基于云计算的网络数字化微格教学系统研究

叶谷平 王伟东

【摘要】为了解决传统微格教学中的存在的问题与不足，采用云服务架构结合网络数字化技术构建了一种基于云计算的网络数字化微格教学系统，可有效解决网络用户对于海量数据和服务的并发使用问题，提升了微格教学设备的利用率与综合性能。

【关键词】微格教学系统；云计算；数字化；网络

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009-8097（2013）07-0067-05

一 引言

现代教育的发展对教师专业技能的要求也在不断提高，微格教学（Microteaching）作为一种利用现代视听、多媒体和网络设备，专门训练学生掌握某种技能、技巧的小规模教学活动，被广泛应用在职前和职后的师范技能培训中。在我国，不仅师范院校中建有了微格教室，体育、音乐等其他专业学校中也相继开展了微格教学的应用。

但传统的微格教学系统主要是以模拟的视、音频技术为基础，网络应用和数字化程度都很有限，师生之间、学生与学生之间缺乏及时的沟通交流，教师的指导以及经验的共享不足，评价方式和评价工具的应用也有待改进。目前基于网络的数字化微格教学系统的研究，可以有效地解决传统微格教学中的许多问题和不足，提高教学设备的使用率，师生评价时可以不受时间和空间的限制，提高了评价的自由度。但是，大量的师生用户进行在线视频的直播和点播时，所面临网络用户对于海量数据和服务的并发使用问题，还没有得到很好的解决，为此，我们构建了一种基于云计算的网络数字化微格教学系统。

二 系统的功能框架

根据微格教学系统的实际需要，并保障系统可以稳定高效地运行，在总体上采用云服务架构，充分地利用虚拟化技术对服务器的硬件设施进行统一的管理，构造了虚拟的硬件资源池，提供统一的数据存储和网络应用等服务。对微格教学系统中各种权限的用户进行统一的认证，对微格教学的各种资源进行统一的管理。为师生构建资源丰富、响应高效的协作学习环境，加强师生以及学生与学生之间的协作交流，提高学生在微格教学训练中的学习效率与质量。

为解决传统的微格教学系统在实际应用中存在的问题与不足，设计了基于云计算的网络数字化微格教学系统，实现的主要功能框架如下：

1 具有全面的信息化教学环境配置

配备多媒体计算机、电子书写屏、实物投影机等现代教学设备，为学生提供真实的信息化教学环境。在微格教学训练的中，指导教师根据现代教学理论与方法引导学生利用信息化教学手段贯穿教学过程，并通过教学设计使学生深入探讨信息技术与学科课程整合的方法与策略。

2 搭建信息化的微格教学过程管理与评价管理平台

微格教学是一个不断修正教学设计与教学方法的实践过程，需要改变传统的实践与评价方式，使用信息化的手段与方法，将学生教学实践过程用文件夹方式管理，运用过程性评价的方法，通过学习文件夹评价有机地将教学、学习与评价结合起来。评价过程中着重学生自评、学生互评和小组评价，教师还可以借助“教学过程管理与评价管理平台”监控学生的微格训练过程，并组织不同小组、不同班级的学生之间开展研讨与互评活动。

3 远程实时观察现场并总体指导与分时个别指导

微格教学往往是多组同时进行，教师通过网络观察每组学生教学过程，针对教学过程出现的问题，及时进行指导。并对优秀的教学方法或出现的常见问题，组织全体学生进行观看、交流、对话。同时，将学生施教过程记录存档，指导老师通过网络随时浏览学生文档，并将评价意见批注在学生的文档中，供学生参考。

4 实现学生自我演练、自我修正的管理模式

微格教学管理平台基于校园网络，具有开放性，每次的微格教学过程、师生可以实时或分时地将评价意见批注在视频记录中，学生可以通过网络进行浏览，自己对比与自我评价，不断修正教案，反复演练，与指导老师和同学之间不断沟通，进而提高教学水平。

综上所述，基于云计算的网络数字化微格教学系统是一个集多媒体教学、视频点播、现场直播、远程监控与评价、信息化综合管理为一体的数字化网络化的微格教学系统。

系统的总体架构如图1所示，系统采用云服务架构，相关的软件程序运行在多个虚拟机上，数据资源在统一的存储上，师生都可以通过己联网的个人计算机、手提电脑、智能手机、平板电脑等登录到系统中使用，既保障了系统的安全也提高了系统的服务性能。

