两类虚拟教室整合技术与应用的研究

张小群　申耀新

【摘要】虚拟教室是远程教学的重要技术平台之一。文章介绍了对基于天气预报视频会商及会议系统和基于互联网的两类虚拟教室进行整合的方法。通过对系统、教学资源、教学应用等进行互联、融合，构建跨平台的复合型虚拟教室系统，实现功能互补和提升。本文还介绍了利用复合型虚拟教室开展具有气象特色的面向预报员的“绩效导向型课程”的教学案例。

【关键词】视频会商及会议系统；网络虚拟教室；整合；远程教育；教学案例

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097（2009）05—0103—05

一 前言

远程教育已跨入现代远程教育时代即E-Learning时代。在其相关的基础设施中，虚拟教室是非常重要的技术平台。所谓虚拟教室（Virtual Classroom）就是应用现代技术方法建立一个虚拟的、可交互的教学系统，通过模拟传统的课堂教学功能，为身处异地的师生提供一个教与学的环境。国内外专家学者对虚拟教室和虚拟教学的研究指出，创建虚拟教室的方法主要有两大类。一类是基于视频会议系统的虚拟教室系统，通过视频会议的支持功能开展远程教学和交互；另一类是按照计算机支持的协同工作理论(CSCW)构建的网络虚拟教室系统。两类虚拟教室虽然各具优势并获得广泛的应用，但是都存在若干局限性，不能完全满足远程教学的需求[1]。将这两类虚拟教室进行互联、融合以实现功能互补和提升，可以为虚拟教学提供更多的支持。然而，由于虚拟教室建设的标准化程度差、软硬件系统不兼容等原因，对整合技术和应用还存在探索和实验的必要性。

由于气象业务科技含量高、人员分散等原因，中国气象局一贯重视通过远程教育开展各类业务培训并且收到了良好的效果。中国气象局培训中心按照建构主义等现代教育理念建立了“气象远程教育培训系统” [2]，其中的两个子系统即依托全国天气预报视频会商及会议系统的“气象远程直播教学子系统”和基于互联网的“气象远程实时交互子系统”实现了上述两类虚拟教室的功能。建成初期，两套子系统独立运行使用。气象远程直播教学子系统用于全国气象部门大范围的全员培训；气象远程实时交互子系统用于网络实时答疑。通过教学实践，我们逐步认识到这两个系统在功能上具有互补性。经过探索和试验，将两个系统进行互联，形成了跨平台的复合型虚拟教室系统，在气象远程培训教学中发挥了重要作用。

二 气象远程教育的两类虚拟教室

1 基于天气预报视频会商及会议系统的虚拟教室系统

该系统是由气象远程直播教室（简称直播教室）与全国天气预报视频会商及会议系统联合组成，具备多媒体教学支持、教学实况播出和远程实时交互等功能。各省级气象局设有远程互动教室（天气预报会商室）用于组织学员参加音视频交互式学习；而地、县基层气象台站则通过卫星单收站组织收视学习。这种方式的培训覆盖面可达全国2000多个气象台站。

天气预报视频会商及会议系统（简称：视频会商系统、WFVCS）是通过卫星通信网和地面宽带网联合组网的方式，利用先进的网络管理和音视频技术建设的气象业务系统。它能提供多点间的语音、图像、图形、文字和视频的多媒体实时交互，为预报员提供身临其境的会商环境。系统应用了基于卫星的IP/DVB、基于地面宽带的MCU等技术及ITU-TH.320、H.323等标准，同时它也为气象远程培训提供了一个很好的应用环境。

直播教室配备的设备按功能可以分为：多媒体授课设备，包括教师计算机、大屏幕投影机、数字展台等。教学实况采集设备，包括多台摄像机及多路麦克、录像机和流媒体课件采集机等。监控设备有中控机、音视频矩阵、VGA矩阵、特技台、调音台、电视墙等。

