基于云錄播的網絡學習平臺構建關鍵技術探析

李 伽

（宜賓學院網絡與多媒體管理中心，四川宜賓644007）

2012 年，教育部發文指出，教育信息化發展目標是要基本建成人人可享有優質教育資源的信息化學習環境，以及信息技術與教育融合發展的水平顯著得以提升[1]. 同時強調，要充分整合現有資源，采用云計算技術，形成資源配置與服務的集約化發展途徑，構建穩定可靠、低成本的國家教育云服務模式，這為推動教育模式的改革、實現教育現代化指明了方向.

網絡學習平臺是創建教育信息化環境的重要工具，它在加速教育技術進程，提高學生自主學習能力，促進高校的教育信息化等方面發揮了重要的作用[2]. 網絡學習平臺利用信息技術的發展，計算機和互聯網的普及，使生產、利用和管理各類學習資源成為可能[3]，平臺上豐富的資源信息為學生發散性思維、創造性思維的發展和創新能力的孕育提供了沃土.網絡學習平臺要求將上課信息有效地直播并完整地記錄下來，同時還要建立同其它數字化教學資源的安全共享[4]，并實現遠程監控.這就需要將移動通信、網絡技術、開放資源與教學平臺有機結合，構建系統化的支撐技術體系，使優質教學資源集成在無縫對接的平臺中進行技術融合[5].

云錄播就是利用云計算技術，首先把傳統的各個錄播教室的各種應用遷移到云端，由云端的服務器統一處理，然后通過網絡進行應用和數據的分發[6]，以克服傳統錄播系統不能滿足對不同資源的統一管理和分散資源的集中管理及分享資源的問題.云錄播是國家教育信息化云計算體系建設的重要組成部分，也是信息化支撐環境建設重大內容之一. 構建基于云錄播的網絡學習平臺，不僅可以充分利用先進的云計算技術提供的學習資源共享和海量存儲計算能力，為學習者提供豐富的學習資源和靈活多樣的學習方式；還可以通過學習者之間的互動與研討構建網絡學習共同體，激發和維持學習者的學習興趣和積極性，促進學習者之間的知識共享和經驗交流，為學習者提供一個功能更完善、個性更鮮明的高性能網絡學習支撐平臺.云錄播的應用改變了資源的布局和共享方式，推動了網絡學習平臺的環境建設. 因此，如何基于云錄播為網絡學習平臺構建合適的支撐技術體系是一個值得探究的新課題.

1 網絡學習平臺特點和支撐技術體系主要類別

網絡學習平臺是學校數字化教學資源建設的重要工具，它所搭建的開放式的教學模式優化了學習資源和學習環境，創新了教學結構和教學方法[7]. 隨著教育信息化的發展，網絡學習平臺已廣泛應用于各種類型的教學活動中.

1.1 網絡學習平臺的特點

網絡學習平臺，是指利用網絡環境以及相關的信息技術手段進行教與學的一種實踐模式[8]. 它是一個提供多種課程給使用者進行學習，并進行學習過程記錄的在線平臺.它也是一個包括網上教學和教學輔導、網上自學、網上師生交流、網上作業、網上測試以及質量評估等多種服務在內的綜合教學服務支持系統. 它通過引入信息化技術，促進教師提高教學效率、創新教學方法，同時提升學生的學習能力、自我探究能力. 它不是單純的軟硬件系統研發或者單純的教育方式方法的創新，而是信息技術與現代教育的深度整合.

網絡學習平臺的使用讓學習從傳統課堂模式轉變為現實虛擬環境，能夠提供全新的教學和環境，并提高學生的學習積極性和主動性[9]. 通過網絡學習平臺，可以實現學生的自主學習、課堂教學、課堂翻轉等，因此，網絡學習平臺通常都具有教學輔助性、學生學習自主性、教學內容可重復性、教與學的異步性、學習環境的開放性和可交換性等特點. 網絡學習平臺對學習成果有極大的推動作用，豐富的教學資源不僅可以豐富學生知識的全面性，同時可以陶冶學生情操，培養學生發展獨立思考能力[10].

