普通教育云服務系統的研究與實現

單曉陽

摘要：文章通過分析普通教育云服務系統的社會意義與技術架構，分別從云服務系統研發、仿真錄播系統集成、視頻編解碼技術嵌入等技術入手，打造面向全社會的普通教育云服務平臺，并詳細闡述了具體的技術實現，從而實現由信息技術作為橋梁構建起普通中小學在校學習與校外自主學習需求的相互融合。

關鍵詞：E-Learning；自主學習；云服務；系統集成；解碼技術

中圖分類號：G434？搖 文獻標志碼：A ？搖文章編號：1674-9324（2014）05-0002-03

一、背景

隨著經濟的發展，國家正在大力發展義務教育，普通中小學校的教學環境、教學條件與教學資源建設越來越完善。如何讓每個學生共享優質教學資源？如何把名校的優質師資與全社會學生自主學習需求相統一？讓普通教育真正肩負起服務地方經濟，服務社會發展的重要使命，是許多有識之士深入思考的問題。

普通教育云服務系統其實是面向全社會中小學生的遠程學習系統，屬于E-learning理念的在線學習平臺范疇。在線學習平臺解決方案被廣范應用于各類遠程教育、培訓與在線考試等領域。在美國e-Learning解決方案已經占美國普通教育培訓市場的三分之一。在國內，E-Learning應用較早的行業，包括政府、銀行、保險、電信等，投入了大量的資金、人力，也建立起一批形象工程，如電力遠程教育培訓系統、稅務遠程教育培訓系統、各類公職人員的繼續教育系統等。而面向普通中小學生自主學習服務并不多見。

隨著流媒體技術與終端服務技術的不斷提高，集普通教育類的數字資源、多媒體資源共享，支持在線學習、自主學習交流于一體的開放式云服務系統將是E-learning發展的主流方向。

二、研究的重點內容

普通教育云服務系統研究開發內容主要包括云服務系統研發、技能仿真錄播系統集成、視頻編解碼技術嵌入等三個重點內容。

1.云服務系統研發。（1）功能設置。云服務系統是一套具有自主產權的E-learning開方式教學平臺，可以作為中小學校在校學生的自主學習的教學輔助；解決非名校中小學生尋求獲得名校的優質教育，提升全社會中小學生的自主學習能力。在功能上實現成品資源庫、仿真視頻庫、自建資源庫、互動學習、互動交流相結合的專業性開放式教學平臺。實現了普通中小學校、校外輔導基地自建各種資源，指定實習內容，指定作業內容，指定測試內容，指定實況課堂；學生在學校、校外輔導基地教師的指導下，進行網上學習、網上作業、網上測試、網上課堂回放等；并實現資源的管理。（2）欄目設置。確定互聯網入口欄目：教學互動、網上學習、網上作業、網上測試、實況課堂。普通中小學校、校外輔導基地教師入口欄目：仿真資源、教學互動、題庫系統、網上作業、網上學習、網上測試、實況課堂。管理員入口設置欄目：學時管理、資源統計、成品資源。

2.技能仿真錄播集成系統。該系統利用目前先進的錄播與視頻攝像采集技術，把普通中小學校名師課堂實況錄制成高清視頻，進行系統處理后發布至服務系統，形成名師課堂視頻資源。這些課堂視頻資源可以按學校、按姓名、按學科進行存儲，便于訪問者檢索，訪問者在觀看這些課堂實錄就像自己的老師當面在言傳身教一樣。

技能仿真錄播集成系統設備包括高清攝像機、錄播服務器、數據存儲設備、操作電腦、音控系統等。由高清攝像機拍攝教師與學生互動教學過程，音控系統同步拾音；音頻、視頻經錄播服務器，由錄播系統錄制成數字視頻，并根據用戶需求存放于數據存儲設備，整個操作流程，通過操作電腦實現。這些存放于數據存儲設備的數字視頻可以跟服務系統聯動，發布于互聯網，實現資源方便的攝錄、發布、共享。

