采用流媒体技术构建“微格”教学实验系统的研究

【摘要】
微格教学实验室正在从“模拟”向数字化的转变过程中。本文提出基于流媒体技术的“微格教学实验系统”的建构思想, 并对其进行了可行性分析, 同时结合学校的实际情况给出具体的设计框图, 并就系统的组成、控制、功能、关键技术以及优点进行了阐述。
【关键词】
微格教学; 流媒体技术; 教学实验室
前言
微格教学( Microteaching ) 是以教育学、心理学理论为基础, 以现代教育技术为手段, 以训练学生掌握某种技能、技巧为目标的一种小规模教学活动。1963 年,美国斯坦福大学( University of Stanford ) 爱伦( Dw ight Allen) 教授首先提出“微格教学”,并将其定义为“一个有控制的实习系统, 它使师范生有可能集中解决某一特定的教学行为, 或在有控制的条件下进行学习”。在微格学训练中, 由于使受训者能够亲眼目睹自己受训的“光辉形象”,知已知彼, 使受训者从当事者“迷”,变为旁观者“清”,更容易接受老师指点和小组人员讨论评价, 发扬自己的优点, 克服缺点, 大大缩短技能形成的时间。因此, 各国纷纷将其引入到师范教育中, 此来训练学生的教学技能。我国于20 世纪80 年代引入, 全国各类师范院校相继建立了一批微格教学实验室( 以下简称微格室) , 积极开展微格教学理论研究和实践探索, 在培训师范生教育教学技能方面取得了较大的成效, 由于“微格教学”本身是利用摄录像设备来训练学生某项技能的“微型训练活动”,训练目标单一, 训练时间短( 5～10min ) , 参与人数少( 5～10 人) , 需多次反复。这就要求学校要组建相当多的微格室以供学生受训使用。由于受场地和资金的限制, 目前绝大多数师范院校“微格室”远不能满足需要, 影响了教学技能训练。特别是这几年高校扩招, 学生人数几年翻一倍, 这种矛盾日益突出，而且目前，在教育技术领域已经开始研究，并已经有专业公司推出微格教学实验的设计方案和产品，由于投入费用较大，推广难度大。视频为基础的传统微格教学实验室，在技术上已经落后。随着计算机技术和网络技术的发展，尤其以网络视频为代表的新媒体的出现，微格教学实验室的数字化已经确立。采用流媒体技术实现微格教学实验室研究成为教育技术领域的一个研究课题。

1. 基于流媒体技术构建“微格”教学实验系统的含义及可行性分析
1.1基于流媒体技术的“微格”教学实验系统的含义
基于流媒体技术的“微格”教学实验系统采用当前先进的流媒体化传输和存储以及网络应用方案。该系统由一个总控室和多个微格教室组成，是集网络、数字、多媒体、声音、视频、存储、传输及视频监控技术于一体的全流媒体化网络系统，具有网络化、智能化、数字化、自动化、系统化、交互式可视化、个性化的特点，在管理、操作方面更加容易、简便。该系统实时性更强，可以实时察看微格教室的现场教学情况，对各教学现场的学生、教师进行远程教学评估和观摩，授课教师在现场可以方便地将声音、视频信号切换到大屏幕电视机上并控制各种设备的各种功能。该系统可以录像存储方式保存微格教学内容，并采用可用非线性编辑系统对录像文件进行剪辑和合成；还可以随时查询并选取多媒体教学录像文件及相关资料进行播放。该系统运用于师范生的教学技能培训突破了传统的课堂模拟形式，具有双控、监视、评课、示范、互相观摩、分控、巡视扫描、对讲、远程遥控、录像和倒计时等功能。该系统的观摩和评价系统均采用计算机设备，可通过交换机连接校园网或Internet。信息记录方式可采用硬盘存贮或刻录成光盘，以便教师和执教者随时、随地通过网络VOD或光盘进行点播、测评与观摩。流媒体化微格教学系统凸显了微格教学中实时观摩反馈的重要功能。
1.2基于流媒体技术的“微格”教学实验系统可行性分析
1.2.1 物质条件
