流媒體技術在實驗教學中的應用

黃偉源

摘 要 將目前流行的流媒體技術應用到傳統的實驗教學當中，討論了如何通過借助流媒體技術來提高實驗教學在課堂和課后的效果，從而激發學生對實驗教學的興趣與積極性。

關鍵詞 流媒體技術 實驗教學 應用

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A

1傳統實驗教學存在的問題

實驗教學要求，不僅要學生理解實驗的原理，還要培養學生實驗操作動手能力，觀察檢測能力、數據處理能力、獨立思考能力、分析問題和解決問題的能力。

傳統的實驗教學，在實驗課開展之前，先由老師講授實驗過程中涉及到的原理，然后再通過老師的實驗演示來介紹具體的實驗操作過程和步驟，以及在實驗過程中需注意的事項，最后讓學生自己完成課程所設置的實驗。

為了使課堂的授課達到最佳的效果，老師會要求學生上課前對實驗的課程進行預習。然而對于一些比較復雜和大型的實驗，僅僅通過在課堂上老師的一次演示，學生未必能夠掌握和理解實驗的全部內容。往往需要在課堂上或課后通過自己的動手操作，一步一步地慢慢理解和體會才能掌握實驗的內容。

但學生在自己動手做實驗的過程中，往往由于對老師的實驗授課內容理解不夠透切，或者上課時學生所處的課堂位置，角度和上課遲到等方面的原因，不能及時和完全看清楚老師的實驗演示。從而使自己在獨立操作中不能完成整個實驗過程。在傳統的課堂教學上，同學們可以對實驗過程中遇到的問題向老師請教。老師也會對同學的問題作出詳細的解答。但由于課堂時間有限，不可能很快對每個同學的問題都作出詳細解答，對于那些不能作出及時解答的同學，實驗就會顯得無從下手。這樣就會使得課堂的實驗效果不高。同樣在課后，對于沒有完全理解老師授課實驗內容的學生，想通過在課后溫習上課的實驗，更是無法進行。

2流媒體技術

流媒體技術就是把采集的視頻和音頻信息，經過編碼，壓縮處理后傳送到專用的流式服務器上，流式服務器可以采用RealNetworks公司的Helix Server或者微軟的windows media services進行搭建。當用戶需要請求流式服務器中的音視頻時，首先用戶的Web瀏覽器向Web服務器通過使用HTTP/TCP協議請求元文件，元文件包含了多媒體文件的相關信息如URL，編碼類型等。然后Web瀏覽器將元文件傳送到媒體播放器，媒體播放器接收到元文件后，就可以與流媒體服務器對多媒體文件進行請求與發送，在發送過程中，使用RTP/RTSP等實時交互應用協議，將多媒體文件傳輸到客戶端，這樣用戶不僅能供實時觀看，還可以一邊下載一邊觀看、收聽，過程不需要等待整個多媒體文件存儲到自己的計算機上才可以觀看。流媒體技術分為流式存儲音頻、視頻，流式實況音頻、視頻和實時交互音頻、視頻。該技術對時延非常敏感，但容忍偶爾的丟包。下圖為流媒體傳輸過程。