3.視頻編解碼技術的嵌入。通信方式多樣化，特別是互聯網和移動網絡的迅速發展，終端設備品種出現了前所未有的繁榮。考慮到服務系統訪問終端的復雜性，單一性播放技術常常不能滿足現今復雜多樣的終端環境。普通教育云服務系統研究開發過程中，嵌入了新一代終端視頻解碼技術。該解碼技術核心優勢是視頻編解碼的分層，將視頻流以層為單位分成多個分辨率、質量和幀速率進行存貯，終端訪問時，根據訪問設備的軟、硬件環境，網絡環境，采用軟件的方式選擇其中一種編碼層對應的形式進行解碼。這樣用戶終端使用PC、平板電腦、智能手機，用戶的通訊環境是局域網、互聯網、移動網絡等所對應的視頻編解碼技術和視頻流質量也不一樣，軟、硬件環境，通訊帶寬決定了編解碼技術的選擇。在普通教育云服務系統的服務端嵌入以分層存貯為特點的視頻編碼技術，克服了以仿真視頻資源為主的服務系統在視頻訪問效率上的難點。

這三部分組成了本系統的建設過程，構建了利用先進的錄播與視頻攝像采集技術，把中小學教師的課堂實況錄制成高清視頻，進行系統處理后發布至服務系統，形成課堂實錄視頻資源，并以層為單位分成多個分辨率、質量和幀速率進行存貯。終端軟件在用戶訪問服務系統時，根據用戶軟、硬件環境，選擇解碼形式，確保視頻播放過程的流暢度。在觀看這些課堂實錄就像自己的老師當面在言傳身教一樣。

三、技術關鍵及主要創新點

根據研發內容，設計三層技術架構：業務采集層、系統服務層、終端應用層。對應各層的關鍵技術為：云服務系統的軟件技術、仿真錄播的集成技術、視頻編解碼的嵌入技術。普通教育云服務系統技術架構如圖1所示。

1.云服務系統的軟件技術。云服務系統的軟件技術主要是指系統編程技術，服務系統采用ASP.NET技術B/S結構，研發工具為Microsoft Visual Studio 2010集成環境。以Entity Framework（ADO.NET Entity Framework）為數據訪問技術，SQL SERVER2005為后臺數據庫系統，采用三層編程技術架構。Entity Framework數據訪問技術集成于.NET Framework框架，與.NET的其他技術進行無縫結合，并且使用簡單，開發效率高，運行效率高。同時AJAX技術在交互的處理、實時數據的傳輸、前后臺數據的及時刷新提供了強有力的手段。具有實戰性的編程技巧、算法模型、數據存儲方式；網絡環境下的個性化交互、AJAX技術的應用等都是本系統的亮點技術。

2.仿真錄播的集成技術。仿真錄播的集成技術是在理解視頻錄播原理的基礎上，組建的一項集網絡技術、音視頻技術、多媒體技術、環境控制技術、軟件應用技術等于一體的高科技系統集成工程。由網絡攝像機、高清視頻服務器、錄播系統、網絡交換機、終端控制設備經過高度集成，實現仿真項目的錄制、傳輸、發布等功能。考慮到當今網絡技術、多媒體傳輸技術和音、視頻處理技術迅猛發展的趨勢，仿真錄播系統以TCP/IP網絡協議為基礎，采用全數字化、模塊化、安全而開放的設計結構，基于B/S的應用平臺，視音頻綜合壓縮編碼策略，仿真視頻資源格式的自適應播放，資源分配及流量控制最優化，數據安全保護備份技術及分布式網絡技術等先進的設計思想，提供標準化和技術成熟的軟硬件產品，并在圖像、數據、聲音的多媒體綜合處理及實時傳輸、交換、存儲、顯示等方面進行深度優化。

3.視頻編解碼的嵌入技術。視頻編解碼的嵌入技術主要是把分層編解碼技術以中間件的形式內嵌在視頻流播放系統中。針對不同種類的網絡和用戶終端，以及多樣化的交互，傳統編碼技術具有單一特性，雖盡可能高的編碼效率，顯然，對于實際應用中的各種不同特性的網絡結構和終端設備并非十分優化。視頻編解碼的嵌入技術采用多種編碼模式和子像素精度運動矢量等新的編碼工具，在空間分辨率下采樣的轉碼中運用宏塊預測模式信息的快速轉碼算法，并兼顧移動網絡環境下的容錯編碼、轉碼技術應用，減小信道誤碼帶來的丟包現象。

本系統的主要創新點是仿真錄播的集成系統為視頻資源的收集與存貯系統，在線自主學習云服務系統作為業務支持平臺，視頻編解碼的嵌入為終端訪問進行了本質上的優化。上述三者的綜合形成了一個由普通中小學校產生資源、本項目提供技術支撐、實現普通中小學校義務教育服務于社會的效應。

