流媒体技术在实验教学中的应用

黄伟源

摘 要 将目前流行的流媒体技术应用到传统的实验教学当中，讨论了如何通过借助流媒体技术来提高实验教学在课堂和课后的效果，从而激发学生对实验教学的兴趣与积极性。

关键词 流媒体技术 实验教学 应用

中图分类号：G71 文献标识码：A

1传统实验教学存在的问题

实验教学要求，不仅要学生理解实验的原理，还要培养学生实验操作动手能力，观察检测能力、数据处理能力、独立思考能力、分析问题和解决问题的能力。

传统的实验教学，在实验课开展之前，先由老师讲授实验过程中涉及到的原理，然后再通过老师的实验演示来介绍具体的实验操作过程和步骤，以及在实验过程中需注意的事项，最后让学生自己完成课程所设置的实验。

为了使课堂的授课达到最佳的效果，老师会要求学生上课前对实验的课程进行预习。然而对于一些比较复杂和大型的实验，仅仅通过在课堂上老师的一次演示，学生未必能够掌握和理解实验的全部内容。往往需要在课堂上或课后通过自己的动手操作，一步一步地慢慢理解和体会才能掌握实验的内容。

但学生在自己动手做实验的过程中，往往由于对老师的实验授课内容理解不够透切，或者上课时学生所处的课堂位置，角度和上课迟到等方面的原因，不能及时和完全看清楚老师的实验演示。从而使自己在独立操作中不能完成整个实验过程。在传统的课堂教学上，同学们可以对实验过程中遇到的问题向老师请教。老师也会对同学的问题作出详细的解答。但由于课堂时间有限，不可能很快对每个同学的问题都作出详细解答，对于那些不能作出及时解答的同学，实验就会显得无从下手。这样就会使得课堂的实验效果不高。同样在课后，对于没有完全理解老师授课实验内容的学生，想通过在课后温习上课的实验，更是无法进行。

2流媒体技术

流媒体技术就是把采集的视频和音频信息，经过编码，压缩处理后传送到专用的流式服务器上，流式服务器可以采用RealNetworks公司的Helix Server或者微软的windows media services进行搭建。当用户需要请求流式服务器中的音视频时，首先用户的Web浏览器向Web服务器通过使用HTTP/TCP协议请求元文件，元文件包含了多媒体文件的相关信息如URL，编码类型等。然后Web浏览器将元文件传送到媒体播放器，媒体播放器接收到元文件后，就可以与流媒体服务器对多媒体文件进行请求与发送，在发送过程中，使用RTP/RTSP等实时交互应用协议，将多媒体文件传输到客户端，这样用户不仅能供实时观看，还可以一边下载一边观看、收听，过程不需要等待整个多媒体文件存储到自己的计算机上才可以观看。流媒体技术分为流式存储音频、视频，流式实况音频、视频和实时交互音频、视频。该技术对时延非常敏感，但容忍偶尔的丢包。下图为流媒体传输过程。

3流媒体技术应用到实验教学

根据传统的实验教学的不足，可以利用流媒体技术的优势与特点，将流媒体技术应用到实际的实验教学过程中，来提高学生的实验学习效果。

实际的实验教学网络环境是一个局域网，且局域网的网络节点都在一个网段内，网络传输不需要进行路由和穿越防火墙，传输的时延将非常小，能大大满足对流媒体应用的要求。

3.1流式实时教学音频和视频的实现

在实验教学过程中，由于每个学生在课室中坐的角度和位置的不同，或者由于有些学生迟到而不能及时赶到课堂上，从而导致并不是所有的学生都能清晰地观察到老师的实验全部操作过程。一般老师通过在教师机的实验演示，例如，软件实验的具体的软件操作，代码的编写，都通过在教师上运行并通过投影机显示给学生看，但如果投影机的效果不好，又或者坐的靠后，就会使得学生对演示的实验或授课的内容接受不够清晰。为了解决上述问题可以借助流媒体技术，使得学生能从教室的不同位置都能清晰地接收授课内容，同时也能解决因为迟到而不能及时上课的学生，能借助移动终端通过移动互联网登录到流媒体服务器及时接收老师上课的内容，从而避免了因迟到而影响后续的上课效果。首先，可以通过音频和视频的采集卡，将老师正在演示的实验进行采集，对于使用具体仪器进行演示的实验，可采用摄像机进行采集。然后将采集后的音视频，通过编码器进行编码，并进行压缩后，传输并存储到流媒体服务器上。这样学生就可以使用学生机或者移动设备的媒体播放器如Readplayer，windows media player 通过网络与流媒体服务器，使用RTP/RTCP协议进行多媒体交互，可以将老师的授课内容实时传到学生端，由于进行流式实况音视频传输，从流式服务器传到学生端媒体播放器的音视频，不需在学生端进行存储即可播放，实时的教学内容同时向很多接收相同的音视频的学生端分发，这里采用通过应用层多播，或通过多个独立服务器到学生端的单播流实现。这样，在课堂进行演示实验教学时，学生除了通过投影机看到实验过程，还可以通过学生端的媒体播放器实时接收到授课内容。由于局域网时延小，实况的多媒体接收效果非常好。

3.2存储教学多媒体

在课后，学生在实验室要对上课的实验内容进行复习和独立操作。传统的做法，是通过书本或老师提供的ppt实验教材进行。但如果对老师上课的内容没有理解透切，通过自己单独看书，复习的效果并不好，可能花很长的时间也不能把问题解决。如果能将授课的音视频内容进行重现，学生就可以对在课堂上不能立即理解的内容，通过多次和反复的观看授课的多媒体内容，进行学习和理解，这样达到的学习效果，会事半功倍。为了达到这样的效果，可以将老师在课堂上的授课内容进行录制，采集，编码，压缩存储到流媒体服务器。课后，学生就可以利用自己的终端通过媒体播放器从流式服务器上请求和搜索上课的音视频多媒体文件，此时音视频就可以经HTTP/TCP协议传输，并利用实时流协议（RTSP）来交换播放控制信息，学生端的媒体播放器就可以播放课堂上老师的授课音视频内容，学生可以根据自己对实验课程的理解程度，对多媒体进行播放、暂停、倒退、前进等操作。学生端进行的是一边下载一边观看、收听，相比于流式实况的音视频，可以容忍的时延相对宽松，这样，学生不仅可以在校内的局域网进行，还可以在外网进行，如在家里，或者通过移动设备进行。

3.3流式交互音频和视频

同样在课后，对于上课的内容和老师课后布置的作业，学生通过看课本，ppt和老师上课视频仍不能理解，这就需要与老师进行实时的交换互动，网上在线答疑。可以利用微软的Netmeeting，Skype等实时交互产品，可以不受地点的限制，实现学生与老师的实时交流，当学生在自己复习遇到问题时，可以实时在线呼叫老师，并把遇到的问题请教老师，同时老师也可以进行实时的在线解答。

在提供多媒体内容方面，除了提供实时教学视频外，老师还可以制作生动的课件，来进行辅助教学，使教学内容更加丰富，从而激发学生对实验的兴趣，对培养他们的操作动手，观察检测、独立思考能力，提供很大的帮助。流媒体技术可以贯穿整个实验教学过程，包括课堂的教学，课后的复习与答疑，使学生能随时获取教学信息，从而提高了实验教学的效率。

参考文献

[1] 庄捷著.流媒体原理与应用（第二版）[M].北京：中国广播电视出版社，2013.

[2] Jamers F.Kurose Keith W.Ross著，陈鸣.计算机网络自顶向下方法（原书第4版）[M].北京：机械工业出版社，2008：（378-428）.