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摘 要：利用现代化的网络技术，将教师授课时的视频、音频、教案集于一体，并通过网络实时传送到分布在不同地点的学习者，同时将授课者和学习者的情况实时交互传送，打破了空间的界限，虽然他们可能相距千里，但授课教师和听课学生如同在同一间教室上课，实现了交互式实时教学的目的。文章对实时交互式教学系统的设计思想、系统结构和实现技术进行了详细的介绍和阐述。
关键词：远程教学 实时 交互式 教学
中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2008）05-0076-03
远程教学把传统的以教师为中心的教育模式转变为以学生为中心的个性化自主学习与创造的模式，为不同的个体提供不同层次、不同规格的学习内容，真正实现“因材施教”，从而有利于培养学员的创造能力，满足个性化学习需求，推进全民素质教育。交互式实时授课系统的实现为远程教学提供了必要的工具和手段，通过该工具的使用，可以最大限度地打破时间、空间的限制，真正实现虚拟的、开放的、交互的网络多媒体课堂。
一、系统设计
从教学的时效性角度来看，现代远程继续教育系统可以分为远程实时（同步）授课系统与远程非实时（异步）辅助学习系统两类。[1] 实时交互式授课系统是实现远程教育的一个重要手段，它打破了地域的限制，构造一个基于IP网络、提供多媒体的教学手段、丰富的教学资源、全数字化的双向网络传输、实时可视的交互式教与学的网络课堂。[2] 它突破了传统教室对时空的限制，既实现传统课堂教学中老师与学生、学生与学生间的交流，又符合电脑教学轻松、互动的自身特点，是传统教学方式在网络上的延伸。
实时交互式教学系统实现网上教师和学生之间的交互式实时授课，其内容主要包括教学资源部分和实时授课部分。教学资源有文档抽取与还原、屏幕捕获、压缩及还原、视音频采集转换等有关过程，在实时授课的过程中动态生成。生成后的各种媒体资源则按一定的机制进行存储，在学生端能保证各媒体之间的同步及还原后能达到相应的品质。
1．系统体系结构设计
系统按功能可分为网络层、核心功能层、管理层三层，网络层主要负责完成数据在网络上的传输，核心功能层负责本系统各功能的实现，管理层完成课堂的各种管理工作。系统按日常教学管理模式可分为三个子系统：课堂服务中心、授课端、听课端，它们之间通过网络（Ｉｎｔｒａｎｅｔ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）相连。主要由vmsl.dlｌ（局域网视频广播服务控件）、ｖｍｃｌ．ｄｌｌ（局域网视频接收控件）、ｎｍｃｏｎｆ．ｄｌｌ（网络课堂及网络会议控件）三个核心控件构成，由于课堂服务中心不必提供视频广播，故课堂服务中心模块无vmsl.dll核心控件，但可监视所有视频（授课端、所有有视频功能的听课端），授课端需要向所有的听课端和服务中心广播授课视频，并需接收交互时回传的听课端视频，故授课端由一个vmsl.dll、一个vmcl.dll、一个nmconf.dll组成，而听课端需提供视频回传，并需接收授课端的视频广播和交互时交互听课端的视频，听课端由一个vmsl.dll、两个vmcl.dll、一个nmconf.dll组成。其框架图如图1所示。
3．系统功能模块设计
（1）视频/音频处理模块
视频/音频处理模块按其功能和处理过程分为：视频/音频采集/回放子模块、视频/音频压缩/解压子模块、漏斗/缓冲处理子模块、RTP传输支持子模块、QOS支持子模块。
1）屏幕捕获/还原子模块
根据屏幕的特点，屏幕捕获的原则是当需要捕获的区域变化时，才进行捕获，这样可大大降低数据率。同时，对频繁变化的情况应规定一个最大采集频率，无需进行实时采集，例如当教师拖动某个窗口的滚动条时，屏幕捕获可分块进行,例如将一个区域分为m*n块,则只有变化了的区域需要捕获。
2）屏幕压缩/解压子模块
屏幕压缩/解压的效率应在效率和比率之间寻求一个最佳点，基本要求是压缩/解压过程占用CPU时间不应超过20%。
例如，若一秒钟捕获5幅画面，则每200ms需要压缩一次，其压缩时间应限制在200*20% = 40ms内。
