基于“视频同步互动”的分布式学习专用教室设计与实现*

黄 勃 ，汪学均 ，沈 蕾 ，王会燕 ，熊才平,2①

(1.华中师范大学 教育信息技术学院，湖北 武汉 430079；2.华中师范大学 信息化与基础教育均衡发展协同创新中心,湖北 武汉 430079；3.武汉交通职业学院 实践教学中心，湖北 武汉 430065)

基于“视频同步互动”的分布式学习专用教室设计与实现*

黄 勃1，汪学均1，沈 蕾3，王会燕1，熊才平1,2①

(1.华中师范大学 教育信息技术学院，湖北 武汉 430079；2.华中师范大学 信息化与基础教育均衡发展协同创新中心,湖北 武汉 430079；3.武汉交通职业学院 实践教学中心，湖北 武汉 430065)

为更好地研究分布式学习，华中师范大学信息化与基础教育均衡发展湖北省协同创新中心探索建设“视频同步互动”分布式学习专用教室：通过异地教师视频影像前端显示、异地教师授课资料前端显示、异地学生听课影像后端大屏幕显示、声音在教室内全覆盖同步互传等技术和工艺方法改进措施，将两地之间的学生通过网络技术融为一体，开展正常的课堂教学活动，实现了真正意义上的分布式学习。

视频互动；分布式学习；教育公平；教育技术

一、分布式学习需要异地“视频同步互动”教学环境

随着分布式存储技术的发展，数字化学习、教学资源不再局限于本地存储，也不局限于本地使用。学习者、教授者、学习资源和教学资源分布在全球网络的各个节点，教与学行为可以随时、随地发生[1]。这种新型的不以固定学习场所为中心、不以教授者为中心的分布式学习(Distributed Learning)[2]，正为教育研究者们所关注、研讨和探究，有可能成为信息时代教与学变革发展的趋势。

从学习方式来看，分布式学习主要有两大类：一类是基于数字化学习资源的学生自主学习式的分布式学习，一类是基于远程协商的师生互动的分布式学习[3]。其中，基于数字化学习资源的学生自主学习分布式学习，学习资源丰富、多样，资源针对性强，学习者以在线自主学习为主，学习参与者众多。典型的如大规模在线开放课程(MOOCs)——针对一个学习专题，提供视频、动画、图片、声音、文字等多种媒介组合的丰富的教学资源：有学习需求的学习者，都可以参与学习，一个专题资源，学习者动则上万人；参与学习者可以不分时间、地点和时间段，通过多种终端自主学习。虽然学习者之间、学习者和教授者之间有少量学习互动，但针对学习疑惑的互动深度不够。基于数字化学习资源的学生自主学习分布式学习存在的最大问题是学习者自主学习过程中遇到学习困难或障碍时，得不到教授者或学习伙伴的及时、深入答疑。因此，这类教学模式只适合自主学习能力强的高年级学生或成年人学习。基于远程协商的师生互动分布式学习，拥有丰富的自主学习教学资源，同时能够很好地解决自主学习能力较弱学习者的互动答疑问题，是分布式学习的必然发展趋势。但现阶段仅停留在“基于社交网络”的个别化教学互动层面，不能够实现大范围内的师生视频同步互动，并且社交软件不太稳定，为确保教学活动顺利开展，更不能在课堂教学中随便使用。

教学活动不是单一的学习者获取知识，也不是单一的教授者传授知识，而是教授者以班级为单位，按照一定的教学原则，通过讲解让学习者明晰知识结构，通过学习者自主学习掌握知识，通过师生交流达到释疑解惑、深入理解、启迪智慧的目的。从这个角度讲，单一的“基于数字化学习资源的学生自主学习”，或者单一的“基于社交网络”的个别化教学式的分布式学习，均不具备完整的教学活动，都不是严格意义上的“分布式学习”。班级授课的长期存在，是因为其教学环境具备社会性存在、教学性存在和认知性存在[4]。真正的分布式学习，也一定要让异地学习者能够感受到课堂教学的氛围，符合课堂教学习惯和学习者多年参与班级授课所形成的思维定势。因此，利用网络技术组建空中课堂，让学习者获取网络学习资源的同时，及时与教授者互动答疑，广泛参与学习伙伴之间的同步学习交流，接受教授者的督导，才可能促使学习者在宽松、自然的学习氛围中开展持续性的学习活动。这需要建设基于“视频互动”的分布式学习专用教室，通过视、音频同步互动，使分离状态下的学习者、教授者获得近似面对面交流的效果，增进分布式学习课堂教学临场感。

