基于嵌入式系統(tǒng)的高校數(shù)字語言教室建設(shè)模式分析

黃欣

北京工業(yè)大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心 北京 100124

基于嵌入式系統(tǒng)的高校數(shù)字語言教室建設(shè)模式分析

黃欣

北京工業(yè)大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心 北京 100124

隨著高校外語教學要求的不斷提高，教學軟、硬件環(huán)境也隨之發(fā)生變化，學校建設(shè)的基于嵌入式系統(tǒng)的多媒體語言教室，在教學過程中成為必不可少的輔助環(huán)節(jié)，幫助教師高質(zhì)量地完成教學目標。旨在分析教學服務(wù)需求，根據(jù)教學要求探討語言教室建設(shè)模式，并總結(jié)嵌入式系統(tǒng)的特點。

嵌入式系統(tǒng)；教學服務(wù)；語言教室

Author’s address Modern Education Technology Center, Beijing University of Technology, Beijing, China 100124

2007年教育部頒布《大學英語課程教學要求》，提出“大學英語教學要轉(zhuǎn)變方式方法，采用基于多媒體、計算機和課堂相結(jié)合這一新型教學模式，鼓勵教師在教學過程中多方位地使用現(xiàn)代化教學手段，根據(jù)教學內(nèi)容、目標和各種教學媒體的特點進行教學設(shè)計，高質(zhì)量地完成教學任務(wù)”。基于此，建設(shè)嵌入式系統(tǒng)數(shù)字化語言教室成為實現(xiàn)這一教學目標的重要環(huán)節(jié)。

1 高校外語教學服務(wù)需求分析

1.1 高校外語教學現(xiàn)狀 當前大學外語課的教學有多種模式，如同聲傳譯、中級英語口譯、英語視聽說、英語口語聽力訓練、演講與辯論、翻譯技巧等，所授課程中英語聽說部分占很大比重。教師時常在課堂上播放一些日常生活類的外文影片、新聞時事類紀錄片，來豐富教學內(nèi)容，擴大學生學習范圍，不再只局限于課本中的文字對話練習。隨著時代變遷，學生未來的學習、工作、生活中需要運用外語的地方越來越多，而大學時代適當?shù)耐庹Z學習則可以幫助學生提早適應(yīng)社會需求。在這種情況下，擁有先進設(shè)備的數(shù)字化語言教室會提供給學生一個提高外語水平的學習平臺。

1.2 數(shù)字化語言教室軟件安裝 根據(jù)教師教學內(nèi)容的安排，語音教室安裝的常用軟件有：Microsoft Office，編輯文本文件；暴風影音，播放語音視頻文件等。安裝的專用軟件有：WaveCn，錄音軟件；DLs700，語音教室教學管理軟件等。上課過程中如果軟件使用出現(xiàn)問題，教師會向語音教室管理人員求助，解決問題，使得教學過程繼續(xù)進行下去。當然某些教師并不滿足于已有軟件，他們會選用其他有助于教學的軟件，并在上課前完成安裝并試運行，防止發(fā)生使用問題。隨著音視頻軟件技術(shù)的不斷進步，舊有版本的軟件在安裝使用一段時間后，需要升級安裝插件或直接更換為新版本軟件，以匹配教師所播放的音視頻文件格式，使其順利播出。同時，教師計算機安裝的殺毒軟件需要定期更新病毒庫，減少病毒感染幾率，確保其正常運行。

1.3 語音教室基本管理維護工作 語音教室的管理工作主要集中在3個方面：日常教學運行與系統(tǒng)維護工作；實現(xiàn)教學設(shè)備軟硬件的更新與淘汰；調(diào)研其他學校語音教室建設(shè)使用情況以及外語教學的發(fā)展方向。維護過程中，管理人員首先要掌握教室系統(tǒng)整體運行情況是否正常；其次了解教室單臺設(shè)備使用狀況，計算機及多媒體設(shè)備有無接觸不良等問題，據(jù)此做出調(diào)整以保持教室正常狀態(tài)。課后可與在教室上課的教師、學生交流，詢問教室的使用情況，如教師講課偏重于使用哪些設(shè)備，學生對這種授課方式的接受程度等，這些資料對日后建設(shè)新的語言教室是很寶貴的經(jīng)驗。