1.2 網絡學習平臺支撐技術體系架構對比

網絡學習平臺充分發揮了網絡教育的優勢，將移動通信、網絡技術、開放資源與教學平臺有機結合，構建系統化的支撐技術體系，使優質教學資源集成在無縫對接的平臺中進行技術融合[11]，營造出良好的學習環境.具體而言，需要具備交互學習環境、有問必答環境、利于學生個性化學習的環境、評價激勵的環境、統計反饋的環境和優秀的學習資源環境等[12]，如圖1所示.

圖1 網絡學習平臺的總體要求

網絡學習平臺支撐技術體系按平臺教學資源、教學模式、數據分析、基礎設施的不同需求，目前主要基于B/S[13]和云計算[14]兩種架構.基于兩種技術體系架構的網絡學習平臺對比詳見表1.

表1 基于B/S和云計算架構的網絡學習平臺的對比

2 支撐網絡學習平臺的云錄播系統構建原則

針對網絡學習平臺的總體要求，有必要構建基于云錄播的網絡學習平臺支撐技術體系.基于云錄播的網絡學習平臺是通過云錄播系統將課程錄制存儲、資源管理共享以及課件直播點播等技術與網絡技術相融合的具有強大監控管理及學習能力的教學應用平臺.支撐該學習平臺的系統通過網絡把多個教學點的教學視頻場景和授課計算機畫面以標準的流媒體編解碼技術進行實時采集壓縮、集中存儲及監控管理，最后實現使終端簡化成一個單純的輸入輸出，減少終端處理負擔，使優秀的教師、課程、資源、知識得到充分的展示、記錄、管理和分享，讓學習者通過該平臺實現學習資源的共享.

2.1 云錄播網絡學習平臺功能設計

云錄播主要借助于云計算的服務模式，是個共享資源的概念.即將網絡中所有的錄播資源進行共享，用戶從此無需關注錄播服務器在那里，也無需關注自己身在何處，只要有網絡就可通過云平臺實時分享自己的資源，就可從云平臺中找到想要的資源在線實時或點播觀看，其功能設計如圖2所示.

圖2 云錄播網絡學習平臺功能設計圖

基于云錄播的網絡學習平臺具有支持課堂教學、支持網絡學習的功能，能實現自主學習、課堂教學、課堂翻轉以及教學管理功能. 學習者登錄學習平臺后，可使用在線自主學習系統、教學平臺以及資源建設的系統. 通過在線自主學習系統，學生可以按照自己的學習需要構建學習計劃，通過學習社區進行協作討論，完成自主學習的要求. 通過教學平臺，教師可以完成日常教學功能，可以使用課件資源及試題制作系統，將制作的課件視頻及試題自動上傳至學習空間，也能通過音視頻錄制系統，將錄制微課視頻上傳到學習空間. 同時，教師在有翻轉課堂教學需求時，也能通過在線自主學習系統發布教學任務、學習指導以及課堂活動設計等功能.

課件資源及試題制作系統、音視頻錄制系統（安裝部署在微視頻教室）為整體系統架構中的資源建設系統，生成的資源自動進入資源庫，形成學校自建資源，與學校外購的資源共同組成學習資源庫.

2.2 云錄播網絡學習平臺的設計原則

云學習時代對網絡學習平臺的性能、用戶交互和擴展性等提出了更高的要求，能夠滿足學習資源的分布式共享、系統維護與升級簡易、應用成本低廉、可構建真實感虛擬學習環境等需求的網絡學習平臺，對提高學習者的學習興趣與成效極其重要[15].基于云錄播的網絡學習平臺的構建是一個系統化的集成工程，它不是簡單的多間錄播教室和網絡設備的連接和堆砌，而是以滿足網絡學習平臺的功能需求為目的的，采用先進成熟的技術和可靠完善的集成方案，將各種軟硬件設備科學合理地應用到系統建設中，使整個項目建成后不僅能滿足網絡學習平臺的使用要求，而且在使用及后期維護上簡單、便捷. 建設好的云錄播網絡學習平臺能夠實現實時、互動、高畫質、全自動和手動的錄播式數字化互動課堂系統，滿足學校精品課程的錄制和兄弟校區間精品課程的互訪交流、與上一級的統一云平臺精品課程點播、與遠程網絡互動教學及課堂內師生間教學互動功能的需要.系統具有可擴展性、兼容性、穩定性和安全性，并可減少將來的運營成本，視頻圖像在網上直播具有較高的清晰度和流暢性. 因此，基于云錄播的網絡學習平臺的設計應遵循以下原則：

（1）先進性原則. 基于云錄播的網絡學習平臺是以軟件采集為核心將監控與錄播融合并得到大面積應用的系統. 以先進、成熟的視頻技術進行合理搭配，支持數據、語音、視頻等多媒體應用.

