C-campus交互式教学支持系统研究与实现

钟晓流, 李海霞, 宋述强, 许俊华, 陈基和, 关士民, 马　煜

(清华大学 信息化技术中心, 北京　100084)



C-campus交互式教学支持系统研究与实现

钟晓流, 李海霞, 宋述强, 许俊华, 陈基和, 关士民, 马煜

(清华大学 信息化技术中心, 北京100084)

依据同步与异步相结合、线上与线下相结合的全交互教学与学习环境的理念,创建了基于物联网和云计算的智能感知、智慧管理、智慧互动反馈、智慧显示等核心技术的远程实时同步课堂,实现了不同实体或虚拟教学空间教室画面、师生电脑画面等在异地课堂同步显示、录制及实时直播、发布、点播、交互与分享等功能,在改进教学模式、丰富教学手段和提高教学效率等方面发挥了积极作用。

交互式教学: 物联网应用； 虚拟演播； C-campus项目

利用物联网、云计算、大数据等新一代信息技术组织教学活动、帮助学生开展个性化和协作式的学习,成为高校教学改革的热点议题[1-3]。随着学校国际化发展及对口支援建设等需要,越来越多的课程需要进行异地讲授[4-5]。本文以清华大学C-campus项目(国际合作联合培养人才计划建设项目)为背景,结合作者在清华-伯克利深圳学院项目的实践成果,遵循情境认知理论、活动理论及人体工程学理论(视觉理论、听觉理论),提出了同步与异步相结合、线上与线下相结合的全交互式教学与学习环境的理念,创建了基于物联网和云计算的i-perceive(智能感知)、i-management(智慧管理)、i-feedback(智慧互动反馈)、i-view(智慧显示)等核心技术的远程实时同步课堂——C-campus交互式教学支持系统,不仅实现了本地课堂师生间、国际、国内不同区域的院校间课堂教学内容的任意显示和师生交互,还可进行现场录制、直播、点播等数据采集、存储与推送,成为创新型人才培养和科研创新的新型国际化支撑平台。

1　C-campus交互式教学支持系统设计理念

1.1全交互教学与学习环境

学习是在学习者与学习资源和环境的有效交互中进行的[6]。项目组提出了同步与异步相结合、线上与线下相结合的全交互教学与学习环境的理念,使得教学活动涉及到的各个主体——教师、学生、活动、资源之间能够深度交互,尤其是分布在异地的师生也能够进行充分的沟通和交流,相互提供语言和非语言的反馈,从而实现知识的共同建构和实际解决问题能力的培养。

1.2引领研究型和协作型教学模式的改进

系统提供的教学环境和学习平台帮助教师重新理解教学目标,除了知识传授之外,更注重交流、互动、语言表达、小组内的协调和共事能力,并教育学生尊重来自不同国家、不同民族的同学的价值观,从而引导学生完成更多的研究型和协作型任务,提高研究与协作能力。另外,系统的全向交互功能增强了各物理课堂之间的互动,方便了学生的参与；网络学习平台和移动学习系统的无缝融合,能够促使学生采取更加主动、基于问题的研究式学习与训练[7]。

1.3构建智慧教室,实现课内外一体教学

C-campus交互式教学支持系统实际上是依托移动互联/物联网为交流载体,以多媒体为信息媒介,以服务器集群处理(云计算、数据挖掘)为技术支撑,构建的泛在化、感知化、一体化、智能化的新型教学生态系统。在线同步课堂或虚拟课堂实际上是网络感知系统、演示教学系统、云交互系统、智能化控制系统、虚拟演播系统和智能化视窗系统等一体化深度融合而构建的智慧教室,将人(教师与学生)和教学设计、教学环境与教学资源等教学活动的主要元素统一到在线同步课堂中。系统具有以下特点:

(1) 利用云交互平台实现全方位交互。系统采用远程虚拟视频技术,使参与课程的师生虽远隔千里,但如同在同一教室。另外,系统采用软交换技术将本地和远程音视频数据进行统一调度,使用户可以随时得到教室全局、教师电脑、学生电脑、电子白板的音视频数据,便于信息的交流与共享,增强了物理课堂之间的互动,方便了学生的参与。

(2) 采用集群推送技术实现资源共享。系统利用集群推送技术,使教师或学生的教学资源(查询/检索在教育资料管理系统中的各种数据)能够实时地推送或策展,并将结果显示在大屏幕上或下载到师生电脑中。