三 系统的组成及功能设计

根据系统的主要功能框架，我校建成了基于云计算的网络数字化微格教学系统，由1间观察室（中心控制室）和12间多媒体微格教学室组成。对系统中的各个功能进行细化设计，具体如下：

1 情景化的训练环境

各微格教室均装上完善的多媒体教学系统，包括：多媒体计算机、数字实物展示台、音响设备、网络中控、投影机、银幕，摄像系统和网络传输系统，以及讲台、椅桌、白板、玻璃镜等设备。在微格教室里，学生可在真实的信息化教学环境中进行微格教学训练，还可将受训的过程实时记录进行现场实时评估和后期评估。主要设有以下功能：

（1）基于网络资源信息浏览、上传、下载功能。

（2）课程教学实况记录功能。

（3）各室之间通过网络进行视频交互交流、观摩功能。

（4）教授过程自动生成网络课件功能。

（5）多媒体计算机、展示台、音响设备、网络中控、投影机等各种媒体的演示操作功能。

（6）利用现代媒体培训演讲技能、电子板书技能、网络资源利用技能、信息技术技能、多媒体组合教学技能。

2 数字化的存储和传输

在微格教室里，通过中央控制系统控制多媒体计算机信号、实物展示台信号和和声音信号，经多媒体控制面板有选择地把信号传送到投影机上。摄像头拍摄的两路视音频信号（主讲人和听众）的视频信号和中央控制系统输出的音频信号，输入到视音频编码设备处理，把视音频合成为标准ASF格式的流媒体文件，存放在视频流服务器中。在控制和观察室中，教师及管理人员可以通过监控计算机直接进行点播查看实时录制的流媒体文件。同时，视频流服务器还可以实现视频广播的功能，把流媒体信号广播到所有的微格教室，可以让不同教室的学生实现互动。主要有以下功能：

（1）能够同时录制一路主讲人电脑屏幕信号，以及主讲人和听众的两路视音频信号，并生成一个完整的流文件。对录制文件可以按照实际网络带宽、用户要求进行调整。在录制的过程中，可以进行静音检测，一旦没有音频信号输入，系统能够报警，以便及时发现问题、解决问题。

（2）实时录制并压缩两路音频、视频以及计算机屏幕，可生成四分屏课件。自动创建带时间点的缩略图索引，便于观看，也可根据需要删除。索引可编辑，支持多级目录的索引。能够根据PowerPoint和Word讲稿自动生成文字索引。为了便于课件存储、点播和直播，可以将照片文件来取代视频图像，节省存储空间。生成的课件可以直接支持MMS流式发布，客户端用IE浏览器即可播放。

（3）视频采用硬件MPEG4编码方式，可自定义视频采集模板，视频采集带宽范围在28.8Kbps-6Mbps之间可任意调整。音频采用MP3或ASF编码，采样频率可自定义。

（4）录制的VGA屏幕帧率，可以在1.30帧/秒之间自行设置，可以白定义视频采集和音频采集模板，屏幕捕获和直播的帧率在1280X 1024分辨率32位颜色的条件下，可以达到30帧/秒，可以清晰流畅的捕获屏幕中所放的视频及动画。屏幕流显示可选择自适应、全屏、原大小等多种方式，可清晰录制和直播动态小号字体的内容。

（5）系统直播支持跨路由、广域网传输，非网络延时小于1秒，能与学校现有的网站或学习管理系统的用户管理和认证进行无缝连接。一台直播服务器可以同时直播多个课堂教学情景，可设置多个直播频道，直播多路节目。

3 远程监控、评价网络化

构建了教学评价管理系统，实现远程监控与评价，使教师可以突破时空的限制随时随地监控学生的学习过程，学生可以在离开微格教室后通过校园网浏览视频实录，讨论微格教学的技能。管理员把学生的微格教学课件作切割处理后，传送到学生的电子学习文件夹中。课程教师除了可以远程浏览和监控学生的学习过程，还可以设置其他学生对视频文件进行远程评价。评估人员登录后，操作界面中列出待评学生的信息、录制文件的链接、相应的评价记录量表等信息。各评估员完成评估后，系统自动综合各评估人员对学生技能的评估结果，形成评估结果清单提交给课程教师查看。教师还可以选择优秀的学生教学视频推荐给学生学习，学生登录到管理系统后可以远程查看优秀视频，发表自己的形成意见并参与讨论。具有以下功能：

