基于流媒體技術的遠程聽力教學系統設計與實現

張維維

(長春師范大學國際交流學院，吉林長春130032)

1 流媒體

流媒體(Streaming Media)技術是指連續時基媒體，網絡數據傳輸和客戶端播放并行。使用流媒體的客戶端采用邊傳送邊播放的形式，無需等待整個文件下載完畢就能播放，不占用本地存儲空間，同時縮短了客戶端等待時間。流媒體數據的網絡傳輸方式和播放方式是“流”，流格式是數據及其相關控制信息的數據格式。數據包是按照流格式形成的數據，數據流由一個多媒體文件的所有數據包構成[1]。流媒體由特殊編碼方式壓縮后的數據包形成，能夠實現流媒體技術需要的軟硬件環境和控制協議。在播放器開始播放到達的第一組數據的同時，后續數據則源源不斷地“流”向客戶端。流媒體采用了數據壓縮和傳輸技術發布較長的聲音和視頻片斷。

2 流媒體技術原理

2.1 緩存

流媒體文件傳輸需要緩存，因特網進行斷續的異步傳輸，傳輸基礎是包[2]。一個實時音頻/視頻源或存儲的音頻/視頻文件在傳輸中要被分解為多個包，各個包選擇的路由不盡相同，到達客戶端的時間延遲也不相等。緩存系統可以彌補延遲和抖動，并保證數據包不會因為網絡暫時擁塞出現播放停頓的現象。數據到達流媒體播放器后先進入緩存，從緩存中提取數據后進行播放。只要緩存中有數據余量，媒體播放器就能夠開始播放媒體文件。

2.2 流媒體網絡協議

通信協議支持流媒體在Internet上傳輸到客戶端，主要流媒體傳輸協議有RTP(實時傳輸協議)、RTCP(實時傳輸控制協議)、RTSP(實時流協議)、RSVP(資源預定協議)等[3]。RTP和RTCP配合使用能夠為用戶提供流量控制和擁塞控制的服務，適用于網上數據的實時傳送。RTSP定義了通過網絡如何有效地使多媒體數據在一對多應用程序之間進行傳送。其中，RTSP使用RTP完成數據傳輸，RSVP預留一部分帶寬為流媒體傳輸提供一定的服務質量保證。

2.3 流媒體的傳輸

流式傳輸過程為:用戶選擇某一流媒體服務，HTTP/TCP檢索需要傳輸的實時數據;客戶機啟動客戶端的流媒體播放器，流媒體服務器檢索相關參數，程序初始化[4]。Audio/Video Player程序及流媒體服務器之間通過運行RTSP可以操縱播放、快進、快倒、暫停及錄制等交換控制信息。流媒體服務器使用RTP/UDP將數據流傳輸給客戶端的流媒體播放器，數據抵達客戶端后由Audio/Video播放輸出。流式傳輸需要專用服務器和播放器，國外比較有影響的流媒體播放器有Real System、Windows Media和QuickTime。

2.4 流媒體技術應用于遠程教學的意義

互聯網是中低帶寬網，在網上傳輸的大多數信息是靜態的，流媒體技術解決了多媒體信息在中低帶寬網上的傳輸問題。流媒體技術豐富了互聯網/內部網上的信息資源，是遠程教學多媒體課件和網絡課程傳輸的最佳方式，同時流媒體技術也提高了信息資源的應用效率。

3 遠程教學的特點

遠程教學是將教學資源傳送給校外一處或多處學生的教學活動形式。伴隨現代媒體技術的發展而迅速成長，遠程教學已成為適應社會發展需要的教學形式。在教學過程中，師生采取多種媒體進行通信聯系。遠程教學有特定的教學信息傳輸和交流手段、特定的教學信息資源。與常規學校教學相比，遠程教學具有以下特點。

3.1 參與性

常規教學是封閉的，教學資源被封閉在校園內，接受教學的是本校學生;而遠程教學則面向整個社會，教學形式是終生學習，遠程教學為有學習意愿的人提供普遍的受教育機會，實現了教學信息資源的共享。

3.2 擴展性

常規的學校教學教育者對受教育者實施面對面的教學活動;而遠程教學借助多媒體技術將教學資源向外擴散，把教學功能延伸至整個社會。

3.3 便捷性

遠程教學在課程設置方面較常規的學校教育更具靈活性。

3.4 媒介性

與常規教學相比，遠程教學對媒體工具和傳輸手段具有高度的依賴性，需要經常用到信息資源和現代信息技術工具。

4 基于流媒體技術的遠程聽力教學系統設計

4.1 硬件系統的結構與功能

硬件系統包括4個基本部分如表1所示，其在互聯網上流式傳輸的基本原理如圖1所示。

圖1 互聯網上流式傳輸的基本原理

(1)流媒體信息生成系統:流媒體信息分為實時流媒體信息(直播)和非實時流媒體信息(點播)。能夠實現點播流媒體課件、直播音視頻節目源等功能。

(2)服務器系統:由Web服務器和流媒體服務器組成。其中，Web服務站點管理和服務需要使用Web服務器;流媒體的存儲和發布需要使用流媒體服務器。遠程教學系統采用安裝在Windows.Net Enterprise Server 3647或以上版本的Windows Media服務器組件。

