多媒體教學系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

董華軍

摘? 要： 為了給多媒體教學提供良好的網(wǎng)絡環(huán)境，提升教學效果，提高學生積極性，根據(jù)傳統(tǒng)教學與多媒體教學的不同，整合教學資源，設(shè)計、開發(fā)了基于網(wǎng)絡的多媒體教學系統(tǒng)。此系統(tǒng)由視顯文件配置、直播錄制、用戶管理、設(shè)備管理、授課管理與導播切換六大模塊構(gòu)成。該系統(tǒng)的建成，可加強學生間以及師生間互動，增強輔導學生的實時性，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學效果。

關(guān)鍵詞： 多媒體教學系統(tǒng); 多媒體數(shù)據(jù)庫; 傳統(tǒng)教學; 多媒體教室

中圖分類號：TP311.5? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2022）03-118-03

Abstract： In order to provide multimedia teaching with a good network environment， improve teaching effects， and increase students' enthusiasm， according to the difference between traditional teaching and multimedia teaching， integrating teaching resources， a multimedia teaching system based on network is designed and developed. The system consists of six modules of video display file configuration， live recording， user management， equipment management， teaching management and director switching. The completion of the system can strengthen the interaction between students and between teachers and students， enhance the real-time guidance to students， and improve the richness of teachers' teaching content and teaching effect.

Key words： multimedia teaching system; multimedia database; traditional teaching; multimedia classroom

0 引言

傳統(tǒng)的教學方式是使用黑板、粉筆、掛圖、教具等教學介質(zhì)，由教師講授，這種教學方式中教師往往占有主導地位，而學生常常處于被動的接受狀態(tài)[1]。多媒體教學是在電子教室中把圖像、圖形、聲音、動畫以及文字等各種多媒體信息實時動態(tài)地引入教學過程中，充分利用現(xiàn)有的計算機、網(wǎng)絡、通信技術(shù)進行同步教學活動[2]。顯然多媒體教學利用了先進的技術(shù)手段，讓教學內(nèi)容能直觀、生動、形象地表示出來，從而加深學生對問題的理解，提高學生的參與度，提升教學效果。

隨著語音、數(shù)據(jù)、視頻的壓縮編碼技術(shù)以及網(wǎng)絡傳輸技術(shù)的不斷提高，人們可以快速隨時隨地獲得來自異地的視頻、音頻及數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)多媒體教學[3]。教師可通過多媒體教室進行課堂相關(guān)的管理[4]。本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于網(wǎng)絡的多媒體教學系統(tǒng)，系統(tǒng)中教師能夠把授課視頻直播到各教室或進行學生端工位輪巡，一對一輔導學生實訓。學生可觀看授課直播、課件播放及板書，課后查詢并察看歷史授課視頻。觀摩考評人員可觀看學生間或師生互動視頻直播，查看存儲于資源管理服務器的歷史交互視頻。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)基于C/S體系結(jié)構(gòu)，利用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，使用C++開發(fā)環(huán)境，生成音視頻編解碼庫以實現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。多媒體教學系統(tǒng)由智能電子黑板、智能電視、智顯教學終端、智慧講臺系統(tǒng)、學生交互終端及資源管理服務器構(gòu)成，如圖1所示。

⑴ 智能電子黑板采用系統(tǒng)智能驅(qū)動技術(shù)，內(nèi)嵌系統(tǒng)教學軟件，支持多場景教學，教師可選擇資源管理服務器上的課件文件或本地課件播放與顯示，切換授課板書或?qū)嵅僖曨l畫面。

⑵ 智能電視終端登錄后可通過直播服務獲取音視頻流解碼后播放，觀摩考評人員觀看授課直播或查詢歷史授課視頻后播放，終端登錄避免無權(quán)限人員觀看授課直播及歷史視頻，電視終端使用網(wǎng)絡接口連接至資源管理服務器可遠程觀看。

⑶ 智顯教學終端展示教師授課內(nèi)容，播放實時實操視頻，可切換至課件瀏覽或課堂板書，通過此種授課方式的有機結(jié)合，增強教師授課內(nèi)容的豐富性，提升教學效果。

⑷ 智慧講臺系統(tǒng)實現(xiàn)不同授課教師的登錄、授課設(shè)備的管理、直播視頻畫面與課件白板的智慧導播、授課視頻的直播與錄制、授課管理，輪巡學生終端工位，該設(shè)計驗證教師用戶權(quán)限，多個教師授課流程互不干擾，直播視頻、課件及白板可導播切換，錄制授課直播視頻，有利于學生課后多次觀摩。

