基于“視頻同步互動”的分布式學習專用教室設計與實現*

黃 勃 ，汪學均 ，沈 蕾 ，王會燕 ，熊才平,2①

(1.華中師范大學 教育信息技術學院，湖北 武漢 430079；2.華中師范大學 信息化與基礎教育均衡發展協同創新中心,湖北 武漢 430079；3.武漢交通職業學院 實踐教學中心，湖北 武漢 430065)

基于“視頻同步互動”的分布式學習專用教室設計與實現*

黃 勃1，汪學均1，沈 蕾3，王會燕1，熊才平1,2①

(1.華中師范大學 教育信息技術學院，湖北 武漢 430079；2.華中師范大學 信息化與基礎教育均衡發展協同創新中心,湖北 武漢 430079；3.武漢交通職業學院 實踐教學中心，湖北 武漢 430065)

為更好地研究分布式學習，華中師范大學信息化與基礎教育均衡發展湖北省協同創新中心探索建設“視頻同步互動”分布式學習專用教室：通過異地教師視頻影像前端顯示、異地教師授課資料前端顯示、異地學生聽課影像后端大屏幕顯示、聲音在教室內全覆蓋同步互傳等技術和工藝方法改進措施，將兩地之間的學生通過網絡技術融為一體，開展正常的課堂教學活動，實現了真正意義上的分布式學習。

視頻互動；分布式學習；教育公平；教育技術

一、分布式學習需要異地“視頻同步互動”教學環境

隨著分布式存儲技術的發展，數字化學習、教學資源不再局限于本地存儲，也不局限于本地使用。學習者、教授者、學習資源和教學資源分布在全球網絡的各個節點，教與學行為可以隨時、隨地發生[1]。這種新型的不以固定學習場所為中心、不以教授者為中心的分布式學習(Distributed Learning)[2]，正為教育研究者們所關注、研討和探究，有可能成為信息時代教與學變革發展的趨勢。

從學習方式來看，分布式學習主要有兩大類：一類是基于數字化學習資源的學生自主學習式的分布式學習，一類是基于遠程協商的師生互動的分布式學習[3]。其中，基于數字化學習資源的學生自主學習分布式學習，學習資源豐富、多樣，資源針對性強，學習者以在線自主學習為主，學習參與者眾多。典型的如大規模在線開放課程(MOOCs)——針對一個學習專題，提供視頻、動畫、圖片、聲音、文字等多種媒介組合的豐富的教學資源：有學習需求的學習者，都可以參與學習，一個專題資源，學習者動則上萬人；參與學習者可以不分時間、地點和時間段，通過多種終端自主學習。雖然學習者之間、學習者和教授者之間有少量學習互動，但針對學習疑惑的互動深度不夠?；跀底只瘜W習資源的學生自主學習分布式學習存在的最大問題是學習者自主學習過程中遇到學習困難或障礙時，得不到教授者或學習伙伴的及時、深入答疑。因此，這類教學模式只適合自主學習能力強的高年級學生或成年人學習。基于遠程協商的師生互動分布式學習，擁有豐富的自主學習教學資源，同時能夠很好地解決自主學習能力較弱學習者的互動答疑問題，是分布式學習的必然發展趨勢。但現階段僅停留在“基于社交網絡”的個別化教學互動層面，不能夠實現大范圍內的師生視頻同步互動，并且社交軟件不太穩定，為確保教學活動順利開展，更不能在課堂教學中隨便使用。

教學活動不是單一的學習者獲取知識，也不是單一的教授者傳授知識，而是教授者以班級為單位，按照一定的教學原則，通過講解讓學習者明晰知識結構，通過學習者自主學習掌握知識，通過師生交流達到釋疑解惑、深入理解、啟迪智慧的目的。從這個角度講，單一的“基于數字化學習資源的學生自主學習”，或者單一的“基于社交網絡”的個別化教學式的分布式學習，均不具備完整的教學活動，都不是嚴格意義上的“分布式學習”。班級授課的長期存在，是因為其教學環境具備社會性存在、教學性存在和認知性存在[4]。真正的分布式學習，也一定要讓異地學習者能夠感受到課堂教學的氛圍，符合課堂教學習慣和學習者多年參與班級授課所形成的思維定勢。因此，利用網絡技術組建空中課堂，讓學習者獲取網絡學習資源的同時，及時與教授者互動答疑，廣泛參與學習伙伴之間的同步學習交流，接受教授者的督導，才可能促使學習者在寬松、自然的學習氛圍中開展持續性的學習活動。這需要建設基于“視頻互動”的分布式學習專用教室，通過視、音頻同步互動，使分離狀態下的學習者、教授者獲得近似面對面交流的效果，增進分布式學習課堂教學臨場感。

