構建多媒體教學環(huán)境

呂　方　許忠信

盡管當今高速發(fā)展的高科技無處不在，但教師們仍然孤零零地在課堂上講課，大部分教師還墨守成規(guī)地使用最原始的教學輔助工具。比如，粉筆黑板這類教學史上最古老的教學工具仍是許多科學技術領域教學中首選的教學方法。自從計算機應用出現(xiàn)在教育領域以來，研究者一直尋求將它們整合并發(fā)揮其優(yōu)勢的途徑。

構建多媒體教學環(huán)境這項艱巨的任務必須從需求分析開始。其中最具挑戰(zhàn)性的任務是適應計算技術不斷創(chuàng)新的條件下，確保多媒體教學系統(tǒng)的可靠性。

因此，我們提議建立一個可靠、普遍、適應性強、使用簡便的科技教學整合體。將這種系統(tǒng)放置在一個面向服務的模型上，通過一個獨立的工作平臺來實現(xiàn)，比如一個虛擬機器提供開發(fā)者所需要的適應性。耦合組件會適應非單塊集成電路方法和靈活地再應用。通過再使用和提高組件性能，這個系統(tǒng)會變得更加可靠而且這個積木式的結構會使得系統(tǒng)更易于管理。

一、老師有什么

目前，在教學中應用電子計算設備的需求是很大的。一些局部的解決措施已經存在了，但是沒有任何人用全球化的觀點來使用這種技術。而且大多數(shù)研究者也沒有投入精力去關注這個發(fā)展結構，這個結構是科技和針對課堂的簡易使用來設計的一種結合。

至今，三種電子學習途徑成為主流：

* 大量使用幻燈片講課

* 通過光纖信號傳送的視頻錄像演講，以及最近使用的網絡播放

* 一些電子學習模式而衍生出來的動態(tài)頁面、動畫和Java程序

用幻燈片講課能夠有很好的視覺效果和流暢的講課節(jié)奏。老師預先計劃好所有講課內容，加入所有需要的資源。一些列表、圖表，或者圖像都可以直接地呈現(xiàn)給觀眾。更多的好處是，計算機產生的幻燈片可以打印出來給學生，這樣他們以后復習的時候就有副本了。

但是，幻燈片講課經常會出現(xiàn)靜態(tài)的狀況，因為所有的東西都是提前計劃好的，少了一些老師根據(jù)所講內容與學生互動的可能性。

通?；脽羝瑑热菔且皂椖糠柫斜淼男问脚帕械奈谋靖袷剑@種格式也限制了老師的表達方式。

有時候，當學生們看到有大量數(shù)字的幻燈片顯示時也會感到痛苦，尤其是在數(shù)學和物理課上。

錄制整個講課內容，這會讓學生們遠程學習課程而且回憶起以前的內容。錄制或者傳送課程，標準的互聯(lián)網視頻播放系統(tǒng)已經變得很流行了，這些也充分利用了具有高品質視頻播放軟件的實用性和簡易操作性。

不過，標準視頻Webcast工具使得錄制技術的質量與教學內容不相符合。文本和圖畫，不論是幻燈片或者黑板上的，很難進行編碼的原因有二：一是視頻壓縮會忽略明顯的邊緣效果；二是平穩(wěn)地傳輸內容需要高帶寬的互聯(lián)網連接，一些學生在遠程很難訪問視頻。

教學的小型應用，例如動態(tài)網絡頁面、動畫，或者Java程序都可以應用在講課當中，同時也可以單獨地面對在家中的學生進行授課而沒有任何約束。然而，由于培訓某種專門技術的傳統(tǒng)方法很難與現(xiàn)代計算機寫作系統(tǒng)相匹配，在使用傳統(tǒng)計算機寫作系統(tǒng)時，花費在掌握該系統(tǒng)提供的學習輔導單元上的時間與精力遠比實際寫作所用時間多得多。