⑸ 學生交互終端提供教師授課直播、實訓工位終端學生的實時操作及一對一輔導，該終端交互方式有別于傳統(tǒng)授課方式，加強學生間以及師生互動，輔導學生實時性得到增強。

⑹ 資源管理服務器功能涵蓋課件管理、授課管理、直播服務、錄制文件點播及數(shù)據(jù)庫訪問，此功能設(shè)計彌補傳統(tǒng)教學的不足，實現(xiàn)教師導入課件、學生查詢?yōu)g覽課件及歷史授課視頻的檢索觀看。

網(wǎng)絡互連設(shè)備用來提供不同網(wǎng)絡通信時的互連及互通，廣域網(wǎng)連接線路采用點對點、交換式，需選擇合適的廣域網(wǎng)線路。智能電子黑板、智能電視、智顯教學終端、智慧講臺系統(tǒng)、學生交互終端及資源管理服務器皆通過網(wǎng)絡交換機相連。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊主要包括視顯文件配置、直播錄制、用戶管理、設(shè)備管理、授課管理與導播切換。通過選取各模塊中的子功能添加至智能電子黑板、智能電視、智顯教學終端、智慧講臺系統(tǒng)、學生交互終端及資源管理服務器中生成相應的程序并發(fā)布至設(shè)備以實現(xiàn)多媒體教學系統(tǒng)的運作。

2.1 視顯文件配置

音視頻數(shù)據(jù)的采集通過連接攝像機使用特定協(xié)議通信實現(xiàn)，教室流媒體數(shù)據(jù)源較多，建立視顯配置文件生成視頻畫面，這樣視頻顯示不限于單幅畫面，可自由設(shè)置多幅畫面組合。配置文件根節(jié)點為顯示框，視頻流或音頻流地址屬于子節(jié)點配置，視頻窗體起始點坐標、寬度及高度以占屏幕尺寸的百分比計數(shù)，播放音量及狀態(tài)添加至音頻流節(jié)點。視頻位置與寬高在配置文件中設(shè)定，音頻播放音量及狀態(tài)參數(shù)等在程序中設(shè)置。

讀取配置文件參數(shù)，獲取視頻流地址，使用三種樣式類型，包括主次畫面、畫中畫及矩陣布局，生成并輸出復合視頻。單幅畫面是矩陣布局中的特例。獲取攝像機視頻流，解碼轉(zhuǎn)換為樣式布局畫面并輸出多畫面視頻。

2.2 直播錄制

直播管理負責建立教師授課直播會話，接收智能電子黑板、智能電視、學生交互終端及智顯教學終端直播連接，發(fā)送直播音視頻數(shù)據(jù)。直播錄制服務功能實現(xiàn)教師授課直播流發(fā)送與接收，可錄制直播流存儲至資源管理服務器。教師端通過攝像機及音頻輸入采集音視頻數(shù)據(jù)，發(fā)送至資源管理服務器直播模塊。數(shù)據(jù)庫維護直播表與課堂表數(shù)據(jù)，直播表字段包括直播名稱、直播類型、開始時間、結(jié)束時間、狀態(tài)等，課堂表字段包括課堂名稱、課堂介紹、主講教師、學生數(shù)等。學生端定時查詢直播服務是否有直播會話建立，有直播會話建立的情況下開始接收直播流，在學生交互終端更新直播課堂數(shù)據(jù)。

2.3 用戶管理

用戶管理模塊實現(xiàn)教師、學生、觀摩考評人員及管理員的維護管理，包括查詢、添加、修改、刪除記錄。系統(tǒng)用戶由教師、學生、觀摩考評人員與管理員構(gòu)成。教師登錄智慧講臺系統(tǒng)，初次使用需注冊，輸入教師基本信息，存儲至教師信息表。注冊完成后登錄系統(tǒng)，開始授課直播。學生輸入學號與密碼，選擇教室后登錄學生交互終端，驗證通過開始觀看授課直播。觀摩考評人員登錄智能電視觀看授課直播及歷史授課視頻。系統(tǒng)管理員負責維護系統(tǒng)參數(shù)配置與其他用戶的管理。

2.4 設(shè)備管理

設(shè)備管理主要由攝像機管理、麥克風管理及音響管理組成。攝像機類型包括定位攝像機、教師攝像機與學生攝像機。智慧講臺系統(tǒng)攝像機管理可選擇已注冊教師攝像機或?qū)W生攝像機，選擇單個攝像機可進行云臺控制。云臺控制攝像機移動方向為上、下、左、右，可伸縮調(diào)焦、遠近聚焦、放大縮小光圈及設(shè)置云臺速度。系統(tǒng)加載已安裝麥克風與揚聲器設(shè)備，選擇需使用的設(shè)備，可調(diào)節(jié)設(shè)備音量。

