利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)直播課堂和網(wǎng)絡(luò)覆蓋

張 曉

（中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100094）

1 背景

黨的十八大以來，我國基礎(chǔ)教育改革不斷深化，在促進(jìn)教育公平、提升教育質(zhì)量和教育制度建設(shè)方面取得了巨大的成就，有力支撐了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、促進(jìn)了人的全面發(fā)展。黨十九大開啟了加快教育現(xiàn)代化，建設(shè)教育強(qiáng)國的新征程，明確提出“推動城鄉(xiāng)義務(wù)教育一體化發(fā)展，高度重視農(nóng)村義務(wù)教育，辦好學(xué)前教育、特殊教育和網(wǎng)絡(luò)教育，普及高中階段教育，努力讓每個孩子都能享有公平而有質(zhì)量的教育?！痹谥罢匍_的新時(shí)代全國教育大會，習(xí)近平總書記發(fā)表重要講話，強(qiáng)調(diào)“推進(jìn)教育改革，加快補(bǔ)齊教育短板，教育事業(yè)中國特色更加鮮明，教育現(xiàn)代化加速推進(jìn)，教育方面人民群眾獲得感明顯增強(qiáng)，我國教育的國際影響力加快提升，13億多中國人民的思想道德素質(zhì)和科學(xué)文化素質(zhì)全面提升”。黨的十九大之后，我國基礎(chǔ)教育進(jìn)入了從“有學(xué)上”到“上好學(xué)”的轉(zhuǎn)變階段，處在“促進(jìn)公平、提升質(zhì)量”的關(guān)鍵時(shí)期。如何補(bǔ)齊農(nóng)村教育短板是教育工作的難點(diǎn)，特別是貧困地區(qū)的教育又是難點(diǎn)中的短板。由于地處偏遠(yuǎn)，這些地區(qū)長期存在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)薄弱，師資力量有限，學(xué)生輟學(xué)率高優(yōu)質(zhì)教育資源嚴(yán)重不足等問題，導(dǎo)致語文、數(shù)學(xué)等主要課程教學(xué)質(zhì)量不高，英語、音樂、美術(shù)等課程難以開齊、開好，嚴(yán)重制約著貧困地區(qū)教育發(fā)展質(zhì)量和水平。國家領(lǐng)導(dǎo)人高屋建瓴的指出信息化手段將是破解教育難點(diǎn)重要途徑。

1.1 寬帶衛(wèi)星搭建傳遞國家關(guān)愛的天路，助力實(shí)現(xiàn)教育公平

目前，全國中小學(xué)（除教學(xué)點(diǎn)外）中，95.8%的學(xué)校實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，配備多媒體教室320萬間，91%的學(xué)校實(shí)現(xiàn)至少擁有一間多媒體教室，68.5%的學(xué)校實(shí)現(xiàn)多媒體教室全覆蓋?！敖虒W(xué)點(diǎn)數(shù)字教育資源全覆蓋”項(xiàng)目圓滿完成，全國6.4萬個教學(xué)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備配備、資源配送和教學(xué)應(yīng)用的三到位，持續(xù)向教學(xué)點(diǎn)推送適用的數(shù)字教育資源，提高了教學(xué)點(diǎn)音樂、美術(shù)、英語等國家規(guī)定課程的開課率，惠及400多萬偏遠(yuǎn)地區(qū)的孩子。面向農(nóng)村中小學(xué)和教學(xué)點(diǎn)開發(fā)了1 ～3年級語文、數(shù)學(xué)、英語等8個學(xué)科，4 ～6年級英語、科學(xué)、美術(shù)等4個學(xué)科的國家規(guī)定課程數(shù)字資源，通過國家教育資源公共服務(wù)平臺免費(fèi)供學(xué)校下載使用。但是仍有4%的學(xué)校沒有連接互聯(lián)網(wǎng)，其中有5，000多所學(xué)校是互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商服務(wù)難以覆蓋的地區(qū)。這些學(xué)校不能享受到國家提供的資源和服務(wù)，進(jìn)一步加劇了教育資源不均衡，拉大了數(shù)字鴻溝，使教育公平缺失。國家有義務(wù)，也有責(zé)任解決這個問題。

