高職視頻互動教學(xué)直播平臺建設(shè)

劉翔 王明忠 陳織光 吳斯杰 袁資楨 楊鴻平

摘? ?要：目前，高職院校的專任教師大都從高校畢業(yè)后直接進(jìn)入學(xué)校任教，沒有企業(yè)經(jīng)驗。根據(jù)國家“十三五”啟動實施的職業(yè)教育產(chǎn)教融合工程的建設(shè)要求，聘用企業(yè)的高級技術(shù)人才作為兼職教師，是教師團(tuán)隊建設(shè)的重要內(nèi)容。但是，由于路途等原因，企業(yè)教師不方便面授，需要借助新技術(shù)、新媒體進(jìn)行遠(yuǎn)程授課。而現(xiàn)在市面上的直播軟件不能完全貼近高職面授的環(huán)境，效果不好。文章介紹的平臺能最大限度地實現(xiàn)和面授同樣的網(wǎng)絡(luò)授課效果，是將課堂考勤、教學(xué)直播、教學(xué)互動等多功能融于一身的智能視頻教學(xué)直播互動平臺。

關(guān)鍵詞：教學(xué)直播;人臉識別;教學(xué)互動

隨著學(xué)校招生數(shù)量不斷擴(kuò)大，專業(yè)種類增多，校外實訓(xùn)基地建設(shè)加大，與此同時產(chǎn)生一系列師資、教室場地等教學(xué)資源不足的問題。校外實訓(xùn)基地有場地、設(shè)備和企業(yè)專家，但離學(xué)校較遠(yuǎn)，學(xué)生往返不方便，也不安全。在國內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)在線直播教育還處于起步階段。在線直播技術(shù)主要應(yīng)用于具有娛樂性質(zhì)的傳統(tǒng)秀場直播、游戲直播和泛娛樂直播等，然而真正成熟運用于在線教育的直播系統(tǒng)還很少[1]。市面上的網(wǎng)絡(luò)在線教育直播系統(tǒng)的教學(xué)模式主要是以點播的方式實現(xiàn)，并不是實時直播。因此，這類系統(tǒng)不具備實時性，缺少師生互動，老師無法及時解答學(xué)生的疑惑。

為滿足教育部“教育信息化2.0”對新時代教師的新要求，提高專業(yè)教師的課堂教學(xué)展示能力及新媒體新技術(shù)的靈活運用能力，將混合式教學(xué)手段應(yīng)用到課前的手機(jī)考勤、課中的交互式教學(xué)、課后的精準(zhǔn)教學(xué)評估之中，提高知識的傳授效果，激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣和熱情，達(dá)到提升課堂教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)。在省團(tuán)委2019年“攀登計劃”廣東大學(xué)科技創(chuàng)新培育專項資金的大力支持下，學(xué)院啟動了“高職高專視頻互動教學(xué)直播平臺”的建設(shè)。

1? ? 平臺主要擬解決的問題和實現(xiàn)對策

1.1? 解決師生不能當(dāng)面授課問題

因地域、實訓(xùn)環(huán)境等限制，教師不能當(dāng)面授課，尤其在校外實訓(xùn)基地，需要大批學(xué)生提前出發(fā)前往路途遠(yuǎn)的基地，耗費時間，還會出現(xiàn)安全等問題。現(xiàn)鼓勵產(chǎn)教融合、校企合作，鼓勵企業(yè)工程師來學(xué)校授課。但有些工程師離學(xué)校很遠(yuǎn)，前往學(xué)校授課并不方便。現(xiàn)可通過在線教育直播把師生連接互動起來，學(xué)生在本校即可享受校外實訓(xùn)基地的資源，企業(yè)工程師可通過在線教育直播進(jìn)行授課。

1.2? 解決一個老師只能在同一時間段上一個班的問題

基于學(xué)校師資緊張、學(xué)生數(shù)量大、課程多，一個老師往往在一個時間段只能給一個班上課，若要安排合班上課，則需要容納100～200人的大教室，但大教室資源有限。現(xiàn)可利用直播系統(tǒng)，讓一個老師在同時段給多個不同課室的班級學(xué)生講授同一門課，實現(xiàn)并行上課，從而解決師資緊張問題。

1.3? 解決傳統(tǒng)點名考勤占用時間長、考勤數(shù)據(jù)反饋滯后等問題

教師點名考勤往往需要5～10 min，大班課需要的時間更長，考勤記錄也不能第一時間反饋給輔導(dǎo)員和教學(xué)負(fù)責(zé)人，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息滯后。在線教育直播具有移動考勤功能，學(xué)生只需要在課室門口用手機(jī)掃描終端上的隨機(jī)二維碼，獲取該課室的定點位置，之后用手機(jī)刷臉識別考勤。上課老師、輔導(dǎo)員和教學(xué)負(fù)責(zé)人都會第一時間收到課堂的考勤數(shù)據(jù)信息。