二、基于“視頻同步互動”的分布式學習專用教室設計思想與要求

在分布式學習過程中，學習者訪問信息并不等同于獲取知識，教授者應幫助學習者將資源轉化為個體的知識。分布式學習從教學內容、教學過程和傳遞方法等諸方面有別于常規班級授課，也不同于遠程教育，其核心是提供一種虛擬的團體交互形式，鼓勵團體合作，提高學習效果[5]。目前的分布式學習存在的主要問題是：缺乏有效的課堂管理機制，課堂教學中缺乏直接的交流與溝通，師生之間、生生之間情感聯系薄弱，使得學習者的學習動機呈現出不確定性、個性化、動態化等特點[6]。因此我們的分布式學習專用教室設計思想是：在提供高質量的網絡學習資源的同時，通過視頻、音頻等同步互動技術，使教師、學生沉浸在虛擬的學習環境中，在視頻技術的幫助下，洞察異地的真實世界，讓處于準永久分離狀態下的教授者和學習者通過“視頻同步互動”技術重構開放的、共享的、協作的課堂學習環境。

根據我國班級授課的實際情況，我們建議前期每所學校只需要改造一間普通教室，建設成為基于“視頻同步互動”的分布式學習專用教室，用于從技術上實現分布式學習，探索創新分布式學習教學模式，并檢驗分布式學習教學效果。其設計要求如圖1所示，包括以下五個方面：

一是學生能看到異地教師授課影像和授課資料。教室的前端使用雙屏電子白板顯示，其中a電子白板同步顯示異地教師授課的近景影像，b電子白板同步顯示本地教師或異地教師的授課資料，確保教室內的所有學生隨意觀看教師影像或教師授課資料，爭取異地教師影像授課與本地教師真實授課效果逼近。

圖1 “視頻同步互動”分布式學習專用教室示意圖

二是授課教師如同看見本地學生一樣，能夠清晰地看到異地學生。教室的后端裝備高清晰度的大屏幕墻e，用于顯示異地學生聽課的同步影像，確保本地授課教師在授課過程中能夠清晰地監督到異地的任何一名學生，方便本地教師和異地學生同步互動。將異地學生顯示在教室后墻的另一個重要原因是，確保異地學生影像不進入本地聽課學生視域，減少對本地學生聽課的影響。

三是實現異地之間學生演板信息都能夠看見。異地學生演板，本地學生不能看見異地演板學生，但演板信息能夠在本地電子白板b上同步顯示。

四是教室頂部安裝全指向性話筒，讓教師、學生在教室內的任何一個地方講話，都不需要外戴話筒，盡可能實現異地之間師生問答的聲音無障礙傳遞。

五是設備操作功能集成，確保操作簡單易學，方便教師使用。考慮到教師的主要精力是研究教學，不能因為設備操作而浪費時間，該專用教室設計要求操作集成化，教室內不能有任何閑雜人員影響教學。

三、“視頻同步互動”分布式學習專用教室功能實現行動研究

根據上述設計思想，華中師范大學信息化與基礎教育均衡發展湖北省協同創新中心自2013年9月開始，采用行動研究方法，不斷調整建設思路和修改建設方案，于2014年8月止，歷時1年時間，建成兩間“視頻同步互動”分布式學習專用教室。兩地之間通過網絡實現了資源、教師、學習者之間的分布式學習，技術方案可行，基本教學功能全部實現。