二、老師需要什么

假如這些幻燈、視頻錄制和電子教學模式是教育領域最關心問題的直接答案，那么，如下的一些要點就要分析：

* 對課堂教學的支持，包括整合教育化小型應用的可能性

* 準備課堂教學的設備支持

* 同步和異步的遠程教學支持

很明顯，老師們必須考慮他們在教室中是否有優(yōu)先權。如果這些工具不能與他們多年的教學經驗和實踐相平衡，就會使他們有可能拒絕任何教學設備。因此，任何設備應當與老師建立起的工作習慣相一致，同時還能給老師增加更多的有價值的教學經驗。每一個老師都有自己不同于其他老師的教課方法，老師必須能夠根據(jù)他們的想法來改變這些電子設備。

一個平穩(wěn)順暢的課堂教學表現(xiàn)依賴于課前備課的質量，它依次包括收集內容、構造講課層次、準備教學用的要素，比如表格、數(shù)字、圖片之類的。多媒體元素會是有用的教學工具。

越來越多地使用這類多媒體需要更專注的準備工作。為了避免多余或重復的工作，像預調整打印在紙上的材料，基于計算機工作的教學工具必須能夠提供這種便利的處理方法。這包括盡可能保留自由限度，允許更多需要的結構。一個老師應該能夠控制講稿中材料的數(shù)量、順序和要素。

同步的遠程教學，比如視頻會議，可以提供有資源約束性質的課程。此外，還可以幫助學生復習過去的學習內容。異步遠程教學為幫助學生復習考試，趕齊所錯過的學習內容提供了便利。

雖然同步或異步教學法為學生提供了一個有價值增進的機會，但只有盡可能不用幻燈片時，老師才可以采用該教學方法。其實，老師們需要一個工具充分協(xié)助其備課和講稿的分發(fā)，允許多種多樣教學媒體的簡單整合，以及選擇性支持同步遠程教學。這就包括：一方面提供大量數(shù)據(jù)支持，另一方面準許課堂上的高度自由權利。

三、需求調查

學校是一個不同種類組成并且可衍生的集合。軟件開發(fā)人員希望他們的軟件系統(tǒng)可以持續(xù)地成功，所以，他們必須在多種軟件硬件構造的環(huán)境下建立一個可以生存的模式，同時還要使其適應不同的軟件設計理念。

1.基本需求

這種軟件必須適應現(xiàn)存的硬件基礎架構，而且很容易適應其他多媒體應用的工作。軟件開發(fā)人員應該避免過度集中于對所有者特殊解決方案的解釋，軟硬件在課堂教學中應盡量排除超負荷的可能。

因此，開發(fā)的軟件需要在結構變化或者功能增強方面進行嚴絲合縫的整合，比如新型媒體增加、技術格式變化，或者新硬件的簡單升級。

2.實際期望

成功的遠程教學需要先了解目標學生的技術條件，而且需要考慮將來技術或目標群的變化。舉個例子，當參與者第一次要進行遠程教學時，會有一種強烈的心理屏障，因為他們首先要安裝客戶軟件程序。我們不能設想所有學生都有互聯(lián)網連接，而讓高帶寬的連接空置。舉例，2003年對柏林工程系學生的一個調查表明：盡管93%的學生可以連接互聯(lián)網，但是有超過50%的學生只使用調制解調器上網。

通過給出的統(tǒng)計，我們建議在不同的質量層次進行播放，分離課程內容到不同的流體，提供可移動的瀏覽器，用戶可以控制開關的視頻音頻或者幻燈片流體。除此之外，這些內容也應該以未聯(lián)網的模式分發(fā)，例如刻成DVD。

3.尋求持久性

越是特殊的解決方案，其重復使用的可能性就越低，這也直接影響其持久性。就如同軟件工程中，單片集成電路方法很難被重新使用。舉個例子，從已記錄的陳述中提取某些幻燈片制成壓縮視頻，這是很繁重的過程。此外，因為技術革新、立法變更，或者文化發(fā)展，許多課程、課題的內容都在經歷著飛速的變化。

因此，應該把發(fā)展的重點放在創(chuàng)新內容體系而不是管理執(zhí)行它。構建內容管理系統(tǒng)或者進行一些額外的元數(shù)據(jù)研究不會對達到目標有幫助，同時也不會縮減花費。

