土木工程專業遠程實時交互式實踐教學平臺的設計與應用

張望喜++劉一江++胡小惠++方志++廖莎

[摘 要]鑒于傳統的遠程教學具有數據傳輸量大、實時顯示困難的特點，可以研究基于移動終端運算和無線網絡傳輸技術的遠程實時交互式實踐教學系統的建立，解決遠程視頻教學的信息傳輸量大、對通信網絡帶寬要求高的問題，在結合當前的視頻會議方案以及相關技術的基礎上，搭建并實現遠程教學實時交互的功能。

[關鍵詞]遠程平臺；實時交互；實踐教學；移動學習

[中圖分類號] G434 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）02-0092-02

目前，移動學習在國外已廣受關注，被作為未來網絡學習的重點發展方向。對移動學習最早的研究始于1994年美國卡耐基-梅隆大學的Wireless Andrew研究項目。2000年美國加州大學伯克利分校的人機交互研究室啟動“Mobile Education”項目；2001年歐洲的“下一代”項目；2002年非洲農村移動學習項目；英國金斯頓大學、美國斯坦福大學等高校以及愛立信、諾基亞等商業公司已經開展移動學習相關項目；波士頓大學提出了基于衛星、使用數字視頻和Internet實現的遠程移動教學系統；日本的Tokai大學提出了使用非對稱衛星和網絡，用于下一代遠程交互式教學的多媒體系統；芬蘭赫爾辛基大學進行UniWap移動學習項目研究，開發出各種課程、服務和產品等移動學習資源。

我國對移動學習的研究起步晚于歐美等國家。1998年9月，教育部決定由清華大學等四所高校開始遠程教育試點。國內的移動學習始于北京大學現代教育中心教育實驗室承擔的關于移動教育理論與實踐的試點項目。2006年6月，深圳廣播電視大學正式運行基于WAP技術的移動學習網；2008年，中國移動廈門分公司和廈門軟件學院共建校園3G網。

一、遠程實時交互式實踐教學平臺的特點

現代遠程實時交互式實踐教學平臺，將信息技術和現代教育思想有機結合起來，特點如下：1.利用Internet遠程教學，學習者不會有太大壓力，輕松娛樂。2.對土木工程等實踐性極強的工科專業，學生要下工地實習。由于工地的復雜性和危險性，實習者鍛煉得不夠充分。遠程實時交互式實踐教學平臺可突破空間和時間的限制，能更好實現實踐學習。3.通過遠程教學平臺，教師對工程現場情況進行分析與講解，真正做到理論與實際相結合，促進學生對理論知識由抽象思維到形象思維的過渡。4.學生可根據現場情況在課堂上提出問題，教師通過調度遠程移動現場實時畫面進行解析，利于課堂互動。

二、遠程實時交互式實踐教學平臺的技術架構

結合當前的視頻會議方案以及相關技術，搭建并實現遠程教學實時交互的功能。關鍵問題在于：系統平臺的搭建以及硬件接口的兼容問題，包括MCU、終端、攝像機、錄播服務器等；Android操作系統上的應用程序開發，解決防火墻和NAT穿越問題；利用音視頻壓縮、編解碼技術實現音視頻低碼流、平穩、高分辨率的傳輸。以廣域網為基礎運行平臺，依據H.323標準協議進行遠程實時交互式實踐教學系統組網，通過在校園主教室配備多點控制單元（即MCU），搭建起遠程實時教學控制平臺，用于連接施工現場及主教室。在主教室還配備管理終端、顯示屏幕、解碼器、錄播服務器、高清攝像頭、麥克風、平板電腦等設備。完整網絡系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 完整網絡系統拓撲圖

系統設計部分借用視頻會議系統，采用H.264低碼率視頻編碼標準，使用半像素精度運動補償算法，采用標準的G723.1音頻編碼算法，支持雙向語音通訊，輸出碼率僅為24kbps。系統提供了各種靈活多樣的網絡接入方式，如3G、ADSL、專線、LAN、無線等。利用先進的IPAD平臺技術和WI—FI無線網絡技術，實現現場多點圖像縮放、變焦、切換及與教室學生音像互動功能。

三、遠程實時交互式實踐教學平臺的建設情況

湖南大學的土木工程專業水平在全國高校處在前列，有許多獨到的專業特點，因此進行土木工程專業遠程實時交互式實踐教學平臺的設計與應用研究就顯得尤為重要。作為1998年第一批教育部指定的遠程教育試點學校，本項目的研究獲得了多方支持，學校安排專用教室，學院安排遠程教學專用現場測試試播點和聯系安排項目首播工程現場教學觀摩點，配備足夠的師資隊伍利用平臺講解一系列結構靜力、動力試驗。

四、遠程實時交互式實踐教學平臺的應用效果

該系統能夠將施工現場真實地展現在課堂，加強課堂現場和外地教師間的教學資源分享。在施工現場的教師根據主教室的需求，通過平板電腦、高清攝像頭等終端設備，獲得現場音頻、視頻，經通信網絡傳輸到主教室；主教室學生依據對視頻的理解和教師的講解，在課堂上提出與實際應用相關的問題；教師利用攝像頭拍攝提問學生，現場教師能夠實時獲得信息進行現場拍攝，圖2為現場演示部分照片。學校可隨時和現場教師（或外聘教師）之間進行高效的遠程教學互動，特別適應一些很難清楚理解的現場案例或現場施工工序的講解和描述，很明顯地提高了教學效果，節省了學時和實踐費用；一般實踐活動等均可通過遠程實時交互教學平臺完成，有效提升了教學質量。該系統雖以土木工程專業為試點進行實施，但也可在其他專業應用，并與其他高校組網，進行課程共享。

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圖2 現場演示照片

五、結論

步入信息化時代，現代網絡教學已經在教學領域中占據著重要的位置。把網絡遠程教學和實踐性極強的土木工程專業相互結合，一方面很好的節省了人力物力，另一方面又避免了諸多的安全性問題。傳統的網絡遠程教學具有數據傳輸量大、實時顯示困難的特點，而基于移動終端運算和無線網絡傳輸技術的遠程實時交互式實踐教學則很好地解決了這一問題。隨著網絡環境的完善，基本實行了網絡平臺的實時交互式實踐教學，對于現在以及將來的土木工程的教學和人才培養有著重大的意義。

[ 參 考 文 獻 ]

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[責任編輯：鐘 嵐]