基于嵌入式系統的高校數字語言教室建設模式分析

黃欣

北京工業大學現代教育技術中心 北京 100124

基于嵌入式系統的高校數字語言教室建設模式分析

黃欣

北京工業大學現代教育技術中心 北京 100124

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

嵌入式系統；教學服務；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“大學英語教學要轉變方式方法，采用基于多媒體、計算機和課堂相結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代化教學手段，根據教學內容、目標和各種教學媒體的特點進行教學設計，高質量地完成教學任務”。基于此，建設嵌入式系統數字化語言教室成為實現這一教學目標的重要環節。

1 高校外語教學服務需求分析

1.1 高校外語教學現狀 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，而大學時代適當的外語學習則可以幫助學生提早適應社會需求。在這種情況下，擁有先進設備的數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 數字化語言教室軟件安裝 根據教師教學內容的安排，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，防止發生使用問題。隨著音視頻軟件技術的不斷進步，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維護工作；實現教學設備軟硬件的更新與淘汰；調研其他學校語音教室建設使用情況以及外語教學的發展方向。維護過程中，管理人員首先要掌握教室系統整體運行情況是否正常；其次了解教室單臺設備使用狀況，計算機及多媒體設備有無接觸不良等問題，據此做出調整以保持教室正常狀態。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新的語言教室是很寶貴的經驗。

1.4 教室設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。雖然現在很多教師都通過教育技術考試，上機操作經驗也很豐富，但數字化語言教室使用的設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備的操作環節，避免在使用中出現失誤，造成系統死機、應用軟件未響應等現象，影響教學進度，也防止因設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，規范使用設備并遵守教室設備的使用規章制度。

2 高校數字化語言教室的結構設計

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

數字化語言教室的嵌入式系統將圖像聲音采集程序、網絡傳輸程序、學生端接收程序作為應用軟件植入芯片，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，數據采集由多媒體中央控制端專機完成，減輕教師計算機系統資源的占用；網絡傳輸數據由音視頻交換機完成，單獨的網絡環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據，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，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結構圖

2.2 系統模塊分析 如圖2所示，嵌入式語言教學系統主要分為3部分：數據采集、數據傳輸、數據接收。下面介紹其具體功能。

1）數據采集模塊。對教師端接收的音頻（教師語音，課堂語音播放內容如磁帶、CD、MP3等）、視頻（教師計算機播放視頻畫面，外部設備播放畫面如DVD、錄像等）以一定頻率和分辨率進行采樣，經過量化和編碼轉換成為便于網絡傳輸的數字音視頻格式文件。由于所采音視頻信號數據量很大，因此要對其進行編碼壓縮，即在一定失真范圍內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值范圍內。這種壓縮技術對信息處理、信息儲存和信息傳輸3方面都有著很重要的作用。

而評價一種數據壓縮技術是否優秀主要有3個關鍵性指標——壓縮比、圖像質量/音質、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，以及在網絡上廣泛流行的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，減少數據流量；一方面減少觀眾觀看、收聽節目文件的等待時間，創造良好的收視環境。

在嵌入式系統中，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，經過圖像優化數據壓縮，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，減少數據傳輸量。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換為數字信號再進行傳輸。模擬聲音的數字化轉換實際上是對聲音進行采樣和量化，將采樣頻率設定為22.05 kHz或44.1 kHz，再將定時采集的模擬聲音電信號轉換為離散數字信號并予以保存，從而得到音質較好、數據量適中的音頻格式文件。數字化聲音在后期處理中具有很大優勢，在非線性編輯和錄音剪輯等處理過程中幾乎沒有失真現象出現，最大限度保留原始音質。而如果對聲音進行藝術渲染，過程也很簡單，只需將音頻文件導入特殊軟件中，設置參數，即可輸出效果不同的音效。常見的數字音頻格式有Audio、Sound、Voice、MP3、RealAudio、WMA等。

