“一師一麥”紅外擴聲技術及其在高校教室的應用

姚中喜

摘 要 為解決高校在教學環(huán)境的擴聲問題，找到與時俱進的先進應用，通過對現(xiàn)有市場教學擴聲產品的分析，并結合高校擴聲產品管理的痛點與難點，回到教學最基礎的“視與聽”，用應用實踐和師生的反饋，給高校教學環(huán)境的擴聲系統(tǒng)解決方案提供參考。

關鍵詞 教學擴聲系統(tǒng) 數(shù)字紅外傳輸技術 麥克風 一師一麥

中圖分類號：G40-057文獻標識碼：A

1高校教室擴聲系統(tǒng)存在的問題

在教育信息化發(fā)展迅猛的今天，大量的小學、中學、高校紛紛引入教學一體機、錄播教室、創(chuàng)客空間、VR/AR實驗室等豐富多樣的教學輔助工具的同時，往往忽視了老師授課最基本的一項需求——高質量的擴聲。在傳統(tǒng)課堂上，沒有擴聲設備，老師經常大聲授課，容易聲嘶力竭，而長時間大聲授課也使咽喉病成為老師的職業(yè)病。同時，僅憑老師自身講話的聲音，后排學生很容易聽不清楚而導致上課開小差，影響學習效果，老師也要經常維護課堂秩序，影響教學效果。因此，教學擴聲系統(tǒng)便應運而生，期望通過擴聲設備，將老師授課的聲音放大增強，給學生帶去更好聽課體驗的同時保護老師的“金嗓子”。

2各種擴聲方案效果對比分析

市面上的教學擴聲系統(tǒng)種類繁多，從聲音拾取和傳輸?shù)募夹g實現(xiàn)方式上分，包括有線、射頻無線、吊麥、紅外無線等等。

有線麥克風是最早應用在教學環(huán)境的擴聲設備，其成本低、實現(xiàn)方式簡單，但臺面式麥克風的位置相對固定，使老師的授課空間局限在講臺甚至是話筒周圍的更小空間，板書或肢體演示時無法擴聲，導致課堂上授課形式呆板單一，師生們容易疲倦，也難以進行互動。

射頻無線麥克風（包括U段、V段、2.4G、藍牙等）擺脫了線材的束縛，使老師有更大的施展空間，但卻存在著多系統(tǒng)同時工作時信號互相干擾問題。射頻信號可以穿墻傳輸，距離遠，且沒有方向性。而對于教學應用場景來說，教室密度高，通常多間相鄰，甚至幾十、上百間教室同時使用多套系統(tǒng)。若使用無線射頻系統(tǒng)，各系統(tǒng)間很容易引起互相干擾、串音，從而影響正常的教學秩序。同時，在教學活動中，老師攜帶無線麥克風需要在不同教室之間流動使用，此時就必須重新調整頻率（對頻），耗時又容易出錯。另外，高品質的射頻無線麥克風價格昂貴，其借用管理是一個不大不小的麻煩;低成本的麥克風音質又不如人意。隨著電子信息化設備在校園及周邊環(huán)境的應用越來越普及，無線電干擾源無處不在，且難以預知;射頻頻點資源也瀕臨飽和狀態(tài)，各種無線系統(tǒng)（包括WiFi設備、藍牙設備、無線對講機、無線投影機、無線鼠標/鍵盤等）互相搶頻點資源，互相干擾的情況經常發(fā)生。此外，一些需要特殊關懷的老師群體，例如懷有身孕的準媽媽老師，也會對長時間使用會產生射頻輻射的射頻無線設備有擔憂。因此基于射頻無線傳輸技術的擴聲方案在大規(guī)模應用于教學環(huán)境時一直存在缺陷和隱患。

