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實時雙向交互式遠程教學系統的設計與實現論文
摘要：遠程教學是網絡教育的重要組成部分，實時雙向交互式遠程教學系統能為遠程教育提供一個符合信息化教育規律的真正高效的現代化教學手段。文章闡述了系統設計的理論依據，對該系統進行了設計和實現。
關鍵詞：遠程教學；系統；設計
一、引言
傳統的教學模式在目前的教育教學體系中仍然占據著重要的地位，但其仍存在著一些局限性。遠程教育利用網絡技術實現教學方式在空間層面上的跨地域性，可以利用網絡進行實時交互，更可以通過把優秀的教育資源置于網絡服務器上，達到資源共享。遠程教育是網絡教育的重要組成部分，所謂實時雙向交互式遠程教學，就是利用計算機網絡通信技術和多媒體技術，以網絡作為載體，進行教學工作，克服地理區域和時間上的限制，使任何地方的用戶都能夠通過網絡進行學習，使師生雙方能進行實時的、雙向交互的教與學的活動。
二、系統設計的理論依據
（一）設計的理論基礎
隨著Internet技術的普及，遠程教育正經歷由“遠”到“近”的轉變過程。雖然物理距離仍然存在，然而學生之間的實際學習“空間”更近了。網絡教學可以傳統教室里獲得更好的交互性，不僅如此，Internet和WWW的應用和推廣，還使得遠程教育從行為注意學習理論逐漸向建構注意學習理論轉變。由皮亞杰（J.Piaget）提出的建構主義（Constructivism）學習理論認為：知識不是通過教師傳授得到，而是學習者在一定的情境即社會文化背景下，借助他人的幫助，利用必要的學習資料，通過意義建構的方式而獲得。
通過Internet進行遠程教學，在教學上不受時間和地點的限制，教師和學生可以在適合自己的時間、地點上網，能夠提供給教師與學生之間、學生與學生之間通過網絡進行實時的交互。因此，基于Internet的遠程教學更能為學習者提供一個建構主義的學習環境，充分體現學生的首創精神，學生有更多的機會在不同的情境下去運用他們所學的知識，而且學生能根據自身行動的反饋信息來形成對客觀事物的認識和解決實際問題的方案。
（二）系統的設計原則
系統的設計目標是在最大程度上滿足實時雙向交互式遠程教學活動的需要，在Internet上實現教學活動的各個環節。系統的基本設計原則有：交互性、開放性、實用性、可擴展性、安全性等。
遠程教學的方式是多樣化的，信息的交流具有實時性和異步性，比如可以利用流媒體技術把事先錄制好的課堂教學視音頻信息或事先制作好的多媒體教材，通過網絡供學生隨時點播學習，這是遠程教學方式的異步性體現。遠程教學的重點在于教學活動的實時互動性上，而雙向實時交互式又是當前采用的先進方式，如數字化的會議電視或視頻會議技術，利用視音頻交互、文字交互、白板及圖片圖形等共享，可以讓參與到遠程教學的師生就像傳統的課堂上那樣進行實時的互動交流，這也比使用BBS、E－mail、留言板要便捷得多。
系統既要根據國內的網絡環境適用不同的帶寬，同時也要適應國內信息化教育的總體水平。遠程教學系統在結合網絡教室中實用的、優秀的功能基礎上，應增加大量易操作、實用的功能，如同步瀏覽課件、網頁功能等。系統既要考慮信息資源的充分共享，更應注意信息的保護和隔離，如系統安全機制、數據存取的權限控制等。
三、系統功能設計
要形成基于Internet實時雙向交互式遠程教學系統，學生和教師擁有一臺計算機便可以通過軟件進行遠距離教學活動，實現實時互動。系統的功能主要分為課件教學功能和交互教學功能。
（一）課件教學功能
1、課件列表。教師可將所需的圖片、各種office文檔、網頁課件等多媒體資源裝入課件列表，在上課時實現主控式的同步瀏覽。
2、課件同步。系統能將課件自動壓縮上傳服務器，教師和學生可以同步以網頁的方式瀏覽。此外，系統也可以讓學生自動下載課件到本地，教師與學生同步瀏覽時，直接打開本地文件，不用訪問，這樣可以提高課件訪問速度，節省網絡帶寬。
3、錄制播放。教師和學生都能根據自己的需要進行現場課程制作，教師端還支持已錄制的課件再次廣播。教師可以允許或禁止學生錄制課件。
（二）交互教學功能
在這樣的系統中，學生可以進行學習、考試、討論等，學生和教師之間可以傳輸圖像、文字、圖形、聲音等各種信息。系統的主要功能包括：視音頻交互、文字交互、白板交互、文件交互等。
1、視音頻交互系統。本系統的用戶截面最多可以同時顯示八路視頻端，用戶可以根據自己的需要隨時對需要顯示的界面進行切換；教師可以將授課內容及教學情景實時的傳送到網絡教室中去，或者也可以播放某個學生的視頻；在教師廣播自己視頻時，也可以監視某個學生的視頻。教師能把自己的聲音廣播出去，同時可以允許某個學生說話，或者同時允許兩個學生廣播聲音；在系統沒有開啟語音廣播時，教師、學生之間可以私聊，可以一對一，也可以一對多。教師端有學生舉手狀態的顯示框，教師可以選擇舉手的學生并允許發言。學生在被允許發言時，系統會彈出一個對話框，提醒學生發言。
