实验室远程双向可视辅导系统的构建与应用

薛胜兰

(韩山师范学院　教育技术系，广东　潮州　521041)



实验室远程双向可视辅导系统的构建与应用

薛胜兰

(韩山师范学院教育技术系，广东潮州521041)

教师的辅导是影响实验室开放效果的重要因素。该文将实验室管理通过信息传输网络与移动终端相融合，构建远程双向可视系统，通过智能手机、PDA等移动终端实现随时随地的远程可视实验辅导，对加强实验管理、提高开放效益有很大的帮助。同时结合实际应用，在构建双向可视系统的基础上，进行远程实验指导的应用分析。

实验辅导；远程可视；移动终端；应用分析

随着现代高校对实验室建设越来越重视，实验室的投入不断增加，实验设备得到了持续的扩充和完善，鼓励学生积极参加实验课程有助于提高学生理论联系实际的能力，思考能力和解决实际问题的能力，从而增强学生的综合素质能力；实验室里的先进设备也能够得到更充分的利用和体现高校实验室存在的综合价值；实验室向学生全面开放，在条件允许的情况下，还可以进一步向社会开放[1]。因此，各类实验室开放管理必然会得到进一步加强。然而，在实验室开放存在的问题中，缺少教师的有效指导是影响开放效果的重要因素之一[2]。根据实际经验，非上班时间安排教师在实验室值班辅导，比较麻烦。对于实验辅导，大多数情况是学生碰到问题时，教师给予适当的指点，没有必要全程跟踪。鉴于此，采用先进的互联网技术搭建一个教师和实验学生之间远程沟通的可视化平台，这样教师就可以通过智能手机或其他智能移动设备实时了解实验现场和帮助有需要的同学顺利完成实验[3]。远程双向可视化教育平台的实现，不仅可以提高开放实验室的管理效率，而且对改善实验教师的教学也很有帮助。

互联网+技术首次载入“十三五”规划，得到了广泛的推广和普及，远程双向可视化教育平台的硬件技术实现越来越容易，硬件管理或维护也简单方便[4]；目前移动宽带不断提速，移动视频数据传输越来越快，资费越来越低，远程双向可视化教育平台的实现已经没有障碍。

根据经验，远程双向可视化教育平台的完成，教师就可以通过智能手机或其他智能移动终端实时了解实验现场和帮助有需要的同学顺利完成实验，实验过程实时显示在教师的智能手机等移动终端上；实验过程自动录像，教师可以随时通过手机远程回放实验过程，实现远程实验辅导、答疑、回放等工作。

1　双向可视化平台的结构原理

教师端的智能手机或iPad等智能移动终端和学校实验室里的网络摄像机是组成远程双向可视化系统的主要部分，双向可视化系统的结构框图如图1所示，通过智能终端前置摄像头实时摄录的教师端画面和网络摄像机拍摄的实验室图像经过无线通信网络，显示在各自的屏幕上[5]；声音通过双方的话筒传输，真正实现远程双向可视化实时辅导。

图1　双向可视化系统结构图

1.1双向可视化系统通讯

网络摄像机具有电机驱动云台、液晶显示屏、RJ45网络接口和Wifi功能，相当于微型电脑和摄像头的结合体，不仅可以传输视频或音频信息，而且可以通过内部系统联网，对接收到的视频或音频信息进行压缩、存储或加密处理，甚至可以管理电机等工作[6]。摄像头的状态可以通过内部操作系统进行设置，在联网成功的状态下，集成在系统里的软件能按照设置好的程序，启动静态或动态IP进行网络连接，当连接网络成功后，得到的子网掩码、IP地址等内容将出现在液晶显示屏上；同时，网络电话摄像机等效于一台服务器，可以通过互联网上传和接收数据。当位于教师端的手机或平板电脑以一定的协议，通过3G、4G、Wifi等接入互联网，接收到来自网络摄像机的视频、语音通过相应的移动端应用程序，显示于手机屏幕上。同时，移动终端反向发送数据到实验室内的网络摄像机上显示图像和语音、控制摄像头旋转等。

移动智能设备和网络摄像机必须都连接上互联网才能进行正常通讯，而且要经过校园网计费网关；然而，网络摄像机不可能直接接入校园网，因为网络摄像机无法登录校内网计费平台。所以，网络摄像机需要经过路由器接入校内网，并且要借助与此路由器相连接的计算机登录计费平台。要使网络摄像机成功接入外网，需要开通此路由器接入互联网的权限，这样视频通话信息才能通过校园网的计费网关[7]。