吊麥（如圖1），即將麥克風吊裝于講臺上方的天花板上進行遠距離拾音，可以一定程度上改善傳統(tǒng)有線麥克風老師授課空間的局限，也沒有無線麥克風的管理問題，近年來受到部分廠商和學校的推崇。然而吊麥安裝距離較遠（一般在2-3米），根據(jù)聲音傳輸?shù)奈锢硖匦裕c聲源距離每增加一倍，聲功率將減少為原來的1/4，系統(tǒng)要提高傳聲增益，環(huán)境噪聲也會隨之增加，為此必須進行噪聲消除（ANC）和嘯叫抑制等音頻處理。然而受到教室建聲環(huán)境限制，這些音頻處理技術的效果都極不理想，使得擴聲后的聲音嚴重失真，且擴聲效果很不明顯，老師在講臺上還是要大聲授課，擴聲系統(tǒng)沒有起到保護老師嗓子的效果;大中型教室后排的學生還是聽不清楚;而且吊麥很容易處于嘯叫臨界狀態(tài)，會出現(xiàn)低頻尾音或高頻尾音，長期在這種環(huán)境下聽課，學生容易產生煩躁情緒，影響學習效率;同時，嚴重失真的聲音也會影響學生對聲音美感的培養(yǎng)。

為了攻克這些實際應用當中的難題，有部分企業(yè)開始研究將紅外線音頻傳輸技術應用于教學環(huán)境。紅外線傳輸方式不受無線電干擾，教室之間也不會串頻和干擾;綠色環(huán)保的紅外技術不會產生對人體有害的射頻輻射，教師們也完全不必為此擔憂。老師攜帶紅外無線麥克風在不同教室之間流動使用，無需對頻，即開即用，麥克風借用管理問題也有所改善。

紅外無線系統(tǒng)分模擬紅外和數(shù)字紅外兩種傳輸技術。市面上最早出現(xiàn)的為模擬紅外傳輸技術，其成本低，但音頻傳輸質量不高，頻響帶寬較窄（一般為200Hz～5KHz），信噪比（S/N）最好時也只能達到55～60dB，隨著無線傳輸距離增加，信號減弱，信噪比會更低。此外，模擬紅外傳輸技術也易受到直射太陽光的干擾。數(shù)字紅外傳輸技術系統(tǒng)將音頻信號通過數(shù)字紅外處理芯片進行編碼，并以數(shù)字調制技術進行調制，然后通過紅外線進行傳輸。紅外傳輸副載波需符合IEC 61603-7數(shù)字紅外國際標準才能稱之為數(shù)字紅外系統(tǒng)，有了這一國際標準的門檻設置是對系統(tǒng)高性能的良好保證。系統(tǒng)的音頻傳輸質量大幅提升，達到了完美的專業(yè)級別，其高保真音質讓教師能較長時間以自然聲調講課，保護教師聲帶，避免聲嘶力竭;清晰自然的聲音能調動學生注意力，減少上課分心、開小差現(xiàn)象，從而提高聽課效果，也有益于保護孩子的聽力。此外，數(shù)字紅外擴聲系統(tǒng)還可根據(jù)各類需求的不同增設配置，可實現(xiàn)中控、錄播、教學錄音管理平臺等多種功能，很好地與第三方信息化設備等連通起來，由此構成了理想的教室音頻系統(tǒng)解決方案（如圖2）。

3武漢大學實踐應用

武漢大學作為國內較早引入教學擴聲系統(tǒng)的高校之一，目前有公共教室570間，類型包括小至70平方米的普通教室，大至200人的大教室，階梯教室，智慧教室等。設備需求量大，系統(tǒng)數(shù)量多，還需綜合考慮與現(xiàn)有多媒體教學環(huán)境其他系統(tǒng)的兼容問題，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置;截止到2016年，武漢大學教室內的擴聲系統(tǒng)已經使用超過15年，設備老舊且陸續(xù)到達使用年限，故障頻發(fā)。因此在2016年申請立項，更新全校公共教室內的擴聲系統(tǒng)，將為師生打造更優(yōu)質的教學環(huán)境，提高教學質量。