2、文字交互系統。在文字討論區，教師可以與全體學生，也可以與某個學生進行文字交流，教師一旦在人員列表中選定對一個人發送信息時，進行一對一的交流，其他教師成員則看不到。文字交互系統中還有關于教師操作信息的系統提示和公告等，如教師允許某人發言，錄制課件等。另外，系統還有詞典過濾功能，可以過濾那些出現的不文明用語。
3、白板交互系統。教師和學生可以同時在白板上作圖、寫字、編輯或粘貼現有的圖形和圖片等。教師可以對白板的使用權限進行控制，允許或禁止其他人使用白板，選擇是否顯示白板上的對象的創建者，還可以對白板上所創建對象的顏色、字體等屬性進行設置。本系統目前支持十頁白板，可根據需要加以擴充。
4、文件共享系統。本系統的文件共享系統是基于服務器的FTP服務器的基礎之上，各個用戶端連接上服務器時，教師批準了文件共享后，FTP服務器中的FTP文件夾中的各種資源就顯示在文件的共享區域內，供參加網絡教學的學生上傳或下載。
四、系統結構設計
本網絡課堂教學系統采用客戶機/服務器結構，使客戶端具有相當的穩定性和易操作性。實現工具采用Microsoft公司的Visual C++，Visual C++是一種非常完善和全面的程序集成開發環境，它采用面向對象的程序設計方法，在多媒體圖形處理方面功能強大。Visual C++的核心是Microsoft基本類庫（MFC），它一方面用類封裝了Windows API，另一方面使用稱為“消息映射”的機制把Windows消息和命令傳遞到窗口、文檔、視圖及其對象，MFC能成功的把面向對象和事件驅動編程聯系起來。在對參與系統的用戶的用戶名及密碼信息的控制是通過與XML（Extensible Markup Language）文檔中的數據的交互來實現的。
遠程交互式教學系統主要由多媒體授課室、多媒體聽課室、多點控制器、信道（傳輸網絡）及控制管理軟件組成，基本結構如圖1所示。教師在授課室通過電子白板、視音頻設備、傳輸網絡將授課內容及教學情景實時傳送到遠端聽課室，同時學生可以在遠端聽課室現場回答教師提出的問題或向教師提出疑問，教師在授課室可以看到和聽到聽課室的全貌，還可以看到發問、回答問題的學生的表情和動作，并和學生進行現場交流，可以取得比較好的教學效果，尤其是那些需要學生參與的課程，比如外語教學。
授課室和聽課室也即課堂終端包括教師端和學生端，主要功能包括：視音頻信息的采集、傳輸、顯示輸出，數字信號的壓縮編碼和解碼，最后將符合國際標準的壓縮碼流經線路接口傳送到信道，或從信道上將標準壓縮碼流經線路接口送到終端中。在課堂終端還可以進行文字、文件、圖片信息等輸入輸出操作。目前，計算機硬件設備基本上可以滿足系統的要求，在教師端，對計算機設備、視音頻采集設備的要求相對要高些，如盡量采用較高像素的攝像頭等采集設備。
多點控制器（Multipoint Control Unit，MCU）是一種橋接設備，是網絡課堂教學系統中的關鍵部分，它的主要作用是對視頻、音頻、數據信號等數據流進行切換。
五、系統界面設計及系統實現
系統的用戶界面設計直觀，具有良好的操作性，包括文字、圖標、圖形、色彩和其他視覺方面的設計。屏幕的界面設計考慮到學習者的視覺心理特點，突出整體，具有統一的界面風格。同時注重了界面內容的交互性和可控制性，以及教學內容超級連接的有序性。界面區域工包括五大控制板塊：視頻顯示區、電子白板、課堂成員列表、文件共享區域、文字交互。用戶可以根據自己的需要對各板塊自由拖動、改變大小，移動板塊改變其在界面中的相對位置，選擇或隱藏板塊等。
遠程多媒體實時交互教學系統，通過壓縮教師教學現場的視頻、音頻流結合同步瀏覽課件命令，形成教學資源流，利用網絡實時傳送到遠端學生的電腦上，學生可以及時通過舉手提問、共享教師端程序、文字交流等方式實現遠程互動教學。本系統可運行在Internet、Intranet、衛星網、校園網、局域網，提供文字、音視頻、課件、電子白板、互動廣播教學的平臺，并在虛擬現實中的教室打破時空限制，讓異地師生通過音視頻實時交互，如同置身于同一課堂之中。
六、結束語
隨著Internet的普及和在教育領域中的應用，Internet將會在遠程教育中發揮巨大的作用。基于Internet的遠程教育，實現了全球信息資源的共享，使教育和科技逐步走向國際化和全球化，這正是遠程教育發展的方向和追求的目標。當然遠程網絡教學需要大量使用各種多媒體信息，而目前視頻多媒體的傳輸受網絡傳輸速度的影響較大，成為了網絡教學的瓶頸，尤其是如何實現異地交互式教學是需要解決的關鍵問題。同時，目前網絡安全也是制約Internet發展的一個因素，如何保證信息的安全，怎樣做好安全保障，同樣也是需要解決的關鍵問題。
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