直播教室与视频会商系统通过双向音视频光端机、VGA光端机和光纤连接。直播教室教学场景（3路视频、1路VGA和1路音频信号）通过视频会商系统，向省级站作点对点发送并向地县级气象局单收站和中国气象局园区内部网广播。同时，直播教室可以接收视频会商系统转发的4个省级站的信号在直播教室播放，实现双向实时交互，使身处异地的师生同处一个虚拟学习环境（见图1）。

视频会商系统使用专用的宽带网络和卫星通信系统，因此具有信号质量高、可靠性好并能利用天气预报会商中丰富的多媒体资源的优点。但是，固定的场所、复杂的专用接收设备以及可扩展性差使它的使用范围受到限制，实时交互范围只能局限在直播教室与各省级天气预报会商室的师生之间。

2 基于互联网的网络虚拟教室系统

气象远程教育培训系统的远程实时交互子系统是在互联网上构建的一个可交互的多媒体教学系统。在功能设计上充分考虑了培训对象、学习环境和气象部门对教育培训的需求，体现出气象类培训的教学内容与方式的特点。按照网络教学平台的分类[3]，我们选择了“沟通核心模式”。教学支持功能注重教学过程的数字化和网络化，学习支持功能对应“引领式学习模式”。课程重在通过教师的引导促进学生主动学习并通过沟通协作学习。在构建虚拟教室环境时,注重学习内容呈现和交流互动功能，因而具有面向授课型及面向协作活动研究型二类教学平台的特点。主要功能结构见表1。

与张伟远等[4]对国际上网络教学平台功能的划分相比较，本系统的功能涵盖了其虚拟教学功能并具有若干特色。例如，白板交互是独有的白板捕获设备和技术，能实时捕获教师在白板上的书写内容并支持多人标注；屏幕广播可以方便地将教师桌面操作情况共享给网络虚拟课堂中的所有成员，从而实现协同工作；支持课堂主持人、助教和学生3种角色的动态切换，形成一个既活泼又有序的互动虚拟课堂环境。在以往的远程教学中，不仅有“一对多”的辅导答疑，而且还开展了“多对多”(即身处异地的多名教师共同面对全国气象部门学员)的答疑、讨论，在教学实践中收到了良好的效果。网络虚拟教室桌面如图2所示。

系统构建技术还包括计算机支持的协同工作、多媒体信息处理、流媒体、多媒体同步、多媒体通信及远程教学平台集成等，这些均为国内外远程教学环境建设的主要技术[5]。采用分布式的C/S和开放式体系架构，通过互联网在全国多点安装部署分布式服务器，以满足大量学员的实时在线访问，能够按照预先确定的访问策略进行用户管理并自动调节服务器的负载均衡，创新实现了在互联网上运行的大规模用户的多媒体互动通信平台功能。客户端只需要通过浏览器访问指定的服务器，经过身份验证和权限认证后就可自动下载和安装客户端软件并与服务器进行通信。系统运行管理流程如图3所示。

其中，多媒体通信技术的核心是基于互联网的多媒体通信及广播平台IMCC （Internet-based Multimedia Communication and Cast）技术。它融合了自适应层次式IP多播、分布式实时多点通信数据库等技术，提供在互联网上运行的支持大规模用户的多媒体互动通信功能。 包含以下主要功能模块：多点多媒体交换模块，在T.120标准协议基础上，提供基于互联网的实时多点数据通信服务，能够智能高效地根据任务请求找到最优路径，然后发送数据包到目标接收端；多点通信数据库模块是基于交换机制、分布在多个点的通信数据库，用于交换和保存多点数据通信的系统资源数据、状态数据和历史多媒体数据，帮助同类客户端发现共同的通信资源，从而迅速建立起多点通信的环境，使用户能在离自己最近的服务器取得数据；还有数据包过滤器、入侵检测管理器等。