四、效益與展望

本項目的實施與研發過程預期實現以下成效，并且具有一定的社會價值。

1.技術應用成效。（1）建成課堂教學仿真錄播集成系統，應用于普通中小學課堂教學，通過建設課堂教學仿真錄播集成系統，實時廣播教師的課堂教學，并進行存貯，可以實現一次演示，多次復用的效果，為各校提供了未來課堂教學的信息化解決方案，改善了原來的教師課堂教學只有少數學生可以看到的狀況，提高了課堂教學的有效性。（2）研發提供遠程在線學習的云服務系統，應用于在校學生的自主式遠程學習，解決非名校學生獲得名校優質教育的自主遠程學習與管理，通過構建遠程在線服務系統，形成業務支持平臺，可以為學生提供優質教育資源與自建資源，可以實現在名校名師的遠程在線指導下，進行網上學習、網上作業、網上測試、網上課堂回放等，并實現對學生及學習資源的管理。（3）積累專業資源量達一定規模，當系統資源積累到一定規模時，可應用于普通中小學生遠程自主學習能力的提高。在普通中小學校數、其優質教學資源達到一定規模時，全社會普通中小學生不分地域、時間限制對服務系統進行訪問；本系統根據訪問情況提供學科教育資源、公共技能資源、實況課堂回放等服務。

2.社會效益。（1）探索了目前義務教育與教育均衡化發展的需求。由本項目提出的錄像、錄播、甚至遠程直播式的云教學，是錄播系統、錄像系統在普通中小學校中的深入應用；實現了非名校學生也能享受名校的優質教育，向教育均衡化發展方向前進了一步。（2）推進了普通教育成果共享。普通教育建設成果的應用不再局限在校內而是被全社會所共享，為中小學生接受優質教育探索出一條新途徑。

3.技術轉化，形成產業。系統實施過程，也是普通中小學校資源建設的過程。一旦普通中小學校成果與社會需求達到某種供求關系的時候，便會形成拓展。

普通教育云服務系統是基于WEB的在線服務系統，采用微軟ASP.NET技術架構，適用于學生在線自主學習與視頻云教學。旨在構建起普通中小學校與全社會的普通義務教育之間的橋梁，把各個層次的中小學校的優質的教育資源、優秀的教師資源經過整合供全社會普通義務教育合理共享，最終實現普通教育切實服務地方義務教育的均衡化發展，切實辦好人民滿意教育的美好構想。我們團隊在解決各項技術方案的基礎上，正在進行實質性的研發，愿與各位專家進行此方面的深入交流。

參考文獻：

[1]楊曉明，李小聰，段渭軍，陳素清.高校短信息服務平臺的研究與設計[J].中國教育信息化，2011，（12）.

[2]樊建永.基于SMS的網絡故障自動報警系統的設計與實現[J].中國教育信息化，2011，（11）.

[3]劉麗萍，魏書敏，趙新云.個性化網絡學習支持系統的研究[J].中國教育信息化，2011，（12）.

2.仿真錄播的集成技術。仿真錄播的集成技術是在理解視頻錄播原理的基礎上，組建的一項集網絡技術、音視頻技術、多媒體技術、環境控制技術、軟件應用技術等于一體的高科技系統集成工程。由網絡攝像機、高清視頻服務器、錄播系統、網絡交換機、終端控制設備經過高度集成，實現仿真項目的錄制、傳輸、發布等功能。考慮到當今網絡技術、多媒體傳輸技術和音、視頻處理技術迅猛發展的趨勢，仿真錄播系統以TCP/IP網絡協議為基礎，采用全數字化、模塊化、安全而開放的設計結構，基于B/S的應用平臺，視音頻綜合壓縮編碼策略，仿真視頻資源格式的自適應播放，資源分配及流量控制最優化，數據安全保護備份技術及分布式網絡技術等先進的設計思想，提供標準化和技術成熟的軟硬件產品，并在圖像、數據、聲音的多媒體綜合處理及實時傳輸、交換、存儲、顯示等方面進行深度優化。

3.視頻編解碼的嵌入技術。視頻編解碼的嵌入技術主要是把分層編解碼技術以中間件的形式內嵌在視頻流播放系統中。針對不同種類的網絡和用戶終端，以及多樣化的交互，傳統編碼技術具有單一特性，雖盡可能高的編碼效率，顯然，對于實際應用中的各種不同特性的網絡結構和終端設備并非十分優化。視頻編解碼的嵌入技術采用多種編碼模式和子像素精度運動矢量等新的編碼工具，在空間分辨率下采樣的轉碼中運用宏塊預測模式信息的快速轉碼算法，并兼顧移動網絡環境下的容錯編碼、轉碼技術應用，減小信道誤碼帶來的丟包現象。