(一)異地教師授課影像采用專用電子白板在教室前端同步顯示

在基本實現異地教師授課影像同步顯示技術實現的基礎上，通過行動研究，利用電子雙板技術，將教室前端的一塊電子白板固定顯示異地教師同步授課影像，避免單一屏幕交替顯示教師的授課影像和授課資料的局面，將學生是否觀看教師授課視頻的權利交還給學生，讓學生聽課或與教師交流，如同與教師面對面。通過測試學生反應，我們將固定拍攝更改為自動尋像跟蹤拍攝教師，教師可以在教室內隨意走動授課，但異地教室內前端顯示屏幕上始終跟隨顯示教師授課影像。并將教師授課影像拍攝設置由全景改為近景，方便學生觀察教師的肢體語言。

(二)教室前端電子白板同步顯示異地教師授課資料和異地學生演板信息

“視頻同步互動”分布式學習專用教室前端的另一塊電子白板，顯示異地教師授課資料(如PPT或教學視頻)，并保證兩地之間教師授課資料同步顯示，從技術上實現了分布式學習資料顯示的無縫對接。考慮到中、小學課堂教學過程中，通過找學生演板了解學生掌握知識的程度，是必不可少的教學環節。本地教師可以現場觀摩、點評本地學生演板，但本地教師如何了解異地學生演板情況并給予及時點評？我們不斷改進信息傳輸技術，最終通過一次切換，實現了異地學生在異地電子白板上演板，其演板信息同步傳輸到本地教室內的電子白板上，供本地學生觀摩、老師遠程點評。

(三)在教室后端安裝大屏幕墻同步顯示異地學生聽課影像

最初的設計，是將異地學生聽課的影像同步顯示在教室前端的小屏幕上，雖然技術上實現了，但教學測試過程中，發現本地學生抬頭就可以看到異地學生，嚴重影響本地學生注意力。我們修改為異地學生同步聽課影像后端顯示，這樣本地學生背對異地學生影像，不回頭是看不見的。隨之而來的問題是，教師看不清楚10米以外的小投影屏幕。通過多輪行動測試，我們將異地學生同步聽課影像后端顯示，減少對本地學生的影響；大屏幕高清晰度顯示，方便教師直接觀察到異地學生個體，并能看清楚異地學生課桌上的臺簽，遠端教師通過臺簽直接點名，與學生隨時互動。

(四)通過安裝全指向性拾音器實現整間教室內全覆蓋同聲傳遞

從教學角度講，聲音的同步互傳，其作用和意義超過視頻的同步互傳。早期設計是，教師通過佩戴專用耳麥，實現教師授課聲音的同聲傳遞。學生需要回答問題時，通過輔導教師傳遞話筒實現學生聲音的同聲傳遞。問題是，話筒傳遞需要耗費時間，就是這3-5秒的時間，可能影響學生的靈感和思維，造成學生舉手后，等拿到話筒卻忘記自己擬定答案的局面。第一輪改進是，取消話筒傳遞，學生均佩戴無線耳麥。但這樣學生進場準備時間過長，并且全班每個學生佩戴耳麥，相互之間有聲場影響。通過多輪測試和抑噪技術，我們設置一間教室內只頂置一個全指向性拾音器，整間教室內任何一個地方，全覆蓋拾音，并無損失地傳遞到異地教室，實現了師生、生生異地之間同步互動。

在兩地之間通過網絡技術實現教師對異地學生的全監控、師生視頻影像互傳、師生聲音互傳和教師授課資料、學生演板信息互傳的基礎上，為消除教師對信息技術設備的恐懼心理，方便教師盡快投入使用，我們對全部設備做了集成化處理：上課只需要一鍵開啟，即進入兩地之間同步授課、研討模式，除開啟正常的使用電子白板教學以外，再不需要任何其他操作。如果需要異地學生演板，則需要兩地之間各簡單地操作一次控制臺：異地教室發出一個演板請求，本地教室接受該請求即可。在我們多次測試的過程中，教師完全獨立教學，設備性能穩定，不需要任何輔助人員在場。

四、“視頻同步互動”分布式學習專用教室功能檢驗

自2014年9月開始，我們在上述兩間“視頻同步互動”分布式學習專用教室內，開展了針對講授式、討論式和自主探究式的傳統課堂教學模式的檢測活動。檢測對象包括博士生自主探究課程“教育資源管理”、碩士生研討課程“文獻選讀與論文寫作”和本科生講授課程“教育技術學文獻選讀”。通過多輪檢測，在設備性能穩定、教學效果良好的基礎上，我們于2014年9月開始邀約小學各學科進入該教室，進行“視頻同步互動”分布式學習專用教室功能檢驗，基本達到我們的設計初衷。