1.4 教室設(shè)備使用前的培訓工作 新學期開課前需要對教師、學生進行教室使用前培訓。雖然現(xiàn)在很多教師都通過教育技術(shù)考試，上機操作經(jīng)驗也很豐富，但數(shù)字化語言教室使用的設(shè)備與其他多媒體教室有很多不同之處。培訓教師，主要是幫他們熟悉語言教室各項設(shè)備的操作環(huán)節(jié)，避免在使用中出現(xiàn)失誤，造成系統(tǒng)死機、應(yīng)用軟件未響應(yīng)等現(xiàn)象，影響教學進度，也防止因設(shè)備損壞影響其他教師、學生的使用。同時對學生也要進行培訓，主要目的是要求他們跟隨上課教師要求，規(guī)范使用設(shè)備并遵守教室設(shè)備的使用規(guī)章制度。

2 高校數(shù)字化語言教室的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)模塊概述 基于教師授課需求，教室設(shè)計采用集合多種多媒體設(shè)備于一體的計算機嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一種為執(zhí)行專用功能而單獨設(shè)計的微機處理系統(tǒng)，雖然相較其他類型的計算機系統(tǒng)，在硬件和軟件應(yīng)用功能上有所局限，但在專業(yè)用途中卻具有較高的運行效率和更穩(wěn)定的操作平臺。嵌入式系統(tǒng)分為應(yīng)用軟件層、系統(tǒng)軟件層和硬件層，其構(gòu)造如圖1所示。

數(shù)字化語言教室的嵌入式系統(tǒng)將圖像聲音采集程序、網(wǎng)絡(luò)傳輸程序、學生端接收程序作為應(yīng)用軟件植入芯片，分別制作成獨立運行的多媒體中央控制端、音視頻交換機、學生接收端3種硬件平臺。在使用過程中，數(shù)據(jù)采集由多媒體中央控制端專機完成，減輕教師計算機系統(tǒng)資源的占用；網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)由音視頻交換機完成，單獨的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境減少病毒感染幾率；學生接收端使用硬件連接方式接收數(shù)據(jù)，具有良好的可控性能，使得學生無法自行解除廣播教學狀態(tài)，始終處于教師控制臺控制之下，保證教學正常進行。

圖2 嵌入式語言教學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)模塊分析 如圖2所示，嵌入式語言教學系統(tǒng)主要分為3部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)接收。下面介紹其具體功能。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。對教師端接收的音頻（教師語音，課堂語音播放內(nèi)容如磁帶、CD、MP3等）、視頻（教師計算機播放視頻畫面，外部設(shè)備播放畫面如DVD、錄像等）以一定頻率和分辨率進行采樣，經(jīng)過量化和編碼轉(zhuǎn)換成為便于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字音視頻格式文件。由于所采音視頻信號數(shù)據(jù)量很大，因此要對其進行編碼壓縮，即在一定失真范圍內(nèi)對其進行最大限度地壓縮，犧牲部分不易察覺的信息，將文件體積控制在一定數(shù)值范圍內(nèi)。這種壓縮技術(shù)對信息處理、信息儲存和信息傳輸3方面都有著很重要的作用。

而評價一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是否優(yōu)秀主要有3個關(guān)鍵性指標——壓縮比、圖像質(zhì)量/音質(zhì)、壓縮和解壓縮速度，以及2種類別——有損壓縮和無損壓縮，其中有損壓縮最為常用。現(xiàn)在被廣泛采用的音視頻壓縮標準有MP3、WMA、MPEG、AVI、RM、RMVB格式標準，以及在網(wǎng)絡(luò)上廣泛流行的FLV、ASF文件格式。后2種文件格式又稱為流媒體格式，可以實現(xiàn)一邊下載音視頻文件，一邊進行聲音畫面的播放。這樣，一方面極大限度地壓縮文件體積，減少數(shù)據(jù)流量；一方面減少觀眾觀看、收聽節(jié)目文件的等待時間，創(chuàng)造良好的收視環(huán)境。