三 两类虚拟教室系统整合方案

气象远程培训目标主要是针对气象部门各岗位人员进行新业务、新技术的培训。培训内容与气象业务装备和气象综合探测资料、模式计算资料等密切相关。不同程度和业务知识水平的学员对授课内容和交互支持功能都提出了较高的要求。基于视频会商系统的虚拟教室具有较强的授课支持功能和与气象资源的链接功能，但其交互功能因受到点对点传送数量的限制而偏弱，学习方式也不够灵活；基于互联网的网络虚拟教室具有较强的交互能力和灵活的学习方式，但是，由于气象实时业务资源系统是高可靠性的封闭系统，网络虚拟教室不能访问和使用其中的资源，因而教师授课支持功能受到限制。将两类虚拟教室系统进行整合，在保留独立使用各项功能的前提下，构建跨平台的复合型虚拟教室系统，能够实现功能互补和大幅度提高培训覆盖面。

整合的内容包括三个层面：即对系统硬件和软件的整合、对远程教学支持功能的整合和对复合型虚拟教室与教学模式和方法的整合。有两种可供选择的整合技术路线。一是以直播教室为纽带的系统整合路线，二是以网络虚拟教室为核心的整合路线。从有利于教学资源融合、授课支持、交互学习、提高信号质量等方面综合考虑，选择以直播教室为纽带进行系统整合，对相关功能和资源进行集成。结构参见图4。

1 教学支持功能整合

图4直观地表达了在远程教学支持功能整合方面的三个内容，即授课支持、资源调用及实时交互功能的整合。

整合授课支持功能。在直播教室系统的基础上，集成网络虚拟教室教师系统、气象业务应用软件系统等。教师授课不再局限于电子讲稿，可以通过设置大量联系实际的情景、进行仿真的操作示范等，使授课形式多样化，对学习者产生更大吸引力和更多的视觉刺激。教师机上多任务的显示内容，可以通过使用屏幕广播或由控制台进行多屏或多分屏呈现给各类学员。

整合资源调用功能。获得授权后，直播教室通过对气象业务系统的访问能够获取大量可用于教学的资源，但是由于格式、标准等原因不能直接在虚拟教室系统中应用，需要进行格式转换、内容转储等处理。例如将视频、VGA信号采集成流媒体或Flash素材。特别是运用卫星、雷达、自动气象站等高科技探测手段以及高性能计算和资料处理的技术方法获得的海量气象信息、由国家及各省级预报专家进行的天气预报会商活动及国内、外气象专业学术会议内容，这些都是非常宝贵的培训教学、学员知识建构的资源。经过筛选、分类，可以不断充实教学案例资源库，提供给虚拟教学的各环节使用。

整合实时交互方式。复合型虚拟教室系统不仅扩大了教学活动覆盖面，而且使音视频交互的对象扩展到由教师、省级远程教室学员、全国各地网上学员组成的三元结构，使互动结构发生了较大变化，形成了多种模式：一对一型、一对多型、多对多型。在音视频交互的同时还可进行文字交互，为组织互动式教学、协作式学习提供了有力的支持。在跨平台的交互中，为避免分散教师的注意力，保证教学流畅、高效地进行，需要系统管理员密切配合教师，为此我们建立了协同工作流程和规则。

2 系统硬、软件整合

直播教室是跨平台复合型虚拟教室系统硬、软件整合的纽带，教师机和控制台是整合的核心。一是要在教师计算机上安装网络虚拟教室客户端软件以及气象业务应用软件。二是将教师机的VGA输出经控制台接入视频会商系统并将视频会商系统的画面和声音经控制台接入教师计算机。三是直播教室要与视频会商系统主控室协调操作，才能提高采集、传输质量和课堂效率。我们在实践中不断试验解决各种具体问题，比如，要避免将教师计算机输出的网络实时交互远端的声音直接接入直播教室现场的扩音系统，否则会在系统中产生严重的回音。图5显示了视频和音频的传送路径。

四 复合型虚拟教室应用案例设计

对复合型虚拟教室与教学模式和方法的整合通过教学案例设计说明。复合型虚拟教室可以融合多种教学模式和方法，提供在现代教育理念指导下的远程教学活动支持。以下是面向预报员培训的“绩效导向型课程”教学案例设计要点。