二、基于“视频同步互动”的分布式学习专用教室设计思想与要求

在分布式学习过程中，学习者访问信息并不等同于获取知识，教授者应帮助学习者将资源转化为个体的知识。分布式学习从教学内容、教学过程和传递方法等诸方面有别于常规班级授课，也不同于远程教育，其核心是提供一种虚拟的团体交互形式，鼓励团体合作，提高学习效果[5]。目前的分布式学习存在的主要问题是：缺乏有效的课堂管理机制，课堂教学中缺乏直接的交流与沟通，师生之间、生生之间情感联系薄弱，使得学习者的学习动机呈现出不确定性、个性化、动态化等特点[6]。因此我们的分布式学习专用教室设计思想是：在提供高质量的网络学习资源的同时，通过视频、音频等同步互动技术，使教师、学生沉浸在虚拟的学习环境中，在视频技术的帮助下，洞察异地的真实世界，让处于准永久分离状态下的教授者和学习者通过“视频同步互动”技术重构开放的、共享的、协作的课堂学习环境。

根据我国班级授课的实际情况，我们建议前期每所学校只需要改造一间普通教室，建设成为基于“视频同步互动”的分布式学习专用教室，用于从技术上实现分布式学习，探索创新分布式学习教学模式，并检验分布式学习教学效果。其设计要求如图1所示，包括以下五个方面：

一是学生能看到异地教师授课影像和授课资料。教室的前端使用双屏电子白板显示，其中a电子白板同步显示异地教师授课的近景影像，b电子白板同步显示本地教师或异地教师的授课资料，确保教室内的所有学生随意观看教师影像或教师授课资料，争取异地教师影像授课与本地教师真实授课效果逼近。

图1 “视频同步互动”分布式学习专用教室示意图

二是授课教师如同看见本地学生一样，能够清晰地看到异地学生。教室的后端装备高清晰度的大屏幕墙e，用于显示异地学生听课的同步影像，确保本地授课教师在授课过程中能够清晰地监督到异地的任何一名学生，方便本地教师和异地学生同步互动。将异地学生显示在教室后墙的另一个重要原因是，确保异地学生影像不进入本地听课学生视域，减少对本地学生听课的影响。

三是实现异地之间学生演板信息都能够看见。异地学生演板，本地学生不能看见异地演板学生，但演板信息能够在本地电子白板b上同步显示。

四是教室顶部安装全指向性话筒，让教师、学生在教室内的任何一个地方讲话，都不需要外戴话筒，尽可能实现异地之间师生问答的声音无障碍传递。

五是设备操作功能集成，确保操作简单易学，方便教师使用。考虑到教师的主要精力是研究教学，不能因为设备操作而浪费时间，该专用教室设计要求操作集成化，教室内不能有任何闲杂人员影响教学。

三、“视频同步互动”分布式学习专用教室功能实现行动研究

根据上述设计思想，华中师范大学信息化与基础教育均衡发展湖北省协同创新中心自2013年9月开始，采用行动研究方法，不断调整建设思路和修改建设方案，于2014年8月止，历时1年时间，建成两间“视频同步互动”分布式学习专用教室。两地之间通过网络实现了资源、教师、学习者之间的分布式学习，技术方案可行，基本教学功能全部实现。

