無遠弗屆：基于衛星視頻會議系統的跨域虛擬空間

李哲　奧林泰一郎　前迫孝憲　張海

遠程教育中早期廣泛采用電視會議系統進行實時視頻通信，開展遠程教學，日本諸多大學都開展過這樣的教學實踐，如日本放送大學、早稻田大學等至今仍然保留著這類通信課程。由于現在日本網速的大幅度提升，原有的模擬信號早已替換為高清的數字信號，單一的語音和圖像實時傳輸系統已無法滿足復雜多點視頻通信的需求，因此日本以松下、索尼、LifeSize、Polycom、CISCO等公司為主，開發了一系列軟硬件配套的電視會議系統。但是教育行業中的實際應用比公司的商務會談復雜得多，不可能要求所有聽課學生安裝如此昂貴的終端設備，而且多點視頻時產生的延遲和空間錯位感容易使教學效果大打折扣，因此為了研究在教育中電視會議系統的應用模式，大阪大學教育技術研究室長期開展遠程視頻會議系統的實踐，本文從硬件會議系統和WEB會議系統分別予以詳細介紹。

● “超鏡”的電視會議系統

“超鏡”（HyperMirror）電視會議系統由日本獨立行政法人產業技術綜合研究所開發，取名源自鏡子，普通的電視會議系統主要采用攝像頭采集圖像然后傳送給對方，結果是參與會議的各方都只能在自己的圖像小方框內，很難產生在一起的臨場感，“超鏡”系統則像自己照鏡子一樣，將對方的圖像翻轉然后與本地圖像實時合成，構成虛擬現實的電視會議系統，使得會議雙方能夠在同一畫面上既能看到自己也能看到對方，等身比例顯示狀態下可實現參與雙方在一地的臨場感，利用該套系統已經成功連接日本、中國、蒙古、新加坡、泰國、美國等多個國家，在遠程教學方面做了大量卓有成效的教學實踐。近年來系統升級為超清晰度視頻格式（High Definition），主要由SONY電視會議系統、ATEM數碼切換臺、HD反轉器、高清數碼攝像機、聲音合成設備和各類高清數碼轉換器構成，在外語教學、國際交流、協同學習等方面展開各類教育實踐研究。

2009年和2010年采用日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的超高速通信衛星“絆”（WINDS）進行了多次實驗遠程教育實踐，作為e-learning課程的一環，連接九州的大分縣宇佐市立高家小學與大阪府八尾市立久寶寺小學，開展學校地區之間的學習交流，課程內容主要有兩校的學生相互介紹自己的學校和地區的特色，然后在JAXA職員的幫助下一起學習有關宇宙空間站、宇宙火箭等天文知識，利用大尺寸藍屏濾色技術開展有地區特色的神樂太鼓表演交流。通過高速通信衛星進行遠程視頻傳輸，設置簡易移動型衛星接收站，能夠實現寬頻帶通信，隨時隨地多點接入電視會議系統，有利于克服天氣和地形障礙，降低國際網絡訪問的延遲和丟包率。在教育實踐上，高清視頻能夠清晰展示星空地圖的每個細節，而且在大尺寸屏幕下能夠隨意在全局展示和局部展示之間互相切換，學生能在虛擬空間中身臨其境地理解宇宙空間的宏偉程度，也能在實時合成場景中和對方積極互動，得以順利開展協同學習，深入交換各自的意見，學習效果得到了明顯的提高。

除連接兩點的試驗外，2010年進行了多點連接遠程教學實踐，將在筑波的高能加速器研究所和奈良、熊本的初中連接起來，由高能加速器研究所的研究員給初中生上了一堂生動的基本粒子物理學課，由于采用高清數字信號進行遠程視頻，不僅能合成多點之間的實時圖像，也能將背景自由切換為圖片或者動畫，在虛擬空間生動地將粒子的基本結構、類別、原理予以展示出來。通過分析實驗數據可知高清視頻傳輸可以在同一空間中看到對方的表情和所指的地點，提高了臨場感，尤其是在教材內容展示時非常明確，易于理解。

作為最近一次國際遠程視頻教學實踐，2013年5月采用該套系統成功連接位于中國湖北省武漢市的中南財經政法大學和位于日本大阪府吹田市的大阪大學，利用中南財經政法大學語音實驗中心和大阪大學人間科學研究科的多媒體中心開展日語會話交流和角色扮演等協同學習實踐。實驗首先讓中日兩國的大學生采用知識地圖軟件繪制有關敬語的知識地圖相互提問交流，交換意見，學習有關日本文化和日語敬語的知識，然后利用知識地圖中的知識點模擬公司客戶訪問的場景，靈活使用所學過的知識進行角色扮演，最后協同作業總結所學過的內容。在實踐過程中，通過虛擬的背景空間切換，能夠隨時展示知識地圖中的知識點，有效地將知識點可視化，中國學生在交流中更容易系統深入地掌握有關敬語的詞匯、句型的使用方法，而日本學生通過對方繪制的知識地圖了解到自身對于敬語的理解的不足，通過圖片、聲音、視頻等多媒體素材積極向對方解釋日本文化和敬語的特點，得到了重新審視自己語言能力的機會。