（2）實用性原則. 基于云錄播的網絡學習平臺設計需符合國際相關標準和技術規范，設計簡潔、操作方便. 充分利用各種資源，使用戶實現各種功能.同時配合寬帶網絡技術，可以支持高質量、遠距離的視音頻傳輸，以適應應用需求的變化.

（3）穩定性原則. 基于云錄播的網絡學習平臺必須選用產品和技術經過廣泛檢驗，充分考慮系統在程序運行時的應變能力和容錯能力，具有極高的穩定性和可靠性.

（4）兼容性原則. 基于云錄播的網絡學習平臺必須能與Windows 操作系統無縫連接，無論是系統管理人員或是普通用戶使用都非常簡單、便捷. 并支持PC終端、Andriod移動設備、IOS移動設備收看直播.

（5）擴充性原則. 基于云錄播的網絡學習平臺在設計上必須采用開放式的結構，具有強大的擴展能力，著眼于近期目標和長期目標的發展，選用合適的設備，進行合理的性能組合，利用有限的投資構造一個適合當前需求、可擴展的音視頻操作系統，從而實現低成本擴展和升級的需求.

3 支撐網絡學習平臺的云錄播體系架構

云錄播采用最新視頻編碼技術及流媒體發布技術，結合分布式部署架構產生的新型大規模流媒體服務平臺部署模式，平臺中所有的內容完整地分布在龐大的服務器集群中，用戶所有的訪問需求均通過與服務器集群的交互而得到響應.在完成用戶鑒權的同時，為用戶提供相應的可視信息的直播或點播服務，當云錄播系統運算和處理的核心是大量數據的存儲和管理時，云錄播系統中就需要配置大量的存儲設備，那么云錄播系統就轉變成為一個云存儲系統. 為了滿足網絡學習平臺的實際需求，充分發揮網絡教育的優勢，營造良好的學習環境，應計劃圍繞網絡學習平臺的功能要求設計基于云錄播的支撐網絡學習平臺的系統架構.

網絡學習平臺的支撐技術系統應包括軟件系統（如在線自主學習平臺、教學平臺、學習空間、課件資源制作系統等），硬件系統（如多媒體錄播設備、音視頻編解碼設備、服務器及存儲等）和場地系統（如多媒體錄播教室、網路互動教室、遠程直播教室、智慧教室、媒體中心等）. 若按照云錄播的特點和網絡學習平臺的功能劃分，云錄播網絡學習平臺的系統架構可分為網絡體系架構和物理體系架構.

3.1 網絡體系架構

云錄播是隨著云計算技術的成熟而發展起來的，它其實就是運用了云計算的結構模式對錄播系統進行了新的構建. 因此，云錄播網絡學習平臺的整體采用三層架構，即終端采集層、云端服務層、前端應用層，以此來實現教育、學習資源的建設以及基于互聯網的應用，其網絡體系架構如圖3所示.三層架構的基本功能如下：

（1）終端采集層主要負責完成課堂場景資源的采集，完成模擬信號到數字信號的轉換，以便數據可以基于互聯網傳輸至云端服務層進行處理.根據前端應用層的不同教學需求，要求終端采集層能采集多種類型的教學資源數據：如前端教育應用關注的是講解內容，那么需要終端采集層更傾向于采集知識內容與聲音；如前端教育應用關注的是課堂教學的師生互動，那么需要終端采集層更傾向于采集教學場景數據. 因此，需要終端采集層具備多種采集類型的終端產品.目前，主流終端采集層包括有：錄播系統、屏幕采集系統等.

（2）云端服務層是該架構的核心層，主要完成終端采集層數據的處理以及對前端應用層轉發處理后的數據. 該層架構主要包括：資源錄制、資源存儲、資源轉換及資源分發四大功能.

（3）前端應用層是教育行業用戶共享資源的界面，該層根據教育細分領域的需求（如教師專業發展、開放式實驗教學、翻轉課堂等），把后端分散的資源利用HTML5 等技術重新組合，構建出符合行業特點的網絡富媒體資源，給用戶提供更專業、更全面的資源共享方式. 同時，前端應用層還擔負一定的資源采集的功能，與終端采集層采集的數據不同的是，該層采集的資源主要包括文檔、圖片、文字等信息資源，是某個細分領域業務流程中的數據資源，如教案、教學設計、作業、試題等，該層采集的資源會自動保存至云端服務層的存儲中.