（1）能对12间微格室进行实时观察控制，并具有扩展能力，保证以后能将现有的多媒体教室外扩展为简易的微格室。观察室能够同时监控各教室的音视频和教师授课计算机屏幕画面，以1/4/9/16分区等不同视图同时显示各教室的音视频和教师授课计算机屏幕画面，同时监控多路画面。每台录制系统可以同时录制16路课件。多台录制系统可以同时工作。通过服务器端对多间教室同时录制，录制完成后在服务器端实时生成课件，无需在教室端上传。

（2）通过网络可以将某个微格室的上课情况，调到观察室和直播到其他室，同时指导教师可以根据需要将某室讲课实况实时发布到网上进行远程观察、学习，可与学校现有的网站或学习管理系统的用户管理和认证进行无缝连接。

（3）观察室可以任意控制微格室任意摄像机的推拉、变焦和云台运动。此外，还预留一些用户定义的云台功能按钮，例如可以用于预置点的设置和定位。在观察室中可以对教室前端音调、音量进行远距离调整而不必打扰主讲人和中断直播节目。

（4）在授权情况下，课件实时录制既可由微格室主讲人自行录制，也可由主控制室管理人员来录制。

（5）能对系统进行远程管理，而且系统升级、维护、管理方便，容易使用，更具人性化。系统设立多个分控点。在授权后，各分控点可以实现系统总控室软件的所有切换、控制等功能，且各分控点功能互不干扰。通过分控点，管理员不仅可以在系统总控室对整个系统进行控制，同时也可通过远程登录后对整个系统进行控制。

（6）系统具备了优先级分级体制，可以按照用户的优先级实现优先抢断功能。在多间教室同时评课时，优先抢断可用于两个部分：一是云台镜头控制的优先用户抢断，二是带宽资源优先用户抢断。

（7）设有教学技能评估功能。该功能严格按照师范院校考查教师的综合技能评价表进行设计开发，对教师的综合素质实时进行全面评估。中心控制室的评课教师边观看课堂情况，边对微格课室中被评估人教学中的十二种技能逐一评估，例如“导入技能”、“提问技能”、“课堂组织”等。每一大项之中，又有若干小项，评课教师根据具体情况打分。待评估完毕，计算机将评估评语及相应分数，与授课画面汇总，可存档保存成标准的课件，并备档留用或上传到系统的资料库中。教学评估软件也可以由指导教师自主对教学评价技能分类和确定评价指标体系，学生就特定技能进行教案编写，直接导入教学评估软件，供评课教师评课时参考。

（8）系统可以做到实时多点并行评估。除中心控制室的教师可进行评课外，每间多媒体微格教室也可同时进行平级听课、评课、控制，可以有多位教师同时听课、评课、控制，同时每个评估点的控制主机可利用计算机通讯将含有综合评价的分数的课件传送给一台控制总机，统一备档留用或上传到系统的资料库中。可以有至少13位听评课者听评13个不同班级的课，也可以有13位听评课者听评同一班级的课，并且可以相互显示是谁在听课。

（9）支持多点交互式实时远程教学、双向交流。支持观察室评课教师和12间多媒体微格室教师的视频、音频交互：连观察室评课教师在内，系统支持至少13个视音频点场地的实时视频、音频交互。方便本教室成员之间、各教室成员之间、指导人员和受训人员之间的实时视音频的双向交流。

4 信息化的管理过程

微格教学环境需要科学的教学管理，采用信息化系统对整个数字化微格教室进行集中化的管理，实现排课、预约、使用率统计、考勤统计等功能。除了正常的上课安排外，微格室对所有的学生进行开放式管理。学生可以通过校园网访问管理系统，申请课外使用微格教室，管理员集中整理后统一调度安排学生的申请，并根据学生的填写的设备要求准备好设备供学生借用。结合校园一卡通系统，管理员可以实时了解到教室、设备的使用情况和学生的考勤状况，并生成报表以便统计分析使用。设有以下功能：

（1）实现全面开放式管理，每天从早上第一节课开始到晚自习都向师范生开放。通过校园卡的认证，允许学生反复演练，自己对比与自我评价，经过指导教师的认可，还可以授权学生自行进行微格教学训练。

