高校移动式自主学习环境构建研究—跨平台课堂录像点播系统的设计与实现

赵辰阳，徐 明

江苏师范大学教育研究院，江苏 徐州 221116

随着移动通信技术的发展，各种移动智能终端正逐渐成为个人与社会连接的新型信息接入端口。根据市场研究公司尼尔森发布的《2013移动消费报告》显示，中国智能手机普及率已达66%［1］。数量庞大的移动智能终端进一步促进了终端应用产业的发展，这其中就包括了对移动学习的推动。移动学习是指以无线移动通信设备获取教育信息、教育资源和教育服务的一种新型数字化学习形式［2］。它突破了数字化学习对“线”的依赖和对“电脑”的限制，从而突破了时间、空间的限制，实现了在任何时间、任何地点为任何学生提供学习支持的目的，满足学生获取任何教学内容的学习需求。

移动学习为学生提供了网络、设备、资源和平台，为学生传递知识内容、创建学习环境，有效地促进了学生的学习活动。真正使得学生在某种特定环境中学习机会少、效果差和效率低等问题得到解决，满足终身化学习和个性化学习的要求，方便灵活地实现移动式教学活动。但是，由于移动设备操作系统的多样性以及互不兼容性，不同平台应用软件的界面风格、交互方式、编程语言和编程接口等诸多方面都存在差异［3］，这使得开发者需要针对不同的使用平台设计功能相似的学习软件，很大程度上增加了开发者的劳动强度，同时，在软件维护或者更新时，也造成了不必要的技术负担。

在考察研究现阶段移动技术的基础上，充分考虑到移动终端的特性，使教学多媒体资源流畅地运行在不同移动终端上，为使用不同移动终端的学生构建一个跨平台的统一接入门户成为移动学习中亟待解决的问题。

1 跨平台课堂录像点播系统设计

1.1 跨平台课堂录像点播系统设计思想

面对移动终端多样化操作系统和差异化特性的现状［4］，基于移动终端的学习系统必须解决跨平台难题。解决难题的方案是认识到资源、交互和学习本身之间的联系，并设法取得开放的、可重用的资源平台。设计基于Web 2.0的移动式跨平台课堂录像点播系统，使教学活动在不学生习者、不同平台之间达到相对一致。

跨平台课堂录像点播系统需要为用户提供在不同终端之间的无缝服务，既不依赖于操作系统，也不依赖于硬件环境，如图1所示。录像资源可在不同终端中使用，包括智能手机、平版电脑以及普通PC。在分析移动学习系统功能需求的基础上探讨移动式跨平台课堂录像点播系统实现的关键技术，集合不同技术的特点和优势，设计适应不同功能需求的系统框架结构，遵循网络教育技术标准形成基于智能移动终端的移动式跨平台课堂录像点播系统设计的整体方案。

图1 移动跨平台逻辑结构

1.2 跨平台课堂录像点播系统设计标准

1.2.1 以学生为中心 改变以教师为中心的教学现状，从关注教师的“教”转变为关注学生的“学”，强调以学生为中心，以移动设备为辅助手段，以课堂录像视频为内容，激发学生的学习动机，培养学生的主动学习习惯，养成学生负责任的学习态度。

1.2.2 技术标准统一化 从技术标准的角度，在搭建跨平台课堂录像点播系统框架设计时各模块或服务应当采用统一的技术标准与操作规范，便于整合已建设完成的平台与未来所开发的平台、兼顾移动教学资源的共享与流通，实现移动学习平台的再用性、持久性、互操作性、可管理性、经济性等重要特点。

该设计所涉及的技术标准均按照中国网络教育技术标准体系［5］严格执行。主要参考的标准有《CTLTS-3学习对象元数据规范》、《CTLTS-41教育资源建设技术规范》、《CTLTS-42基础教育资源元数据应用规范》和《CTLTS-9内容包装规范》。

