信息化時代高校多校區互動教學的技術及硬件支撐淺探

林 飛 邢躍林

在高等教育課堂中，教師始終是占據講臺中心的主角，師生互動應該始終是學習的核心過程。傳統的黑板和粉筆，原生態的教室環境，讓教師能夠徹底放松，沉浸到教學活動中；而教師和學生近距離的語言和眼神交流，能夠讓教師隨時把握學生的心理活動，讓“教”與“學”兩種活動相互牽引，形成良性互動，并相互激勵，達成最佳的教學實踐。但事實上，頂尖的教師資源是稀缺的，對多個校區的大學來說尤其如此。為此，在信息化時代，多校區遠程互動教學成為有效選擇，以在課堂教學和遠程互動教學活動中達到“現場教學具有沉浸感，遠程教學具有現場感”的效果。“現場教學具有沉浸感”的效果是指課堂授課教師應該避免受到電化教學設備的干擾，三尺講臺是教師的地盤，在他最熟悉的環境中，盡情的表演和發揮。“遠程教學具有現場感”的效果是指在遠程教室參與上課的學生能夠最真切的感受到教師的存在，這種感受體驗應該是全方位的。這也是多校區大學建設互動課堂的基本動力。多媒體資源的運用是有益的，也是必要的，是高等教育中的輔助教學手段。要從教室環境的營造、信號采集、遠程呈現、實時互動、維護管理等方面強化對多校區互動教學的硬件和技術支撐。

一、教室環境

高校多校區遠程互動教學系統可劃分為主講教室系統和聽課教室系統，兩種系統的關注點略有不同，主講教室在保持教室原有風格的基礎上，更強調原始信號的采集，而聽課教室更關心遠程音視頻信號的完美還原、呈現與互動。當然兩種系統可以很好的融合，以更好地平衡教學體驗和錄制效果之間的關系。我們應該更關注教室使用人的心理感受，講課和聽課的體驗。盡可能少對教室進行改造，避免使用過分封閉的環境，避免使用大面積鮮艷的色塊，在聲光處理上要盡可能柔和，同時一定要避免裝修的化學污染。多媒體設備的使用上，要簡單易用，不能讓多媒體設備成為教師的“拐棍”。一般來說，教師服務部門或者物業在上課前一鍵啟動設備，下課時一鍵關閉設備，不能給授課教師增加任何麻煩和不便利性。

依據2011年版的《多媒體教學環境工程建設規范》，一般多媒體教室的水平照度為300-400lx，而錄播型教室需要達到500lx。我們的建議是如果現有多媒體教室水平照度能夠達到300-400lx，就不必再增加光照強度。普通教室影響上課效果的一個重要因素是陽光直射導致的光照度不均勻問題，例如，如果陽光直射黑板，會導致一半暗、一半亮，嚴重影響板書的采集效果。如果有樹蔭影響，也可以導致教師臉部灰白斑駁。所以，建議盡可能選擇建筑物北側的教室，并配有與墻壁顏色相近的窗簾。

教室聲音環境主要有兩個方面的問題需要注意，首先是外界噪聲干擾問題，一般來說大學教室區域比較安靜，如沒有特別的需求問題不大。另一個問題是教室內部混響特性問題，一般來說教室環境在設計之初就考慮了這個問題，如果發現混響超標，影響了遠程授課效果和錄制，也可以采用簡單的方法（例如增加褶皺窗簾，增加主要聲場反射區的遮擋物等等）予以彌補處理。另外，當前技術的發展，完全電子化和數字化的音視頻設備的出現，使得優化和處理錄制后的音視頻質量和效果成為可能。

二、信號采集

音視頻信號的采集是遠程互動教室的信號源，我們在信號采集時需要依據三個原則如下：盡可能不影響教師授課；盡可能還原教師授課的視覺原貌；盡可能還原教師授課和問答的聽覺原貌。

面對聚光燈和攝像機鏡頭，一般人都會不適應，教師也不例外，為保證教師授課的自然發揮，信號采集設備包括攝像機和麥克風應該盡可能隱藏起來，至少不應該過分突兀，不應該有明顯的跟蹤動作。燈光要避免過于明亮，特別是避免對講臺區域的燈光直射。

教師授課一般會使用黑板板書和（或）電腦PPT(電教投影播放)，并在講臺區域走動，使用語言和肢體語言進行充分表達。為此教師信號的采集應該至少包含講臺區域全景，教師特寫和電腦信號三路。教師特寫信號應該能夠在黑板書寫時獲得清晰的板書信號。錄播教室系統一般采用帶有跟蹤的數字攝像機用來還原教師信號和板書信號。為保證攝像的效果，建議盡量避免在教室布置對比度很強烈的畫框和標語，盡量避免講臺區域有非常大面積的對比強烈的色塊。

國外在階梯教室的MOOC錄制經常使用佩戴型的領夾式麥克風，好處是教師的話音始終清晰和穩定，但在初次使用時，同樣也會帶來教師的不適感，但就遠程和錄制效果來說這是最好的選擇。

針對大空間的聲音信號采集，傳統麥克風或者拾音器在距離較遠時往往會同步放大環境聲音而導致聲音混響的不一致。現代的數字語音采集的技術可以使用數字技術聚焦講話人，使全向麥克風實現指向型麥克風的效果，用非線性技術再放大講話人聲音的同時，降低環境噪音和混響，達成聲音效果與距離無關的目標。

