土木工程專業(yè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張望喜++劉一江++胡小惠++方志++廖莎

[摘 要]鑒于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程教學(xué)具有數(shù)據(jù)傳輸量大、實(shí)時(shí)顯示困難的特點(diǎn)，可以研究基于移動(dòng)終端運(yùn)算和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的建立，解決遠(yuǎn)程視頻教學(xué)的信息傳輸量大、對通信網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高的問題，在結(jié)合當(dāng)前的視頻會議方案以及相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，搭建并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)時(shí)交互的功能。

[關(guān)鍵詞]遠(yuǎn)程平臺；實(shí)時(shí)交互；實(shí)踐教學(xué)；移動(dòng)學(xué)習(xí)

[中圖分類號] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）02-0092-02

目前，移動(dòng)學(xué)習(xí)在國外已廣受關(guān)注，被作為未來網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)發(fā)展方向。對移動(dòng)學(xué)習(xí)最早的研究始于1994年美國卡耐基-梅隆大學(xué)的Wireless Andrew研究項(xiàng)目。2000年美國加州大學(xué)伯克利分校的人機(jī)交互研究室啟動(dòng)“Mobile Education”項(xiàng)目；2001年歐洲的“下一代”項(xiàng)目；2002年非洲農(nóng)村移動(dòng)學(xué)習(xí)項(xiàng)目；英國金斯頓大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)等高校以及愛立信、諾基亞等商業(yè)公司已經(jīng)開展移動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)項(xiàng)目；波士頓大學(xué)提出了基于衛(wèi)星、使用數(shù)字視頻和Internet實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程移動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)；日本的Tokai大學(xué)提出了使用非對稱衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)，用于下一代遠(yuǎn)程交互式教學(xué)的多媒體系統(tǒng)；芬蘭赫爾辛基大學(xué)進(jìn)行UniWap移動(dòng)學(xué)習(xí)項(xiàng)目研究，開發(fā)出各種課程、服務(wù)和產(chǎn)品等移動(dòng)學(xué)習(xí)資源。

我國對移動(dòng)學(xué)習(xí)的研究起步晚于歐美等國家。1998年9月，教育部決定由清華大學(xué)等四所高校開始遠(yuǎn)程教育試點(diǎn)。國內(nèi)的移動(dòng)學(xué)習(xí)始于北京大學(xué)現(xiàn)代教育中心教育實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的關(guān)于移動(dòng)教育理論與實(shí)踐的試點(diǎn)項(xiàng)目。2006年6月，深圳廣播電視大學(xué)正式運(yùn)行基于WAP技術(shù)的移動(dòng)學(xué)習(xí)網(wǎng)；2008年，中國移動(dòng)廈門分公司和廈門軟件學(xué)院共建校園3G網(wǎng)。

一、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺的特點(diǎn)

現(xiàn)代遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺，將信息技術(shù)和現(xiàn)代教育思想有機(jī)結(jié)合起來，特點(diǎn)如下：1.利用Internet遠(yuǎn)程教學(xué)，學(xué)習(xí)者不會有太大壓力，輕松娛樂。2.對土木工程等實(shí)踐性極強(qiáng)的工科專業(yè)，學(xué)生要下工地實(shí)習(xí)。由于工地的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，實(shí)習(xí)者鍛煉得不夠充分。遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺可突破空間和時(shí)間的限制，能更好實(shí)現(xiàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)。3.通過遠(yuǎn)程教學(xué)平臺，教師對工程現(xiàn)場情況進(jìn)行分析與講解，真正做到理論與實(shí)際相結(jié)合，促進(jìn)學(xué)生對理論知識由抽象思維到形象思維的過渡。4.學(xué)生可根據(jù)現(xiàn)場情況在課堂上提出問題，教師通過調(diào)度遠(yuǎn)程移動(dòng)現(xiàn)場實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行解析，利于課堂互動(dòng)。

二、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺的技術(shù)架構(gòu)