2）數據傳輸模塊。所得數據的傳輸采用網絡組播形式。組播是指在IP網上對網內一組特定的IP地址進行數據傳送，數據包將其單獨的一個拷貝發送給網絡上需要它的用戶，不復制多個拷貝傳輸到網絡上，也不會發送給所有用戶，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據占用最小網絡帶寬，以最大速度發送數據，保持通訊順暢運行；如果日后多媒體升級，數據流增多，升級網絡的過程也能簡單便捷地完成。在廣播教學中所傳輸的視頻文件要求網絡實現實時傳輸并同步顯示，滿足此要求的視頻壓縮質量從幾百KB每秒到幾十MB每秒不等，可根據畫面要求選用適當壓縮比例。而音頻文件對網絡的傳輸要求略高，主要體現在延時問題上。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，這一延時不應超過50 ms。

數字語言教室采用基于網絡協議的傳輸方式，將多媒體中央控制端采集的數據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協議的網絡傳輸方式。TCP/IP協議包括各種物理網協議，可方便地實現多個網絡的無縫連接，具有開放的協議標準，獨立于特定網絡硬件，有統一的網絡地址分配方案和標準化的高層協議，提供多種可靠的服務，具有良好的兼容性、適應性、安全性和可靠性，能保證數據正確完整地傳輸到目的地，且應用廣泛、操作簡單。

②基于ATM網絡協議的網絡傳輸方式。由于ATM數據包很小，在ATM網絡中數字化聲音、圖像及其他數據被切割成一個個小塊，作為小信元在網絡中傳輸，經過若干交換節點到達目的地，再及時按順序拼接成原來的數據，還原為聲音、圖像等。由于ATM網絡采用定長信元進行數據傳輸，且ATM網絡中各級交換節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務十分有利，且ATM網還具有響應時間短、傳輸速度快、高速高帶寬等優點。

③基于UPD協議的網絡傳輸方式。UPD協議主要用于不要求分組順序到達的傳輸中，并且總有新的協議加入，如網絡終端協議（TELNET）、文件傳輸協議（FTP）、簡單郵件傳輸協議（SMTP）、域名服務（DNS）、路由信息協議（RIP）、網絡文件系統（NFS）等。UPD可采用廣播方式或組播方式發送數據，能夠向若干個目標發送，適合一對多系統，由于UPD協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。學生端程序設定IP組播地址，將端口接收到的完整數據信息在內存中生成圖像，并在學生機桌面最頂層連續播放，這樣學生機屏幕就同步顯示教師機屏幕內容，同時音頻數據經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。這一過程實現學生端程序從網絡上接收到數據后，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。由于學生端接收數據、還原圖像聲音、播放程序在極短時間內完成，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，實現良好的教學效果。

3 嵌入式系統的優點

嵌入式系統在消費類電子、航空航天、汽車電子、醫療保健、網絡通信等各個領域廣泛使用，如單片機和DSP系統。這些系統在完成功能較為單一的專業功能時具有簡潔高效的特點，基于此，可知以嵌入式系統為平臺的數字語言教室具有以下優點。

1）數據采集、網絡傳輸、學生機接收端等各模塊成節點式運行互不影響，單臺設備的損壞不會影響到整體系統中其他設備的使用，修繕維護較為便捷。

2）可擴展結構，為日后升級改造創建很大的便利條件，即插即用的接口處設計可使新開發出的應用程序、軟件以最快速度投入到使用中去，與其他系統的開發周期長相比，可算是一大優勢。

3）系統功能設計專一，操作系統構造簡單，執行時間短而出錯率較低，對系統平穩運行起到良好作用。且系統獨立網絡連接，沒有常見的網絡攻擊病毒感染等異常狀況，對教學影響減小到最低限度。

隨著計算機技術的發展，嵌入式微處理器設計的進步，嵌入式系統將具備實現更為復雜的多任務功能，并根據其專業功能應用于各種特定場合，滿足更多要求。

4 結語

數字化語言教室在高校外語教學中的應用越來越廣泛，結合多媒體手段的現代化外語教學方式對傳統的外語教學模式產生很大影響。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作為數字化語言教學系統中的一種，已成為教學過程中的重要環節，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字技術必須結合自身條件和環境要求，與功能使用者教師、學生進行信息交流與共享，確保多媒體設備適用于授課內容，從而提高教學質量并實現現代化教育目標。

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

[2]劉富強.數字視頻信息處理與傳輸教程[M].北京:機械工業出版社,2004

[3]肖陽春,丁照宇.計算機網絡與多媒體技術[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