● “LifeSize”視頻會議系統

2012年大阪大學申報日本文部科學省“博士課程教育領導項目”獲批其子項目“未來共生革新者博士課程”。該項目主要用于培養能在多文化共生問題中開展實踐和研究的領導型人才，其中要求培養應對災害危機中在多文化、多語言、全球化條件下開展健康醫療、公共衛生的革新性實踐研究，促進跨文化交際的能力，因此依托于大阪大學人間科學研究科志愿者人類學專業，于2013年3月在日本311東北大地震的重災區巖手縣野田村建立了衛星校區，積極開展災后支援災后重建、跨地區交流、野外實踐等各類工作。為保證在災區順利開展實踐工作，該校區采用“LifeSize”公司的電視會議系統、多點傳輸的Web會議輔助系統、IPstar通信衛星、太陽能備用發電系統等各類設備，保障電源和通信的暢通，不僅可以隨時連接大阪大學、日本國立天文臺、地區防災指揮中心等各個部門，還可以采用iPad和wimax等設備展開一人一臺的野外調查實踐。作為遠程教育實踐，每月11日定期在該衛星校區舉辦研究研討會，參與者除大阪大學教職員工、大學生、志愿者外，還有當地災民、國立天文臺研究員、政府機構人員、NPO組織等各類人員，以會議、研討、匯報等多種形式積極開展交流互動，將大學的教學模式帶入災區，幫助當地經濟重建、心理治療、衛生醫療等。

作為衛星校區的研討學習會，從2013年3月11日起至今已開展了10次，主要內容有介紹北海道海嘯災區奧尻島災區復興的經驗，當地觀光協會和志愿者組織的實踐，大學生與當地群眾的互動學習和野外調查，與當地中小學互動交流，介紹志愿者的理念和宗旨，通過分析災民問卷調查對當地社會經濟情況進行科學考察和建議，國立天文臺組織的天文課，開展短期旅游體驗總結匯報協助當地旅游業的發展。在實踐中驗證了采用多點視頻教學的有效性，通過Web視頻會議系統錄制服務器的流媒體錄制，無需復雜的設備和手續就可登錄指定的網址隨時參與到教學過程中來，對于教學內容也進行了多樣化模式的積極嘗試，尤其是采用iPad開展一人一臺野外實踐調查，利用云服務器遠程操作觸摸終端，與LifeSize系統相結合達到多點視頻互動的效果，今后還會陸續開展與超鏡系統協同實驗、國際遠程視頻教學等各類嘗試。

● 后記

遠程視頻教學已經充分展現了在教學應用上的有效性，尤其是采用超鏡的實時視頻合成的虛擬現實，能夠激發學生的學習積極性，在同一空間下有效支援協同學習和角色扮演。但是利用電視會議系統進行遠程教學時，主要出現的問題就是帶寬不足造成的延遲和數據丟失、語音方面的雜音和噪音、缺乏臨場感、經濟成本過高，另外采用硬件型的電視會議系統時需要靜態IP地址，會場空間要求較高，在教學應用上教師缺乏足夠的技術能力，教學法也不同于普通的面對面教學，所以在這方面今后仍然需要積極開展各類的實踐研究。

參考文獻：

[1]超高速インタ-ネット衛星「きずな」（WINDS）による超鏡システム（ハイパ-ミラ-）を使用した遠隔教育（eラ·ニング授業）實施實果について.日本宇宙航空研究開發機構.http：//www.jaxa.jp/press/2009/01/20090128_kizuna_j.html.

[2]『「きずな」で實現した高精細HD映像による3地點「超鏡」-小學校での交流學習と中學校での素粒子物理學の學習』.日本宇宙航空研究開發機構.http：//winds-ets8.jaxa.jp/winds/report/06_201003.html.

[3]大阪大學未來共生イノベ-タ-博士課程プログラム巖手縣野田村サテライト.大阪大學.http：//www.respect.osaka-u.ac.jp/satellite-nodamura/.

基金項目：本論文獲得教育部人文社會科學研究項目青年基金項目“下一代信息技術支持的教育技術實踐監控與評價”（課題號11YJC880159）、東北師范大學哲學社會科學校內青年基金團隊項目“文化公平觀與完善公共文化服務體系建設研究”（課題號12QN043）、國家社會科學基金項目青年項目、日本NHK電視臺對重大突發事件輿論引導及對應機制研究（課題號12CXW020）、教育部留學回國人員啟動基金“信息技術深層整合教學結構及教育信息化演變機制研究”以及吉林省基礎教育教學研究重點課題“中小學信息技術課程邊緣化現狀、成因及對策研究”（課題號JLSJY2012Z033）資助。