3）SRM传输支持子模块
SRM传输支持子模块全面实现SRM协议，提供可靠的组播支持。
4）QOS支持子模块
QOS支持子模块对所有的传输按要求提供QOS服务。
二、系统实现
交互式实时授课系统的体系结构采用三层C/S应用模式。各核心模块均以COM组件形式进行封装，模块实现主要是结合应用要求，将关键技术研究的成果代码化，并清晰地定义模块间的接口。在系统的建模过程中，清晰地定义了各模块间的接口和调用规则，充分考虑了系统的可扩充性、协调性、灵活性及与其它相关系统的接口。主要模块设计如下：
1．存储模块设计
交互式实时授课系统存储模块是把实时采集到的音频、视频和教案同步地集成以文件形式存放到服务器。即把实时授课的所有内容（包括图像、声音、文本）同步地存储为具有视频/课件索引的流媒体文件，便于以后对多媒体资料进行访问。
此模块采用客户机/服务器模式，提供多媒体存储管理。多媒体服务器首先需要的是海量存储系统，构成这样的系统可以采用光盘塔或者光盘库，这些外存储器系统一般都自带管理模块，可以让用户透明地访问庞大的存储空间。对于经常使用的资源，可以考虑采用硬盘的存储方式，以提高存取速度。客户机/服务器管理系统还涉及多媒体信息的传送技术。图像一般是压缩传输的，可以采用递进式压缩格式，使用户在传输过程中就可以看到图像的局部或者低分辨率的全图。
2．文档抽取与还原模块设计
文档抽取与还原模块分为服务端和客户端两部分。该模块具有播放文档、对各相关的文档播放参数进行设置、还原文档数据等和文档有关的操作功能。文档抽取与还原的服务端是对文档播放时的状态和鼠标位置进行描述，并记录当前状态的具体数据和鼠标位置的具体数据，然后通过网络将这些具体数据传送给客户端，并由客户端根据这些数据进行还原。
文档抽取与还原的客户端接收到网络传送过来的服务端文档具体状态的数据和鼠标位置数据后，根据传送来的数据将客户端的文档（与服务端相同的文档）设置成服务端文档的相同状态和鼠标位置。
3．可靠组播传输功能模块设计
可靠组播传输模块对可靠组播传输功能进行封装，为其他模块提供可靠组播服务。
可靠组播传输模块分为发送端和接收端两部分。
该模块可执行组播运行参数初始化、传送图像鼠标及文件、退出组播时恢复运行环境等操作。发送端通过调用具体的接口函数为不同的应用提供可靠的组播服务。
4．课堂管理模块设计
课堂管理模块主要进行课堂成员的管理。该模块分为会议成员端和服务中心端，完成对课堂成员呼叫处理及命令消息传送，对成员加入课堂的请求呼叫作出响应，决定是否允许成员加入课堂，并在授课时进行课堂管理。
5．屏幕捕获、压缩及还原模块设计
屏幕捕获、压缩及还原模块主要是将教学端教师的教案屏幕实时地传送到远方的学生机器并还原显示在学生端的屏幕上。本模块分为客户端和服务端。服务端实时抓取教学端屏幕图像，经过压缩处理，将图像数据及教师端屏幕的相关信息打包交给传输模块。客户端子模块获取数据后将教师端屏幕图像及相关信息还原在学生机器上。
6．视频模块设计
视频模块分为教师端和学生端两部分，服务端负责将教师上课时的影像进行采样、量化、编码压缩，通过网络传送到学生端，并对整个过程加以差错控制、同步控制等。学生端将接收到的视频数据进行缓冲，经过译码转换，最后还原成较好的视频图像。视频处理过程如图5所示。
7．音频模块设计
音频模块负责整个系统的声音采集与处理，该模块分为教师端和学生端两部分。教师端音频模块将教师上课时的声音信息进行采样、量化、编码压缩，通过网络传送到学生端，并对整个过程加以差错控制、同步控制等。学生端主要是将接收到的音频数据进行缓冲译码，最后在学生端进行回放。
三、结束语
交互式实时授课系统的实现为网络教学实时授课提供高效，稳定的实时视、音频交互，保证教师的视频，音频和教案数据实时地分发到多个学生机，并实时同步地回放。同时听课端学生可以通过电子方式举手，教师可以有选择地开启交互功能解答学生的疑问。而完善的课堂管理功能可以对整个课堂实施管理监控，包括对授课端、听课端视音频。该系统的实现是对传统教学方式的补充，特别是对网络教学的授课提供了一种解决方案。
参考文献：
[1]张剑平,章苏静.远程实时与非实时教学系统及其实现[J].中国远程教育,2002(7):52－53.