一個增強多媒體教學的軟件環(huán)境應該提供更多個體的教學部分的管理。它必須能夠提供一個完整的解決方案，使其能允許教育小型應用，基礎支持創(chuàng)新，產生內容的有機綜合。

在特定環(huán)境下教學的技術整合和不同組織系統(tǒng)間的合作，一方面需要很高的靈活性，另一方面也需要很高的可靠性。最理想的解決方案是使用提供的硬件設備與老師的工作流程嚴密地結合起來，同時，個人也可以輕松管理其配置。

四、黑盒子里有什么

這個可靠的、普及的、適應性強的，而且簡單使用技術結合成整體的黑盒子里邊到底有什么東西？

由于這些組成部分的軟件工程設計方法在過去的幾年里被提議過，可應用的領域包括Eclipse Rich客戶平臺所帶的各種工具（http://www.eclipse.org/）。我們計劃利用這些途徑提供一個完備的創(chuàng)新支持課堂應用的解決方案，更多的是相關的服務能夠在一個精確的體系結構里的各部分間自由提供耦合，這也就允許他們可以進行遠程資源的動態(tài)下載。

1.普通教室的安裝

根據(jù)一般的情況，在教室安裝完軟件，用戶根據(jù)應用的具體要求來進行配置。為了達到此目的，他們利用工具來具體說明要做什么而不是如何去實現(xiàn)。隨后，系統(tǒng)就會分析它所處的環(huán)境，從遠程數(shù)據(jù)庫下載其所需的部分，合成這些服務，使其能提供所需的功能。

一個音頻記錄軟件安裝向導提供了一個系統(tǒng)配置和環(huán)境分析的工具實例。一個專業(yè)系統(tǒng)通過GUI（圖形用戶界面）的安裝向導來幫助用戶進行系統(tǒng)化設置和語音設備的測試。由于最初修正過的合成描述，這種結果包含了一系列所需的已過濾的服務來適應一個給出的記錄的前后期處理。在上課過程被錄制下來的過程中，系統(tǒng)的顯示器和控制器是語音設備中最為重要的部分。比如，系統(tǒng)可以偵測和報告一個范圍內的錯誤和硬件故障。系統(tǒng)也可以模擬和自動操作標準化影音工作室設備，像是圖形均衡器、噪音濾除器以及壓縮器。

2.遠程教學

另外一個例子是白色書寫板應用軟件，它獲取參與者的書面文本，然后存儲并通過互聯(lián)網傳輸這些數(shù)據(jù)給感興趣的客戶。為了提供額外的功能，老師利用安裝向導來從一系列服務中挑選可以與講課內容緊密結合的部分，這些服務可以從本地或者遠程來提供。當老師選擇了特定的服務程序，例如一個泡排序可視化迷你應用程序，下載相對應的組件，白色書寫板的核心就會顯示出此服務。相同的服務也會被應用在客戶端，但有可能是其他不同的組件來提供的。

在視頻流體情況下，不同的服務能夠轉換成不同格式的內容。接受器服務可以接收引入連接的請求，然后在獲取的視頻類型和能在客戶端顯示出的格式類型之間，選擇和配置適當?shù)霓D換服務。

各種組件的可下載功能成為這種方法中最方便的因素之一。但如何建立這些遠程數(shù)據(jù)庫還是個尚未解決的課題。

普通的方法習慣于通過服務來建立組件實現(xiàn)其功能，其中一個任務就是在界面種類組成中定義服務條款。這之后，單獨的一方能在這些數(shù)據(jù)庫中共享他們的執(zhí)行組件。在服務條款合同中的詳細信息必須在相關的明確領域內決定出來?？紤]這個因素，依據(jù)句法的界面種類與一些元數(shù)據(jù)相結合的屬性在大多數(shù)情況下就足夠使用了。

五、SOPA

如圖1所示，自我組織處理和流體結構（the Self-Organizing Processing and Streaming Architecture，SOPA，http://www.sopa.inf.fu-berlin.de/）就是符合我們的想法并且良好運行的。這個框架體系管理多媒體處理和有組織的流體組件，它存在于一個圖表流程中，這個流程的特點就是能與流媒體處理組件自主編合，有機動態(tài)的圖形處理利用各種分布式資源中的組件。SOPA根據(jù)圖形的需求安裝了這些組件，這都來自它的某些特定目的，還根據(jù)應用程序的需要進行組合。一個XML文件表述了粘合這些組件的圖形。

