基于互联网的现代远程教育平台的研究与实现*

李韶驰，刘小萍，李志清，黄 嵩

（中共广州市委党校 广州行政学院 信息网络中心，广东 广州510070）

在远程教育中，学生和教师处于时空相对分离的状态，技术媒介的教学即基于信息技术的媒介教学代替传统课堂连续面授教学成为远程教学的主体。技术媒介的远程教学划分为两类不同的远程教育交互模式：“单向发送技术媒介的远程教学”和“双向交互技术媒介的远程教学”。“基于资源的个别化独立自主学习”通常是通过“单向发送技术媒介的远程教学”实现的；而“基于通信的师生交互和协作学习”通常是通过“双向交互技术媒介的远程教学”实现的。[1]本文以党校系统远程教学网的建设为切入点，深入分析远程教学网及远程教育平台建设实践中存在的问题，采取相应的对策并最终构建一个基于互联网的集单向发送技术媒介和双向交互技术媒介为一体的现代远程教育平台。

一、平台构建的背景

在现代化背景下，世界各国都以积极的态度开展对于远程教育理论和实践的探索，积极发展现代远程教育也是我国实施科教兴国战略的一项重要举措。[2]在党校系统，远程教育已经成为创建学习型社会、素质教育及干部教育进程中无法取代的重要手段。目前，中央党校采用卫星通信方式实现全国党校系统远程教学网，该网以中央党校为中心主站组成星状网络结构，远端站分为A、B、C三级，省级和市级城市党校建立A级站、中小城市党校建立B级站、县区一级党校建立C级站。[3]这种组网方式虽然也实现了双向通信的远程教学，但在互联网高速发展和日益普及的今天，也逐渐暴露出一些问题：第一，远端站必须购置一些用于卫星通信的专用设备，成本费用较高，硬件维护困难，在党校系统内部推广尚且适合，但站在创建学习型社会的角度而言，这存在一定的局限性；第二，基于卫星远程教学网实现的远程教育平台，在扩展性方面会受到卫星通信网的制约，难以实现更多的增值服务，例如与教学管理相关应用系统的整合、实现远程考试及一站式服务等，而这些扩展功能往往还是要依赖互联网来实现。

二、平台架构设计

互联网的优点之一就是所有人都可根据需要进行互连，但遗憾的是，这种随需连接也可能导致无法预测的严重网络阻塞，这也正是和卫星通信网等专用网络相比之下，采用互联网实现远程教育所面临的主要问题。问题的根源在于互联网按“尽力而为”的方式处理所有出入的流量，而唯一的解决办法就是建立一个基于互联网的专用网络，始终以互联网的最大带宽作为这个专用网络的带宽。经过课题组的选型，本研究选择思科公司的WebEx MediaTone网络作为本平台的远程教学网，在MediaTone网络的基础上构建一个实时授课系统，并采用VPN技术进一步扩展实现非实时的辅助学习系统，前者属于“基于通信的师生交互和协作学习”，后者属于“基于资源的个别化独立自主学习”。

本研究采用软件架构设计的思想分别从物理架构视图和逻辑架构视图细化本平台的架构：[4]

1.物理架构设计

作为本平台的远程教学网，MediaTone网络通过可持续进行全球性连线的专用高带宽连线连接至大规模的互联网数据交换中心，类似于语音电话系统中使用干线连接的局端交换机，再在MediaTone网络上创建一套MediaTone架构的应用程序，使分布于各地的多媒体交换机专用系统相互连接。[5]如图1所示，本平台部署在校园局域网内，和电子政务网、企业局域网及各类家庭办公网络一样，通过与互联网的连接，都能接入到MediaTone网络的某个节点，使整个平台架设在MediaTone网络之上。教师在校内授课，任何能接入互联网的终端，不论在校内还是在校外，都能通过MediaTone网络同步在线学习，学生也能向授课教师在线反馈信息，实现实时的双向交互。

图1 平台物理架构

在校园局域网内，我们将非实时的辅助学习系统划分为在线学习和在线考试两部分应用，分别部署在在线学习应用服务器和在线考试应用服务器上。其中，在线学习应用服务器的视频教学资源是从视频存储服务器中获取的，我们采用自动更新策略实现视频教学资源的自动更新，即教师在课堂授课过程中，课件直录播系统就自动跟踪录制整个教学活动，包括授课现场场景和授课教师的电子讲稿，并在实时录制的同时自动生成教学大纲索引，最终合成一个完整的多媒体课件，上传到多媒体课件存储服务器。

在线学习、在线考试、课件直录播、教学综合管理等各种应用以及部署在远程的MediaTone服务都通过身份认证服务器进行统一的用户权限管理及身份认证，用户信息以LDAP方式存储在目录服务器中，VPN设备通过目录服务器获取共享的用户信息，使VPN设备与身份认证服务器之间实现握手，这样，校园局域网以外的用户在通过VPN建立隧道后，就能把用户身份信息直接提交身份认证服务器，无需二次认证就能直接进入相关的应用。

