实时双向交互式远程教学系统的设计与实现论文
时间：2021-08-31摘要：远程教学是网络教育的重要组成部分，实时双向交互式远程教学系统能为远程教育提供一个符合信息化教育规律的真正高效的现代化教学手段。文章阐述了系统设计的理论依据，对该系统进行了设计和实现。
关键词：远程教学；系统；设计
一、引言
传统的教学模式在目前的教育教学体系中仍然占据着重要的地位，但其仍存在着一些局限性。远程教育利用网络技术实现教学方式在空间层面上的跨地域性，可以利用网络进行实时交互，更可以通过把优秀的教育资源置于网络服务器上，达到资源共享。远程教育是网络教育的重要组成部分，所谓实时双向交互式远程教学，就是利用计算机网络通信技术和多媒体技术，以网络作为载体，进行教学工作，克服地理区域和时间上的限制，使任何地方的用户都能够通过网络进行学习，使师生双方能进行实时的、双向交互的教与学的活动。
二、系统设计的理论依据
（一）设计的理论基础
随着Internet技术的普及，远程教育正经历由“远”到“近”的转变过程。虽然物理距离仍然存在，然而学生之间的实际学习“空间”更近了。网络教学可以传统教室里获得更好的交互性，不仅如此，Internet和WWW的应用和推广，还使得远程教育从行为注意学习理论逐渐向建构注意学习理论转变。由皮亚杰（J.Piaget）提出的建构主义（Constructivism）学习理论认为：知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得。
通过Internet进行远程教学，在教学上不受时间和地点的限制，教师和学生可以在适合自己的时间、地点上网，能够提供给教师与学生之间、学生与学生之间通过网络进行实时的交互。因此，基于Internet的远程教学更能为学习者提供一个建构主义的学习环境，充分体现学生的首创精神，学生有更多的机会在不同的情境下去运用他们所学的知识，而且学生能根据自身行动的反馈信息来形成对客观事物的认识和解决实际问题的方案。
（二）系统的设计原则
系统的设计目标是在最大程度上满足实时双向交互式远程教学活动的需要，在Internet上实现教学活动的各个环节。系统的基本设计原则有：交互性、开放性、实用性、可扩展性、安全性等。
远程教学的方式是多样化的，信息的交流具有实时性和异步性，比如可以利用流媒体技术把事先录制好的课堂教学视音频信息或事先制作好的多媒体教材，通过网络供学生随时点播学习，这是远程教学方式的异步性体现。远程教学的重点在于教学活动的实时互动性上，而双向实时交互式又是当前采用的先进方式，如数字化的会议电视或视频会议技术，利用视音频交互、文字交互、白板及图片图形等共享，可以让参与到远程教学的师生就像传统的课堂上那样进行实时的互动交流，这也比使用BBS、E－mail、留言板要便捷得多。
系统既要根据国内的网络环境适用不同的带宽，同时也要适应国内信息化教育的总体水平。远程教学系统在结合网络教室中实用的、优秀的功能基础上，应增加大量易操作、实用的功能，如同步浏览课件、网页功能等。系统既要考虑信息资源的充分共享，更应注意信息的保护和隔离，如系统安全机制、数据存取的权限控制等。
三、系统功能设计
要形成基于Internet实时双向交互式远程教学系统，学生和教师拥有一台计算机便可以通过软件进行远距离教学活动，实现实时互动。系统的功能主要分为课件教学功能和交互教学功能。
（一）课件教学功能
1、课件列表。教师可将所需的图片、各种office文档、网页课件等多媒体资源装入课件列表，在上课时实现主控式的同步浏览。
2、课件同步。系统能将课件自动压缩上传服务器，教师和学生可以同步以网页的方式浏览。此外，系统也可以让学生自动下载课件到本地，教师与学生同步浏览时，直接打开本地文件，不用访问，这样可以提高课件访问速度，节省网络带宽。
3、录制播放。教师和学生都能根据自己的需要进行现场课程制作，教师端还支持已录制的课件再次广播。教师可以允许或禁止学生录制课件。
（二）交互教学功能
在这样的系统中，学生可以进行学习、考试、讨论等，学生和教师之间可以传输图像、文字、图形、声音等各种信息。系统的主要功能包括：视音频交互、文字交互、白板交互、文件交互等。
1、视音频交互系统。本系统的用户截面最多可以同时显示八路视频端，用户可以根据自己的需要随时对需要显示的界面进行切换；教师可以将授课内容及教学情景实时的传送到网络教室中去，或者也可以播放某个学生的视频；在教师广播自己视频时，也可以监视某个学生的视频。教师能把自己的声音广播出去，同时可以允许某个学生说话，或者同时允许两个学生广播声音；在系统没有开启语音广播时，教师、学生之间可以私聊，可以一对一，也可以一对多。教师端有学生举手状态的显示框，教师可以选择举手的'学生并允许发言。学生在被允许发言时，系统会弹出一个对话框，提醒学生发言。