2? ? 平臺的基本思路和實現(xiàn)步驟

為了解決上述問題，結(jié)合現(xiàn)實技術(shù)水平，認(rèn)真分析學(xué)校的教學(xué)模式，參考大量前沿的國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，包括新聞報道、學(xué)術(shù)專著、論文期刊、研究報告等，結(jié)合研究的主題，嚴(yán)格選取具有高度相關(guān)性的資料，總結(jié)現(xiàn)有模式的優(yōu)缺點，并針對不足之處，利用現(xiàn)有的人工智能技術(shù)、視頻編碼解碼技術(shù)、傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，設(shè)計出智能互動教學(xué)系統(tǒng)。從設(shè)計方案上看，該系統(tǒng)是可行的。系統(tǒng)改善了教學(xué)方式，具有可實施性和科學(xué)性。本平臺設(shè)計一種以網(wǎng)絡(luò)互動直播教學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合人臉識別技術(shù)，進(jìn)行學(xué)生考勤管理的智能互動直播教學(xué)系統(tǒng)。

（1）對智能互動教學(xué)直播系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，梳理總結(jié)技術(shù)要點和關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程，提出系統(tǒng)設(shè)計的總體框架，明確各子系統(tǒng)的功能劃分，包括直播服務(wù)器系統(tǒng)、教師直播系統(tǒng)、學(xué)生端等。

（2）利用Protobuf協(xié)議定義一套高效的通信協(xié)議，承載直播課堂互動和管理功能的全部數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立直播服務(wù)器，通過多線程異步處理，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間的消息處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和虛擬對象管理。

（3）以RTMP直播協(xié)議為基礎(chǔ)、Nginx提供Web服務(wù)器為核心的流媒體直播平臺，具備直播模塊化、高清視頻流及流暢性好的特點。

使用流媒體相關(guān)技術(shù)，通過Nginx服務(wù)器搭載nginx-rtmp流媒體模塊來實現(xiàn)本平臺流媒體服務(wù)器模塊。采集教師直播視頻并進(jìn)行編碼，使用RTMP流媒體協(xié)議傳輸?shù)搅髅襟w服務(wù)器;客戶端發(fā)出請求后，再次使用RTMP流媒體協(xié)議傳送給客戶端，在PC瀏覽器、Android/iOS移動終端完成解碼并實現(xiàn)低延遲的視頻直播。

RTMP也被稱為實時消息傳輸協(xié)議。它具有實時性好、編碼兼容性高、保密性好、穩(wěn)定性高、容錯性高等優(yōu)點[2]，傳輸?shù)囊曨l格式為flv。

（4）在用戶端（包括老師和學(xué)生）完成對Protobuf消息的處理，與上層的程序完成數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)文字聊天、課堂答題等功能;在Web學(xué)生客戶端中，解決瀏覽器與直播服務(wù)器的通信鏈路保持問題。

（5）在APP端，利用hybrid開發(fā)模式，在Web端使用ccv.js（初始人臉檢測）、numeric.js（矩陣數(shù)學(xué)）和clmtrackr（跟蹤人臉），實現(xiàn)人臉活體檢測，并采集人臉圖像傳輸至人臉檢測服務(wù)端;人臉檢測服務(wù)端進(jìn)行以下步驟：人臉圖像預(yù)處理、人臉檢測與定位、人臉圖像特征提取、人臉圖像識別。

（6）本平臺的教學(xué)直播模塊選取MySQL建立后臺數(shù)據(jù)庫表，采用Thinkphp5.0和MVC開發(fā)架構(gòu)，前端界面使用HTML構(gòu)建網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)、CSS設(shè)計界面樣式，采用EasyUI的UI庫開發(fā)，方便用戶交互。