大部分高校都建立了100M 以上的校园网,把训练实况采集保存在校园网服务器上, 在校园网 微格教学视频库!站点开设 微格天地!栏目, 包括 精选教案! 名师授课! 典型范例! 实况录像!等几个部分, 让学生自己上网点播, 不受时间、设备的限制, 视频直播和点播的传播方式，使得传统意义上的课本式的教学方式转变为生动形象的影音模式，广播教学、语音教学、教学示范、消息发送、网络影院、远程管理、教学点播等模式通过互联网传播开来。这对学生的微格教学训练指导、提高微格教学效果和教学技能是非常有意义的。
1.2.2技术条件
采用了当前先进的数字化传输、数字化存储和网络应用方案的, 集微格教学、多媒体编辑、影视音像制作、多媒体存储、视频点播、数字化现场直播、微格教学资源发布、微格教学经验交流、以及建立在udp协议上的rtp/rtsp实时传输协议，视频编码解码器的不断更新发展使得视频传输的质量的速度愈来愈好。
1.3与传统“微格”教学实验室的比较
    基于流媒体技术的微格教学实验室是一项以综合性的网络传播技术为主将多媒体信息通过网络以流式传送，通过对原始的多媒体教学信息进行制作、发布、传输、播放等。
1.3.1传统微格教学系统存在的问题
（1）传统微格教学系统所用设备主要是以模拟技术为基础，它在图像清晰度、数据保存、介质存放、数据传输等方面与数字信号相比相差较大，资源不易共享，开放性、实时性差，不利于教学课件的制作和音视频的数字化录制，不易于远程教学配置，安装麻烦。
（2）微格教学过程分小组进行, 每个学生的教学训练片断记录在录像带上, 全组学生依次演示一轮后,由教师指导, 在微格教室回放录像, 进行观摩、分析、讨论和评价, 然后再进行下一轮教学训练。回放观摩和分析讨论过程中, 微格教学系统中的录制功能处于闲置状态, 设备的使用效率大大降低, 造成微格教学训练硬件资源紧张, 有时不得不采取削减训练次数的办法来解决, 对微格教学的质量直接产生不良影响。
（3）微格教学理论强调多次反馈和校正操练, 但使用传统微格教学系统, 录制与回放共用同一套设备, 多人共用一盒磁带, 学生想多看几遍自己的录像都很困难, 更谈不上反复操练和交流经验。微格教学是教学法的一个组成部分, 教师为了把握学生训练情况, 不得不紧跟每一个小组的实验全程, 实际时间花费与教学法总课时明显冲突, 耗费的精力太大。用录像带保存音像信息不容易查询和检索,不易进行编辑整理, 也不适宜长期保存。
1.3.2基于流媒体技术的“微格”教学实验系统的特点
（1）实现音视频的实时采集与数字化和音视频的数字化录制而且在网络上实时播出训练实况并形成流媒体文件，可以在网络上重复点播，部分实现微格教学过程的管理功能。
（2）它通过数字摄像头录制或现场播放受训人员自身的表现，使其能够了解自己的表现，在反馈调节的过程中实现自我完善，同时也能培养受训人员自我评价、自我学习的能力．另外，培训指导人员可以即时提出受训人员的不足和需要改进的方面，帮助受训人员提高教学水平．
（3）在基于流媒体微格教室中的指导功能更加强大，除了受训人员可以与指导人员面对面地交流以外，还可以通过校园视频网络、互联网等实现对话．使本教室成员之间的相互交流，各个教室成员之间的交流，以及指导人员与受训人员之间的交流．通过交流，能够使指导人员更多、更深刻地了解受训人员，为更深入、正确的指导打下基础；通过交流，能够使受训人员看到自己的长处与不足，从而及时地改进和提高．
2. 基于流媒体技术的“微格”教学实验系统的组成、控制管理及其功能（以南京晓庄学院“微格”教学实验教室为例）
2.1系统原理
基于流媒体技术的微格教学实验系统以最新的视频压缩格式的实时硬盘录像机为系统核心, 综合了计算机技术、视音频技术、计算机网络技术、视频压缩技术和存储等多种技术, 构建了集影音频录制、实时监控、实时编辑、实时播放、回放以及同校园网互联,点播为一体的数字化微格教学系统。