1.2双向可视化系统的组建

1)双向可视化系统的硬件安装。

现阶段高校实验室都配置有校园网接入端口，购买一台无线路由就可以实现整个实验室内Wifi信号的全面覆盖；实验室中的网络摄像机使用Wifi无线接入，只需准备一些可充锂电池或常规电源即可使用[8]。网络电话摄像机需要配备大容量的SD卡，便于储存拍摄的录像；网络电话摄像机的分段录像时长等常规设置，按照说明书进行配置即可。

2)双向可视化软件安装。

智能移动终端软件的安装需要区分不同的操作系统，采用Android系统的智能移动终端到Googleplay下载安装2cuAPP，使用苹果IOS操作系统的用户需要到苹果应用商店APPStore下载安装2cuAPP[9]。2cuAPP是专为智能移动终端设计开发的应用软件，具有视频摄像和通话等功能。

智能移动终端上运行使用2cu软件之前，必须填写网络电话摄像机的登录密码、3CID号并绑定个人邮箱和手机号码等操作，如图2手机管理界面所示，是我校教育技术学专业实验室在智能手机上的操作画面，使用添加“联系人”操作，添加已经安装了网络电话摄像机的实验室，就可以完成对实验室的远程双向视频通话、远程监控和视频回放等操作。值得注意的是智能移动终端上的2cu程序需要处于运行状态，否则会因离线而不能与实验室的网络电话摄像机通讯，解决的方法是将智能移动终端的2cu程序权限配置为“开机自启动”以确保能随时联通。

图2　手机端管理界面

2　双向可视化系统的应用

为了对该系统有更直观的印象，采用教育电声技术实验中的一个实验为例，对教师远程指导学生实验以及远程回放实验进行研究。教育电声技术实验主要训练以调音台为中心组建扩音系统、录音系统及电声周边设备的应用，掌握如何应用调音台组接系统、调整音质、音量，培养学生的动手操作能力[10]；学生需要反复操作才能较好掌握，但是受实验器材、声音干扰、场地要求等的限制，一个实验室内通常只能放置一套音响，设备台套数较少，必须应用课余时间，开放实验室，同学们分组进行反复的操作、练习。

2.1双向可视系统的远程实时辅导

举例，学生可以使用网络电话摄像机对实验教师手机上2cu软件注册的ID号进行呼叫，并就“电声系统的组建与调试”实验中的相关问题进行求助，网络电话摄像机的学生端屏幕上将出现实验教师的画面；与此同时，网络电话摄像机的教师端手机上出现学生做实验的图像，实现双方可视化远程交流，实验的过程通过全景或中景显示在教师端手机上，以便实验教师实时掌握学生的实验进度；学生实验的细节可以通过摄像特写画面进行查看，如图3所示，画面清晰。当遇到搭建的电声系统没声问题，教师可以借助手机上显示的图像，首先是检查系统中的播放器、话筒、音响、功率放大器的连接是否有误；第二步需要逐一仔细检查每个设备的开关、按键、旋钮的位置是否正确无误。实验教师通过手机上实时显示的图像，可以快速地找出问题，同时给予学生实时帮助。

图3　手机端显示画面的清晰度

结合实际情况，如果要让实验教师的智能手机上清晰地观察学生在实验中的实验细节，远程双向可视化系统中的摄像机摄录的画面非常关键，需要注意以下4点。

1)移动智能终端需要配置前置摄像头，把教师端的画面展现给学生，真正实现远程双向可视。

2)为了方便拍摄到教师端想观察的画面且便于在实验室内移动，适合在实验室应用的网络可视电话摄像机，最好内置可充锂电池、无线网络通信(wifi)，没有网线、电源线的束缚，方便在实验室内移动，有利于摄录到教师端需要的画面。

3)最好配备可以移动的三脚架，有利于网络摄像机平稳地移动；实验过程中，教师需要结合实际情况调整网络摄像机的位置以拍摄到教师端所需要的画面，有利于指导和观察学生实验。