2.逻辑架构设计

本平台包括教学综合管理、课件直录播、在线学习和在线考试四个子系统，部署在统一的数据访问服务层上，通过统一身份认证服务实现单点登录，在业务逻辑层，采用面向对象技术实现LDAP目录的访问，采用面向服务的机制实现与远程MediaTone网络的通信，整个平台的逻辑架构如图2所示。

图2 平台逻辑架构

（1）教学综合管理系统

教学综合管理系统主要用于调配教学资源、组织教学活动、总结教学数据，使教学能够顺利实施，实现整个教学管理过程的现代化和管理的规范化。

教学综合管理首先是对教学主体的管理，教学主体包括教师和学员，与教师相关的功能模块包括师资库管理、案例库管理、教学质量评估和教师工作量统计，与学员相关的功能模块包括学员学籍档案管理、班级信息管理和学员成绩管理。教师和学员与系统管理员一样，都是整个平台的用户，所有用户信息及其权限都由教学综合管理系统统一管理，用户的公共属性包括用户登录信息会在存储的过程中同步到LDAP目录，以提供给统一身份认证系统及VPN设备使用。

其次，教学综合管理还包括对教学活动的管理，主要功能模块有教学计划编制、通知公告管理、查询统计和报表输出。教学计划主要是针对协作学习而制定的，即基于MediaTone网络的实时交互式学习，教师在课堂现场授课，学员在异地同步学习。教学计划定稿后，系统会将数据通过Web Services的方式同步到远程的MediaTone服务器上。

（2）课件直录播系统

课件直录播系统是一个基于IP网络实现的全自动课件生成系统，它可以将视频、音频信号和计算机动态屏幕信号进行一体化的同步录制、直播和点播。直播信号可以直接切入到MediaTone网络中，录制的视频包括授课现场场景和授课教师的电子讲稿两路视频流 （分别简称为A路视频和B路视频），经过系统的自动化处理后再上传到多媒体课件资源库中，视频处理的步骤如下：

1）抽取大纲

对B路视频进行图像处理，提取电子讲稿中的图像进行OCR技术识别，生成文字，以此抽取出大纲及相应的视频时间点，默认取第一个视频时间点为0，其对应的大纲标题为整个课程的标题。

2）修正大纲

把识别出的大纲跟电子讲稿源文件（PPT）进行比对，修正OCR识别错误，以提高准确率。

3）合成视频

以大纲为索引，遍历每个视频时间点，先在A路视频中从第一个视频时间点开始截取若干秒，再切换到B路视频，截取直到下一个视频时间点，然后再切换回A路视频，以此类推，直到两路视频都播放完毕，再将截取的视频合成一个完整的视频，其时长与录制的两路视频相同。

经过处理的视频与大纲一起合成一个完整的多媒体课件，通过FTP协议自动上传到多媒体课件资源库中，再把当前课程的相关信息及多媒体课件的URL保存到在线学习系统的课程库中。

（3）在线学习系统

在线学习系统是整个远程教育平台的核心，也是涉众最广、访问量最大、性能要求最高的子系统，根据平台设计的初衷，我们把在线学习系统划分为实时与非实时两部分功能模块。

实时的功能模块主要包括实时授课管理和在线交流讨论，这是教师和学员进入网上虚拟课堂的入口，借助单点登录技术，已经登录进入在线学习系统的用户即可直接访问MediaTone网络。根据教学计划，MediaTone平台会在指定时间创建相应课程的网上虚拟课堂，教师在实体课堂上授课，课件直录播系统将授课现场的音视频信号及教师电脑桌面等多媒体数据发送到MediaTone网络中，MediaTone平台会将这些多媒体数据都转换为WebEx通用通信格式（UCF），并采用高级加密标准及负载平衡机制进行传输，进入网上虚拟课堂的学员就可以通过自己电脑上的摄像头和耳麦在线听课，并与教师进行实时互动。

非实时的功能模块主要是为学员提供一个基于资源的自主学习平台，是一种辅助教学的手段，由选课中心和学习中心两个部分组成。学员可以根据自己的兴趣选学相关的课程，课程视频存储在由课件直录播系统录制的多媒体课件资源库中，学员在学习过程中，不仅可以像观看普通视频一样直接拖动进度条，还可以在课程大纲中点击标题直接定位。系统采用累计学时的方式来监督学员的学习，只有以正常速度播放视频，其时间才能计入累计学时中，累计学时达到课程时长，该课程才算学习完毕。为避免学员挂机学习，本系统还特别设计了课程互动答题的环节，即在学习过程中，系统会在预设的时间点暂停播放视频并弹出课堂作业要求学员现场作答（在“视频题库管理”模块中设置），答题完毕才能继续播放视频，而答题成绩会记入学员的课程学习成绩中。

（4）在线考试系统

在线考试系统是在线学习系统的延伸，完成在线学习的学员可进入在线考试环节，在线考试系统也可直接开放给面授学员使用。本系统分为后台管理和前台操作两部分功能模块：

1）后台管理包括试题库管理、试卷管理、成绩管理和系统设置。

将试题录入到试题库中有两种方式：一种是在系统中手动添加，另一种是按照既定的模板在Excel或Word文件中编辑好再导入。根据不同题型的特征，教师可以自定义相应题型的属性，如可以定义题目的难度系数、选择题的选项是否随机、填空题的答案是否有序、操作题的附件设置等。