2.2系统结构
基于流媒体技术的微格教学实验系统由控制系统、录制系统和播放室三个部分组成，其结构图如下：

录制系统包括主副摄像机各一台, 解码器、讲桌台、拾音器以及实时监看电视等设备, 其主要功能是图像的摄取、声音的拾取器，控制系统主要有硬盘录像机、视频处理机、网络交换机以及VOD 视频点播服务器等设备; 播放室是对录制的内容进行实时播放、回放、点评的教室, 主要计算机、液晶背投等组成。
2.3系统配置及运行环境
( 1) 硬件环境资源出自www.bysj999.com蓝天毕业论文网
摄像机，云台， 硬盘录像机 ，视频处理机，服务器，播放室装有带有VGA 接口的液晶背投, 利用一台装有Windows 2003 server的机器作为视频点播服务器, 凡接入校园网的计算机安装realplayer播放软件即可点播。
( 2) 软件环境
硬盘录像机以Windows 2000 Professional 为操作系统,服务器采用Windows 2003 Server 操作系统, 以SQL Server2000 为后台数据库, 配置IIS作为web 服务器， 架设。点播机是Windows 2000 Professional操作系统。
2.4系统控制管理和功能
录制系统通过两路摄像机摄制的视频信号, 通过视频处理机进行实时编辑合成,将信号输入硬盘录像机进行数字化处理。控制系统通过硬盘录像机实时回放、实时传输、信号调整与录制，将视频处理机输入的视音频信号进行实时压缩, 把模拟信号转化为数字信号, 以数字化的视音频文件形式存入硬盘录像机硬盘上,并可根据设定改变存储文件的大小, 同时也可改变存储图像质量的高低。可根据自己对图像质量的不同要求进行设定, 图像质量越高, 存储所占用的磁盘空间也越大。以先进的流媒体服务器为平台,在宽带网络上提供实时的、高质量的、分布式的视频流服务。播放室是对录制内容进行实时播放回放的教室, 可通过视频服务器进行实时点播、下载或通过网上邻居调用进行回放观看、点评。
2.5基于流媒体技术的微格教学实验系统的关键技术
（1)传统摄像机需将模拟视频的图像数字化,输出MPEG2 压缩编码格式的图像数据流。若采用新型数字式摄像机, 则不需数字化处理而且兼容两种摄像机。
（2) 智能硬盘录像系统将数字化的音视频数据流按SQL 数据库的格式自动智能实时记录在磁盘阵列上, 供视频广播服务器、视频点播服务器、非线性编辑系统调用, 以利于数据的统一管理和共享。
（3) 视频广播服务器将MPEG1、2 图像数据流进一步压缩为RM格式或RMVB的格式在网上广播。视频流点播、回放。
3. 基于流媒体技术的“微格”教学实验系统的优点。
（1）数字化存储传输，实时播放，回放便利
以数字方式存储视频资料和Helix Server 作为流媒体服务器，实现实时播放和随时回放观看将不再受时间和地点限制，无需占用微格教室和正常教学课时来回放，从而大大提高了微格教学系统的使用效率。
（2）便于反馈与点评
学校教师和学生可以随时点播学生的微格训练情况，从而为老师对教学决策提供依据和学生形成轻松和谐的研讨气氛以吸取别人的精华,找出自己的差距, 提高水平。
（3）性能好，投资少
在原有的基础上进行扩展, 不需再投入录制设备和回放设备 数字化微格教学系统还能与现有的网络教学平台、精品课程录播系统、VOD 点播系统进行集成, 充分利用了现有的教学设备资源。
 （4）节约资源，便于管理
由于数字视频资料占用空间小，图像质量高，可无限次的点播调阅，使资料的保存更加方便，也为教师技能掌握的精品训练资料提供了更为方便的积累方式，能够让不同班，不同年级的同学间的观摩更为方便。

4. 基于流媒体技术的微格教学系统的基本实现
本实验系统主要利用Helix Server和美萍VOD软件来实现流媒体文件的播放。系统软件可用Win2000Server, 点播软件推荐用RealSystem。包括三个部分:
（1）Helix Server, 服务器端流播放引擎;
（2）Helix Producer, 强大的编码工具, 用于生成流式文件;
（3）RealPlayer, 客户端播放器。
4.1 Helix Server v9.0.2
4.1.1安装
   双击安装文件进入安装界面，这里是英文的，不过一般只要点击Next即可，其中有几点需要注意的。
   ①在第六步的时候会出现填写Username（用户名）和Password（密码）请一定要记得你所填写的数据，因为在后面会要输入你这个时候填写的用户名和密码才能登陆设置界面。
   ②在第九步的时候，为了不和您的IIS冲突（如果有装的话），不过还是最好改为8080。
   ③在第十二步的时候，有个安装NT service是把helix作为windows的系统服务来启动，大大增强了软件的安全性（如果没选择，就只能以DOS窗口形式启动服务，这样会出现很多意外，如被误操作关闭了）。
4.1.2界面汉化
下载它的汉化文件。下载解压后，将安装文件夹中helix_cn子目录中的Helix Administrator文件夹复制到Helix被安装的根目录，如D:\Program Files\Real\Helix Server,会提示“是否覆盖”，选择“全部”。
4.1.3Helix Server 的初级设置
①双击桌面上新出现的“Helix Server”图标，会出现一个DOS界面，请不要将它关闭。双击“Helix Server Administrator”图标，输入用户名和密码（这里的用户名和密码就是之前安装第六步时，自己输进去的数据），将打开管理界面。
②点击“服务器设置”，在子菜单中选择“连接控制”，在这里可以根据自己的带宽和机器能力设置“最大用户连接数”，“仅提供RealPlayer Plus连接”如果设为ON可以有效防止客户用第三方软件进行下载，但客户就只能使用realplay plus版本收看而不能使用basic版。
③在子菜单中选择“配置加载点”，请先看看该页上方的中文说明文字，应该能大致理解，如可将Helix的“/”目录更改为其它已存在的硬盘物理路径，如“d:\”。这里需要注意“加载点”是虚拟路径，而“基于路径”是指硬盘上的实际路径。
④增加新的微格教学视频加载点，例如需增加“vod”这个加载点，指向硬盘的“e:\”目录。点击“加载点描述”右方的“+”号，将出现的右边窗口处。这里需要的注意的是“加载点”上写的虚拟路径名必须写成/…/，如/vod/。
⑤设置好以后别忘了点击右上角的"重启服务器”按钮，以使更改生效。
       以上的设置应该就可以使一个流媒体服务器正常运作起来了。
4.1.4 微格教学视频的播放地址描述
Rm或Rmvb格式：rtsp://服务器ip:554/加载点名/视频目录名/视频文件名 （其中:554完全可以省略）
实例：如流媒体服务器Ip为192.168.1.101，设了加载点vod，对应着E:\film目录，这个目录中有一个“最新视频”的电影目录，其中的文件名为王桥微格教学视频.rmvb(e:\film\最新视频\2012.rmvb)，则正确的播放地址应该是：   rtsp://192.168.1.101/vod/最新视频/王桥微格教学视频.rmvb“正在连接”和“正在缓冲”并且时间不断的跳动时，那么就成功了。
wmv、asf等Media格式：mms:// 服务器ip:1755/加载点名/电影目录名/电影文件名 （其中:1755也可以省略）
实例: 如流媒体服务器Ip为192.168.1.101，设了加载点vod，对应着E:\film目录，这个目录中有一个“wgjx”的电影目录，其中的文件名为1.wmv(e:\film\wgjx\1.wmv)，则正确的播放地址应该是：  mms://192.168.1.101/vod/wgjx / 1.wmv