2.5 授課管理

教師成功登入智慧講臺系統(tǒng)后設(shè)置相應的攝像機、音響等設(shè)備，進入直播管理開啟授課直播。資源管理服務器直播服務負責接收智慧講臺系統(tǒng)直播流數(shù)據(jù)，發(fā)送至各終端解碼顯示，可錄制授課視頻存儲至數(shù)據(jù)庫以供課后學生查詢觀看。

教師如需播放課件，須連接資源管理服務器，選擇播放的課件資料發(fā)送至各終端播放，切換課件時同步更新各終端播放畫面。使用白板時可任意標注、繪畫并即時顯示，筆形包括普通筆、排筆與毛筆等，標注筆顏色可任意設(shè)定，標注內(nèi)容可隨時利用電子橡皮擦除，或隨時存儲至數(shù)據(jù)庫及打印。此外可實現(xiàn)屏幕內(nèi)容放大、聚光燈、遮屏、查看板書及屏幕校準，支持白板操作錄制，實時同步白板與實操畫面。

2.6 導播切換

導播切換包括跟蹤子系統(tǒng)、智能導播子系統(tǒng)及手動導播子系統(tǒng)。使用定位攝像機對教師進行定位，將數(shù)據(jù)傳遞給攝像機通過移動與變焦進行跟蹤。教師攝像機、學生攝像機根據(jù)切換策略智能切換，教師可在活動中進行手動控制。

智能導播集導播功能與跟蹤功能于一體，實現(xiàn)教師授課、教師板書、課件展示多個教學場景與教學課件間智能調(diào)度及切換。跟蹤范圍不僅局限于攝像機固有的視野范圍內(nèi)，而是在整個教師活動的范圍內(nèi)，無論教師在活動范圍內(nèi)做任何動作都能智能跟蹤，始終保持教師在圖像中的位置，不出現(xiàn)半邊身的狀況。導播策略涵蓋以下三種情況：教師在講臺區(qū)域講課時是教師特寫鏡頭，教師板書時切換到板書特寫鏡頭，當教師區(qū)域有多目標時切換到教師全景鏡頭。教師成功登錄智慧講臺系統(tǒng)后開啟智能導播，移動時攝像機跟蹤教師畫面，無需教師進行手動控制。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)中授課視頻直播、錄制和點播采用流媒體技術(shù)實現(xiàn)，實時流媒體可同時捕獲與播放音視頻，授課直播時教師攝像機實時攝取教師授課畫面，學生端攝像機捕獲學生實操畫面，教師可輪巡學生工位，學生觀看教師授課直播，此交互方式不局限于單個教室，多個教室內(nèi)的學生可共同觀看教師授課以及與教師交互。在處理流媒體時帶寬是一個重要的考量因素，連接資源管理服務器的學生交互終端數(shù)量越多，則流媒體傳輸所需帶寬越大，同時視頻分辨率決定所需帶寬，在指定時間段內(nèi)同等直播服務器并發(fā)數(shù)情況下標清傳輸?shù)牧髁啃∮诟咔宸直媛剩瑧M可能選擇最大帶寬及較高分辨率。

實時流協(xié)議（RTSP）是一種應用級網(wǎng)絡通信協(xié)議，通過直接與流式傳輸數(shù)據(jù)的服務器通信，將實時數(shù)據(jù)從多媒體服務器傳輸至終端，該協(xié)議通過充當時間同步音視頻媒體流的網(wǎng)絡遠程控制來建立媒體會話并控制客戶端設(shè)備及服務器間的媒體流。當學生交互終端或智能電視軟件從遠程源流式傳輸音/視頻時，客戶端設(shè)備會向資源管理服務器發(fā)送RTSP連接數(shù)據(jù)以確定可用選項，如播放、暫停與錄制，服務器返回可通過RTSP接受的連接類型列表，客戶端向流媒體服務器發(fā)送媒體描述數(shù)據(jù)，服務器以媒體描述作為響應。客戶端發(fā)送設(shè)置命令，服務器響應有關(guān)傳輸機制來啟動流媒體傳輸過程。

4 結(jié)束語

本文闡述了多媒體教學系統(tǒng)的功能設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)，基于網(wǎng)絡的多媒體教學系統(tǒng)的建成，促進不同于傳統(tǒng)教學方式的多媒體教學系統(tǒng)改革，加強學生間以及師生間的互動，提高學生的積極性，授課內(nèi)容能直觀、生動、形象地表示出來，輔導學生實時性得到增強，提升教師授課內(nèi)容的豐富性與教學效果。

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