试卷管理包括试卷组卷、试卷导入导出、试卷发布和试卷批改。组卷是从试题库中抽取试题组合生成试卷，如果选择随机抽取，教师只需定义好试卷的总分、各类题型的数量和分值以及发布试卷的份数，系统会采用相似度算法进行组卷，以避免在同一份试卷中出现相似度较高的试题，然后，再采用静态发布的方式生成试卷，每一份试卷就是一个独立的html文件。

2）前台操作包括在线答卷和查询管理。

在线考试系统的前台操作模块在设计上必须充分考虑易用性和鲁棒性。在易用性方面，我们采用了与在线学习系统中的视频学习类似的操作方式，即在试卷界面的左侧使用试卷大纲作为索引，考生可以一目了然地获知整份试卷的已答、未答及标记为不确定的题目，并可随时点击试卷大纲中的题目序号定位到相应的题干上。在鲁棒性方面，由于试卷是静态发布的，考生电脑进入考试状态后就会从服务器端抽取一份静态的试卷文件并保存在本地磁盘上，整个答题过程都是脱机进行的，只有等到提交试卷的时候才重新联机。计时器和答题结果都以加密的方式保存在试卷文件所在的文件夹中，并以考生的个人信息作为密钥，一方面可以确保考试不会受到断网或系统故障的影响，另一方面也可以防止答题结果被复制作弊。

三、关键技术研究

1.统一身份认证技术

本平台的教学综合管理系统、在线学习系统和在线考试系统是基于J2EE架构开发的，而课件直录播系统则是在第三方的嵌入式直录播服务器上进行二次开发，其后台管理程序是采用ASP开发的，此外，远程的MediaTone平台是一套完整独立的应用程序，对外提供Web Services接口。统一身份认证就是全面整合这些应用系统的身份管理，实现各种应用系统间跨域单点登录、退出等统一的身份认证和用户管理功能。

在本平台中，我们采用Agent技术实现统一身份认证，如图3所示，在该集成框架中，用于将协作应用整合起来的有两个模块，分别是IDS Agent和协同模块。[6]Agent包含对协作应用相应请求的截获处理，与身份认证服务器（Identity Server，简称IDS）的通信等过程。协同模块则根据协作应用的不同情况采用不同的实现方法，这是一个很小的模块，仅包含协作应用自身的登录、退出等过程的逻辑。在基于J2EE架构开发的应用系统中，可直接在系统的业务逻辑层开发Actor接口类，用来处理与身份认证相关的业务逻辑，完成与IDS的协同；在ASP应用程序中，则通过修改与登录、退出等逻辑相关的ASP页面代码来实现协同；在与远程MediaTone平台的集成时，IDS Agent是通过WebEx提供的URL API向MediaTone平台提出请求，采用轻量级的机制实现与MediaTone平台的通讯。

图3 统一身份认证的集成框架

2.资源自动更新技术

在线学习系统的视频资源是由课件直录播系统录制并自动上传的，我们将这些资源从原始素材衍生为多媒体课件的整个自动化过程称为“资源自动更新”，在这个过程中采用的各种技术统称为“资源自动更新技术”。上文已经阐述了视频资源自动处理与上传的整个流程，其中涉及几项关键的技术，如视频图像的OCR识别技术、大纲的纠错算法、视频流的合成算法等，这些关键技术是在不同的程序中实现的，其中还包括嵌入式系统。在不同的系统（程序）之间，我们采用Web Services进行集成，使用规范的XML来描述数据及接口，以此构建系统（程序）之间的通讯总线。例如上文提到的大纲索引，我们定义如下：

四、结束语

本平台所属项目于2009年正式批准立项，经过两年的研发，各个子系统先后建成并投入使用，目前，本平台已在广州市委党校及其分校全面推广使用，并已成功地运用在省内外部分政府机构的培训中，取得良好效果。

总之，基于互联网的现代远程教育平台，是创建学习型社会和普及干部教育的需求，也是互联网发展与教育变革相结合的产物，它使广大干部能够打破固定时间和固定地点的束缚，灵活安排学习时间、学习场所和学习计划，随时随地地学习，满足全党干部在职在岗学习的需求。此外，本平台的设计思想和研究方法已经过工程实践的检验，具有一定的可行性，可以推广应用在其他领域的远程教学中，以此推动现代远程教育事业的发展。

[1]丁兴富.一种新设计的技术媒介远程教学模式理论分析框架[J].开放教育研究，2010,16(4).

[2]龚祥国等.远程开放教育网络平台的构建、应用与反思[J].远程教育杂志，2006(4).

[3]苏启寅.全国党校系统卫星远程教学网的构建及应用[J].制造业自动化，2011(3).

[4]温昱.软件架构设计[M].北京:电子工业出版社，2008.

[5]网迅（中国）软件有限公司.WebEx MediaTone网络深入介绍白皮书[R]，2007.

[6]北京拓尔思信息技术股份有限公司.TRSIDS3.0协作应用集成手册[R]，2008.