圖3 網絡體系架構簡圖

3.2 物理體系架構

基于云錄播的網絡學習平臺在物理架構的建設上可分為云終端和云錄播服務平臺建設兩部分.其中，云終端主要基于高清視頻交互技術和網絡通信技術，實現課堂式教學的內容捕獲等基礎功能；云錄播服務平臺主要基于內容分發技術，實現課堂教學內容的歸納和分播等.

云錄播服務平臺的建設包含三部分：多種終端源建設、云錄播服務端建設以及云平臺應用端建設（如圖4所示），其基本功能如下：

（1）多種終端源建設是云錄播服務平臺建設的基礎，是為云錄播服務平臺提供資源的場所，包括云終端教室（采集各機構的實時教學場景）、移動終端，如平板電腦（采集教師個人的教學實錄）以及PC 終端（采集教師或學生的教授與學習的實錄）.

（2）云錄播服務端建設為不同類型資源、分散資源的集中控制管理提供支持，同時也為應用平臺提供統一集中的數據支撐，主要包括云轉碼服務、云錄制服務、云播放服務以及云存儲.

（3）云平臺應用端建設應根據細分的不同教育領域進行針對性建設.其中，主要是B/S軟件平臺應用，它是資源數據與用戶的界面，只有通過云平臺應用端建設，才能更好的將資源、數據融合至教育領域中. 從實際應用部署的角度出發，云平臺應用端與云錄播服務端應部署在統一的硬件環境中，共同組成教育云服務端，為各級教育機構提供應用服務.

圖4 物理體系架構

4 云錄播設備配置及功能特點

4.1 云錄播的設備配置

基于云錄播的網絡學習平臺產品按照部署結構的不同劃分，可分為云錄播服務端產品和云終端產品兩類，如表2所示.

表2 支撐網絡學習平臺的云錄播主要設備

云錄播服務端產品包括多媒體錄制系統、流媒體分發廣播系統、流媒體自動轉碼系統三大類.

云終端產品包括終端音視頻編碼系統、跨平臺解碼系統兩大類.

4.2 云錄播的功能特點

支撐網絡學習平臺的云錄播可實現集中錄制、分布錄制，并支持簡易的多媒體設備集中控制功能，提供相應的接口，可與其它中央控制系統對接，實現集中化控制.錄制過程中實現采集處理和合成同步進行，課件發布無需等待，立即生成，且是一個完整的多媒體課件，無需后期合成. 系統支持標清及720P/1080P 高清信號轉發及存儲，標清、高清及VGA 編碼幀率均可達到25 幀以上. 該系統特點具體如下：

（1）云錄播支持多點同步管理和多路視頻信號的同步采集功能，也可實現對各個多媒體教室的單獨錄制的控制管理.云錄播系統集監控、錄播、多媒體設備中央控制于一體，對簡易的多媒體設備提供相應的接口，實現集中化管控.

（2）云錄播支持在錄制過程中實現采集處理和合成同步進行，錄制完后自動生成完整的多媒體課件，無需后期合成.而且，課件生成后，無需等待，直接發布，節約了大量工作時間.另外，一臺錄播主機能實現多個多媒體教室的同時自動跟蹤功能，極大地降低了自動錄播教室的建造成本.

（3）云錄播系統操作方便. 多媒體教室內的所有信號源和信息源（如：視頻、VGA、PPT的索引信息等），都能顯示在錄播監控中心的一個視頻畫面內，不需要操作人員在不同的輸出設備中來回切換.

（4）云錄播具有互動性. 能實現各種互動功能，如：音視頻與音視頻的互動，音視頻與文字的互動及音頻與文字的互動等.

（5）云錄播系統的學習平臺支持在每個知識點之間創建在線測試題，自動設定測試時間，自動計分；支持跟蹤和反饋信息，可以記錄學習信息和學習進度，也可以生成測試報告，記錄詳細的測試成績等，并對問題做出反饋.