聲音互傳方面：本地教師授課的聲音同步傳遞到異地教室，96.32%的異地學生認可聲音清晰，無明顯滯后。教師在教室內任意走動教學，聲音亦能清晰地傳遞到異地教室，聽起來沒有明顯變化。本地和異地任何學生提問或答問，98.66%的學生認可聲音可以清晰地傳遞到異地教室。由于音頻的采集、編碼、傳輸、解碼、回放等，與單一教室構成的教學空間相比，聲音滯后3-5秒，但在可容忍范圍之內。這有點像打越洋長途電話，開始時有滯后，后面就連續了。在教學互動過程中，需要授課教師有策略地給問答者一點思考的時間，就可以很好地消除聲音滯后的問題。

視頻互傳方面：教師授課的圖像清晰地顯示在異地教室的前端電子白板上(如圖2所示)，93.22%的異地聽課學生認為與本地聽課無差異，可以像本地聽課學生一樣，自主選擇看教師影像、看教師授課資料、或自主學習，和本地學生學習情境無明顯差異。同步互傳的教師影像，其聲音和圖像基本同步，幾乎觀察不到聲音略滯后于圖像的問題。教師在教室內任意走動教學，自動尋像系統能夠很好地跟蹤拍攝，確保教師在畫面內。

圖2 異地學生通過“視頻同步互動”分布式學習專用教室聆聽本地教師同步授課的真實場景

在教學資源互傳方面：教師授課資料，在教師操作電腦調取、切換的同時，同步傳遞到本地電子白板和異地電子白板上。教師操作本地電子白板，異地電子白板同步顯示。從實際情況來看，教學資源異地同步互傳功能完全實現。但在傳遞過程中，12.13%的異地電子屏幕上會出現1-3秒的“花屏”現象，沒有視頻流暢，我們還在尋求改進的技術方案。一個可以接受的事實是，教學資源一般不會連續切換，比如一頁PPT一般也需要顯示3分鐘時間，所以偶爾出現的停滯和花屏現象，基本能夠容忍。

異地師生互動和教學監控方面：教室后端的大屏幕高清晰度幕墻，將本地學生和異地學生完全融為一體(如圖3所示)，教師俯視看到本地學生，平視看到異地學生，兩地學生的一舉一動，均在教師的監控之下，方便教師課堂教學管理。特別重要的是，在中小學課堂教學過程中，提問、答疑是常態，教師通過該幕墻觀察學生舉手情況，直接看臺簽點名，讓本地和異地學生享受同等的教師關注。

五、研究結論及后續研究展望

圖3 教師通過“視頻同步互動”教室的后墻大屏幕與異地學生同步互動的真實場景

華中師范大學信息化與基礎教育均衡發展湖北省協同創新中心基本完成兩間“視頻同步互動”分布式學習專用教室建設，能夠通過網絡技術，將兩地之間的學生融為一體開展正常的課堂教學活動。該專用教室在多輪行動研究探索的基礎上，形成了基于“視頻同步互動”的分布式學習專用教室建設規范。

第一，主講教室內異地學生的同步視頻影像后端大屏幕顯示。讓主講教師能夠感受到本地、異地學生融為一體，方便教學管理及異地問答，并且大幅度降低了異地學生視頻影像對主講教室內學生的教學干擾。

第二，異地教室內前端雙屏電子白板顯示，一個屏幕同步顯示主講教師授課資料，另一個屏幕同步顯示主講教師近景視頻影像。讓異地學生在看教師講授資料與看教師講授視頻的視覺交互感受方面，與主講教室內學生身臨其境的感受接近。

第三，通過頂置全指向性話筒傳遞音頻，異地之間教室內任何地方說話，聲音效果一樣。主講教師來回走動授課，異地之間學生回答問題，均無傳遞話筒的時間停滯，授課、回答問題等回歸自然。

