權可通過移動終端加入教學活動。

(5) 高清錄播系統。三訊道高清錄播系統主要解決了課件實時錄制、非實時點播的問題,對錄制的課程可進行點評、添加說明、分享給其他人等操作。

(6) 大屏幕顯示系統。大屏幕顯示系統可調用教師畫面(如手寫屏、視頻和PC界面等)、學生畫面(如手寫屏、視頻和PC界面等)、本地或異地師生交互畫面、流媒體課件點播重放畫面、異地校區/教室/學生的畫面等,可根據需要,將本地或異地教學畫面或分組討論教學畫面進行單屏、雙屏或多屏(最多9畫面)顯示。

(7) 智能化管理控制系統。主要解決各種設備控制與信號的調度、教學活動在線錄制以及重放、師生之間資源信號的集群推送或策展、本地和異地之間進行數據交換和遷移等。

3　主要技術指標比較

C-campus交互式教學支持系統依托通信和信息技術的集成,實現了教學活動環境(教學活動及過程)、教學活動資源(教師講義、學生作業等)、教學活動管理(教學活動預約、編組討論和互動反饋等)和教學服務(系統或設備控制管理)的智慧化[11-12]。它功能強大,不僅適用于演示型教學、案例教學、討論教學、語言教學等,還具備視頻會議、討論型會議等功能。系統中采用的關鍵技術在國內外高校中都屬于比較領先的水平。圖2和圖3分別對比了與清華大學開展國際課程合作的瑞典皇家理工學院、美國德克薩斯大學奧斯汀分校等類似平臺的技術指標,可以發現,C-campus交互式教學支持系統在最大分辨率、所支持的視頻流、計算機屏幕抓屏、課堂環境聲音拾取、教室畫面轉場特技、校區/教室虛擬呈現、互動過程同步錄制、交互過程重放、網絡虛擬教學社區等方面具有較大的優勢。

圖2　與國外類似平臺KTH的技術指標對比

圖3　與國外類似平臺美國UTA的技術指標對比

4　結語

目前,C-campus交互式教學支持系統除了服務于學校人才培養和跨國遠程學術交流外,也用于與國內外各高校合作開設課程,已為學校7個院系和國內外9所大學聯合開展的課程提供了支持。系統的使用一方面開拓了學生的視野,使他們可以直接參與具有國際水準的課程學習,并以新的教學方式實現創新型人才的培養；另一方面,節約了大量邀請國際專家往返交流的經費,為推動教學和科研發展奠定了基礎。

系統的建成使用得到了師生的肯定,也得到同行的認可和高度評價。最近兩年先后有來自瑞典皇家理工學院(KTH)、首爾大學、北京大學、中國人民大學、復旦大學、浙江大學等20余所高校的教育技術部門到清華大學進行實地考察,該系統也已成為國內外高校建設交互式教學支持系統的參考范例。另外,本項目的建設成果作為中國教育技術協會行業標準《多媒體教學環境工程建設規范》的典型建設案例，被推廣到全國上百所高校。

References)

[1] 杜洋.淺析信息化背景下高校教學改革面臨的機遇與挑戰[J].中國教育學刊,2015(增刊1):131-132.

[2] 鐘曉流,宋述強.信息化環境中基于翻轉課堂理念的教學設計研究[J].開放教育研究,2013(1):58-63.

[3] 石世美.高校信息化學習環境的研究與設計[D].北京:北京理工大學,2015.

[4] 李紅美,陸國棟,張劍平.后MOOC時期高等學校教學新模式探索[J].高等工程教育研究,2014(6):58-67.

[5] 丁俊杰,郭林.中美高校傳媒專業教學理念比較研究:以“全球電視媒介產品制作”異地同步課程為例[J].現代傳播:中國傳媒大學學報,2007(6):133-134.

[6] 王志軍,陳麗.聯通主義學習中教學交互研究的價值與關鍵問題[J].現代遠程教育研究,2015(5):47-54.

[7] 鐘曉流、宋述強、胡敏,等.第四次教育革命視域中的智慧教育生態構建[J].遠程教育雜志,2015(4):34-40.

[8] 宋述強、鐘曉流、李海霞,等.面向MOOCs的云錄播教學環境設計與實現[J].實驗技術與管理,2014,31(8):177-180,214.

[9] Song Shuqiang,Zhong Xiaoliu,Li Haixia,etc. Smart Classroom:from Conceptualization to Construction[C]//the 10th International Conference on Intelligent Environments(IE’14).Shanghai,2014.

[10] 鐘曉流,聶風華,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(7):5-8.

[11] Zhong Xiaoliu,Li Haixia,Song Shuqiang,et al. An intelligent platform for the multimedia instruction environment based on i-control,i-management and i-view[C]//the 10th International Conference on Intelligent Environments(IE’14).Shanghai,2014.

[12] 吳庚生,鐘曉流.e-時代的教學環境[J].實驗技術與管理,2009,26(3):1-6,24.

Research and realization of C-campus interactive teaching support system

Zhong Xiaoliu, Li Haixia, Song Shuqiang, Xu Junhua, Chen Jihe, Guan Shimin, Ma Yu

(InformationTechnology Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Based on the idea of combining synchronous and asynchronous,online and offline teaching and learning, this article explorates the technology of cloud computing and Intenet of things,the whole interactive system has been developed with i-perceive (intelligent perceive),i-management (intelligent management),i-feedback (intelligent feedback),i-view (intelligent view), and other core technology. Fuctions of the system include synchronized displaying teachers and computer screen simultaneously in remote classrooms; recording, displaying and sharing the live scene of teaching and learning; etc. And the system has played a positive role in improving the teaching mode,teaching methods and teaching efficiency.

interactive teaching； application of Internet of thing; virtual studio； C-campus project

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.038

現代教育技術

2016-04-28

鐘曉流(1963—),男,江西新建,碩士,高級工程師,主要研究方向為多媒體視聽技術與應用環境.E-mail：dj-zhxl@tsinghua.edu.cn

G642.4

A

1002-4956(2016)10-0152-04