消费级技术架构的跨国远程教学方案与实践*

□ 张云川 Robert J. Boncella Michael Stoica

一、引言

随着国际学术交流的日益增加，各国许多高校之间建立了良好的合作关系，不少高校在课程、讲座、专题报告等层次上展开了跨国教学合作。虽然目前跨国高校教师互访已经日益频繁，但从一国到另一国去授课所需的时间、经费及出入境手续仍是各国教师都面临的现实问题。一些高校已经探索和实践了使用电视电话会议、网络视频等远程教学手段来开展跨国教学活动。这些尝试为更加频繁和多层次、多样化的跨国教学打下了基础。但是，现有文献中提到的远程教学手段大都依赖于较为专业的设备甚至专业的技术人员，多用于支持校级或院级教学改革示范项目，但不易在更多的课程中推广使用。

本文提出的使用消费级技术进行跨国网络远程教学的方案，2009年至2013年间已经在5门课程中多次应用，实践证明，不但设备投资极少，而且非信息技术人员也可以自行安装、调试和应用，易于推广。

二、现有文献中的网络远程教学方案

网络远程教学可用的技术手段很多，如课程网站上提供的课件下载、教学视频下载、网上论坛、社交媒体等。其中，双向音、视频实时交流的授课方式最接近教师面授的效果，其他方式则能起到补充作用[1]，本文讨论的主要是远程实时视频教学。目前所见的远程实时视频教学大体有两类技术实现方案：一类是直接使用专业视频会议设备，另一类则做了较多的自行开发。

第一类方案如广东外语外贸大学、日本立命馆大学、韩国东西大学等合作开展的以社会文化现象讨论为主题的远程课程，使用宝利通（Polycom）视频会议装置实现多点间的信息交互实时传输[2]；香港理工大学与加拿大哥伦比亚大学温哥华分校的远程教学中使用基于ISDN线路的视频会议系统来传输双向音、视频，再加上用微软NetMeeting软件通过互联网来实时传输PowerPoint页面[3]。此类方案最大的优点是可适应不同通信节点规模的应用，最简单的情况下两个远程节点各安装一台设备并接入互联网就能开视频会议，而节点数量很多时也有对应的解决方案，如某公司的视频会议管理平台可支持多达25,000个并发会话、最多64个视频服务器及75,000个设备注册。此方案需要较多的资金投入，如前述的广东外语外贸大学仅设备部分就投入了37万元人民币，日本立命馆大学仅更新设备就投资了300万日元，韩国东西大学的设备投资额不详；中日两校各有一名技术人员，支持讲课的老师[4]。

第二类方案如清华大学、京都大学和马来西亚大学开展的以环境保护为专题的共同教学项目，既使用了基于Polycom或Tandberg的专业视频会议平台，又由项目组的IT人员自行研发设计幻灯片共享系统和对话系统，并在应用中不断修改和完善[5]。此类方案的突出优点是系统界面和功能可定制，更有可能与教学管理系统及课程网站融为一体，但目前这些自行开发的平台还没有转化为稳定的产品。

在其他国家的一些实践中，开展网络远程教学也需要投入专业设施，如美国得克萨斯州的两所大学间开展远程教学时用到了以下设备：视频系统（含显示器和摄像头），每个学生的工作台（含话筒），教师的控制台（含视频展台、录像带播放机、混音器以及一个选择信号源的触控板），为此两所大学都投入了资金，还有私人捐赠和其他赞助资金。教师需要接受专门的培训才能学会使用这一复杂的系统[6]。

支持跨国远程教学的多种技术方案早已有之，但为什么此类远程教学还远未达到普及应用的程度呢？主要原因可能是国际合作、教学内容选择、教学效果保障等方面的困难，不过，现有技术方案较难推广应用也是原因之一。实证研究发现，技术接受模型（Technology Acceptance Model,TAM）可以很好地解释教育技术的采纳及应用，在此模型中“感知到的有用性”和“感知到的易用性”是影响技术推广最重要的两个因素（如图1所示）[7]。

图1经典的技术接受模型

感知到有用和易用需要两个条件，一是技术本身确实有用、易用；二是决策者和技术使用者能通过一手信息或二手信息来感知。各种文献、学术报告、规定等二手信息乃至于理性的思辨固然有助于人们感知远程教育技术的价值和应用的难易程度，但通过观察或亲身体会得来的一手信息更便于人们迅速地对有用性和易用性做出判断。

