基于流媒體的網絡教育系統的研究與探討

摘要:流媒體技術解決了以音視頻信息為代表的多媒體信息資源在中低帶寬網上的傳輸問題，使得音視頻資源實現真正的數字化管理，增強了學習者的主動性和視音頻資源的可控制性，更好地滿足了學習者的學習需求。本文在闡述了教育技術、流媒體技術和系統開發的理論基礎上，詳細說明了從系統需求分析到系統設計，再到流媒體數據的制作、發布，以及網頁制作、發布等整個系統的開發過程。

關鍵詞:教育技術;流媒體技術;網絡教育

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)11-2738-02

近年來，信息技術的影響力滲透到普通人生活的方方面面，不知不覺中改變了人們的生活方式。其中，教育領域也受到了很大的影響，教學方式也變得多種多樣。教師授課、學生接受知識的方式已經不再局限于課堂授課這種傳統的教學方式，以計算機為載體、網絡為媒介的網絡教學正在逐漸興起，并為人們所關注。

網絡教學(Network Teaching)是指將網絡技術作為構成新型學習生態環境的有機因素，充分體現學習者的主體地位，以探究學習作為主要學習方式的教學活動[1]。網絡教育的核心理論是建構主義，它促使網絡教學朝著人腦與電腦互動、個性化自主學習與合作協調統一的方向發展。

網絡教學打破了傳統教學的書本中心，教師壟斷知識，教師居于中心位置的局面，代之為學生自主學習為中心的局面，突出學生在學習過程中的主體地位，是現在更是未來的重要教育手段。

1 現狀分析與研究的意義

現代遠程教育是隨著現代信息技術的發展而產生的一種新型的教育方式。計算機技術、多媒體技術以及通信技術的發展，尤其是Internet的迅速發展，使遠程教育有了質的飛躍。世界上許多國家都對網絡教育給予高度重視，并積極采取措施，努力扶持和發展這種全新的教育方式，提高網絡教育的普及化程度。根據世界經合組織調查研究表明，到2002年，世界上已經有100多個國家開展了現代遠程教育，全世界85%的大學在網上擁有自己的網站，其中有1/4已推出現代遠程教育課程。

在2005年教育部已經制定了《2020年教育發展綱要》，決定從今后開始的三年內，陸續投入100億元推進現代遠程教育工作，要在2020年初步實現教育現代化，亟待在目前現代遠程教育管理的基礎上總結提高。

雖然在近20年來，我國遠程教育無論在規模層次上還是在技術層面都取得了長足的進步，然而與發達國家相比，我們還有很大的差距。為了縮短與發達國家在現代遠程育領域的距離，為了實施《面向21世紀教育振興行動計劃》，為了適應我國高等教育大眾化趨勢的需要和為社會成員提供終身學習的機會，為給農村和邊遠地區提供適應當地需要的教育，進行基于流媒體技術的現代遠程教育視頻教學系統的研究工作十分必要。因此，認識流媒體、挖掘流媒體的優勢，構建一個將流媒體技術合理應用到遠程教學中的教育支持平臺，并通過該平臺使流媒體技術得以發揮其應有的特點和優勢，更好的為教育服務，是本課題研究的目標。

2 流媒體傳輸原理

流式傳輸是建立在IP技術上的分組化、數字化傳輸技術，其基本原理是通過壓縮算法對語音和影像數據進行壓縮編碼處理，然后把這些視頻數據按IP的相關協議進行打包，經過IP網絡把數據包傳輸到接收地，再把這些視頻數據包組合起來，經過解碼解壓處理后，恢復成原來的視頻信號，從而達到通過IP網絡傳送視頻的目的[11]。

流式傳輸的基本原理如圖1所示。

流式傳輸的過程:

1)用戶選擇某一流媒體服務后，Web瀏覽器與Web服務器之間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸的實時數據從原始信息中檢索出來;然后客戶機上的Web瀏覽器啟動A/V Helper程序，使用HTTP從Web服務器檢索相關參數對Helper程序初始化。這些參數可能包括目錄信息、A/V數據的編碼類型或與A/V檢索相關的服務器地址。

2)A/V Helper程序及A/V服務器運行實時流控制協議(RTSP)，以交換A/V傳輸所需的控制信息。與CD播放機或VCR所提供的功能相似，RTSP提供了播放、快進、快倒、暫停及錄制等命令的方法。

3)A/V服務器使用RTP/UDP協議將A/V數據傳輸給A/V客戶程序(一般可認為客戶程序等同于Helper程序)，一旦A/V數據抵達客戶端，A/V客戶程序即可播放輸出。在流式傳輸中，使用RTP/UDP和RTSP/TCP兩種不同的通信協議與A/V服務器建立聯系，是為了能夠把服務器的輸出重定向到一個不同于運行A/V Helper程序所在客戶機的目的地址。