1.2.3 与传统教学一体化 作为一种全新的教学手段，需要与各种传统学习方式相结合才能获得更好的学习效果。设计开发应立足于高校教育，以利于学生参与及投入思考为出发点。平台资源的开发要整合传统课堂教学内容，在内容难度、分类、媒体、语言等方面都要考虑到不学习者的习惯与爱好。此外，还要适合不同的学习方式，既能独立使用，又能以小组探讨方式使用。

1.3 跨平台课堂录像点播系统物理架构

图2为该设计采用的跨平台课堂录像点播系统，主要由课堂录制设备、多功能网络管理平台、存储服务器、数据服务器、转发服务器、跨平台转发服务器、Web站点和配套软硬件设备等几个部分组成。来自于前端设备(PC机、摄像头、话筒、投影仪)的信息，通过中控器部分组合实现视频源采集和处理;采集后的视频经录像服务器、转发服务器完成分发和存储工作;各种不同操作系统的移动设备访问Web站点，连接转发服务器从数据服务器中获取教学视频资源。

图2 跨平台课堂录像点播系统物理架构

2 跨平台课堂录像点播系统功能模块

跨平台课堂录像点播系统实现了课堂教学活动的视频录制、视频转发存储、跨平台视频点播等主要功能，系统主要包含了课堂视频录制与编码模块、教学资源转发与存储模块和跨平台环境交互模块。

2.1 课堂视频录制与编码模块

课堂视频的录制采用全自动录播制作方式，由录制设备、中控、校园网三大部分构成。录制设备由三路摄像头和教师拾音话筒构成，三路摄像头分别拍摄教师画面、学生画面和课件画面;拾音话筒负责教师上课语音的采集。视频采用多流录制模式，将课堂录制的三个画面压缩同步，在一个屏幕中分屏显示。

在视频采集中，编码器与摄像头连接，将输入的信号经MPEG-4压缩技术生成码率为500 kbps、分辨率为720×576/CIF的asf流媒体格式文件。编码完成后的文件再输入到流媒体分割器，将文件切割为10秒最小单位的ts文件，同时生成一个包含所有ts小文件的m3u8索引文件，并随新数据的产生不断更新索引文件。编码后的文件通过校园网传输至服务器端存储。

2.2 教学资源转发与存储模块

服务器集群包含录像服务器、转发服务器和跨平台转发服务器。录像服务器负责录播课堂录像数据的存储、控制，以及与多功能网络管理平台、直播系统的通信，并将数据采集设备状态按时返回给服务端。转发服务器的设置位于录像服务器和客户端之间，所实现的功能是与录像服务器建立连接，实时获取视频流，再将视频流转发给访问客户端，解决网络宽带及录像服务器自身对硬件和文件传输要求的限制，降低多客户端同时预览同一录像服务器时带来的负担。

2.3 跨平台环境交互模块

跨平台环境采用了Web模块化系统设计［6］，由表现层、业务逻辑层、数据访问层外加云资源平台组成，如图3所示。系统结构清晰，软件耦合度低，便于管理和维护。

表现层(UI)。该层为学生提供了平台操作界面，根据功能分为学习、交流、存储、管理几个子模块。学生通过移动设备利用无线网络、GPRS、3G等移动通讯网络与表现层交互，进行教学视频点播观看、教学研究等学习活动。

图3 跨平台课堂录像点播系统三层架构模型

业务逻辑层(BLL)。该层封装了跨平台环境的具体业务逻辑服务，包括用户组件、存储组件、软件组件、资源组件、交流组件和信息组件。负责对表现层的应用请求事件进行数据处理和业务判断，并将结果返回给表现层。

数据访问层(DAL)。该层为平台提供数据访问以及Web服务功能，负责进一步处理业务逻辑层转来的事务，通过分析处理后将业务过程通过接口程序递交给云资源平台，实现教学资源的提取与转发功能。