（6）云錄播系統具有一鍵式發布功能. 即把后期錄制完畢的課件發布為多種格式，系統帶有的自動檢測器，能在發布過程中自動檢測發布的文件中的文件標準、格式及其它錯誤信息，并自動反饋給用戶，確保課程一次性發布的準確性，以避免用戶發布的文件無法在學習平臺上播放而返回二次加工.

5 支撐網絡學習平臺云錄播關鍵技術及展望

支撐網絡學習平臺的云錄播系統利用了云計算的技術，讓網絡學習平臺的搭建更能滿足現代教育的需求，因此具有有別于傳統錄播系統的關鍵技術. 同時，也因云計算技術的飛速發展而讓云錄播有了更為廣闊的發展空間.

5.1 支撐網絡學習平臺云錄播關鍵技術點

（1）云錄播系統的終端編碼器及移動終端編碼系統需具備主要尋址功能，由終端主動去連接多媒體錄制系統集群.若由多媒體錄制系統來連接編碼系統，由于通過互聯網連接，而編碼系統部署在不同校園網，可能會面對多種防火墻的處理.

（2）云錄播系統的多媒體錄制系統必須具備集群部署能力，具備負載均衡功能，可采用軟件方式實現負載均衡及容錯處理功能.

（3）云錄播系統的流媒體分發廣播系統和流媒體自動轉碼系統必須都具備集群部署能力，最好采用硬件方式實現負載均衡及容錯處理功能.

5.2 云錄播技術的發展前景展望

（1）與MOOCs相結合

在如今移動通訊普及的時代，碎片化移動學習已成為學習的主要方式，MOOC（大規模在線開放課程）運用而生.當前，以Udacity、Coursera和edX為代表的MOOCs 對高等教育領域產生了深遠的影響，如何進行信息技術與學科教學的深度融合研究，如何利用先進的網絡和信息技術，整合優質數字教育資源，探索從教學內容、教學方式、教學模式、教學管理等多層次、全方位推進學科教學信息化是高校現代教育技術發展重點關注的問題.

MOOCs 是信息技術在教學中應用的最新形式，是以往開放課程、精品課程的后續表現形式.而微課和翻轉課堂則是MOOCs 的重要技術解決方案. 因此，今后的云錄播系統建設中，要考慮將微課、翻轉課堂等新的課程錄制及教學策略納入其中.

云錄播系統不僅是錄制工具，還應具有制作交互式視頻課件的功能[16]. 網絡學習平臺也應與翻轉課堂進行整合，將Moocs資源上傳到網絡學習平臺，學生通過平臺進行學習，課程資源比較豐富，既有國內的也有國外的，讓學生選擇范圍擴大. 基于云錄播的綜合學習平臺，打破時空限制，有效地將設備環境、時空環境和人文信息環境融合在一起，優化了教學流程，一體化解決了學校信息化線上教學的所有需求，提升了用戶體驗[17].

（2）與大數據相結合

目前，大數據在全球范圍內備受關注，對大數據的定義也有多種提法. IBM 提出了3V 特征[18]，即認為大數據具備規模性（Volume）、多樣性（Variety）和高速性（Velocity）三個特征，具體描述為：規模性指數據量巨大，量級達到TB級及PB級；多樣性指數據類型繁多，包括結構化數據和非結構化數據；高速性指數據創建、處理和分析的速度持續在加快.

隨著大數據時代的來臨，如何處理基于云錄播的網絡學習平臺中的不同格式、不同模式數據也是值得思考的問題. 首先，可以借助云計算平臺的諸多優勢性能，收集學生、教師在在線自主學習平臺、教學平臺等網絡學習平臺上詳細記錄的教學軌跡數據并存入數據庫. 然后，對海量的教學行為進行數據分析和處理，探索學生行為及其變化的內在聯系. 最后通過挖掘學生更內在的特征，對學生提供適合學生個人的學習材料，并及時給予學生指導和幫助，實現學生的個性化教學.

6 結語

基于云錄播的網絡學習平臺利用先進的云計算技術為學生提供了一個開放、高效、互動的網絡學習環境，這種新的教學模式、資源共享方式及教學環境的搭建，不是單純的軟硬件系統研發或是教育方式方法的創新，而是信息技術與現代教育的深度融合. 隨著云計算技術的不斷發展，云錄播如何與MOOCs及大數據等先進技術相結合并推動信息時代教育的發展將成為有待進一步研究的課題.