3 系統總體設計

一個完整的流媒體教育系統的解決方案包括:媒體采集、音視頻編碼和壓縮、媒體內容編輯、媒體集成、媒體發布管理與媒體回放等內容。對本系統提出以下系統設計目標:

1)構建直播教學平臺，進行廣播式同步教學;

2)在現有的多媒體教學環境下，實現教學過程的實時同步錄制;

3)清晰、流暢的錄制屏幕和鼠標指針及移動軌跡，生成屏幕和鼠標流文件;

4)實時生成流媒體課件。即將教師的音視頻信息、電子教案信息(如PPT)、屏幕信息同步錄制下來，生成支持網上點播的Web頁多媒體課件。

系統總體結構設計流程圖，如圖2所示。

根據系統設計目標，系統主要完成以下功能:課件素材生成、PPT教案處理、教師音視頻同步錄制、課件自動合成和課件發布。

系統功能明細圖，如圖3所示。

系統各項功能具體描述如下:

1) 課件素材是生成流媒體課件的前提，也是網絡化教育中重要的資源。課件素材模塊的功能描述:實況流編碼，屏幕捕捉，實時屏幕流編碼。

2) PPT教案處理模塊的功能描述:對PPT教案播放進行控制，如向前、向后、暫停播放及停止播放等;將記錄的PPT教案換頁時間以及標題存放至時間標記文件中;PPT教案內部多媒體素材的處理;將PPT形式的教案轉換為HTML格式。

3) 課件合成模塊功能描述:將時間標記文件中的Marker信息和Script腳本命令插入到錄制完成的教師音視頻流式文件中;在設計好的網頁模板中插入實時錄制的音視頻，自動提取PPT目錄并顯示;課件的同步控制。設計腳本語言函數庫，保證流媒體課件各組成部分之間的同步播放。

4) 課件發布模塊功能描述:架設流媒體服務器，建立發布點，進行課件發布，建立直播教學平臺。

4系統實現

限于篇幅，本章將不會詳細討論所有的實現細節，僅重點討論其中涉及的關鍵技術的實現。

4.1 教案處理

通過Windows Media Encoder制作的音視頻文件與PowerPoint教案的同步功能，即在播放音視頻課件的同時，同步呈現相應的PPT教案內容。該功能的實現主要包括三個步驟:

1)將PPT文件轉換為.htm文件;

2)將轉換后的.htm文件與相應章節的音視頻文件進行“標記”;

3)在網頁中同步調用音視頻文件和PPT教案。

4.2 轉換教案保存類型

要將PPT文檔轉換為.htm文件只需在PowerPoint中選擇“另存為網頁”即可。

4.3 PPT教案與音視頻課件的關聯

音視頻課件與PPT教案同步播放，即課件播放時，PPT也要與課件內容相匹配。實現這個功能需要使用Windows Media Encoder中的“Windows Media文件編輯器”對課件進行編碼，實現關聯。

用Windows Media文件編輯器打開需要編輯的課件，編輯其中的“定位”、“標記切入”、“標記”和“腳本命令”等內容。如圖4所示。

具體方法如下:

1) 在“定位”的時間參數中輸入需要標記的時間，系統默認的是當前文件播放的時間。

2) 點擊“腳本命令”進入如圖5所示的界面。

3) 點擊“添加”進入 “腳本命令屬性”對話框。在對話框中可以進行時間、類型、參數的設置。設置完成點擊“確定”后，即完成了一個標記的設置。這樣PPT教案與音視頻文件進行了關聯。可以在一個音視頻文件中進行多次標記。

4.4 課件合成

課件的基本結構采用框架形式的網頁組織。上部框架顯示網頁標志和跳轉按鈕，在左框架中嵌入Windows Media Player播放器用于顯示音視頻文件，并且根據日志文件自動生成教案目錄，在右框架中鏈接顯示由PPT教案轉換成的html形式的教案，如圖6 所示。

5 結論

課題的選題主要受到本身工作性質的影響，在跟蹤同期國內外課件點播系統的發展和最新研究動態的過程中，注意到流媒體技術的發展十分迅猛，因此選擇了基于流媒體的網絡教育系統的研究與實現作為課題的主題。課題研究了流媒體技術的基本理論，并依據當前流媒體課件制作系統的現狀，在閱讀大量文獻的基礎上，完成了基于流媒體的網絡教育系統的研究與實現。

參考文獻:

[1] 孟萬金.網絡教育的真諦:人文交互環境下的個性化自主學習[J].教育研究，2002(4):52-57.

[2] 史文崇，田麗君.國內外現代遠程教育運作管理研究評述[J].遠程教育雜志，2006(4):1.

[3] 李桂春.基于P2P的流媒體系統的研究和設計[J].沈陽工程學院學報:自然科學版，2010(1):71-74，93.