大量文献已报道了远程教学技术手段的成功应用，不过在具体的学校、院系和课程中决策是否使用这些手段时，由于多数决策者没有亲身体会，他们感知到的有用性有限，而使用专业设施所需的设备投入、教室改造、人员培训等方面的开销则显而易见，也就是说感知到的有用性不高、感知到的易用性很低，那么采纳远程教学的意愿也就较低了。呈现出的事实就是迄今为止远程教学在中国还没有得到普及应用，在美国高校的应用也有限。

三、基于消费级技术的远程教学方案

1.基本模型

双向实时音、视频交互的远程教学系统基本模型如图2所示。

图2远程教学系统的基本模型

一个基本的远程教学系统至少应有一个教师端和一个学生端，两端都有话筒和摄像头等设备采集音、视频信号，交由本地处理和通信设备进行数据压缩、转换和收发。视听设备用于重现收到的音、视频数据；互联网是远程数据传输的首选媒介；会话管理设施的主要功能是为通信双方提供信令（Signaling），交换IP地址、Socket端口和其他会话参数。

过去长期使用专业设备来支持远程实时视频教学的主要技术原因是教学需要高质量的音、视频，而采用专业设备可以实现对音、视频信号的实时硬件压缩/解压缩；在缺乏公共信令服务的情况下，在教学系统内部配备会话管理设施（如Polycom等公司的MCU）才能保障教学顺利进行。

不过，随着技术的迅速发展，消费级产品和服务已经达到了承载远程教学所需的质量和可靠性。本远程教学系统的核心部分是Skype软件和服务。2006年1月，Skype就已支持320×240像素的双向视频，接近VCD的画质；2007年12月开始支持640×480像素的双向视频，画质明显高于VCD，完全满足了教室环境的远程教学需要；2010年1月开始支持1280×720像素的高清视频，已经可以用于精细的实验过程远程教学；2012年2月开始支持1920×1080像素的全高清视频，由于采用高压缩率的h.264编码，对承载网络的需求不高于流行的企业级视频会议技术的要求。在本方案中“本地处理和通信设备”就是安装了Skype软件的计算机，远程教学各方不需要自建“会话管理设施”，直接使用Skype会话管理设施提供的服务。

2.实施方案

本文讨论两种备选的教学场景：场景1，教师在某地讲授，远程的学生分别坐在各自的计算机前听课并通过电子举手等方式进行讨论；场景2，教师在某地讲授，远程的学生集中在一间教室里听课。由于我们解决的是为在校生授课的问题，场景2更接近师生的日常教学活动，是一个更加合理的选择。如图3所示，本方案使用两条Skype通道分别支持师生双方的音、视频和计算机桌面。

图3远程教学系统的实施方案

其中Skype A1-B1用于传输教学场景，两只摄像头分别采集授课教师和教室中学生的实时视频图像，两端的话筒用于双向的语音传输。Skype A2-B2用于将教师端的PowerPoint幻灯片及计算机操作传输到教室，无需使用摄像头和话筒；在教师端用Skype的“共享桌面”或“共享窗口”功能采集计算机屏幕上的图像并传输出去，在教室里用投影机或其他设备显示收到的图像。

3.性能评价

采用Skype本身的功能查看传输参数，发现在大多数情况下传输的摄像头视频都为640×480像素，30帧/秒；屏幕共享的PowerPoint为1024×768像素，30帧/秒；远程交谈时没有感受到明显的不自然，根据网络视频会议的一般经验估计，端对端单向时延应在150ms以内[8]。由于Skype传输的是压缩后的数据，所以实际传送的数据量与内容的关系很大。根据校园网流量管理系统记录的数据计算，在一次远程教学中，音视频及PowerPoint两个通道的上下行流量合计平均为121kB/s；而另一次教学过程中，仅使用音视频通道产生的上下行流量合计就达到了平均189kB/s。