本系統的主要創新點是仿真錄播的集成系統為視頻資源的收集與存貯系統，在線自主學習云服務系統作為業務支持平臺，視頻編解碼的嵌入為終端訪問進行了本質上的優化。上述三者的綜合形成了一個由普通中小學校產生資源、本項目提供技術支撐、實現普通中小學校義務教育服務于社會的效應。

四、效益與展望

本項目的實施與研發過程預期實現以下成效，并且具有一定的社會價值。

1.技術應用成效。（1）建成課堂教學仿真錄播集成系統，應用于普通中小學課堂教學，通過建設課堂教學仿真錄播集成系統，實時廣播教師的課堂教學，并進行存貯，可以實現一次演示，多次復用的效果，為各校提供了未來課堂教學的信息化解決方案，改善了原來的教師課堂教學只有少數學生可以看到的狀況，提高了課堂教學的有效性。（2）研發提供遠程在線學習的云服務系統，應用于在校學生的自主式遠程學習，解決非名校學生獲得名校優質教育的自主遠程學習與管理，通過構建遠程在線服務系統，形成業務支持平臺，可以為學生提供優質教育資源與自建資源，可以實現在名校名師的遠程在線指導下，進行網上學習、網上作業、網上測試、網上課堂回放等，并實現對學生及學習資源的管理。（3）積累專業資源量達一定規模，當系統資源積累到一定規模時，可應用于普通中小學生遠程自主學習能力的提高。在普通中小學校數、其優質教學資源達到一定規模時，全社會普通中小學生不分地域、時間限制對服務系統進行訪問；本系統根據訪問情況提供學科教育資源、公共技能資源、實況課堂回放等服務。

2.社會效益。（1）探索了目前義務教育與教育均衡化發展的需求。由本項目提出的錄像、錄播、甚至遠程直播式的云教學，是錄播系統、錄像系統在普通中小學校中的深入應用；實現了非名校學生也能享受名校的優質教育，向教育均衡化發展方向前進了一步。（2）推進了普通教育成果共享。普通教育建設成果的應用不再局限在校內而是被全社會所共享，為中小學生接受優質教育探索出一條新途徑。

3.技術轉化，形成產業。系統實施過程，也是普通中小學校資源建設的過程。一旦普通中小學校成果與社會需求達到某種供求關系的時候，便會形成拓展。

普通教育云服務系統是基于WEB的在線服務系統，采用微軟ASP.NET技術架構，適用于學生在線自主學習與視頻云教學。旨在構建起普通中小學校與全社會的普通義務教育之間的橋梁，把各個層次的中小學校的優質的教育資源、優秀的教師資源經過整合供全社會普通義務教育合理共享，最終實現普通教育切實服務地方義務教育的均衡化發展，切實辦好人民滿意教育的美好構想。我們團隊在解決各項技術方案的基礎上，正在進行實質性的研發，愿與各位專家進行此方面的深入交流。

參考文獻：

[1]楊曉明，李小聰，段渭軍，陳素清.高校短信息服務平臺的研究與設計[J].中國教育信息化，2011，（12）.

[2]樊建永.基于SMS的網絡故障自動報警系統的設計與實現[J].中國教育信息化，2011，（11）.

[3]劉麗萍，魏書敏，趙新云.個性化網絡學習支持系統的研究[J].中國教育信息化，2011，（12）.

2.仿真錄播的集成技術。仿真錄播的集成技術是在理解視頻錄播原理的基礎上，組建的一項集網絡技術、音視頻技術、多媒體技術、環境控制技術、軟件應用技術等于一體的高科技系統集成工程。由網絡攝像機、高清視頻服務器、錄播系統、網絡交換機、終端控制設備經過高度集成，實現仿真項目的錄制、傳輸、發布等功能。考慮到當今網絡技術、多媒體傳輸技術和音、視頻處理技術迅猛發展的趨勢，仿真錄播系統以TCP/IP網絡協議為基礎，采用全數字化、模塊化、安全而開放的設計結構，基于B/S的應用平臺，視音頻綜合壓縮編碼策略，仿真視頻資源格式的自適應播放，資源分配及流量控制最優化，數據安全保護備份技術及分布式網絡技術等先進的設計思想，提供標準化和技術成熟的軟硬件產品，并在圖像、數據、聲音的多媒體綜合處理及實時傳輸、交換、存儲、顯示等方面進行深度優化。