(一)异地教师授课影像采用专用电子白板在教室前端同步显示

在基本实现异地教师授课影像同步显示技术实现的基础上，通过行动研究，利用电子双板技术，将教室前端的一块电子白板固定显示异地教师同步授课影像，避免单一屏幕交替显示教师的授课影像和授课资料的局面，将学生是否观看教师授课视频的权利交还给学生，让学生听课或与教师交流，如同与教师面对面。通过测试学生反应，我们将固定拍摄更改为自动寻像跟踪拍摄教师，教师可以在教室内随意走动授课，但异地教室内前端显示屏幕上始终跟随显示教师授课影像。并将教师授课影像拍摄设置由全景改为近景，方便学生观察教师的肢体语言。

(二)教室前端电子白板同步显示异地教师授课资料和异地学生演板信息

“视频同步互动”分布式学习专用教室前端的另一块电子白板，显示异地教师授课资料(如PPT或教学视频)，并保证两地之间教师授课资料同步显示，从技术上实现了分布式学习资料显示的无缝对接。考虑到中、小学课堂教学过程中，通过找学生演板了解学生掌握知识的程度，是必不可少的教学环节。本地教师可以现场观摩、点评本地学生演板，但本地教师如何了解异地学生演板情况并给予及时点评？我们不断改进信息传输技术，最终通过一次切换，实现了异地学生在异地电子白板上演板，其演板信息同步传输到本地教室内的电子白板上，供本地学生观摩、老师远程点评。

(三)在教室后端安装大屏幕墙同步显示异地学生听课影像

最初的设计，是将异地学生听课的影像同步显示在教室前端的小屏幕上，虽然技术上实现了，但教学测试过程中，发现本地学生抬头就可以看到异地学生，严重影响本地学生注意力。我们修改为异地学生同步听课影像后端显示，这样本地学生背对异地学生影像，不回头是看不见的。随之而来的问题是，教师看不清楚10米以外的小投影屏幕。通过多轮行动测试，我们将异地学生同步听课影像后端显示，减少对本地学生的影响；大屏幕高清晰度显示，方便教师直接观察到异地学生个体，并能看清楚异地学生课桌上的台签，远端教师通过台签直接点名，与学生随时互动。

(四)通过安装全指向性拾音器实现整间教室内全覆盖同声传递

从教学角度讲，声音的同步互传，其作用和意义超过视频的同步互传。早期设计是，教师通过佩戴专用耳麦，实现教师授课声音的同声传递。学生需要回答问题时，通过辅导教师传递话筒实现学生声音的同声传递。问题是，话筒传递需要耗费时间，就是这3-5秒的时间，可能影响学生的灵感和思维，造成学生举手后，等拿到话筒却忘记自己拟定答案的局面。第一轮改进是，取消话筒传递，学生均佩戴无线耳麦。但这样学生进场准备时间过长，并且全班每个学生佩戴耳麦，相互之间有声场影响。通过多轮测试和抑噪技术，我们设置一间教室内只顶置一个全指向性拾音器，整间教室内任何一个地方，全覆盖拾音，并无损失地传递到异地教室，实现了师生、生生异地之间同步互动。

在两地之间通过网络技术实现教师对异地学生的全监控、师生视频影像互传、师生声音互传和教师授课资料、学生演板信息互传的基础上，为消除教师对信息技术设备的恐惧心理，方便教师尽快投入使用，我们对全部设备做了集成化处理：上课只需要一键开启，即进入两地之间同步授课、研讨模式，除开启正常的使用电子白板教学以外，再不需要任何其他操作。如果需要异地学生演板，则需要两地之间各简单地操作一次控制台：异地教室发出一个演板请求，本地教室接受该请求即可。在我们多次测试的过程中，教师完全独立教学，设备性能稳定，不需要任何辅助人员在场。

四、“视频同步互动”分布式学习专用教室功能检验

自2014年9月开始，我们在上述两间“视频同步互动”分布式学习专用教室内，开展了针对讲授式、讨论式和自主探究式的传统课堂教学模式的检测活动。检测对象包括博士生自主探究课程“教育资源管理”、硕士生研讨课程“文献选读与论文写作”和本科生讲授课程“教育技术学文献选读”。通过多轮检测，在设备性能稳定、教学效果良好的基础上，我们于2014年9月开始邀约小学各学科进入该教室，进行“视频同步互动”分布式学习专用教室功能检验，基本达到我们的设计初衷。