(3) 应用虚拟演播系统(i-studio)实时记录。应用三讯道高清记录采集系统实现教学过程全记录,可实时参与或非实时点播,便于师生重复学习,积累教学素材[8]。系统的录播功能可以同步记录教室全局画面、学生画面、学生电脑画面、电子白板画面等,对于录制的所有画面,无论是本地的还是其他院校的内容,都将在后台保存起来,并且可以分享到网络上。学生只需输入网址、账户、密码,即可在播放课程的同时对课程进行实时评论,并且这些评论也会和所对应的课程保存在一起,在点播相同内容时一并呈现,从而建立起了一个有关课程录制、发布、分享、点播以及评论的有效建设机制。

(4) 引入移动学习系统,实现无缝学习。系统通过深度的网上多方交互功能,辅助建立跨文化、跨学科的虚拟学习社区,实现教学的课内外无缝链接。系统为教学提供了丰富的交流模式,包括视频、音频、文件等在内的素材,在课程进行中可以灵活展示,同时配合有专门的网络学习平台及移动学习系统。来自各国的学生可以随时复习、重复浏览、开展讨论、提交作业、进行协助任务等,获得无缝的信息共享。

2　系统架构与基本功能

C-campus交互式教学支持系统的目标功能是满足国际教学交流与合作的全方位交互需求,不仅要实现国内外不同区域院校之教室的全景画面、教师画面、学生画面、师生电脑画面在本、异地课堂中的同步显示,能够进行分组讨论,而且还要将这些画面同步录制下来,通过网络实时直播和非实时发布、点播、分享。其设计遵循了智慧教室的总体理念[9-10],系统架构如图1所示。

图1　智慧教室的系统架构

C-campus交互式教学支持系统根据智慧教室的设计理念和具体需求,分为信息门户系统、多媒体演示系统、云交互系统、移动学习系统、高清录播系统、大屏幕显示系统和智能化管理控制系统等7个子系统,7个子系统既相对独立,又深度融合。7个子系统实现的基本功能如下:

(1) 信息门户系统。主要针对适用对象(教学主管人员、教师、学生、运行维护技术人员)的权限管理,解决用户注册、登录、认证问题,其中教师可对学生的权限进行管理。

(2) 多媒体演示系统。多媒体教学设备齐全,教师或学生可根据教学资源、教学手段和教学模式的需要,选择多种演示型多媒体教学设备或系统(音视频播放、动画、PPT、实物、手写板或图片等)。

(3) 云交互系统。云交互系统包括师生之间的课堂交互和课下交互、本地交互和异地交互等；此外,教师可根据需要对本地和异地学生进行随意编组并展开讨论。

(4) 移动学习系统。即使教师或学生不在课堂,根据授权可通过移动终端加入教学活动。

(5) 高清录播系统。三讯道高清录播系统主要解决了课件实时录制、非实时点播的问题,对录制的课程可进行点评、添加说明、分享给其他人等操作。

(6) 大屏幕显示系统。大屏幕显示系统可调用教师画面(如手写屏、视频和PC界面等)、学生画面(如手写屏、视频和PC界面等)、本地或异地师生交互画面、流媒体课件点播重放画面、异地校区/教室/学生的画面等,可根据需要,将本地或异地教学画面或分组讨论教学画面进行单屏、双屏或多屏(最多9画面)显示。

(7) 智能化管理控制系统。主要解决各种设备控制与信号的调度、教学活动在线录制以及重放、师生之间资源信号的集群推送或策展、本地和异地之间进行数据交换和迁移等。

3　主要技术指标比较

C-campus交互式教学支持系统依托通信和信息技术的集成,实现了教学活动环境(教学活动及过程)、教学活动资源(教师讲义、学生作业等)、教学活动管理(教学活动预约、编组讨论和互动反馈等)和教学服务(系统或设备控制管理)的智慧化[11-12]。它功能强大,不仅适用于演示型教学、案例教学、讨论教学、语言教学等,还具备视频会议、讨论型会议等功能。系统中采用的关键技术在国内外高校中都属于比较领先的水平。图2和图3分别对比了与清华大学开展国际课程合作的瑞典皇家理工学院、美国德克萨斯大学奥斯汀分校等类似平台的技术指标,可以发现,C-campus交互式教学支持系统在最大分辨率、所支持的视频流、计算机屏幕抓屏、课堂环境声音拾取、教室画面转场特技、校区/教室虚拟呈现、互动过程同步录制、交互过程重放、网络虚拟教学社区等方面具有较大的优势。