在所有的教学过程中，教师所用计算机和教室中计算机接入互联网的上下行带宽都高于1M，但两端间实际可用带宽受互联网影响，是终端用户无法控制的。中美之间的远程教学多安排在中国的早上/美国的晚上；美国与土耳其之间的教学多安排在美国的上午/土耳其的下午及傍晚。中-美和美-土之间的教学中都出现过因网络连接质量下降影响传输质量的情况，质量下降首先体现为画面刷新率降低，然后是画面分辨率降为320×240像素，最严重的情况下会导致Skype连接中断。不过，师生对话的音质一般都能得到保证，即使发生连接中断的特殊情况，通常重新连接就可恢复画面质量，从未发生过中断教学超过60秒的现象。有少数学校使用ISDN线路来支持跨国远程教学，但租用跨国专线或拨号线的费用都很高，近年来常见的做法都是通过互联网来实现端-端传输。随着全球互联网带宽的持续增加，特别是下一代互联网已连接了越来越多的高校，通过互联网传输实时远程教学的音、视频信号也更加稳定、可靠[9]。

四、教学组织与效果评价

远程教学系统是伴随着教学实践建立起来并不断优化的。初期，使用Skype为主要工具开通了中美双方“管理学院-商学院”之间的视频会议，让双方学院负责人能即时商讨合作中的具体事项，促成了其后的国际联合实习、双向授课等教学合作及其他合作；在这种视频会议中只需要单通道的双向音、视频传输。正式的双通道课程教学经历了以下三个阶段：

1.小规模课堂应用

图3所示的方案首次应用于美方教师在中方的研究生课程《信息技术管理》中做的一次客座讲座。这一次尝试仅涉及5名学生，2个学时；在技术上双方都只用到了教师的两台计算机、外接小型有源音箱、简易驻极体话筒、普通摄像头等设备及现成的校园网线路，无需额外投入设备；在教学管理上，由于涉及的学生和学时不多，对整个教学过程及教学秩序不会造成大的影响；中方课前向学院报备立刻就得到了批准，美方则无需报备。在此次应用中虽然上课教师的视频图像偶有模糊，但语音始终清晰；教师共享的桌面能实时传递到教室，多数情况下PPT翻页和鼠标指针的移动都与讲解保持同步。仅当视频图像模糊时共享桌面的传输也出现延迟，说明此时教师端和教室端之间的实际网络带宽不足，不过通常几分钟之内就能恢复正常。

本方案的第二次应用是由中方教师在美方的一门MBA课程中做客座讲座，仅有8名学生，远程教学的技术实现与第一次相似，主要的变化是这一次教师在中国而教室在美国。

2.大课堂的应用

小课堂、短时间的远程教学取得成功后，两个学院将一门36学时的本科生课程分为24学时的跨国远程授课部分和12学时的现场授课部分，用本方案支持远程授课。教师端没有明显的技术变化，教室端则在一间80座的教室里，用两台投影仪分别显示教师的视频和实时的PPT画面，以便让76名学生都能看到；为得到更好的视频采集效果，教室里使用了带自动对焦镜头的摄像头。一开始使用摄像头集成的话筒来采集教室里的声音，在进行技术测试时收音效果良好，但正式上课时却并不理想，教师反馈说“能听到教室里所有的声音，但听不清任何一位学生的声音”，分析认为摄像头集成的话筒灵敏度较高，指向性不强，要有安静的拾音环境或音源足够近才能得到合适的信噪比，大教室里学生与摄像头话筒的距离较远，也很难保证环境绝对安静，所以这种话筒不适于大教室。从第二堂课开始在教室里使用了2只无线话筒，拾音效果立刻得到了改善。

学生人数增加且使用无线话筒又产生了新的问题。多数中方学生由于语言障碍等因素本来就不太积极发言，现在发言之前还需要主动向其他同学索取无线话筒，进一步压抑了他们发言的意向，结果导致积极与教师互动的只是少数学生。为此，进一步优化了教室里的拾音系统，用一台消费级USB数字混音器代替了计算机内置声卡。由于是为家用设计，此混音器的操作十分简便；通过它接入了4只无线话筒和1只有线话筒，能让更多的学生更方便地与教师交流。不过发现技术上的这一点改进并没有显著增强学生主动交流的积极性。授课教师根据中国学生的特点改变了教学方式，一方面鼓励学生发言，另一方面经常点名让学生回答问题，促使更多的学生参与课堂互动。