注意：用Helix点播media媒体文件时，请不要使用中文的目录和文件名，否则很可能出现莫名其妙的错误，网上现在有人提供了解决的办法，但相对复杂，所以还是避开为妙。
4.2 美萍VOD
4.2.1安装
双击美萍VOD的安装程序，按照弹出的对话框中提示的进行安装，直到安装完成，美萍VOD会自动打开。
4.2.2注册用户
这里有一个序列号和注册码，是进行软件注册的，当然如果下载的美萍VOD破解版的话，就不用进行注册这一个步骤。这里点击软件帮助，在下拉菜单中选择软件注册，然后将下列信息输入，重启即可。
序列号：MPSOFT-41291250-28388423-62100-61
注册码：79762
4.2.3客户端系统配置
首先我们单击系统设置在弹出的对话框中，有几项需要设置
①端口号设置
    美萍VOD服务器提供服务的端口号，缺省设置的是6666，比如您的服务器内部IP地址是192.168.0.1，则在您的局域网中任一台客户机都可以通过http://192.168.0.1:6666 来访问点播系统。（如果您的服务器上没有安装IIS服务，您可以把这个端口改成80，这时你在客户机上直接打http://192.168.0.1 即可访问，因为IE默认的端口号是80）
   ②当播放RM电影时，拖放操作会延时很长时间，这时就是我们安装helix server的用途，只需要在VOD中指定电影的文件的具体位置即可。点击“系统设置”按钮，进入系统设置对话框，点击“接口设置”，选择刚才加入的流媒体路径！
单个加入：先选择某个分类，在进入最下层的分类后，点鼠标右键，选择“项目添加”弹出项目添加窗口，您可以直接输入路径，网址，或者用浏览加入。（注意：格式中要输入如mp3，swf这样的格式，rm媒体的文件选择点击rtsp进行浏览，系统自动加入流媒体地址）
多选拖入：打开我的电脑，多选您需要添加的媒体文件，然后拖入到美萍VOD的窗口中即可。在弹出的系统提示对话框“系统发现您在realserver媒体目录中添加节目，需要系统自动转换成rtsp服务路径吗？”，选择“是”即可。
4.3 实训采集
启动微格系统后, 运行H elix Producer。在采集前前需要进行如下设置:
（1）设置点播终端上网的带宽, 从28K Moden 到1. 5M 供选择。带宽越大, 图像质量越高, 但生成的视频文件占用磁盘空间大, 应在两者之间平衡, 一般用512K DSL or C able 较合适。
（2）视频输入方式、制式、图像尺寸、图像格式及亮度、对比度的设置。图像尺寸越大, 输出的文件越大,一般选用640*480像素。
（3）确定输出文件的保存位置及文件名。采集前建好保存文件的目录结构, 以方便后期的网上发布, 文件名用对应同学的学号。点击Encode 按钮, 开始实时采集微格训练过程。
（4）配置Internet信息服务 , 在主目录中设置本地路径为微格教学,并选中 “目录浏览”复选框。点播时IE浏览器地址栏中输入视频服务器所在IP地址, 学生训练实况文件就出现在界面上, 点击就会启动RealPlayer开始播放，实现了微格教学实时播放，也可以把视频文件添加到美萍VOD媒体库中，让学生和老师进行点播观看。
5. 总结
基于流媒体的微格教学系统克服了传统微格教学系统的缺陷，大大提高了教学效率和教学质量，它将随着教育信息技术的不断进步, 功能上向更加智能化、更加精确化的方向发展, 为教师教学技能的培养发挥更大的作用。微格教学系统只有与多媒体系统、校园网有机融合, 拓展其功能, 资源共享, 才能适应时代需要, 更好地为教育教学服务。

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