基于嵌入式系统的高校数字语言教室建设模式分析

黄欣

北京工业大学现代教育技术中心 北京 100124

基于嵌入式系统的高校数字语言教室建设模式分析

黄欣

北京工业大学现代教育技术中心 北京 100124

随着高校外语教学要求的不断提高，教学软、硬件环境也随之发生变化，学校建设的基于嵌入式系统的多媒体语言教室，在教学过程中成为必不可少的辅助环节，帮助教师高质量地完成教学目标。旨在分析教学服务需求，根据教学要求探讨语言教室建设模式，并总结嵌入式系统的特点。

嵌入式系统；教学服务；语言教室

Author’s address Modern Education Technology Center, Beijing University of Technology, Beijing, China 100124

2007年教育部颁布《大学英语课程教学要求》，提出“大学英语教学要转变方式方法，采用基于多媒体、计算机和课堂相结合这一新型教学模式，鼓励教师在教学过程中多方位地使用现代化教学手段，根据教学内容、目标和各种教学媒体的特点进行教学设计，高质量地完成教学任务”。基于此，建设嵌入式系统数字化语言教室成为实现这一教学目标的重要环节。

1 高校外语教学服务需求分析

1.1 高校外语教学现状 当前大学外语课的教学有多种模式，如同声传译、中级英语口译、英语视听说、英语口语听力训练、演讲与辩论、翻译技巧等，所授课程中英语听说部分占很大比重。教师时常在课堂上播放一些日常生活类的外文影片、新闻时事类纪录片，来丰富教学内容，扩大学生学习范围，不再只局限于课本中的文字对话练习。随着时代变迁，学生未来的学习、工作、生活中需要运用外语的地方越来越多，而大学时代适当的外语学习则可以帮助学生提早适应社会需求。在这种情况下，拥有先进设备的数字化语言教室会提供给学生一个提高外语水平的学习平台。

1.2 数字化语言教室软件安装 根据教师教学内容的安排，语音教室安装的常用软件有：Microsoft Office，编辑文本文件；暴风影音，播放语音视频文件等。安装的专用软件有：WaveCn，录音软件；DLs700，语音教室教学管理软件等。上课过程中如果软件使用出现问题，教师会向语音教室管理人员求助，解决问题，使得教学过程继续进行下去。当然某些教师并不满足于已有软件，他们会选用其他有助于教学的软件，并在上课前完成安装并试运行，防止发生使用问题。随着音视频软件技术的不断进步，旧有版本的软件在安装使用一段时间后，需要升级安装插件或直接更换为新版本软件，以匹配教师所播放的音视频文件格式，使其顺利播出。同时，教师计算机安装的杀毒软件需要定期更新病毒库，减少病毒感染几率，确保其正常运行。

1.3 语音教室基本管理维护工作 语音教室的管理工作主要集中在3个方面：日常教学运行与系统维护工作；实现教学设备软硬件的更新与淘汰；调研其他学校语音教室建设使用情况以及外语教学的发展方向。维护过程中，管理人员首先要掌握教室系统整体运行情况是否正常；其次了解教室单台设备使用状况，计算机及多媒体设备有无接触不良等问题，据此做出调整以保持教室正常状态。课后可与在教室上课的教师、学生交流，询问教室的使用情况，如教师讲课偏重于使用哪些设备，学生对这种授课方式的接受程度等，这些资料对日后建设新的语言教室是很宝贵的经验。

1.4 教室设备使用前的培训工作 新学期开课前需要对教师、学生进行教室使用前培训。虽然现在很多教师都通过教育技术考试，上机操作经验也很丰富，但数字化语言教室使用的设备与其他多媒体教室有很多不同之处。培训教师，主要是帮他们熟悉语言教室各项设备的操作环节，避免在使用中出现失误，造成系统死机、应用软件未响应等现象，影响教学进度，也防止因设备损坏影响其他教师、学生的使用。同时对学生也要进行培训，主要目的是要求他们跟随上课教师要求，规范使用设备并遵守教室设备的使用规章制度。

2 高校数字化语言教室的结构设计

2.1 系统模块概述 基于教师授课需求，教室设计采用集合多种多媒体设备于一体的计算机嵌入式系统。嵌入式系统是一种为执行专用功能而单独设计的微机处理系统，虽然相较其他类型的计算机系统，在硬件和软件应用功能上有所局限，但在专业用途中却具有较高的运行效率和更稳定的操作平台。嵌入式系统分为应用软件层、系统软件层和硬件层，其构造如图1所示。