声音互传方面：本地教师授课的声音同步传递到异地教室，96.32%的异地学生认可声音清晰，无明显滞后。教师在教室内任意走动教学，声音亦能清晰地传递到异地教室，听起来没有明显变化。本地和异地任何学生提问或答问，98.66%的学生认可声音可以清晰地传递到异地教室。由于音频的采集、编码、传输、解码、回放等，与单一教室构成的教学空间相比，声音滞后3-5秒，但在可容忍范围之内。这有点像打越洋长途电话，开始时有滞后，后面就连续了。在教学互动过程中，需要授课教师有策略地给问答者一点思考的时间，就可以很好地消除声音滞后的问题。

视频互传方面：教师授课的图像清晰地显示在异地教室的前端电子白板上(如图2所示)，93.22%的异地听课学生认为与本地听课无差异，可以像本地听课学生一样，自主选择看教师影像、看教师授课资料、或自主学习，和本地学生学习情境无明显差异。同步互传的教师影像，其声音和图像基本同步，几乎观察不到声音略滞后于图像的问题。教师在教室内任意走动教学，自动寻像系统能够很好地跟踪拍摄，确保教师在画面内。

图2 异地学生通过“视频同步互动”分布式学习专用教室聆听本地教师同步授课的真实场景

在教学资源互传方面：教师授课资料，在教师操作电脑调取、切换的同时，同步传递到本地电子白板和异地电子白板上。教师操作本地电子白板，异地电子白板同步显示。从实际情况来看，教学资源异地同步互传功能完全实现。但在传递过程中，12.13%的异地电子屏幕上会出现1-3秒的“花屏”现象，没有视频流畅，我们还在寻求改进的技术方案。一个可以接受的事实是，教学资源一般不会连续切换，比如一页PPT一般也需要显示3分钟时间，所以偶尔出现的停滞和花屏现象，基本能够容忍。

异地师生互动和教学监控方面：教室后端的大屏幕高清晰度幕墙，将本地学生和异地学生完全融为一体(如图3所示)，教师俯视看到本地学生，平视看到异地学生，两地学生的一举一动，均在教师的监控之下，方便教师课堂教学管理。特别重要的是，在中小学课堂教学过程中，提问、答疑是常态，教师通过该幕墙观察学生举手情况，直接看台签点名，让本地和异地学生享受同等的教师关注。

五、研究结论及后续研究展望

图3 教师通过“视频同步互动”教室的后墙大屏幕与异地学生同步互动的真实场景

华中师范大学信息化与基础教育均衡发展湖北省协同创新中心基本完成两间“视频同步互动”分布式学习专用教室建设，能够通过网络技术，将两地之间的学生融为一体开展正常的课堂教学活动。该专用教室在多轮行动研究探索的基础上，形成了基于“视频同步互动”的分布式学习专用教室建设规范。

第一，主讲教室内异地学生的同步视频影像后端大屏幕显示。让主讲教师能够感受到本地、异地学生融为一体，方便教学管理及异地问答，并且大幅度降低了异地学生视频影像对主讲教室内学生的教学干扰。

第二，异地教室内前端双屏电子白板显示，一个屏幕同步显示主讲教师授课资料，另一个屏幕同步显示主讲教师近景视频影像。让异地学生在看教师讲授资料与看教师讲授视频的视觉交互感受方面，与主讲教室内学生身临其境的感受接近。

第三，通过顶置全指向性话筒传递音频，异地之间教室内任何地方说话，声音效果一样。主讲教师来回走动授课，异地之间学生回答问题，均无传递话筒的时间停滞，授课、回答问题等回归自然。

第四，异地之间授课资料任意双向同步传输。异地学生在异地演板，主讲教室内师生能同步从电子白板上看到演板内容。异地之间教学资料同步互传，打破了异地教室内学生被动听课的局面，异地之间没有主、副场之分，实现了真正意义上的“分布式学习”。