[2]李季.远程实时交互式双向视频教学系统的设计与实现[J].现代电子技术,2005(6):58－60.
关键词：远程教学 实时 交互式 教学
中图分类号：G434 文献标识码：B 文章编号：1673-8454（2008）05-0076-03
远程教学把传统的以教师为中心的教育模式转变为以学生为中心的个性化自主学习与创造的模式，为不同的个体提供不同层次、不同规格的学习内容，真正实现“因材施教”，从而有利于培养学员的创造能力，满足个性化学习需求，推进全民素质教育。交互式实时授课系统的实现为远程教学提供了必要的工具和手段，通过该工具的使用，可以最大限度地打破时间、空间的限制，真正实现虚拟的、开放的、交互的网络多媒体课堂。
一、系统设计
从教学的时效性角度来看，现代远程继续教育系统可以分为远程实时（同步）授课系统与远程非实时（异步）辅助学习系统两类。[1] 实时交互式授课系统是实现远程教育的一个重要手段，它打破了地域的限制，构造一个基于IP网络、提供多媒体的教学手段、丰富的教学资源、全数字化的双向网络传输、实时可视的交互式教与学的网络课堂。[2] 它突破了传统教室对时空的限制，既实现传统课堂教学中老师与学生、学生与学生间的交流，又符合电脑教学轻松、互动的自身特点，是传统教学方式在网络上的延伸。
实时交互式教学系统实现网上教师和学生之间的交互式实时授课，其内容主要包括教学资源部分和实时授课部分。教学资源有文档抽取与还原、屏幕捕获、压缩及还原、视音频采集转换等有关过程，在实时授课的过程中动态生成。生成后的各种媒体资源则按一定的机制进行存储，在学生端能保证各媒体之间的同步及还原后能达到相应的品质。
1．系统体系结构设计
系统按功能可分为网络层、核心功能层、管理层三层，网络层主要负责完成数据在网络上的传输，核心功能层负责本系统各功能的实现，管理层完成课堂的各种管理工作。系统按日常教学管理模式可分为三个子系统：课堂服务中心、授课端、听课端，它们之间通过网络（Ｉｎｔｒａｎｅｔ／Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）相连。主要由vmsl.dlｌ（局域网视频广播服务控件）、ｖｍｃｌ．ｄｌｌ（局域网视频接收控件）、ｎｍｃｏｎｆ．ｄｌｌ（网络课堂及网络会议控件）三个核心控件构成，由于课堂服务中心不必提供视频广播，故课堂服务中心模块无vmsl.dll核心控件，但可监视所有视频（授课端、所有有视频功能的听课端），授课端需要向所有的听课端和服务中心广播授课视频，并需接收交互时回传的听课端视频，故授课端由一个vmsl.dll、一个vmcl.dll、一个nmconf.dll组成，而听课端需提供视频回传，并需接收授课端的视频广播和交互时交互听课端的视频，听课端由一个vmsl.dll、两个vmcl.dll、一个nmconf.dll组成。其框架图如图1所示。
3．系统功能模块设计
（1）视频/音频处理模块
视频/音频处理模块按其功能和处理过程分为：视频/音频采集/回放子模块、视频/音频压缩/解压子模块、漏斗/缓冲处理子模块、RTP传输支持子模块、QOS支持子模块。
1）屏幕捕获/还原子模块
根据屏幕的特点，屏幕捕获的原则是当需要捕获的区域变化时，才进行捕获，这样可大大降低数据率。同时，对频繁变化的情况应规定一个最大采集频率，无需进行实时采集，例如当教师拖动某个窗口的滚动条时，屏幕捕获可分块进行,例如将一个区域分为m*n块,则只有变化了的区域需要捕获。
2）屏幕压缩/解压子模块
屏幕压缩/解压的效率应在效率和比率之间寻求一个最佳点，基本要求是压缩/解压过程占用CPU时间不应超过20%。
例如，若一秒钟捕获5幅画面，则每200ms需要压缩一次，其压缩时间应限制在200*20% = 40ms内。
3）SRM传输支持子模块
SRM传输支持子模块全面实现SRM协议，提供可靠的组播支持。
4）QOS支持子模块
QOS支持子模块对所有的传输按要求提供QOS服务。
二、系统实现