3流媒體技術應用到實驗教學

根據傳統的實驗教學的不足，可以利用流媒體技術的優勢與特點，將流媒體技術應用到實際的實驗教學過程中，來提高學生的實驗學習效果。

實際的實驗教學網絡環境是一個局域網，且局域網的網絡節點都在一個網段內，網絡傳輸不需要進行路由和穿越防火墻，傳輸的時延將非常小，能大大滿足對流媒體應用的要求。

3.1流式實時教學音頻和視頻的實現

在實驗教學過程中，由于每個學生在課室中坐的角度和位置的不同，或者由于有些學生遲到而不能及時趕到課堂上，從而導致并不是所有的學生都能清晰地觀察到老師的實驗全部操作過程。一般老師通過在教師機的實驗演示，例如，軟件實驗的具體的軟件操作，代碼的編寫，都通過在教師上運行并通過投影機顯示給學生看，但如果投影機的效果不好，又或者坐的靠后，就會使得學生對演示的實驗或授課的內容接受不夠清晰。為了解決上述問題可以借助流媒體技術，使得學生能從教室的不同位置都能清晰地接收授課內容，同時也能解決因為遲到而不能及時上課的學生，能借助移動終端通過移動互聯網登錄到流媒體服務器及時接收老師上課的內容，從而避免了因遲到而影響后續的上課效果。首先，可以通過音頻和視頻的采集卡，將老師正在演示的實驗進行采集，對于使用具體儀器進行演示的實驗，可采用攝像機進行采集。然后將采集后的音視頻，通過編碼器進行編碼，并進行壓縮后，傳輸并存儲到流媒體服務器上。這樣學生就可以使用學生機或者移動設備的媒體播放器如Readplayer，windows media player 通過網絡與流媒體服務器，使用RTP/RTCP協議進行多媒體交互，可以將老師的授課內容實時傳到學生端，由于進行流式實況音視頻傳輸，從流式服務器傳到學生端媒體播放器的音視頻，不需在學生端進行存儲即可播放，實時的教學內容同時向很多接收相同的音視頻的學生端分發，這里采用通過應用層多播，或通過多個獨立服務器到學生端的單播流實現。這樣，在課堂進行演示實驗教學時，學生除了通過投影機看到實驗過程，還可以通過學生端的媒體播放器實時接收到授課內容。由于局域網時延小，實況的多媒體接收效果非常好。

3.2存儲教學多媒體

在課后，學生在實驗室要對上課的實驗內容進行復習和獨立操作。傳統的做法，是通過書本或老師提供的ppt實驗教材進行。但如果對老師上課的內容沒有理解透切，通過自己單獨看書，復習的效果并不好，可能花很長的時間也不能把問題解決。如果能將授課的音視頻內容進行重現，學生就可以對在課堂上不能立即理解的內容，通過多次和反復的觀看授課的多媒體內容，進行學習和理解，這樣達到的學習效果，會事半功倍。為了達到這樣的效果，可以將老師在課堂上的授課內容進行錄制，采集，編碼，壓縮存儲到流媒體服務器。課后，學生就可以利用自己的終端通過媒體播放器從流式服務器上請求和搜索上課的音視頻多媒體文件，此時音視頻就可以經HTTP/TCP協議傳輸，并利用實時流協議（RTSP）來交換播放控制信息，學生端的媒體播放器就可以播放課堂上老師的授課音視頻內容，學生可以根據自己對實驗課程的理解程度，對多媒體進行播放、暫停、倒退、前進等操作。學生端進行的是一邊下載一邊觀看、收聽，相比于流式實況的音視頻，可以容忍的時延相對寬松，這樣，學生不僅可以在校內的局域網進行，還可以在外網進行，如在家里，或者通過移動設備進行。

3.3流式交互音頻和視頻

同樣在課后，對于上課的內容和老師課后布置的作業，學生通過看課本，ppt和老師上課視頻仍不能理解，這就需要與老師進行實時的交換互動，網上在線答疑。可以利用微軟的Netmeeting，Skype等實時交互產品，可以不受地點的限制，實現學生與老師的實時交流，當學生在自己復習遇到問題時，可以實時在線呼叫老師，并把遇到的問題請教老師，同時老師也可以進行實時的在線解答。

在提供多媒體內容方面，除了提供實時教學視頻外，老師還可以制作生動的課件，來進行輔助教學，使教學內容更加豐富，從而激發學生對實驗的興趣，對培養他們的操作動手，觀察檢測、獨立思考能力，提供很大的幫助。流媒體技術可以貫穿整個實驗教學過程，包括課堂的教學，課后的復習與答疑，使學生能隨時獲取教學信息，從而提高了實驗教學的效率。

參考文獻

[1] 莊捷著.流媒體原理與應用（第二版）[M].北京：中國廣播電視出版社，2013.

[2] Jamers F.Kurose Keith W.Ross著，陳鳴.計算機網絡自頂向下方法（原書第4版）[M].北京：機械工業出版社，2008：（378-428）.