結(jié)合當(dāng)前的視頻會議方案以及相關(guān)技術(shù)，搭建并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)時(shí)交互的功能。關(guān)鍵問題在于：系統(tǒng)平臺的搭建以及硬件接口的兼容問題，包括MCU、終端、攝像機(jī)、錄播服務(wù)器等；Android操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序開發(fā)，解決防火墻和NAT穿越問題；利用音視頻壓縮、編解碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)音視頻低碼流、平穩(wěn)、高分辨率的傳輸。以廣域網(wǎng)為基礎(chǔ)運(yùn)行平臺，依據(jù)H.323標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)組網(wǎng)，通過在校園主教室配備多點(diǎn)控制單元（即MCU），搭建起遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)教學(xué)控制平臺，用于連接施工現(xiàn)場及主教室。在主教室還配備管理終端、顯示屏幕、解碼器、錄播服務(wù)器、高清攝像頭、麥克風(fēng)、平板電腦等設(shè)備。完整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 完整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分借用視頻會議系統(tǒng)，采用H.264低碼率視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，使用半像素精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，采用標(biāo)準(zhǔn)的G723.1音頻編碼算法，支持雙向語音通訊，輸出碼率僅為24kbps。系統(tǒng)提供了各種靈活多樣的網(wǎng)絡(luò)接入方式，如3G、ADSL、專線、LAN、無線等。利用先進(jìn)的IPAD平臺技術(shù)和WI—FI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場多點(diǎn)圖像縮放、變焦、切換及與教室學(xué)生音像互動(dòng)功能。

三、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺的建設(shè)情況

湖南大學(xué)的土木工程專業(yè)水平在全國高校處在前列，有許多獨(dú)到的專業(yè)特點(diǎn)，因此進(jìn)行土木工程專業(yè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究就顯得尤為重要。作為1998年第一批教育部指定的遠(yuǎn)程教育試點(diǎn)學(xué)校，本項(xiàng)目的研究獲得了多方支持，學(xué)校安排專用教室，學(xué)院安排遠(yuǎn)程教學(xué)專用現(xiàn)場測試試播點(diǎn)和聯(lián)系安排項(xiàng)目首播工程現(xiàn)場教學(xué)觀摩點(diǎn)，配備足夠的師資隊(duì)伍利用平臺講解一系列結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力試驗(yàn)。

四、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)平臺的應(yīng)用效果

該系統(tǒng)能夠?qū)⑹┕がF(xiàn)場真實(shí)地展現(xiàn)在課堂，加強(qiáng)課堂現(xiàn)場和外地教師間的教學(xué)資源分享。在施工現(xiàn)場的教師根據(jù)主教室的需求，通過平板電腦、高清攝像頭等終端設(shè)備，獲得現(xiàn)場音頻、視頻，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鹘淌?；主教室學(xué)生依據(jù)對視頻的理解和教師的講解，在課堂上提出與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的問題；教師利用攝像頭拍攝提問學(xué)生，現(xiàn)場教師能夠?qū)崟r(shí)獲得信息進(jìn)行現(xiàn)場拍攝，圖2為現(xiàn)場演示部分照片。學(xué)?？呻S時(shí)和現(xiàn)場教師（或外聘教師）之間進(jìn)行高效的遠(yuǎn)程教學(xué)互動(dòng)，特別適應(yīng)一些很難清楚理解的現(xiàn)場案例或現(xiàn)場施工工序的講解和描述，很明顯地提高了教學(xué)效果，節(jié)省了學(xué)時(shí)和實(shí)踐費(fèi)用；一般實(shí)踐活動(dòng)等均可通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互教學(xué)平臺完成，有效提升了教學(xué)質(zhì)量。該系統(tǒng)雖以土木工程專業(yè)為試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)施，但也可在其他專業(yè)應(yīng)用，并與其他高校組網(wǎng)，進(jìn)行課程共享。

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圖2 現(xiàn)場演示照片

五、結(jié)論

步入信息化時(shí)代，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)已經(jīng)在教學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)著重要的位置。把網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)和實(shí)踐性極強(qiáng)的土木工程專業(yè)相互結(jié)合，一方面很好的節(jié)省了人力物力，另一方面又避免了諸多的安全性問題。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教學(xué)具有數(shù)據(jù)傳輸量大、實(shí)時(shí)顯示困難的特點(diǎn)，而基于移動(dòng)終端運(yùn)算和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)則很好地解決了這一問題。隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的完善，基本實(shí)行了網(wǎng)絡(luò)平臺的實(shí)時(shí)交互式實(shí)踐教學(xué)，對于現(xiàn)在以及將來的土木工程的教學(xué)和人才培養(yǎng)有著重大的意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]