数字化语言教室的嵌入式系统将图像声音采集程序、网络传输程序、学生端接收程序作为应用软件植入芯片，分别制作成独立运行的多媒体中央控制端、音视频交换机、学生接收端3种硬件平台。在使用过程中，数据采集由多媒体中央控制端专机完成，减轻教师计算机系统资源的占用；网络传输数据由音视频交换机完成，单独的网络环境减少病毒感染几率；学生接收端使用硬件连接方式接收数据，具有良好的可控性能，使得学生无法自行解除广播教学状态，始终处于教师控制台控制之下，保证教学正常进行。

图2 嵌入式语言教学系统结构图

2.2 系统模块分析 如图2所示，嵌入式语言教学系统主要分为3部分：数据采集、数据传输、数据接收。下面介绍其具体功能。

1）数据采集模块。对教师端接收的音频（教师语音，课堂语音播放内容如磁带、CD、MP3等）、视频（教师计算机播放视频画面，外部设备播放画面如DVD、录像等）以一定频率和分辨率进行采样，经过量化和编码转换成为便于网络传输的数字音视频格式文件。由于所采音视频信号数据量很大，因此要对其进行编码压缩，即在一定失真范围内对其进行最大限度地压缩，牺牲部分不易察觉的信息，将文件体积控制在一定数值范围内。这种压缩技术对信息处理、信息储存和信息传输3方面都有着很重要的作用。

而评价一种数据压缩技术是否优秀主要有3个关键性指标——压缩比、图像质量/音质、压缩和解压缩速度，以及2种类别——有损压缩和无损压缩，其中有损压缩最为常用。现在被广泛采用的音视频压缩标准有MP3、WMA、MPEG、AVI、RM、RMVB格式标准，以及在网络上广泛流行的FLV、ASF文件格式。后2种文件格式又称为流媒体格式，可以实现一边下载音视频文件，一边进行声音画面的播放。这样，一方面极大限度地压缩文件体积，减少数据流量；一方面减少观众观看、收听节目文件的等待时间，创造良好的收视环境。

在嵌入式系统中，多媒体中央控制端的图像采集程序每秒截取3～4张教师机屏幕画面，经过图像优化数据压缩，可无失真或较小失真地将图片大小控制在十几、几十KB以内，减少数据传输量。而音频采集则采集电脑播放的声音和教师本人的说话声音，其中电脑播放的声音可直接压缩传输，而教师语音则需先将模拟信号转换为数字信号再进行传输。模拟声音的数字化转换实际上是对声音进行采样和量化，将采样频率设定为22.05 kHz或44.1 kHz，再将定时采集的模拟声音电信号转换为离散数字信号并予以保存，从而得到音质较好、数据量适中的音频格式文件。数字化声音在后期处理中具有很大优势，在非线性编辑和录音剪辑等处理过程中几乎没有失真现象出现，最大限度保留原始音质。而如果对声音进行艺术渲染，过程也很简单，只需将音频文件导入特殊软件中，设置参数，即可输出效果不同的音效。常见的数字音频格式有Audio、Sound、Voice、MP3、RealAudio、WMA等。

2）数据传输模块。所得数据的传输采用网络组播形式。组播是指在IP网上对网内一组特定的IP地址进行数据传送，数据包将其单独的一个拷贝发送给网络上需要它的用户，不复制多个拷贝传输到网络上，也不会发送给所有用户，只有选定IP地址的用户能收到广播，客户端被动接受流，不能控制流。使用组播方式可保证多媒体数据占用最小网络带宽，以最大速度发送数据，保持通讯顺畅运行；如果日后多媒体升级，数据流增多，升级网络的过程也能简单便捷地完成。在广播教学中所传输的视频文件要求网络实现实时传输并同步显示，满足此要求的视频压缩质量从几百KB每秒到几十MB每秒不等，可根据画面要求选用适当压缩比例。而音频文件对网络的传输要求略高，主要体现在延时问题上。由于音频实时传输对延时变化很敏感，为克服这一变化，系统需在接收端实施延时平衡化处理，最大限度缩短源和音频播出间的总延时，这一延时不应超过50 ms。

数字语言教室采用基于网络协议的传输方式，将多媒体中央控制端采集的数据信息打包传送到学生接收端，可选用3种传输方式。

①基于TCP/IP协议的网络传输方式。TCP/IP协议包括各种物理网协议，可方便地实现多个网络的无缝连接，具有开放的协议标准，独立于特定网络硬件，有统一的网络地址分配方案和标准化的高层协议，提供多种可靠的服务，具有良好的兼容性、适应性、安全性和可靠性，能保证数据正确完整地传输到目的地，且应用广泛、操作简单。