第四，異地之間授課資料任意雙向同步傳輸。異地學生在異地演板，主講教室內師生能同步從電子白板上看到演板內容。異地之間教學資料同步互傳，打破了異地教室內學生被動聽課的局面，異地之間沒有主、副場之分，實現了真正意義上的“分布式學習”。

后續，我們將在這兩間專用教室內廣泛開展針對中小學課堂教學的適應性研究，比如針對學科教學的人文社科類、理工科類、藝術類教學適應性研究，同時也開展針對不同教學形式的教學模式如講授式、探究式、研討式課堂教學模式的適應性研究。我們還將在這兩間專用教室內開展未來教育新型教學模式探索，如基于資源的分布式學習教學模式研究，基于互動的分布式學習教學模式研究等。

一個迫切的現實問題是，我國偏遠山區、農村薄弱學校的優質教師資源嚴重匱乏。只要每所學校有一間“視頻同步互動”分布式學習專用教室，就可以通過該專用教室開展學校與學校之間的“一對一”異地同步視頻互動網絡支教：重點學校教師在給本地學生上課的同時，通過該專用教室，實現對異地學生的同步教學。這為緩解中國教育公平問題探索出一個全新的解決方法和途徑，也是全面開展分布式學習教學模式研究的一個前奏。

[1]鐘志賢,張琦.論分布式學習[J].外國教育研究,2005,(7):28-33.

[2]Steven Saltzberg, Susan Polyson. Distributed Learning on the World Wide Web [DB/OL]. http://hagar.up.ac.za/catts/learner/nuwe/project.htm,2011-11-12.

[3]熊才平.教育在變革——論信息技術對教育發展具有革命性影響[M].北京:科學出版社,2013.165.

[4]陳仕品,張劍平.基于網絡新技術的遠程教學生態重構研究[J].中國電化教育,2012,(4):42-46.

[5]瞿堃,顧清紅.網絡時代的遠程教育——分布式學習[J].中國電化教育,2000,(3):48-49.

[6]周效章.基于ARCS的分布式虛擬教學中的學習動機設計探究[J].中國電化教育,2013,(4):56-59.

黃勃：碩士，高級實驗師，研究方向為實驗室建設與管理(516767183@qq.com)。

汪學均：講師，博士生，研究方向為教育技術、教育信息化(w.xuejun@163.com)。

沈蕾：碩士，研究方向為教育技術、教育資源管理(752229163@qq.com)。

王會燕：碩士生，研究方向為教育技術、教育資源管理(525161591@qq.com)。

熊才平：教授，博士，博士生導師，研究方向為教育技術、教育信息化、教育資源管理(cpxiong@163.com)。

2015年1月20日

責任編輯：趙興龍

Design and Implementation of Synchronous-Video-Interaction-Based Distributed Learning Classroom

Huang Bo1, Wang Xuejun1, Shen Lei3, Wang Huiyan1, Xiong Caiping1,2
(1.School of Educational Information Technology, Central China Normal University, Wuhan Hubei 430079; 2.Information and Balanced Development of Basic Education Collaborative Innovation Center, Central China Normal University, Wuhan Hubei 430079;3.Teaching Practice Center, Wuhan Vocational College of Transportation, Wuhan Hubei 430065)

In order to better research distributed learning, CCNU Information and Balanced Development of Basic Education Collaborative Innovation Center in Hubei Province has explored into the building of the synchronous-video-interaction-based distributed learning classroom. Aiming to integrate the students in two different places through network technology, carry out normal classroom teaching activities and achieve the real-sense distributed learning, the following measures are taken through synchronous mutual transmission technologies and applications: display remote teacher’s video images and teaching information in the front of the classroom, display remote students’ video images on a back-end large screen, achieve a full coverage of sound pickup and synchronous transmission in the classroom.

Video Interaction; Distributed Learning; Educational Equality; Educational Technology

G434

A

1006—9860(2015)06—0069—05

* 本文系國家自然科學基金重點項目“基礎教育公平實現機制與服務均等化研究”(項目編號：71433004)、國家自然科學基金面上項目“基于網絡的教育資源配置方法、路徑與績效評價研究”(項目編號：71273108)的階段成果。

① 熊才平為本文通訊作者。