（2）系统内置教学评课软件，可以对教师多种授课功能进行评估，同时自动生成评估报表。评课软件中的各项评价指标、权重等修改权限向用户开放，利于各专业及时修改为适合自己专业特点的评价标准，也可使用特殊的再录设备事后进行标识和评估。

（3）通过再录设备能将多流画面转成单流画面，也可将高码流图像转成低码流图像。既保留了高清素材，又方便课件后期能在教学平台上点播。

（4）对录制文件进行后期编辑

在中心室使用评估系统进行现场评估，或使用特殊的再录设备进行事后的标识和评估。课件编辑再录设备可以直接采集到实时DVD格式的课件，也可以从编辑软件的时间线上高速输出DVD、SVCD和VCD课件，并可以在时间线上直接编著动态视频菜单的课件DVD光盘。还可以将DVD光盘上的已形成的课件直接拖到时间线上进行再编辑，使课件上载快速和编辑简便，并有效避免视频课件重复采集造成的质量损失。系统还具备即时存盘技术，可使编辑过程中的每一步编辑结果都能被立即自动保存，让编辑课件的老师不会因误操作而造成课件文件丢失或被损坏，有效地防止编辑课件过程中的各种误操作。

系统具备非线性课件编辑系统。对录制好的课件可以实现音频、视频、屏幕、索引多流同步编辑，可以做到逐帧编辑、可调整屏幕流窗口的大小、可调整音视频流的码流、可以添加片头、片尾、可以添加背景音乐、可对录制好的课件等屏幕部分进行修改、支持无限音视频轨内容合成。能够充分利用已有的教学培训资源制作课件，支持多种文件格式，可以重复利用现有的视频资源以及PPT文稿，对后期制作的课件直接生成四分屏的流媒体课件，用IE即可播放。以保障用户可以做出无瑕疵的课件精品，对于提高课件资源的快速编辑、以及对毕业生的网上展示及用人单位远程人材选择都有重要的意义。

（5）系统中含有课程基础设置、班级通知与留言板、作业布置、技能评估与作品浏览、成绩管理、在线答疑、在线作业提交等模块。

（6）系统采用数字化存储方式保存微格教学内容，并能自动上传到云存储或磁盘阵列设备中。

四 微格教育应用支撑平台

1 微格教育信息化平台

系统以微格教育信息化为主，整个平台的建设包括两大部分：学校微格教育支撑管理平台，二级学院的师生微格内容管理平台。

（1）学校微格教育支撑管理平台：学校微格教育支撑管理平台实现对各学院、教师的用户权限管理和课程管理，同时，实现搜索引擎、建网模块的建设。通过加强内容资源的统一性，并积累各学科微格教育基础数据，为将来分工更细的微格资源管理打好基础。

（2）二级学院师生微格内容管理平台：根据系统能够提供的微格科目的要求以及微格课程类别的不同来为二级学院的师生们规划和分配运行平台的所属资源。资源类型包括：网络微格课堂授权、微格直播频道授权、服务器存储授权、微格教学资源授权等。

2 微格教学平台的功能

微格教学平台包括以下功能：

（1）建设统一的视音频教学资源共享平台：通过建设微格管理系统，实现对微格资源的自动化管理：支持所有主流媒体格式，并提供后期的灵活扩展。

（2）建立微格课程管理机制：通过对各学科的管理系统，能够实现对微格教学的灵活管理，满足系统分散式运营的需求，并实现灵活的内容接入方式。

3 微格教学服务设计

系统可以实现对多种教学形式的组合，为微格教学工具的多样化提供支持，包括以下多种应用服务类型：

（1）利用网站自动生成系统，可以在极短的时间内做出课程网站，其中融合了教学平台、资源库、微格课程制作的功能，提供了在线编辑、论坛、学生管理、作业管理、资源管理等多个动态网页的模板和多个微格资源制作中所需的静态网页模版。