4)为了保证教师端图像的清晰度，实验室内应光线充足，摄像机应顺光方向放置、避免逆光。

2.2远程回放实验的优势

单击图2中的“回放”按钮，按保存日期排序的视频文件一览无遗，我们可以按需点击播放。摄像机配备有大容量内存或硬盘，可以随身携带，方便教师在工作之余或是其他闲暇的碎片时间观看学生实验过程，同时留意学生在实验过程中出现的不良操作或习惯。在本实验项目中，教师通过回放实验过程发现，有些学生在实验过程中有扳动接插件和拉扯电线等平常实验教学中不太留意的问题；而且，方便实验教师收集某些典型的实验视频到课堂上重新播放，拥有良好的示范效果和说服力，对今后的实验教学也有非常强的示范作用。

2.3实验远程监控的优点

实验远程监控主要有两大优点，一是方便实验室领导或教师实现远程实验室管理。领导或教师能够把自己所管辖的实验室集中放到手机上管理，每个实验室配备摄像头后，摄像视频的回放、与实验室管理员的对话、实验室的实时监控等，仅需要单击智能手机显示屏上的相关按钮就能实现；二是培养学生良好的工作习惯。实验学生的出勤情况、实验过程中的工作态度、完成实验后的实验仪器整理、耗材的处理、离开实验室时，门窗和电源是否关闭等各种细节都尽在掌握中，有利于培养学生良好的工作习惯。教师的智能手机端能够远程实时观察学生实验内容，通过滑动手机屏幕实现控制镜头的可以上下左右旋转，相当于拥有传统云台的功能，手机能够远程拍摄学生实验现场的照片，储存到手机上，方便日后实验教学应用。

3　结束语

实验室远程双向可视化辅导系统，教师可以通过手机等智能移动终端实时掌握学生的实验进度，而且可以进行远程可视化实验辅导。在各种不同品牌手机，在3G、4G或Wifi等各种信号传输通道，正常信号强度下，辅导过程表现画面清晰，语音流畅，学生与教师的互动、可视化远程辅导的实际效果良好，有利于提升实验室的使用效率、减缓实验教师的工作强度。

[1]陈伟文.开放实验室培养学生创新能力[J].实验室研究与探索，2007(5)：130-132.

[2]王树良.建立实验室开放长效机制的制约因素及对策[J].实验室研究与探索，2007(5)：106-109.

[3]於秋萍，孙见君，吴志威，等.基于网络技术的实验室开放管理[J].教学仪器与实验，2014(5)：66-67.

[4]文玉锋，侯虹.基于P2P技术的远程视频教学系统研究[J].电化教育研究，2009(4)：62-64.

[5]崔瑞琳.移动互联网视频监控应用分析[J].电信技术，2013(2)：9-11.

[6]汤志军.智能视频监控系统在高校实验室的应用研究[J].信息系统工程，2012(12)：92-94.

[7]卓荣，庆方琦.远程开放实验室：实验指导的个性化推送模式研究[J].中国教育技术装备，2013(9)：126-127.

[8]张晓丁，刘静.基于手机的远程可视化医学技术研究[J].中国医疗器械信息，2010(10)：28-34.

[9]韩金辉.从视频监控深度应用浅析智能高清监控系统[J].中国公共安全，2010(8)：139-142.

[10]余武，胡晓霞.教育技术实验室开放建设的实践探索[J].中国教育技术装备，2013(5)：148-150.

Construction and Application of Long Distance Two-way Visible Guiding System in the Laboratory

XUE Shenglan

(DepartmentofEducationalTechnology，HanshanNormalCollege，Chaozhou521041，China)

Teacher’sguidanceisoneofthefactorsaffectingtheeffectoflaboratoryopen.Weconstructlongdistancetwo-wayvisiblesystemtocarryoutthelaboratorymanagementcombinedwithinformationtransmissionnetworkandmobileterminal.Teacherscanremotevisuallyguidestudentsusingsmartmobilephone，PDAandothermobileterminalstoatanytimeandanyplace.Itisusefultostrengthenlaboratorymanagementandimproveopenbenefit.Combinedwithpracticalapplication，onecancarryouttheapplicationanalysisofexperimentscounselingbasedontheconstructionoftwo-wayvideosystem.

experimentsguidance；remotevisualization；mobileterminals；applicationanalysis

2015-03-11；修改日期: 2015-05-11

教育部2013年度人文社会科学研究规划青年基金课题——移动学习教学游戏积件的设计与开发研究(13YJC880056)。

薛胜兰(1973-)，男，硕士，高级实验师，主要从事校园信息化环境、教育科学相关专业实验室建设和管理方面的研究。

G482

Bdoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.063