交互式实时授课系统的体系结构采用三层C/S应用模式。各核心模块均以COM组件形式进行封装，模块实现主要是结合应用要求，将关键技术研究的成果代码化，并清晰地定义模块间的接口。在系统的建模过程中，清晰地定义了各模块间的接口和调用规则，充分考虑了系统的可扩充性、协调性、灵活性及与其它相关系统的接口。主要模块设计如下：
1．存储模块设计
交互式实时授课系统存储模块是把实时采集到的音频、视频和教案同步地集成以文件形式存放到服务器。即把实时授课的所有内容（包括图像、声音、文本）同步地存储为具有视频/课件索引的流媒体文件，便于以后对多媒体资料进行访问。
此模块采用客户机/服务器模式，提供多媒体存储管理。多媒体服务器首先需要的是海量存储系统，构成这样的系统可以采用光盘塔或者光盘库，这些外存储器系统一般都自带管理模块，可以让用户透明地访问庞大的存储空间。对于经常使用的资源，可以考虑采用硬盘的存储方式，以提高存取速度。客户机/服务器管理系统还涉及多媒体信息的传送技术。图像一般是压缩传输的，可以采用递进式压缩格式，使用户在传输过程中就可以看到图像的局部或者低分辨率的全图。
2．文档抽取与还原模块设计
文档抽取与还原模块分为服务端和客户端两部分。该模块具有播放文档、对各相关的文档播放参数进行设置、还原文档数据等和文档有关的操作功能。文档抽取与还原的服务端是对文档播放时的状态和鼠标位置进行描述，并记录当前状态的具体数据和鼠标位置的具体数据，然后通过网络将这些具体数据传送给客户端，并由客户端根据这些数据进行还原。
文档抽取与还原的客户端接收到网络传送过来的服务端文档具体状态的数据和鼠标位置数据后，根据传送来的数据将客户端的文档（与服务端相同的文档）设置成服务端文档的相同状态和鼠标位置。
3．可靠组播传输功能模块设计
可靠组播传输模块对可靠组播传输功能进行封装，为其他模块提供可靠组播服务。
可靠组播传输模块分为发送端和接收端两部分。
该模块可执行组播运行参数初始化、传送图像鼠标及文件、退出组播时恢复运行环境等操作。发送端通过调用具体的接口函数为不同的应用提供可靠的组播服务。
4．课堂管理模块设计
课堂管理模块主要进行课堂成员的管理。该模块分为会议成员端和服务中心端，完成对课堂成员呼叫处理及命令消息传送，对成员加入课堂的请求呼叫作出响应，决定是否允许成员加入课堂，并在授课时进行课堂管理。
5．屏幕捕获、压缩及还原模块设计
屏幕捕获、压缩及还原模块主要是将教学端教师的教案屏幕实时地传送到远方的学生机器并还原显示在学生端的屏幕上。本模块分为客户端和服务端。服务端实时抓取教学端屏幕图像，经过压缩处理，将图像数据及教师端屏幕的相关信息打包交给传输模块。客户端子模块获取数据后将教师端屏幕图像及相关信息还原在学生机器上。
6．视频模块设计
视频模块分为教师端和学生端两部分，服务端负责将教师上课时的影像进行采样、量化、编码压缩，通过网络传送到学生端，并对整个过程加以差错控制、同步控制等。学生端将接收到的视频数据进行缓冲，经过译码转换，最后还原成较好的视频图像。视频处理过程如图5所示。
7．音频模块设计
音频模块负责整个系统的声音采集与处理，该模块分为教师端和学生端两部分。教师端音频模块将教师上课时的声音信息进行采样、量化、编码压缩，通过网络传送到学生端，并对整个过程加以差错控制、同步控制等。学生端主要是将接收到的音频数据进行缓冲译码，最后在学生端进行回放。
三、结束语
交互式实时授课系统的实现为网络教学实时授课提供高效，稳定的实时视、音频交互，保证教师的视频，音频和教案数据实时地分发到多个学生机，并实时同步地回放。同时听课端学生可以通过电子方式举手，教师可以有选择地开启交互功能解答学生的疑问。而完善的课堂管理功能可以对整个课堂实施管理监控，包括对授课端、听课端视音频。该系统的实现是对传统教学方式的补充，特别是对网络教学的授课提供了一种解决方案。
参考文献：
[1]张剑平,章苏静.远程实时与非实时教学系统及其实现[J].中国远程教育,2002(7):52－53.
[2]李季.远程实时交互式双向视频教学系统的设计与实现[J].现代电子技术,2005(6):58－60.