SOPA使用了全面的屬性來描述節(jié)點，舉例來說，可以告訴系統(tǒng)選擇一個壓縮到確定帶寬的音頻編碼。圖形結構可以改變而且它的編碼可以隨著系統(tǒng)運行進行升級。其實現(xiàn)過程應用了Oscar(http://oscar.objectweb.org/), Richard S. Hall的OSGi體系中的公開資源，作為其基本的組件模式。

SOPA目前著重于多媒體處理和互聯(lián)網流媒體在服務器和客戶端的應用上。在服務端，例如一個視頻流體服務器，SOPA可以根據(jù)聯(lián)網客戶在運行時間的實際性能來進行編碼的整合與管理。除此之外，它還可以對客戶端進行嚴密的清晰的重新設置和升級，用來自動適應流媒體處理以滿足用戶需求。

對每一個明確的需求，SOPA會使用Eureka，這是一種基于指定地點的搜索調用組件的引擎，它可以在本地或者遠程數(shù)據(jù)庫中歸類有特殊處理要求的圖形。當進入遠程數(shù)據(jù)庫，SOPA從遠程資源中重新找到有需求的組件然后在本地調用。

SOPA根本上是盡力簡化此應用程序發(fā)展，它既能延伸流媒體和處理層，同時還能縮減行政管理的工作量。再具體一些，SOPA提供了一個集攏的解決方案，它是一個可延伸的管理多媒體組件的體系。SOPA可以同步不同的多媒體流體，例如幻燈片和視頻流體，同時利用獨立的應用程序的方法來記述混合內容的操作性，比如從一種多媒體格式轉換成另外一種。

六、電子粉筆

E-Chalk軟件系統(tǒng)(http://www.e-chalk.de/)通過互聯(lián)網獲取和傳輸用黑板進行授課。Raúl Rojas最先提出此設想并在柏林Freie Universit鋞對其進行了發(fā)展。E-Chalk通過結合多媒體特征的現(xiàn)代講課軟件和傳統(tǒng)用的黑板，增強了課堂里的教學效果。這個軟件用一個可觸摸的計算機屏幕虛擬一個黑板，老師可以拿著筆在上面工作。這種方法保持了傳統(tǒng)黑板作為教學用的工具，同時也幫助老師創(chuàng)立了現(xiàn)代化的多媒體教學環(huán)境。

SOPA處理混雜的流媒體和記錄講稿。E-Chalk則隨著一套節(jié)點來操控和轉換不同類型的媒體和必要的XML圖形描述。當老師開始用E-Chalk錄制或者傳送一個講課內容，媒體圖形就已經建立，系統(tǒng)也已經激活并處于在線狀態(tài)。在媒體圖形建設過程中，系統(tǒng)也會檢測是否需要升級。系統(tǒng)會升級任何所需的節(jié)點。

使用SOPA的同時，學生也會用QuickTime或者Windows Media Player等來接收E-Chalk流媒體。為了完成它，一個接受器等待一個引入的連接并檢測它的類型。依據(jù)連接中的客戶類型，它可以調整已有的媒體圖形，執(zhí)行尋查，下載支持新媒體類型的節(jié)點。

E-Chalk軟件與各種各樣的硬件設備組件共同工作，老師用此來替代傳統(tǒng)的黑板。舉個例子，教師可以寫在數(shù)字書寫板或者電腦書寫板，用一個液晶投影儀顯示計算機屏幕上的內容來取代墻壁。老師還可以用數(shù)字化的書寫板，直接用液晶投影儀將內容展現(xiàn)在合適的地方。

軟件可以將屏幕顏色變化，老師可以用不同顏色的筆在上面繪畫。垂直地向上或向下卷動屏幕，從而有了一個沒有限制的書寫平面。講課過程中，還可以用橡皮去除部分或者整個屏幕上的內容。從網上得到圖像或者本地硬盤也可以放置在板面上。E-Chalk提供了連接計算機圖形接口用來實現(xiàn)與網絡服務的接口連接。