3.更多远程应用

中美之间的教学验证了上述方案的可行性，随后，美方一位教师用此方案进行了美国-土耳其之间的远程授课；中方一位教师用此方案建立了教学通道，让一位广州的企业家能够远程给武汉的学生做嘉宾演讲。值得指出的是，最初实验本方案的中美两位教师都有信息技术（IT）专业背景，但其他使用此方案的教师和教学辅助人员都没有IT背景。教师端的设置相对较简单，一位营销学教授在出差时也能独自一人用两台笔记本电脑通过酒店的网络接入互联网向国外授课。教室端的设置相对复杂，但非IT相关专业的助教也能在1-2小时内掌握设置的方法。在多学时多次给一个学生班授课的情形下，可以由学生助手进行课前准备工作。在实践中，先后四届工商管理专业的学生都可以在助教指导1-2次后就能独立完成设置工作。

4.技术采纳与改进

在4年的教学实践中，对教室端的技术方案所作的改进，其演进路线如表1所示。

表1技术方案演进路线

Davis的TAM模型解释了有用性和易用性对技术采纳意愿和行为的影响，但尚未讨论技术的改进。实践表明，当某项技术得到采纳并投入应用后，人们能更加直观地感受到其有用性，从而更有意愿对技术进行改进，我们将TAM模型修订为技术接受与改进模型（Technology Acceptance and Improvement Model,TAIM）来反映这一过程（如图4所示）。其中，虚线部分在技术接受的初期起作用，实线部分在技术的持续改进过程中起作用。

图4技术接受与改进模型

五、结论与展望

根据技术接受模型，感知到的有用性与感知到的易用性都对技术的采纳有影响。本文提出了一种基于消费级技术的远程教学实施方案。该方案以Skype为核心组件，在普通办公和教学条件的基础上仅投入很少费用就可以实施，从而能让决策者直观地感受到远程教学的有用性；同时，由于采用的技术本身是面向消费者的，所以设置和操作都较容易掌握，解决了远程教学合作者感知到的易用性问题。

本方案初期应用于中美两校之间的客座讲座，后来发展到跨国进行教学计划内的大班授课，以及美国-土耳其之间的授课和中国国内不同城市之间的授课。此方案能很好地支持一位教师向远程教室中的大量学生授课，学生能同时看到教师的实时视频和电脑桌面；授课教师也能看到教室里的实时场景，听到学生的反馈或提出的问题；师生互动非常自然。跨国远程教学除了需要使用技术手段外，还需要考虑语言差异和师生间的文化差异，教师在用本方案授课时不需考虑太多复杂的技术问题，能将更多的注意力集中在传授知识、组织讨论等更重要的问题上。实践证明该方案易于采纳和实施，效果稳定、可靠。教育工作者在使用该方案时可以直观地感受到远程教学的有用性，这种体验又可以推动对方案的修改和完善，使之适用于更多的场景。

利用微软提供的Skype URIs等机制，可以在本方案的基础上进行二次开发，实现与教务系统、教学论坛及其他教学资源的无缝集成。由于底层技术只支持不超过10个节点间的同时会话，规模扩展性有限，本研究只实践了教师-教室之间的远程授课。如果需要教师向分散在各地的学生授课，则仍需考虑使用专业视频会议设备方案。

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[1][3]Jones A Y M,Dean E,Hui-Chan C.Comparison of teaching and learning outcomes between video-linked,web-based,and classroom tutorials:An innovative international study of profession education in physical therapy[J].Computers&Education,2010,54(4):1193-1201.

[2]张宪生.中日韩跨国远程教育与研究生教学模式改革探索[J].学位与研究生教育，2007，（07）：42-45.

[4]许罗莎.国际交流中的“合作性学习与独立学习”——以中日韩跨国远程教学为例[J].广东外语外贸大学学报，2009，20（5）：105-107.

[5]唐玲.跨国实时同步交互式教学实践[J].中国远程教育，2007，（12）：61-63,76.

[6]Tipton P H,Pulliam M,Allen S H et,al.Lessons learned:Pointers for successfully teaching via videoconferencing[J].Teaching and Learning in Nursing,2011,6(1):27-30.

[7]Sánchez R A,Hueros A D.Motivational factors that influence the acceptance of Moodle using TAM[J].Computers in Human Behavior,2010,26(6):1632-1640.

[8]Kurose J F,Ross K W.计算机网络——自顶向下方法（第四版影印版）[M].北京：高等教育出版社，2009：636.

[9]Kaltenbach T,Muto M,Soetikno R et al.Teleteaching endoscopy:the feasibility of real-time,uncompressed video transmission by using advanced-network technologies[J].Gastrointestinal Endoscopy,2009,70(5):1013-1017.