2、文字交互系统。在文字讨论区，教师可以与全体学生，也可以与某个学生进行文字交流，教师一旦在人员列表中选定对一个人发送信息时，进行一对一的交流，其他教师成员则看不到。文字交互系统中还有关于教师操作信息的系统提示和公告等，如教师允许某人发言，录制课件等。另外，系统还有词典过滤功能，可以过滤那些出现的不文明用语。
3、白板交互系统。教师和学生可以同时在白板上作图、写字、编辑或粘贴现有的图形和图片等。教师可以对白板的使用权限进行控制，允许或禁止其他人使用白板，选择是否显示白板上的对象的创建者，还可以对白板上所创建对象的颜色、字体等属性进行设置。本系统目前支持十页白板，可根据需要加以扩充。
4、文件共享系统。本系统的文件共享系统是基于服务器的FTP服务器的基础之上，各个用户端连接上服务器时，教师批准了文件共享后，FTP服务器中的FTP文件夹中的各种资源就显示在文件的共享区域内，供参加网络教学的学生上传或下载。
四、系统结构设计
本网络课堂教学系统采用客户机/服务器结构，使客户端具有相当的稳定性和易操作性。实现工具采用Microsoft公司的Visual C++，Visual C++是一种非常完善和全面的程序集成开发环境，它采用面向对象的程序设计方法，在多媒体图形处理方面功能强大。Visual C++的核心是Microsoft基本类库（MFC），它一方面用类封装了Windows API，另一方面使用称为“消息映射”的机制把Windows消息和命令传递到窗口、文档、视图及其对象，MFC能成功的把面向对象和事件驱动编程联系起来。在对参与系统的用户的用户名及密码信息的控制是通过与XML（Extensible Markup Language）文档中的数据的交互来实现的。
远程交互式教学系统主要由多媒体授课室、多媒体听课室、多点控制器、信道（传输网络）及控制管理软件组成，基本结构如图1所示。教师在授课室通过电子白板、视音频设备、传输网络将授课内容及教学情景实时传送到远端听课室，同时学生可以在远端听课室现场回答教师提出的问题或向教师提出疑问，教师在授课室可以看到和听到听课室的全貌，还可以看到发问、回答问题的学生的表情和动作，并和学生进行现场交流，可以取得比较好的教学效果，尤其是那些需要学生参与的课程，比如外语教学。
授课室和听课室也即课堂终端包括教师端和学生端，主要功能包括：视音频信息的采集、传输、显示输出，数字信号的压缩编码和解码，最后将符合国际标准的压缩码流经线路接口传送到信道，或从信道上将标准压缩码流经线路接口送到终端中。在课堂终端还可以进行文字、文件、图片信息等输入输出操作。目前，计算机硬件设备基本上可以满足系统的要求，在教师端，对计算机设备、视音频采集设备的要求相对要高些，如尽量采用较高像素的摄像头等采集设备。
多点控制器（Multipoint Control Unit，MCU）是一种桥接设备，是网络课堂教学系统中的关键部分，它的主要作用是对视频、音频、数据信号等数据流进行切换。
五、系统界面设计及系统实现
系统的用户界面设计直观，具有良好的操作性，包括文字、图标、图形、色彩和其他视觉方面的设计。屏幕的界面设计考虑到学习者的视觉心理特点，突出整体，具有统一的界面风格。同时注重了界面内容的交互性和可控制性，以及教学内容超级连接的有序性。界面区域工包括五大控制板块：视频显示区、电子白板、课堂成员列表、文件共享区域、文字交互。用户可以根据自己的需要对各板块自由拖动、改变大小，移动板块改变其在界面中的相对位置，选择或隐藏板块等。
远程多媒体实时交互教学系统，通过压缩教师教学现场的视频、音频流结合同步浏览课件命令，形成教学资源流，利用网络实时传送到远端学生的电脑上，学生可以及时通过举手提问、共享教师端程序、文字交流等方式实现远程互动教学。本系统可运行在Internet、Intranet、卫星网、校园网、局域网，提供文字、音视频、课件、电子白板、互动广播教学的平台，并在虚拟现实中的教室打破时空限制，让异地师生通过音视频实时交互，如同置身于同一课堂之中。
六、结束语
随着Internet的普及和在教育领域中的应用，Internet将会在远程教育中发挥巨大的作用。基于Internet的远程教育，实现了全球信息资源的共享，使教育和科技逐步走向国际化和全球化，这正是远程教育发展的方向和追求的目标。当然远程网络教学需要大量使用各种多媒体信息，而目前视频多媒体的传输受网络传输速度的影响较大，成为了网络教学的瓶颈，尤其是如何实现异地交互式教学是需要解决的关键问题。同时，目前网络安全也是制约Internet发展的一个因素，如何保证信息的安全，怎样做好安全保障，同样也是需要解决的关键问题。
参考文献：
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