在選定技術的情況下，如何方便擴聲設備管理，及適應授課老師方便其教學又成為一個難題。結合武漢大學的擴聲使用和管理環(huán)境來看，武漢大學擔任授課任務的老師共有5000位左右，由于設備管理人員的工作繁瑣，且工作量大，有時會發(fā)生麥克風管理和發(fā)放的問題，例如無法及時充電，發(fā)放麥克風后沒能及時回收管理等，每位老師也都有各自的授課習慣，使用麥克風的方式以及對麥克風音量大小的要求各有不同。且要保證教學質量，不能出現(xiàn)無法擴聲的現(xiàn)象，這對管理人員造成較大壓力。

實際調研后，武漢大學決定采用“一師一麥”的管理模式，即給每位老師一支數(shù)字紅外麥克風，由老師進行保管、使用、充電，授課時無需對頻，即開即用，不僅干凈衛(wèi)生也減少了管理問題，在教學樓的管理室放置一些數(shù)字紅外無線麥克風進行備用，以應對老師忘帶、忘充電、電量不足等問題;每位老師根據(jù)自己的使用習慣，設置麥克風的音量大小，并記憶在自己的麥克風中，走到任何一間教室，都是自己習慣的設置;同時在教室內有線鵝頸話筒也接入數(shù)字紅外系統(tǒng)，減少設備重疊，在授課過程中無線與有線同時保障，既滿足老師多樣化的需求，也保證了授課的正常進行。

在確定了方案后，武漢大學在2016年開始全校公共教室的音頻改造，到了2017年底，教室內的音頻產品統(tǒng)一使用深圳臺電公司的數(shù)字紅外無線教學擴聲系統(tǒng)，為“一師一麥”應用打下了基礎。2018年1月，首期1500支數(shù)字紅外麥克風啟用后，又多次追加，截止到2018年7月，共采購了5000余支數(shù)字紅外麥克風，武漢大學教學擴聲系統(tǒng)升級改造建設完工并全部投入使用。

4武漢大學應用實際效果

自“一師一麥”方案的數(shù)字紅外教學擴聲系統(tǒng)于2018年初啟用以來，從管理老師的反饋看，授課過程中音頻的問題明顯減少，對于麥克風的管理壓力也大大緩解，擴聲系統(tǒng)的統(tǒng)一也減少了管理老師的工作負擔，不僅面對問題時可以及時解決，多媒體設備的維護、融合等工作也變得簡單輕松。

在一年多的使用中，武漢大學教育技術與教學服務中心得到了各個院系老師的紛紛贊揚，授課老師均表示使用“一師一麥”更加方便和人性化，不同教室授課無需借用歸還設備，也無需繁瑣的操作，打開麥克風即可輕松授課;老師可對音量進行調節(jié)，適應不同類型的教室及不同的身體狀態(tài)，自用設備省去了借用的流程，帶來了更加衛(wèi)生與更加高效。聲音質量得到提升不僅給老師帶去了方便，也帶來了學生聽課質量的提高，在對學生的抽樣調查中，可以看到教室擴音質量的打分比之前得到大幅提高，在“視聽”這兩個上課中最重要的環(huán)節(jié)里，老師的“好聲音”與老師的“淵博學識”相得益彰。

粉絲量77萬的武漢大學官方微博也推送宣揚這一造福師生的應用，得到師生的爭相 “點贊”，新模式新應用在高校的實際使用中不僅僅具有廣泛的影響力及標桿作用，更是充分體現(xiàn)了武漢大學“教育技術切實為教學服務“的理念，這也是對于教育部《教育信息化2.0行動計劃》的積極響應。

參考文獻

[1] 李耀麟，陳健祥.多媒體教室擴聲系統(tǒng)優(yōu)化的研究[J].井岡山學院學報，2008（10）.

[2] 許芳.高校多媒體教室試用狀況調查研究[D].臨汾：山西師范大學，2016.