(3)網絡系統:采用路由設備支持組播協議，以及交換式以太網、TCP/IP協議。

(4)客戶端系統:用戶通過Internet(或Intranet)訪問流媒體信息。客戶端需要安裝瀏覽器及流媒體播放器。

4.2 系統運作流程

(1)用戶瀏覽遠程教學的指定網頁，點擊一個流媒體內容的地址鏈接，由遠程流媒體服務器提供該鏈接。

(2)在遠程流媒體服務器收到請求后，生成播放文件，送到用戶的web瀏覽器中。

(3)用戶端瀏覽器下載播放文件，也可在用戶機的流媒體播放器接收播放文件。

(4)在用戶端流媒體播放器讀取播放文件中的鏈接時，流媒體播放器同時向流媒體服務器發出請求。

(5)遠程流媒體服務器將內容傳送給用戶機流媒體播放器的方式是流式傳輸，用戶機流媒體播放器會一邊播放，一邊接收。

圖2 系統運作流程圖

4.3 軟件系統的體系結構

遠程聽力教學系統的軟件結構如圖3所示。

圖3 遠程聽力教學系統軟件結構圖

遠程聽力教學系統模塊，分為學生作為家庭作業完成分配的聽力模塊、教師指定學生在課堂完成聽力模塊、教師制作視頻或練習作為平時成績完成聽力模塊。通過這些功能模塊，學生能夠進行課程學習和考核、查找和下載教學資源，與教師和其他同學進行離線交流，教師指定學生在課堂上完成聽力模塊的練習。

5 關鍵技術

5.1 多媒體音頻點播與廣播

多媒體音頻點播與廣播服務類型有點播和廣播兩種。點播，是指可以向服務器申請播放特定的節目，播放進程例如暫停、快進、快退等操作，用戶在播放過程中可以控制播放的進程，在流點播過程中，建立用戶與服務器之間連接點播的單獨的節目，用戶進行點播，其他的網絡用戶不接收此節目流。廣播，是節目在網絡上廣播。網絡上的所有用戶都可以收到廣播的節目流，但在廣播過程中不能控制節目的播放進程。

5.2 多媒體課件庫

多媒體課件庫的主要任務是保存課件，學生可以根據自己的學習情況，隨時地訪問學習課件庫中課程內容以及習題等。課件服務器主要負責存儲課件內容，保證遠程教學中教學內容的傳輸應具有并發特性、可靠性、穩定性。每兩臺課件服務器互為鏡像，這樣可以避免用戶集中點播某一課件時產生的輸出瓶頸問題。

5.3 作業和測試模塊

根據聽力材料的內容，教師布置作業或組卷測試，進行訓練和測試，對學習者的測試結果評分并給出反饋。教師對題量和分值可進行自定義，對試題進行再編輯。

5.4 流媒體課件制作模塊

同步設計授課者的影音播放和電子教案或教學課件。Windows Media允許在ASF流媒體文件中加入“標記”(Marker)和“腳本”(Script)。例如有一個教案網頁，它的 URL是“HTTP://host/緒論.HTML”，標記的標題可以是“緒論”，時間是10秒，腳本命令的類型是“URL”，參數是“HTTP://host/緒論.HTML”，時間也是10秒。

5.5 安全性設計

采用Microsoft windows DRM數字版權保護系統，使得學生從遠程教學系統中下載媒體文件后能夠獲取一個包含解鎖密鑰的許可證播放媒體文件。由此可以保證學校對學生的學習狀況進行監控，同時保證教學資源不被非法使用。

6 結語

本遠程教學系統已經成功試運行并取得較好的效果。目前，基于流媒體技術和本教學系統平臺建設的“雅思聽力題庫”“英美文學選讀”等多媒體課件分別獲得“教育部教育管理信息中心舉辦的全國多媒體課件大賽高教文科組優秀獎”。先進性、集成性、低費用是流媒體技術的特點，構建基于流媒體技術的遠程聽力教學系統，有利于充分利用教學資源，也有利于終身教育體系和未來開放教育的構建。

[1]沈敬偉，周廷剛，溫永寧，等.基于面向對象數據庫的空間數據管理[J].西南大學學報:自然科學版，2013(4):132－137.

[2]鐘玉琢，向哲，沈洪.流媒體和視頻服務器[M].北京:清華大學出版社，2008.

[3]關博.基于FMS的流媒體技術在網絡教學平臺中的應用[J].產業與科技論壇，2013(12):146－147.

[4]姜繁.流媒體傳輸技術在網絡視頻監控系統中的研究與應用[D].武漢:武漢理工大學，2013.

[5]王廷璇.P2P課堂直播系統設計[J].電腦編程技巧與維護，2009(14):122－124.