2017年4月，我國首顆高通量衛(wèi)星“中星16號”發(fā)射成功并提供商用服務(wù)，為解決偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)接入問題，帶來了希望的曙光。通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，用戶終端可以方便快速地接入網(wǎng)絡(luò)，下載和回傳速率最高可達(dá)150Mb/s 和12Mb/s，高通量衛(wèi)星的投入使用為“寬帶網(wǎng)絡(luò)校校通”提供了一種切實(shí)可行的解決方案，是對光纖寬帶接入的有效補(bǔ)充，為2020年基本實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)學(xué)校寬帶網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋提供了技術(shù)保障，實(shí)現(xiàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)學(xué)生通過“小屏看世界”，也為邊遠(yuǎn)學(xué)校搭建一條接受國家關(guān)愛的天路。

1.2 “直播課堂+網(wǎng)絡(luò)覆蓋”，促進(jìn)農(nóng)村學(xué)校教學(xué)質(zhì)量提升

為解決農(nóng)村學(xué)校教學(xué)資源缺乏的問題，國家歷屆政府都高度重視，先后推出了多種舉措，建設(shè)了豐富數(shù)字化教學(xué)資源，地方也配套了不少地方資源；同時(shí)，開展了各種形式教師培訓(xùn)，很大程度提高了農(nóng)村學(xué)校教學(xué)信息化水平。但總體應(yīng)用水平不高，資源利用效率較低。

多方調(diào)研發(fā)現(xiàn)，資源與日常教學(xué)脫節(jié)是主要原因，并不是資源內(nèi)容不適合，而是各地學(xué)情不一樣，農(nóng)村學(xué)校教師很難對資源進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化。這不是一兩次培訓(xùn)就可以解決的，因此，如何幫助農(nóng)村學(xué)校教師日常教學(xué)是應(yīng)用促進(jìn)教育質(zhì)量提升的關(guān)鍵問題。通過互聯(lián)網(wǎng)將名師引入當(dāng)?shù)?，幫助教師進(jìn)行教研備課的教學(xué)服務(wù)將是今后資源建設(shè)的重要方式。

2 “直播課堂+網(wǎng)絡(luò)覆蓋”的應(yīng)用方案

促進(jìn)教育質(zhì)量提升要進(jìn)行優(yōu)質(zhì)資源課堂的同步教學(xué)，不僅要以“直播課堂”形式立中小學(xué)的單向直播教學(xué)，將優(yōu)質(zhì)的教學(xué)課程下放到師資薄弱的課堂；同時(shí)要解決“互聯(lián)網(wǎng)接入”問題，需要在省內(nèi)多個不通網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)點(diǎn)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，進(jìn)一步提升遠(yuǎn)程教育能力，讓學(xué)校實(shí)現(xiàn)雙向互動的教學(xué)應(yīng)用，可以通過電腦教學(xué)，網(wǎng)校和在線考試，交互式遠(yuǎn)程教育，廣播教育電視頻道到學(xué)校，接入遠(yuǎn)程圖書館，教師培訓(xùn)等方式實(shí)現(xiàn)教育資源的遠(yuǎn)程共享。