（2）提供三级菜单目录，满足教学中的各种需求。菜单的添加和删除只要点击右键，即可选择对应的命令生成，简单易用。

（3）由于采用了B/S的方式开发，实现了一个协同工作的环境，技术人员与学科老师可以同步开发，有效缩短了课程网站的制作周期，提高了网站的制作效率和质量。

（4）平台为每个教师和学生提供了网络硬盘功能，可建设一个数字化的学习环境。

（5）学习门户功能：学习门户承载了学生进入学习平台进行学习的入口功能，主要功能包括：用户登录与退出、微格资源分类浏览、微格资源搜索、最新微格资源、热门微格资源、学员选课、个人学习空间、软件下载等功能。

（6）微格资源学习：学生可以进入到系统的资源库中，方便地进行点播学习，可以选择资源表中任意微格录像，实现在线播放学习的功能，在学习过程中还可以对学习时间进行跟踪记录。

（7）授课教师介绍：学员进入到微格资源网站中，可以浏览该微格资源制作人员的介绍，并查看该人员的备课记录和得分情况。

（8）微格授课直播学习：通过后台管理系统可实现对微格直播课堂的灵活设置，当需要在网上实现微格课程直播时，只需要设计好时间，系统将自动完成整个过程的直播工作。师生用户在该资源库的学习门户网页上看到，点击进入即可收看课程直播。

（9）微格直播讨论：通过管理系统可实现对直播讨论的灵活设置，只需要设计好时间，系统将自动完成整个过程的直播工作。学生只需要按时进入讨论室即可与老师进行讨论交流。直播讨论系统能够满足多种微格教学需求，直播视频源可以手工嵌入直播流地址，也可以通过自动直播、虚拟直播程序自动指定，完成直播、讨论、答疑的流程。

（10）微格教学资源下载：平台支持对相关微格教学课件的上传下载功能，支持各种主流播放文件，包括flash、ppt、wmv等格式，方便学生随时随地地学习。

（11）微格资源论坛：微格资源论坛便于学生们与老师进行答疑，交流学习经验。系统结合核心模块的自我学习特性，增加课程答疑、笔记、消息、论坛、作业、资源等辅助学习的协作功能，使学生可以在任意的时间或地点获得充分的学习辅助和协作。

（12）课程管理：教学系统可实现对课程的分类管理、课程创建、课程信息修改、课程删除等功能。系统的界面与门户系统一致，以教师账号登录后，可以实现对各个功能模块进行编辑，可以添加或删除模块，更改版面外观，设置栏目大小等。系统集成了大部分教学应用所需的模块，授权的用户登录后可自行添加删除，也可以根据自身需要进行开发。量身定制自己的教学网站。

（13）学生管理：系统实现学生管理功能，实现对选课学生的分组、课程的指定等功能。

（14）课件管理：微格资源可以上传到服务器相应的目录，并把微格资源的相关信息，例如标题、内容、时长、码率、上传日期、编辑、发布路径等，录入微格资源管理系统数据库。可以从公网上传课件，微格资源上传时可以自动化进行规范化命名、命名原则依照当前内容管理员账户、内容所在频道、发布日期来自动命名微格资源名。支持多文件批量化课件上传，支持单一微格资源的多码率及多分辨率上传。上传微格资源，可实现单屏和三分屏。

（15）测试管理：网络教育培训管理者可以管理题库，按照测试要求生成并发布测试试卷，对测试结果进行跟踪管理。系统的学生用户进入在线课堂，可根据选定的项目参加相关测试。题库可以按照固定的格式，手工录入练习和测试题目，也可以用Excel方式自动导入。

（16）微格标注检索系统：对单一的微格资源进行标注，也称为课件打点，可以在流媒体文件线性播放轨道上建立多个索引点，并为每个索引点设置：索引点图片、检索时间、段落标题、简介等检索信息。通过各种信息达到流媒体文件的快速浏览及播放位置的快速切换等功能，实现准确定位，实现服务于用户的智能交互。

（17）DRM数字版权系统：带有流媒体课件数字版权加密实现在线或离线课件数字版权保护，DRM微格课件版权加密系统能够有效地对在线和离线微格课件进行数字版权加密，认证和管理，支持大并发量访问用户直播和点播，确保了教学知识产权的合法使用。

五 结束语

通过构建基于云计算的网络数字化微格教学系统，对师范生开展教学技能培训，有效推动了校园信息化的建设，创造了合作交流与优质的教学资源的共建共享平台，适合当前优秀师范生培养的发展要求，有利于提升微格教学的质量，有效地提升了微格教学设备的利用率与综合性能，促进了微格教学理论和应用水平的提高。