后续，我们将在这两间专用教室内广泛开展针对中小学课堂教学的适应性研究，比如针对学科教学的人文社科类、理工科类、艺术类教学适应性研究，同时也开展针对不同教学形式的教学模式如讲授式、探究式、研讨式课堂教学模式的适应性研究。我们还将在这两间专用教室内开展未来教育新型教学模式探索，如基于资源的分布式学习教学模式研究，基于互动的分布式学习教学模式研究等。

一个迫切的现实问题是，我国偏远山区、农村薄弱学校的优质教师资源严重匮乏。只要每所学校有一间“视频同步互动”分布式学习专用教室，就可以通过该专用教室开展学校与学校之间的“一对一”异地同步视频互动网络支教：重点学校教师在给本地学生上课的同时，通过该专用教室，实现对异地学生的同步教学。这为缓解中国教育公平问题探索出一个全新的解决方法和途径，也是全面开展分布式学习教学模式研究的一个前奏。

[1]钟志贤,张琦.论分布式学习[J].外国教育研究,2005,(7):28-33.

[2]Steven Saltzberg, Susan Polyson. Distributed Learning on the World Wide Web [DB/OL]. http://hagar.up.ac.za/catts/learner/nuwe/project.htm,2011-11-12.

[3]熊才平.教育在变革——论信息技术对教育发展具有革命性影响[M].北京:科学出版社,2013.165.

[4]陈仕品,张剑平.基于网络新技术的远程教学生态重构研究[J].中国电化教育,2012,(4):42-46.

[5]瞿堃,顾清红.网络时代的远程教育——分布式学习[J].中国电化教育,2000,(3):48-49.

[6]周效章.基于ARCS的分布式虚拟教学中的学习动机设计探究[J].中国电化教育,2013,(4):56-59.

黃勃：硕士，高级实验师，研究方向为实验室建设与管理(516767183@qq.com)。

汪学均：讲师，博士生，研究方向为教育技术、教育信息化(w.xuejun@163.com)。

沈蕾：硕士，研究方向为教育技术、教育资源管理(752229163@qq.com)。

王会燕：硕士生，研究方向为教育技术、教育资源管理(525161591@qq.com)。

熊才平：教授，博士，博士生导师，研究方向为教育技术、教育信息化、教育资源管理(cpxiong@163.com)。

2015年1月20日

责任编辑：赵兴龙

Design and Implementation of Synchronous-Video-Interaction-Based Distributed Learning Classroom

Huang Bo1, Wang Xuejun1, Shen Lei3, Wang Huiyan1, Xiong Caiping1,2
(1.School of Educational Information Technology, Central China Normal University, Wuhan Hubei 430079; 2.Information and Balanced Development of Basic Education Collaborative Innovation Center, Central China Normal University, Wuhan Hubei 430079;3.Teaching Practice Center, Wuhan Vocational College of Transportation, Wuhan Hubei 430065)

In order to better research distributed learning, CCNU Information and Balanced Development of Basic Education Collaborative Innovation Center in Hubei Province has explored into the building of the synchronous-video-interaction-based distributed learning classroom. Aiming to integrate the students in two different places through network technology, carry out normal classroom teaching activities and achieve the real-sense distributed learning, the following measures are taken through synchronous mutual transmission technologies and applications: display remote teacher’s video images and teaching information in the front of the classroom, display remote students’ video images on a back-end large screen, achieve a full coverage of sound pickup and synchronous transmission in the classroom.

Video Interaction; Distributed Learning; Educational Equality; Educational Technology

G434

A

1006—9860(2015)06—0069—05

* 本文系国家自然科学基金重点项目“基础教育公平实现机制与服务均等化研究”(项目编号：71433004)、国家自然科学基金面上项目“基于网络的教育资源配置方法、路径与绩效评价研究”(项目编号：71273108)的阶段成果。

① 熊才平为本文通讯作者。