3.視頻編解碼的嵌入技術。視頻編解碼的嵌入技術主要是把分層編解碼技術以中間件的形式內嵌在視頻流播放系統中。針對不同種類的網絡和用戶終端，以及多樣化的交互，傳統編碼技術具有單一特性，雖盡可能高的編碼效率，顯然，對于實際應用中的各種不同特性的網絡結構和終端設備并非十分優化。視頻編解碼的嵌入技術采用多種編碼模式和子像素精度運動矢量等新的編碼工具，在空間分辨率下采樣的轉碼中運用宏塊預測模式信息的快速轉碼算法，并兼顧移動網絡環境下的容錯編碼、轉碼技術應用，減小信道誤碼帶來的丟包現象。

本系統的主要創新點是仿真錄播的集成系統為視頻資源的收集與存貯系統，在線自主學習云服務系統作為業務支持平臺，視頻編解碼的嵌入為終端訪問進行了本質上的優化。上述三者的綜合形成了一個由普通中小學校產生資源、本項目提供技術支撐、實現普通中小學校義務教育服務于社會的效應。

四、效益與展望

本項目的實施與研發過程預期實現以下成效，并且具有一定的社會價值。

1.技術應用成效。（1）建成課堂教學仿真錄播集成系統，應用于普通中小學課堂教學，通過建設課堂教學仿真錄播集成系統，實時廣播教師的課堂教學，并進行存貯，可以實現一次演示，多次復用的效果，為各校提供了未來課堂教學的信息化解決方案，改善了原來的教師課堂教學只有少數學生可以看到的狀況，提高了課堂教學的有效性。（2）研發提供遠程在線學習的云服務系統，應用于在校學生的自主式遠程學習，解決非名校學生獲得名校優質教育的自主遠程學習與管理，通過構建遠程在線服務系統，形成業務支持平臺，可以為學生提供優質教育資源與自建資源，可以實現在名校名師的遠程在線指導下，進行網上學習、網上作業、網上測試、網上課堂回放等，并實現對學生及學習資源的管理。（3）積累專業資源量達一定規模，當系統資源積累到一定規模時，可應用于普通中小學生遠程自主學習能力的提高。在普通中小學校數、其優質教學資源達到一定規模時，全社會普通中小學生不分地域、時間限制對服務系統進行訪問；本系統根據訪問情況提供學科教育資源、公共技能資源、實況課堂回放等服務。

2.社會效益。（1）探索了目前義務教育與教育均衡化發展的需求。由本項目提出的錄像、錄播、甚至遠程直播式的云教學，是錄播系統、錄像系統在普通中小學校中的深入應用；實現了非名校學生也能享受名校的優質教育，向教育均衡化發展方向前進了一步。（2）推進了普通教育成果共享。普通教育建設成果的應用不再局限在校內而是被全社會所共享，為中小學生接受優質教育探索出一條新途徑。

3.技術轉化，形成產業。系統實施過程，也是普通中小學校資源建設的過程。一旦普通中小學校成果與社會需求達到某種供求關系的時候，便會形成拓展。

普通教育云服務系統是基于WEB的在線服務系統，采用微軟ASP.NET技術架構，適用于學生在線自主學習與視頻云教學。旨在構建起普通中小學校與全社會的普通義務教育之間的橋梁，把各個層次的中小學校的優質的教育資源、優秀的教師資源經過整合供全社會普通義務教育合理共享，最終實現普通教育切實服務地方義務教育的均衡化發展，切實辦好人民滿意教育的美好構想。我們團隊在解決各項技術方案的基礎上，正在進行實質性的研發，愿與各位專家進行此方面的深入交流。

參考文獻：

[1]楊曉明，李小聰，段渭軍，陳素清.高校短信息服務平臺的研究與設計[J].中國教育信息化，2011，（12）.

[2]樊建永.基于SMS的網絡故障自動報警系統的設計與實現[J].中國教育信息化，2011，（11）.

[3]劉麗萍，魏書敏，趙新云.個性化網絡學習支持系統的研究[J].中國教育信息化，2011，（12）.