在嵌入式系統(tǒng)中，多媒體中央控制端的圖像采集程序每秒截取3～4張教師機屏幕畫面，經(jīng)過圖像優(yōu)化數(shù)據(jù)壓縮，可無失真或較小失真地將圖片大小控制在十幾、幾十KB以內(nèi)，減少數(shù)據(jù)傳輸量。而音頻采集則采集電腦播放的聲音和教師本人的說話聲音，其中電腦播放的聲音可直接壓縮傳輸，而教師語音則需先將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再進行傳輸。模擬聲音的數(shù)字化轉(zhuǎn)換實際上是對聲音進行采樣和量化，將采樣頻率設(shè)定為22.05 kHz或44.1 kHz，再將定時采集的模擬聲音電信號轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號并予以保存，從而得到音質(zhì)較好、數(shù)據(jù)量適中的音頻格式文件。數(shù)字化聲音在后期處理中具有很大優(yōu)勢，在非線性編輯和錄音剪輯等處理過程中幾乎沒有失真現(xiàn)象出現(xiàn)，最大限度保留原始音質(zhì)。而如果對聲音進行藝術(shù)渲染，過程也很簡單，只需將音頻文件導(dǎo)入特殊軟件中，設(shè)置參數(shù)，即可輸出效果不同的音效。常見的數(shù)字音頻格式有Audio、Sound、Voice、MP3、RealAudio、WMA等。

2）數(shù)據(jù)傳輸模塊。所得數(shù)據(jù)的傳輸采用網(wǎng)絡(luò)組播形式。組播是指在IP網(wǎng)上對網(wǎng)內(nèi)一組特定的IP地址進行數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)包將其單獨的一個拷貝發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上需要它的用戶，不復(fù)制多個拷貝傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，也不會發(fā)送給所有用戶，只有選定IP地址的用戶能收到廣播，客戶端被動接受流，不能控制流。使用組播方式可保證多媒體數(shù)據(jù)占用最小網(wǎng)絡(luò)帶寬，以最大速度發(fā)送數(shù)據(jù)，保持通訊順暢運行；如果日后多媒體升級，數(shù)據(jù)流增多，升級網(wǎng)絡(luò)的過程也能簡單便捷地完成。在廣播教學中所傳輸?shù)囊曨l文件要求網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時傳輸并同步顯示，滿足此要求的視頻壓縮質(zhì)量從幾百KB每秒到幾十MB每秒不等，可根據(jù)畫面要求選用適當壓縮比例。而音頻文件對網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求略高，主要體現(xiàn)在延時問題上。由于音頻實時傳輸對延時變化很敏感，為克服這一變化，系統(tǒng)需在接收端實施延時平衡化處理，最大限度縮短源和音頻播出間的總延時，這一延時不應(yīng)超過50 ms。

數(shù)字語言教室采用基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳輸方式，將多媒體中央控制端采集的數(shù)據(jù)信息打包傳送到學生接收端，可選用3種傳輸方式。

①基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。TCP/IP協(xié)議包括各種物理網(wǎng)協(xié)議，可方便地實現(xiàn)多個網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，具有開放的協(xié)議標準，獨立于特定網(wǎng)絡(luò)硬件，有統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)地址分配方案和標準化的高層協(xié)議，提供多種可靠的服務(wù)，具有良好的兼容性、適應(yīng)性、安全性和可靠性，能保證數(shù)據(jù)正確完整地傳輸?shù)侥康牡兀覒?yīng)用廣泛、操作簡單。

②基于ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。由于ATM數(shù)據(jù)包很小，在ATM網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字化聲音、圖像及其他數(shù)據(jù)被切割成一個個小塊，作為小信元在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，經(jīng)過若干交換節(jié)點到達目的地，再及時按順序拼接成原來的數(shù)據(jù)，還原為聲音、圖像等。由于ATM網(wǎng)絡(luò)采用定長信元進行數(shù)據(jù)傳輸，且ATM網(wǎng)絡(luò)中各級交換節(jié)點不作任何差錯控制處理，因此允許的傳輸速度非常高，可達155 Mbit/s和622 Mbit/s，這對聲音、視頻、圖像等對實時性要求很高的多媒體傳送業(yè)務(wù)十分有利，且ATM網(wǎng)還具有響應(yīng)時間短、傳輸速度快、高速高帶寬等優(yōu)點。

③基于UPD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。UPD協(xié)議主要用于不要求分組順序到達的傳輸中，并且總有新的協(xié)議加入，如網(wǎng)絡(luò)終端協(xié)議（TELNET）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）、域名服務(wù)（DNS）、路由信息協(xié)議（RIP）、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）等。UPD可采用廣播方式或組播方式發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠向若干個目標發(fā)送，適合一對多系統(tǒng)，由于UPD協(xié)議將安全與排序等功能移交給上層程序完成，簡化了功能，降低了執(zhí)行時間，因而保證了傳輸速度。