根據(jù)“直播課堂+網(wǎng)絡(luò)覆蓋”的實(shí)際應(yīng)用需求，“直播課堂”和“互聯(lián)網(wǎng)接入”可以通過“直播星”和“一鍋雙星”技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即通過直播直播衛(wèi)星和Ka 高通量衛(wèi)星作為遠(yuǎn)程教育的傳輸通道。通過“中星9號”直播星可以將直播課程通過衛(wèi)星廣播的方式向全國投遞。“一鍋雙星”能夠?qū)崿F(xiàn)一個天線面加兩個饋源實(shí)現(xiàn)兩顆衛(wèi)星資源的接入，通過“中星9號”進(jìn)行數(shù)字投遞，學(xué)校接收衛(wèi)星“直播課堂”，同時(shí)通過“中星16號”Ka 高通量衛(wèi)星的接收機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向互聯(lián)網(wǎng)接入。

（1）直播課堂：需要通過衛(wèi)星遠(yuǎn)程教育直播系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全省的單向直播教學(xué)。直播課堂教師端應(yīng)該滿足快速開課，統(tǒng)一調(diào)度的需求。在學(xué)生端，能夠通過簡單操作快速接入直播課堂，設(shè)備應(yīng)當(dāng)能夠存儲直播課程，維護(hù)簡單。

（2）互聯(lián)網(wǎng)接入：將省內(nèi)多個不通網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)點(diǎn)通過經(jīng)濟(jì)便捷的手段將互聯(lián)網(wǎng)接入偏遠(yuǎn)教學(xué)點(diǎn)，滿足教學(xué)點(diǎn)電腦教學(xué)需求，提升教學(xué)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)能力，同時(shí)還滿足網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、設(shè)備可靠維護(hù)簡便的需求。

2.1 直播課堂解決方案

在遼闊地理區(qū)域內(nèi)利用“直播星”來實(shí)現(xiàn)直播課堂是目前主要采用的技術(shù)手段。偏遠(yuǎn)學(xué)校地處地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，各區(qū)域地面網(wǎng)絡(luò)性能不一，很難通過地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全省范圍內(nèi)的直播課堂。在我國，衛(wèi)星直播課堂已經(jīng)有了豐富的應(yīng)用案例，具備成熟的解決方案。本方案的網(wǎng)絡(luò)模型通過直播星作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ǖ?，通過直播課堂、直播星、直播終端實(shí)現(xiàn)教學(xué)直播、信息傳輸、課堂接收三大功能的網(wǎng)絡(luò)方案，該方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，由以下各部分組成：

（1）直播課堂：直播課堂作為直播課程的信息源，需要完成課堂視頻制作采集、編碼打包傳輸?shù)?，最后通過專線傳輸?shù)叫l(wèi)星直播中心。

（2）衛(wèi)星直播中心：負(fù)責(zé)衛(wèi)星直播節(jié)目的播出、運(yùn)行、管理。在衛(wèi)星直播中心會完成內(nèi)容審核、數(shù)據(jù)打包、帶寬分配等工作，將數(shù)據(jù)通過直播衛(wèi)星向全國廣播。

（3）直播星天線+直播終端盒：直播星天線接收直播信號，由直播終端盒解調(diào)解碼到教學(xué)多媒體終端播放。直播終端盒配有硬盤可以存儲直播課程，以便于遠(yuǎn)端師生反復(fù)觀看。

圖1 直播星系統(tǒng)框圖

2.2 互聯(lián)網(wǎng)接入解決方案

互聯(lián)網(wǎng)接入方案主要由Ka 高通量寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及衛(wèi)星直播課程系統(tǒng)構(gòu)成。由于偏遠(yuǎn)區(qū)域教學(xué)點(diǎn)地面光纖難以覆蓋，通過“一鍋雙星”的技術(shù)手段能夠同時(shí)滿足“直播課堂”和“互聯(lián)網(wǎng)接入”的需求。