教師也可以應用從網上得到的含Java程序的教學迷你應用軟件。當老師用一個默認的手寫識別的顏色畫一道線，手寫輸入就會通過一個數(shù)字格式辨認。這個辨認將輸入轉化為其他組件，比如Mathematica 或者 Maple界面。這樣有利于呈現(xiàn)部分結果或者給出部分制定的數(shù)字功能的注釋。當老師需要一個計算結果時，Mathematica 或者 Maple就會以文字或圖像形式回答。

E-Chalk提供另外一種方式與第三方互動的組件：Chalklets。這些應用只有通過Strokes來實現(xiàn)，Strokes從屏幕上識別圖畫和姿態(tài)，繪畫出它們自己響應出來的結果。

當一個E-Chalk課程結束，這個系統(tǒng)自動生成一個包括黑板內容的PDF文本。這個文本可以設置成彩色或者黑白色。

宏是E-Chalk提前準備課程的一種方法，它提供一些事先錄音的材料，在授課過程中老師就能在板上顯現(xiàn)和回復。老師提前存儲一些繪制出來的有關課程的內容。在上課過程中，宏可以重放這些材料，以平常速度或者是加倍的速度，這完全取決于用戶的需要。自動生成的宏可以是可視化的。

E-Chalk記錄了所有從屏幕或者書寫板上得到的內容，還包括老師的聲音和一些選擇性的視頻。這些課程可以通過網絡直播，也可以在視頻會議系統(tǒng)中同步傳輸。

遠程用戶連接到E-Chalk的服務器可以看到所有的情景，就如同身在教室里一樣。他們能選擇接受課程的音頻和一小段老師的視頻。如果完全用E-Chalk來進行講課，應用動態(tài)黑板畫面、音頻和視頻，其所需帶寬為128Kbps。如果不要視頻流媒體，所需要的帶寬為64Kbps。

基于Java程序的錄制回放程序提供了最方便的途徑來回顧一堂課。在這里，用戶只需要有一個Java可認的網絡瀏覽器，不需要安裝任何插件或者客戶端程序。

其他一些選項包括：課程內容由MPEG-2格式轉換成DVD，支持Java程序的PDA，或者一個第三代手機可以運行RealPlayer，當瀏覽這些保存的課程時，遠程客戶看見一個類似圖2所示的控制臺，還可以使用典型的VCR工具，像是暫停、快進，或回放功能來控制內容播放。

七、Exymen

Exymen軟件體系框架（http://www.exymen.org/），一個全球范圍的交叉平臺多媒體編輯器，它對于開發(fā)人員來說是一個關于媒體格式和數(shù)字信號編碼的高速原型工具的選擇。Exymen的開發(fā)人員盡力使這種工具提供免費下載來編輯媒體內容。

編輯者提供一個用戶圖形界面交叉平臺，定義一般性的數(shù)據(jù)結構，運行操作基于時間的媒體。開發(fā)人員能用組件插件來完成抽象化的數(shù)據(jù)結構，以及那些有復雜格式綜合的內容。這些擴展功能都可以存儲和更新，而不用在運行的時候打斷工作流程。組件可以用在框架和其他組件中，通過軟件重新使用協(xié)助擴展開發(fā)。

開發(fā)人員能用Eureka從遠程場所為系統(tǒng)提供組件。一些插件組件已經為Exymen所開發(fā)出來，所有類型的E-Chalk內容均可以被個人或者同步進行編輯。

Exymen能編輯由Java媒體結構支持的音頻內容，像wav文件、QuickTime，或者是MP3格式。它還能編輯同步由網絡導出的PowerPoint幻燈片。Exymen能用SOPA的媒體節(jié)點來編輯存檔課程內容，因為它與SOPA共享本地組件的緩沖區(qū)。一個Exymen的專用部件讀出媒體圖形描述后找出轉換路徑。

雖然還有許多問題存在于我們架構多媒體教學環(huán)境的方法，但是我們堅信通過作好需求分析來實現(xiàn)分類的有計劃的協(xié)助，通過建立解決方案來實現(xiàn)我們的計劃，許多錯誤或者是多余的工作都是可以避免的。