图2　与国外类似平台KTH的技术指标对比

图3　与国外类似平台美国UTA的技术指标对比

4　结语

目前,C-campus交互式教学支持系统除了服务于学校人才培养和跨国远程学术交流外,也用于与国内外各高校合作开设课程,已为学校7个院系和国内外9所大学联合开展的课程提供了支持。系统的使用一方面开拓了学生的视野,使他们可以直接参与具有国际水准的课程学习,并以新的教学方式实现创新型人才的培养；另一方面,节约了大量邀请国际专家往返交流的经费,为推动教学和科研发展奠定了基础。

系统的建成使用得到了师生的肯定,也得到同行的认可和高度评价。最近两年先后有来自瑞典皇家理工学院(KTH)、首尔大学、北京大学、中国人民大学、复旦大学、浙江大学等20余所高校的教育技术部门到清华大学进行实地考察,该系统也已成为国内外高校建设交互式教学支持系统的参考范例。另外,本项目的建设成果作为中国教育技术协会行业标准《多媒体教学环境工程建设规范》的典型建设案例，被推广到全国上百所高校。

References)

[1] 杜洋.浅析信息化背景下高校教学改革面临的机遇与挑战[J].中国教育学刊,2015(增刊1):131-132.

[2] 钟晓流,宋述强.信息化环境中基于翻转课堂理念的教学设计研究[J].开放教育研究,2013(1):58-63.

[3] 石世美.高校信息化学习环境的研究与设计[D].北京:北京理工大学,2015.

[4] 李红美,陆国栋,张剑平.后MOOC时期高等学校教学新模式探索[J].高等工程教育研究,2014(6):58-67.

[5] 丁俊杰,郭林.中美高校传媒专业教学理念比较研究:以“全球电视媒介产品制作”异地同步课程为例[J].现代传播:中国传媒大学学报,2007(6):133-134.

[6] 王志军,陈丽.联通主义学习中教学交互研究的价值与关键问题[J].现代远程教育研究,2015(5):47-54.

[7] 钟晓流、宋述强、胡敏,等.第四次教育革命视域中的智慧教育生态构建[J].远程教育杂志,2015(4):34-40.

[8] 宋述强、钟晓流、李海霞,等.面向MOOCs的云录播教学环境设计与实现[J].实验技术与管理,2014,31(8):177-180,214.

[9] Song Shuqiang,Zhong Xiaoliu,Li Haixia,etc. Smart Classroom:from Conceptualization to Construction[C]//the 10th International Conference on Intelligent Environments(IE’14).Shanghai,2014.

[10] 钟晓流,聂风华,宋述强.智慧教室:概念特征、系统模型与建设案例[J].现代教育技术,2013(7):5-8.

[11] Zhong Xiaoliu,Li Haixia,Song Shuqiang,et al. An intelligent platform for the multimedia instruction environment based on i-control,i-management and i-view[C]//the 10th International Conference on Intelligent Environments(IE’14).Shanghai,2014.

[12] 吴庚生,钟晓流.e-时代的教学环境[J].实验技术与管理,2009,26(3):1-6,24.

Research and realization of C-campus interactive teaching support system

Zhong Xiaoliu, Li Haixia, Song Shuqiang, Xu Junhua, Chen Jihe, Guan Shimin, Ma Yu

(InformationTechnology Center,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Based on the idea of combining synchronous and asynchronous,online and offline teaching and learning, this article explorates the technology of cloud computing and Intenet of things,the whole interactive system has been developed with i-perceive (intelligent perceive),i-management (intelligent management),i-feedback (intelligent feedback),i-view (intelligent view), and other core technology. Fuctions of the system include synchronized displaying teachers and computer screen simultaneously in remote classrooms; recording, displaying and sharing the live scene of teaching and learning; etc. And the system has played a positive role in improving the teaching mode,teaching methods and teaching efficiency.

interactive teaching； application of Internet of thing; virtual studio； C-campus project

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.038

现代教育技术

2016-04-28

钟晓流(1963—),男,江西新建,硕士,高级工程师,主要研究方向为多媒体视听技术与应用环境.E-mail：dj-zhxl@tsinghua.edu.cn

G642.4

A

1002-4956(2016)10-0152-04