云资源平台。云资源平台是整个系统的核心部分，也是最终执行模块。通过接口程序接收业务逻辑层和数据访问层递交的业务进行计算与管理，再将结果数据依次由接口传给学生。云资源平台包含了资源存储、计算、管理三大模块，负责对视频资源的增、删、改、查工作。

2.4 Web站点服务

Web网站的设计以学生的习惯和需求来进行，具备易用性、互动性和超前性三个特点。该系统Web站点基于HTML5设计，能够适应以用户为中心的设计需求，提供给用户新的Web体验方案。

网站服务整体架构如图4所示。站点功能主要由以下三部分组成:

图4 基于HTML5网站架构

①视频分发服务:一般由录像服务器构成，为直播和点播数据提供下载服务，并且负责分发视频数据和索引文件。

②Web前端网页:以HTML5为准则构建前端网页。HTML5支持的视频格式有ogg、MPEG-4、Webm三种。其中，MPEG-4以其视频体积小、画质优、浏览器适配广等优点被广泛使用［7］。后台管理员将录像视频剪辑修改并转换成MPEG-4格式后使用HTML5特有的＜canvas＞，＜video＞，＜audio＞等多媒体标签嵌入网页。此外，Web网页还为客户端提供视频资源访问的菜单索引服务和视频播控服务，一般通过数据库与后端录像服务器连接。

③客户端:客户端通过浏览器访问Web网页，进行教学视频点播操作，所使用的浏览器需满足支持HTML5标签的识别和支持HTTP协议的流媒体播放器两个基本要求。

3 跨平台课堂录像点播系统应用

3.1 跨平台课堂录像点播系统测试

我们对目前市场上主流的移动平台和浏览器(如表1所示)进行了运行测试，通过测试结果检验该文设计开发的课堂录像点播系统是否能够实现跨平台功能。

表1 跨平台课堂录像点播系统各平台浏览器支持度

表1中的内容为各个浏览器对应的版本号，打勾表示该平台或者浏览器支持跨平台课堂录像点播系统的使用。从表中可以发现，除了IE浏览器的早期陈旧版本由于自身对多媒体视频播放兼容度较差(微软的操作内嵌的IE浏览器，一直被用户视作鸡肋，实际上用户基本都是选择另外的浏览器作为主要浏览工具)，故对该系统的支持力度不是很好外，其他大部分主流平台的浏览器都能较好的使用课堂录像点播系统，系统基本实现跨平台功能。

3.2 跨平台课堂录像点播系统点播应用

图5所示为使用平板电脑通过浏览器访问系统，获取云存储平台内的教学资源。除了观看教学视频以外，学生用户登陆后可以进行精品课评选活动;教师用户登陆后可以进行教学研究等活动。

图5 平板电脑访问平台效果图

该文提出的跨平台课堂录像点播系统以Web技术作为系统框架，以云存储技术作为资源中心，实现教学资源的统一管理，整体上构建了高校移动式自主学习的跨平台环境。打破了由于移动设备系统多样性及自身性能差异性造成的移动学习难以普及的障碍，对移动学习从E-Learning到M-Learning再到ULearning的发展变革有着重要意义。

［1］中文互联网数据研究资讯中心.尼尔森发布《2013移动消费者报告》［EB/OL］.http://www.199it.com/archives/96690.html，2013-02-26

［2］叶成林，徐福荫.移动学习及其理论基础［J］.开放教育研究，2004，(3):23-26

［3］张志祯.中国教育网络［J］.中国教育部科技发展中心，2013，(6):29-32

［4］张志杰.智能手机操作系统的竞争与发展研究［D］.北京:北京邮电大学，2012:53-56

［5］杨宗凯，吴砥，刘清堂.网络教育标准与技术［M］.北京:清华大学出版社.2003:57-102

［6］王明文，朱清新，卿利.Web服务架构［J］.计算机应用研究，2004，(3):93-94

［7］刘华新，杨庚.HTML5-下一代 Web开发标准研究［J］.计算机技术与发展，2011，21(8):54-58