3? ? 平臺的邏輯結(jié)構(gòu)分層和系統(tǒng)模塊設(shè)計

從總體設(shè)計角度出發(fā)，分別從邏輯結(jié)構(gòu)分層、系統(tǒng)模塊進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)的總體架構(gòu)在邏輯上分為4個層次，分別是數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、功能服務(wù)層和用戶應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以及緩存組件，為上層應(yīng)用提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖。基礎(chǔ)服務(wù)層對系統(tǒng)需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和功能進(jìn)行了抽象，包括用戶服務(wù)、消息編解碼、鏈路保持服務(wù)、Ngnix服務(wù)等內(nèi)容，為全體用戶和直播課提供了基礎(chǔ)元素和數(shù)據(jù)通道的服務(wù)抽象。功能服務(wù)層包括消息服務(wù)、視頻服務(wù)、人臉識別服務(wù)、日志監(jiān)控、定位服務(wù)、答題服務(wù)、成員管理、資源管理，為人臉識別考勤、課堂互動和直播視頻提供業(yè)務(wù)支持，同時為Web學(xué)生端通過PC瀏覽器訪問提供支持。用戶應(yīng)用層包括教師直播端、Web學(xué)生端、Android/iOS學(xué)生客戶端，為上課老師、學(xué)生提供操作交互界面。本平臺系統(tǒng)由定位模塊、人臉識別考勤模塊、直播服務(wù)模塊、互動消息模塊、資源管理模塊這5個模塊組成。

（1）定位模塊。課室配合定位終端，學(xué)生掃描定位終端上的隨機(jī)二維碼，獲得進(jìn)入本課室的權(quán)限，取得定位信息。

（2）人臉識別考勤模塊。以人臉識別技術(shù)為基礎(chǔ)，在客戶端設(shè)計人臉活體檢測功能，把人臉圖像傳輸?shù)椒?wù)端，服務(wù)端實行人臉檢測，從而匹配出人臉、確認(rèn)身份、數(shù)據(jù)庫記錄考勤時間。

（3）直播服務(wù)模塊。基于實時消息傳輸協(xié)議（Real Time Message Protocol，RTMP），設(shè)計教學(xué)視頻的直播鏈路，分別在教室直播系統(tǒng)和學(xué)生客戶端實現(xiàn)視頻采集、編碼、傳輸、解碼等功能。

（4）互動消息模塊。基于Netty框架設(shè)計，實現(xiàn)模塊間的消息快速處理和轉(zhuǎn)發(fā)，以及虛擬教室和成員對象的管理。

（5）資源管理模塊。資源包括教學(xué)演示文稿、視頻、音頻、教學(xué)軟件等。考慮到大量資源所需要的存儲空間，設(shè)計使用七牛云存儲方案，基于分布式存儲架構(gòu)，具備高可用性和高可靠性，并支持水平擴(kuò)展至EB級存儲容量，解決數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和云服務(wù)資源不同步的問題。

（6）數(shù)據(jù)庫。教學(xué)實際應(yīng)用中龐大的信息決定了將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。對其進(jìn)行處理并存儲，無疑會涉及許多信息，需要建立數(shù)據(jù)庫。

4? ? 平臺的先進(jìn)性和新穎性

4.1? 人臉識別技術(shù)在互動直播教學(xué)系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用

以往的互動直播教學(xué)系統(tǒng)更多地應(yīng)用在遠(yuǎn)程教育當(dāng)中，忽略考勤的監(jiān)督。本項目結(jié)合學(xué)校情況，把人臉識別加入到互動直播教學(xué)系統(tǒng)中，實現(xiàn)人臉識別考勤的創(chuàng)新應(yīng)用。

4.2? 互動直播教學(xué)系統(tǒng)在傳統(tǒng)教學(xué)方式中的創(chuàng)新應(yīng)用

傳統(tǒng)的教學(xué)方式需要大量的課室和教師資源，導(dǎo)致教學(xué)資源緊缺。本項目可以讓教師通過互動直播系統(tǒng)，實現(xiàn)在線考勤和在線互動直播教學(xué)，不受學(xué)生數(shù)量和課室資源的限制。是針對以往教學(xué)方式的創(chuàng)新改進(jìn)。

4.3? 互動直播教學(xué)系統(tǒng)在校外實訓(xùn)基地的創(chuàng)新應(yīng)用

由于校外實訓(xùn)基地的場地和位置等原因，未能讓師生親臨教學(xué)現(xiàn)場。本項目設(shè)計的互動直播教學(xué)系統(tǒng)，可以通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把校外實訓(xùn)基地的設(shè)備和師資展示給學(xué)生，是促進(jìn)校企資源融合、符合產(chǎn)教融合的方針，也是校企合作的一次創(chuàng)新應(yīng)用。

5? ? 結(jié)語

該平臺可以應(yīng)用到同類院校教學(xué)中，解決院校存在的共通問題。目前，結(jié)合人臉識別考勤技術(shù)的互動直播教學(xué)系統(tǒng)在院校使用很少，尚處于嘗試階段。所以，該平臺有廣闊的應(yīng)用前景，一經(jīng)推出必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙成.基于流媒體的教學(xué)直播系統(tǒng)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2019.

[2]黃穎鋒.新一代安卓系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流媒體關(guān)鍵技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.