“一鍋雙星”即主用中星16號（110.5°）衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)雙向高速互聯(lián)網(wǎng)接入，兼收直播星中星9號（92.2°）實(shí)現(xiàn)直播課程接收。通過一鍋雙星，能夠同時(shí)接收Ka 高通量寬帶衛(wèi)星信號，也能接收中星9號廣播衛(wèi)星信號。一個天線面支撐兩套通信系統(tǒng)，將Ka的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入到教室，完成教師、學(xué)生網(wǎng)絡(luò)接入的需求，使廣大師生能夠通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)訪問豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。通過中星9號使各個學(xué)校通過電視直播的方式來實(shí)現(xiàn)“直播課堂”。在該方案中無需改變直播課堂解決方案的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能完美融合衛(wèi)星直播課程系統(tǒng)和高通量寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)兩套系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，由以下兩系統(tǒng)組成：

（1）直播課堂網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：與直播課堂解決方案網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一致，只需將直播衛(wèi)星天線更換為Ka 衛(wèi)星天線即可。

（2）高通量寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

①北京運(yùn)營中心：主要負(fù)責(zé)為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入。負(fù)責(zé)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)發(fā)，將因特網(wǎng)數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)互聯(lián)互通。

②Ka 衛(wèi)星天線：一個天線面同時(shí)接收直播衛(wèi)星信號和高通量寬帶衛(wèi)星信號。

③多功能寬帶衛(wèi)星終端：負(fù)責(zé)直播星信號和高通量寬帶衛(wèi)星信號的處理。既能完成直播信號的接收和直播課程的存儲，也能通過高通量寬帶衛(wèi)星為廣大師生提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，整體每個學(xué)校（教學(xué)點(diǎn)）提供12Mb/s 下行速率，2Mb/s 的上行速率。

圖2 一鍋雙星系統(tǒng)框圖

3 方案系統(tǒng)優(yōu)勢

3.1 直播星

教學(xué)信息傳輸流量有很明顯的特點(diǎn)即教學(xué)信息下行（從教師端到學(xué)生端）量大，上行量（從學(xué)生端到教師端）數(shù)據(jù)傳輸量小。根據(jù)這一特點(diǎn)可以采用非對稱帶寬的模式來實(shí)現(xiàn)教學(xué)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，十分適合應(yīng)用直播星教學(xué)。同時(shí)直播星網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣、圖像清晰、網(wǎng)絡(luò)通暢、無堵塞的特點(diǎn)，在今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)都具有廣闊的發(fā)展空間，特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)和遠(yuǎn)離中心大城市的地區(qū)，衛(wèi)星傳輸更有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

（1）網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢：在覆蓋區(qū)域上，直播星能夠做到中國全境覆蓋；直播課堂由省電教館自主協(xié)調(diào)，播出內(nèi)容可管可控，全省能做到統(tǒng)一同步管理；直播課堂每四小時(shí)輪播，直播內(nèi)容可存儲，最大程度上保證直播課程的可靠性。

（2）設(shè)備優(yōu)勢：直播星方案的設(shè)備簡單，通過普通家用戶戶通天線和衛(wèi)通標(biāo)配直播終端盒就能實(shí)現(xiàn)直播課堂，在遠(yuǎn)端教學(xué)點(diǎn)無需進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。同時(shí)設(shè)備維護(hù)方便，終端設(shè)備故障后可快速更換。

3.2 一鍋雙星

在偏遠(yuǎn)地區(qū)，地面光纖難以到達(dá)，高通量寬帶衛(wèi)星不受空間地域的限制，能夠快速接入網(wǎng)絡(luò)。高通量寬帶衛(wèi)星能夠與直播星完美融合，不需要對直播星網(wǎng)絡(luò)做更改，將直播星天線更換為“一鍋雙星”天線，配上多功能寬帶衛(wèi)星終端就能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入和直播課堂的功能。

（1）網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，終端快速接入，能夠在3小時(shí)內(nèi)完成一個教學(xué)點(diǎn)的工程建設(shè)，為用戶提供12Mb/s 下行，2Mb/s 上行的網(wǎng)絡(luò)帶寬，滿足師生日常教學(xué)使用。網(wǎng)絡(luò)配置簡單，無需復(fù)雜操作，通電接入即可接通網(wǎng)絡(luò)。