“绩效导向型课程”是面向行业开展E-Learning的一类课程，其学习的一般目标定位为通过针对性很强的培训学习，使学员能系统地获取技能、概念和态度并转变为工作绩效。它依托网络多媒体技术、虚拟技术及网络系统平台，引导学员开展自主导向性的学习活动。课程设计强调提高培训绩效、学习绩效和组织绩效。采用系统的方法将课程各要素很好的整合起来，与工作场所的实际条件建立关联，并遵循人的学习规律，在降低成本的同时使培训收益最大化[6]。

按照这一理念设计一个面向天气预报人员推广新的预报技术方法的课程。设计流程包括四个环节，即：确定绩效目标，分析课程设计要素，制定课程设计模型，绩效评估。课程突出以下特征：第一，专家引导。聘请优秀的预报专家在复合型虚拟教室授课，内容采用纲目式的组织方式，使知识内容条理清晰、要点分明；教学重点突出新的概念、流程、规范、技巧、比较等；课件采用扁平式的模块结构，内容在页面中一目了然；使用多媒体实况天气预报资料开展情景教学；实现各地包括国外名师就地网上授课和辅导。第二，交流互动。组织师生进行远程教学互动，实施辅导、答疑；学员之间开展协作学习。例如，各地同级预报人员在天气特征的理解和预报方法应用技巧等方面交流，而不同级预报员在预报产品制作、解释预报、预报服务等不同层面的配合等方面交流。第三，实习演练。利用基于视频会商虚拟教室系统提供的天气预报实况资料，通过学员桌面的天气预报工作平台MICAPS系统，开展高频度、多层次的情景练习。第四，考试测评。利用网络虚拟教室提供的在线练习及考试系统进行在线考试，考试结果记录于气象职工全员培训档案数据库中，结合培训前后工作绩效，对培训课程及效果进行综合评价。

不难看出，在组织实施上述绩效导向型E-Learning课程教学中，复合型虚拟教室发挥着不可替代的支撑作用。

五 结束语

科学技术的快速发展促进了学习型社会的建立，E-Learning已成为现代人的一种重要学习方式。我国许多行业和部门都建成了远程教育的技术环境，对于开展现代远程教育培训发挥了重要作用。一方面，应该进一步发挥现有设备的效益促进教学活动的开展；另一方面，高质量的教学和学习活动期盼更好的环境来支持。因此，在现有平台的基础上进行资源整合，充实、提高、扩展其教学支持能力是促进远程教育发展的一项重要工作。

经过几年的努力，我国气象远程教育事业发展很快。通过复合型远程教学平台，同时参与学习的学员可达上万人，利用网络虚拟教室同时参加交互式学习的学员人数可达到上千人，培训成效显著，而且在世界气象组织（WMO）成员国家中产生了良好影响。伴随着技术进步，气象远程教育环境、教学过程的优化将不断向前推进。

参考文献

[1] 李鸣华.面向远程教育的智能虚拟教室的设计[J].中国电化教育,2008,(6):97-101.

[2] 张小群,王梅华,高学浩.建构理论指导下的气象远程教育系统设计[A].全国CBE学会编.计算机与教育论文集[C].大连:大连理工大学出版社,2001:440－445.

[3] 曲宏毅,韩锡斌,张明等.网络教学平台的研究进展[J].中国远程教育杂志,2006,(5):55－59.

[4] 王珠珠,张伟远.我国普通高校网上教学平台及网站建设的现状分析[J].中国远程教育.2005,(2):40-44.

[5] 张栓记,何丕廉,胡敏.我国网络远程教学技术平台的研究现状与未来趋势[J].现代教育技术,2005,15(1):40-42.

[6] 柯清超,谢幼如,邱婷.企业数字化学习的理论与实践研究－绩效导向的课程设计[J].中国电化教育,2008,(3):12-16.