3）學生機接收模塊。學生端程序設(shè)定IP組播地址，將端口接收到的完整數(shù)據(jù)信息在內(nèi)存中生成圖像，并在學生機桌面最頂層連續(xù)播放，這樣學生機屏幕就同步顯示教師機屏幕內(nèi)容，同時音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過還原在學生耳機中播放出來，在時間上與畫面、教師講授達到同步。這一過程實現(xiàn)學生端程序從網(wǎng)絡(luò)上接收到數(shù)據(jù)后，即時還原為視頻、音頻并自動播放給學生收聽收看的實時廣播教學功能。由于學生端接收數(shù)據(jù)、還原圖像聲音、播放程序在極短時間內(nèi)完成，播放源與接收端之間只有極小延遲時間，使得學生機屏幕顯示、聲音收聽幾乎與教師機屏幕、聲音播放保持一致，學生很難感覺聲音圖像延遲和斷裂，實現(xiàn)良好的教學效果。

3 嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點

嵌入式系統(tǒng)在消費類電子、航空航天、汽車電子、醫(yī)療保健、網(wǎng)絡(luò)通信等各個領(lǐng)域廣泛使用，如單片機和DSP系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在完成功能較為單一的專業(yè)功能時具有簡潔高效的特點，基于此，可知以嵌入式系統(tǒng)為平臺的數(shù)字語言教室具有以下優(yōu)點。

1）數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、學生機接收端等各模塊成節(jié)點式運行互不影響，單臺設(shè)備的損壞不會影響到整體系統(tǒng)中其他設(shè)備的使用，修繕維護較為便捷。

2）可擴展結(jié)構(gòu)，為日后升級改造創(chuàng)建很大的便利條件，即插即用的接口處設(shè)計可使新開發(fā)出的應(yīng)用程序、軟件以最快速度投入到使用中去，與其他系統(tǒng)的開發(fā)周期長相比，可算是一大優(yōu)勢。

3）系統(tǒng)功能設(shè)計專一，操作系統(tǒng)構(gòu)造簡單，執(zhí)行時間短而出錯率較低，對系統(tǒng)平穩(wěn)運行起到良好作用。且系統(tǒng)獨立網(wǎng)絡(luò)連接，沒有常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊病毒感染等異常狀況，對教學影響減小到最低限度。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微處理器設(shè)計的進步，嵌入式系統(tǒng)將具備實現(xiàn)更為復(fù)雜的多任務(wù)功能，并根據(jù)其專業(yè)功能應(yīng)用于各種特定場合，滿足更多要求。

4 結(jié)語

數(shù)字化語言教室在高校外語教學中的應(yīng)用越來越廣泛，結(jié)合多媒體手段的現(xiàn)代化外語教學方式對傳統(tǒng)的外語教學模式產(chǎn)生很大影響。改變舊時教學方式，無論是對學生還是對教師都具有良好的促進作用。嵌入式語言教學系統(tǒng)作為數(shù)字化語言教學系統(tǒng)中的一種，已成為教學過程中的重要環(huán)節(jié)，在教師授課過程中起到良好作用，可有效幫助學生學習外語知識，掌握外語應(yīng)用技能。隨著外語教學需求的不斷變化，語言教室的多媒體數(shù)字技術(shù)必須結(jié)合自身條件和環(huán)境要求，與功能使用者教師、學生進行信息交流與共享，確保多媒體設(shè)備適用于授課內(nèi)容，從而提高教學質(zhì)量并實現(xiàn)現(xiàn)代化教育目標。

[1]惠特克.數(shù)字電視接收技術(shù)[M].姚冬蘋,蔡超時,等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003

[2]劉富強.數(shù)字視頻信息處理與傳輸教程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004

[3]肖陽春,丁照宇.計算機網(wǎng)絡(luò)與多媒體技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2008

Analysis of Construction Pattern of Digital Language Classroom of University based on Embedded System

//Huang Xin

With the continuous development of University’s English teaching requirement, teaching environment were changed better and became more suitable for teachers and students on software and hardware providing. Now the Digital language Classroom constructed by University has become a necessary part of teaching process, helping teachers to approach a higher standard of teaching purpose. This paper focus on analyzing English teaching requirement, researching construction pattern of Digital language classroom, and generalizing the characteristic of Embedded System.

embedded system; teaching assistance; language classroom

G481

B

1671-489X(2010)06-0072-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2010.06.072