三、遠程呈現

遠程教室的大屏幕播放設備，是不同校區的學生加入互動課程，與授課教師近距離接觸的唯一手段（當然如果未來VR技術引入之后會更好）。為了實現遠程教室的現場感，一般情況下，大屏幕顯示設備以投影機正投模式顯示為主，也有采用拼接平板顯示器的多媒體教室。依據2011年版的《多媒體教學環境工程建設規范》，采用投影機正投模式顯示的多媒體教室，屏幕垂直照度以50-150lx 為宜，其照度均勻度應不低于0.7。采用平板顯示器的多媒體教室，屏幕垂直照度以80-200lx 為宜，其照度均勻度應不低于0.7。拼接屏（16：9）顯示系統的最佳視距以屏幕高度的3 倍為宜，投影（4：3）顯示系統的中心視距（最佳視距）以屏幕高度的5 倍為宜，最佳視距0.4-1.5 倍的范圍為有效視距。這樣對于100平方米的教室來說，拼接屏顯示系統尺寸的建議是150-180英寸，投影顯示系統的尺寸建議100-120英寸。

為保證投影系統的還原度和色彩度，建議選用3LCD、3DLP 投影機，投影機物理分辨率不應低于1920×1080，屏幕最低亮度不低于100-120尼特，對應120英寸屏幕來說，投影機要求達到3500流明。但當投影機吊頂安裝時，建議采用金屬屏幕。

在遠程教室里，教室擴音系統主要是為了還原遠程教師的聲音效果，并不是聲音越大越好，能完整聽清，而又感覺不到音箱的存在為最佳。建議遠程教室擴音系統的響度為60-70Phon，聲壓為80-85SPL。揚聲器的安裝位置一般應與視頻顯示設備在相同的方向，以保證學生視聽的統一性。

四、實時互動

現場實時互動是增加遠程教室現場感的重要手段，更關心學生的體驗，“現場感”是其目標。實時互動系統的建立一般通過視頻會議技術實現。對于遠程教室聽課的學生而言，他們面對主顯示設備聽課，并通過這個屏幕與主講教師實時提問和交流。因此，足夠清晰的畫面，能夠真切反映教師的舉手投足和一顰一笑，能夠清楚顯示教師的板書；足夠清晰響亮的聲音，能夠清晰逼真的呈現教師的聲音，包括粉筆敲擊黑板的咔咔聲；通過近乎無延遲的音視頻互動能力，建立起遠程學生與教師無障礙的音視頻溝通是“遠程教學的現場感”的重要保證。

主講教室的教師不僅對講臺下的學生講課，也在對遠程教室的學生講課并問答。這樣教師需要一個新的屏幕來呈現遠程教室的情景，這塊屏幕既不能影響現場教學效果，又能在需要的時候成為教師和遠程教室學生的媒介。

對于主講教室而言，黑板區域和投影區域主要用于本班教室學生觀看，同時黑板區域供教師攝像機采集教師特寫和板書信號使用。互動屏幕不宜放在正面，因為它會占據更多的書寫空間，也是為避免遠程教室的畫面干擾本班教室學生的聽課注意力。而反向吊裝模式比較方便教師與遠程教室學生的互動，但它往往會遮擋主攝像機的攝像，同時互動時教師需要抬頭交流，會使遠程學生感覺并不自然。因此，建議互動屏固定安裝在講臺區域的側面，與黑板成90°夾角。也可以使用可移動電視支架，放置在講臺一側，由教師靈活安置。

遠程教室的聲音建議采用數字化智能麥克風系統，使聲音與距離無關，避免使用手持式麥克風等移動設備。遠程教室的聲音傳送到主講教室后的放音建議使用互動屏幕上的放音設備（電視機音箱），如電視機音箱音量不足可在相同位置增配擴音系統。

五、維護管理

互動教室系統的管理比一般多媒體教室的管理更為復雜，一堂課往往涉及到不在同一物理位置的多間教室，多套多媒體設備，故障排查更困難，修復更復雜，一旦出現故障，影響也會更大、更惡劣。這對系統的可靠性、可管理性、可維護性提出了更高的標準和要求。

高可靠性是對互動教室系統的關鍵要求，為了保證系統的可靠性，我們建議設備應盡可能精簡，多一臺設備就多增加一個故障點。同時，我們也建議設備盡可能使用基于DSP的嵌入式設備，避免使用基于通用操作系統的設備。我們也建議盡可能減少設備與設備之間的連接電纜，多一個連接也多一分故障的概率。互動教室系統應該可以支持預先配置，加電恢復，允許直接斷電的使用模式。系統的使用應盡可能簡潔清晰，一般來說要支持一鍵開關，圖形化操作指示。

互動教室的大規模使用會對系統的可管理性提出很高的要求。這里的可管理性包括幾個層面的可管理問題。首先是設備可管理，每間教室的所有分離設備都應該可以通過網絡進行管理，設備采集的信號都可以在控制中心實時監看，設備狀態都可以實時在控制中心顯示。其次是互動課程的管理，控制中心可以遠程配置互動課程，例如某次課哪間教室作為主講，哪間教室作為聽講，課程時間，主講教師等等。互動課程的管理應能夠與本科生和研究生的教務系統實現對接，例如，從教務系統獲得課程信息，自動配置相關教師的業務狀態等等。

互動教室的管理系統要能夠支持遠程設備啟動遠程調試和測試能力，教室無人值守時能夠測試設備是否正常，錄制和互動效果是否令人滿意等等工作。能夠遠程對系統進行配置、升級和維護操作。