（2）設(shè)備優(yōu)勢：能夠和直播星設(shè)備融合，無需對遠(yuǎn)程教學(xué)端多做網(wǎng)絡(luò)配置；終端結(jié)構(gòu)簡單僅需將戶戶通天線換為配套高通量寬帶衛(wèi)星天線即可，同時(shí)適配直播星直播終端盒。

4 終端配置及安裝

根據(jù)遠(yuǎn)程教育應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)的需求，直播星推薦使用如下終端配置，主要包括：接收高頻頭、接收天線、直播終端盒；一鍋雙星推薦使用如下終端配置，主要包括：Ka 一體化Modem+收發(fā)饋源、接收天線、直播終端盒，以下對兩種技術(shù)方案分別介紹。

4.1 直播星方案

接收設(shè)施設(shè)備圖如圖3所示。

選取衛(wèi)星天線的安裝位置時(shí)，一是要避免衛(wèi)星天線前方出現(xiàn)遮擋或可能發(fā)生的遮擋，始終保持衛(wèi)星天線能夠很好對準(zhǔn)衛(wèi)星，最好將衛(wèi)星天線固定在屋檐下且成人伸手夠不著的堅(jiān)固墻面上；二是要盡量離戶戶通機(jī)頂盒安放位置以及電視機(jī)保持較近距離（10米以內(nèi)，越近電纜衰耗越?。?，以免饋線過長（超過20米）信號衰耗過多，影響正常接收；三是要選擇堅(jiān)固可靠的地方固定衛(wèi)星天線基座，注意避雷、防風(fēng)，防止跌落事故。

圖3 直播星典型終端配置

4.2 一鍋雙星方案

將高通量寬帶衛(wèi)星室外單元的Ka 一體化Modem+收發(fā)饋源和直播星的接受高頻頭，一同安裝在室外天線的饋源口處，具有衛(wèi)星信號調(diào)制解調(diào)、衛(wèi)星射頻信號的功率放大和接收功能，使衛(wèi)星終端高度集成化，同時(shí)將互聯(lián)網(wǎng)接入和直播信號接收通過一個天線接入到室內(nèi)多功能寬帶衛(wèi)星終端中，同時(shí)為教室提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和直播課堂服務(wù)。

圖4 一鍋雙星典型終端配置

天線可選用口徑為0.76米的偏饋拋物面天線，使用配套的U型抱箍和螺栓可以將天線安裝在室外的立柱上，而無需天線基礎(chǔ)的施工。如果沒有立柱可供使用，也可以提供安裝支架，或者根據(jù)場地條件提供天線固定方案。天線后部的結(jié)構(gòu)和安裝后的天線外觀示意圖如圖5所示。

圖5 天線安裝后整體示意圖

5 存在的問題及展望

隨著Ka 高通量衛(wèi)星“中星16號”的正式投入使用，利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)直播課堂和偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋為信息化教學(xué)提供了更有力技術(shù)支撐。在優(yōu)質(zhì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境下，要實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教師資源最大化利用。直播教師在直播課堂上僅僅起輔助作用，在各個教學(xué)點(diǎn)仍然需要教學(xué)點(diǎn)教師負(fù)責(zé)教學(xué)點(diǎn)學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課堂秩序維護(hù)、課堂效果反饋和課后作業(yè)批改等，因此，教學(xué)點(diǎn)教師的約束問題同樣重要。

同時(shí)，快速擴(kuò)展衛(wèi)星教學(xué)資源應(yīng)用、推進(jìn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺的建設(shè)也是重中之重。要真正的利用衛(wèi)星資源，減少偏遠(yuǎn)學(xué)校學(xué)生流失，把優(yōu)質(zhì)教育資源和學(xué)習(xí)環(huán)境送到偏遠(yuǎn)學(xué)生手中，解決學(xué)生在家門口能上學(xué)、上好學(xué)的問題。