②基于ATM网络协议的网络传输方式。由于ATM数据包很小，在ATM网络中数字化声音、图像及其他数据被切割成一个个小块，作为小信元在网络中传输，经过若干交换节点到达目的地，再及时按顺序拼接成原来的数据，还原为声音、图像等。由于ATM网络采用定长信元进行数据传输，且ATM网络中各级交换节点不作任何差错控制处理，因此允许的传输速度非常高，可达155 Mbit/s和622 Mbit/s，这对声音、视频、图像等对实时性要求很高的多媒体传送业务十分有利，且ATM网还具有响应时间短、传输速度快、高速高带宽等优点。

③基于UPD协议的网络传输方式。UPD协议主要用于不要求分组顺序到达的传输中，并且总有新的协议加入，如网络终端协议（TELNET）、文件传输协议（FTP）、简单邮件传输协议（SMTP）、域名服务（DNS）、路由信息协议（RIP）、网络文件系统（NFS）等。UPD可采用广播方式或组播方式发送数据，能够向若干个目标发送，适合一对多系统，由于UPD协议将安全与排序等功能移交给上层程序完成，简化了功能，降低了执行时间，因而保证了传输速度。

3）学生机接收模块。学生端程序设定IP组播地址，将端口接收到的完整数据信息在内存中生成图像，并在学生机桌面最顶层连续播放，这样学生机屏幕就同步显示教师机屏幕内容，同时音频数据经过还原在学生耳机中播放出来，在时间上与画面、教师讲授达到同步。这一过程实现学生端程序从网络上接收到数据后，即时还原为视频、音频并自动播放给学生收听收看的实时广播教学功能。由于学生端接收数据、还原图像声音、播放程序在极短时间内完成，播放源与接收端之间只有极小延迟时间，使得学生机屏幕显示、声音收听几乎与教师机屏幕、声音播放保持一致，学生很难感觉声音图像延迟和断裂，实现良好的教学效果。

3 嵌入式系统的优点

嵌入式系统在消费类电子、航空航天、汽车电子、医疗保健、网络通信等各个领域广泛使用，如单片机和DSP系统。这些系统在完成功能较为单一的专业功能时具有简洁高效的特点，基于此，可知以嵌入式系统为平台的数字语言教室具有以下优点。

1）数据采集、网络传输、学生机接收端等各模块成节点式运行互不影响，单台设备的损坏不会影响到整体系统中其他设备的使用，修缮维护较为便捷。

2）可扩展结构，为日后升级改造创建很大的便利条件，即插即用的接口处设计可使新开发出的应用程序、软件以最快速度投入到使用中去，与其他系统的开发周期长相比，可算是一大优势。

3）系统功能设计专一，操作系统构造简单，执行时间短而出错率较低，对系统平稳运行起到良好作用。且系统独立网络连接，没有常见的网络攻击病毒感染等异常状况，对教学影响减小到最低限度。

随着计算机技术的发展，嵌入式微处理器设计的进步，嵌入式系统将具备实现更为复杂的多任务功能，并根据其专业功能应用于各种特定场合，满足更多要求。

4 结语

数字化语言教室在高校外语教学中的应用越来越广泛，结合多媒体手段的现代化外语教学方式对传统的外语教学模式产生很大影响。改变旧时教学方式，无论是对学生还是对教师都具有良好的促进作用。嵌入式语言教学系统作为数字化语言教学系统中的一种，已成为教学过程中的重要环节，在教师授课过程中起到良好作用，可有效帮助学生学习外语知识，掌握外语应用技能。随着外语教学需求的不断变化，语言教室的多媒体数字技术必须结合自身条件和环境要求，与功能使用者教师、学生进行信息交流与共享，确保多媒体设备适用于授课内容，从而提高教学质量并实现现代化教育目标。

[1]惠特克.数字电视接收技术[M].姚冬苹,蔡超时,等,译.北京:电子工业出版社,2003

[2]刘富强.数字视频信息处理与传输教程[M].北京:机械工业出版社,2004

[3]肖阳春,丁照宇.计算机网络与多媒体技术[M].北京:中国铁道出版社,2008

Analysis of Construction Pattern of Digital Language Classroom of University based on Embedded System

//Huang Xin

With the continuous development of University’s English teaching requirement, teaching environment were changed better and became more suitable for teachers and students on software and hardware providing. Now the Digital language Classroom constructed by University has become a necessary part of teaching process, helping teachers to approach a higher standard of teaching purpose. This paper focus on analyzing English teaching requirement, researching construction pattern of Digital language classroom, and generalizing the characteristic of Embedded System.

embedded system; teaching assistance; language classroom

G481

B

1671-489X(2010)06-0072-03

10.3969 /j.issn.1671-489X.2010.06.072