基于网络直播教室的在线互动教学方案与实践

王超 赵玉宝 王佳琪

摘   要：新冠肺炎疫情期间，国内各大高校纷纷开启在线直播教学模式，针对在线直播教学实践中存在的相关问题，文章提出了一种依托远程网络直播教室、结合腾讯会议软件的互动式在线直播教学方案。该方案通过IP映射，将校内直播平台映射到外网，同时部署两套直播收看平台，不仅能够保证教学过程的流畅性、可靠性和互动性，也减轻了授课教师在技术操作方面的负担，还能够满足多样化的教学需求，给广大师生带来了满意的教学体验，达到了良好的教学效果。

关键词：远程网络直播教室;腾讯会议;新冠肺炎;在线直播教学

中图分类号：G424.2 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）13-0043-04

一、引言

2020年伊始，一场突如其来的新冠肺炎疫情在全国蔓延，受其影响，全国多个省份均做出了春季学期延迟开学的决定。一时间，线上教学成了教育界确保“停课不停学”的抗“疫”主阵地。日前，教育部也印发了《关于在疫情防控期间做好普通高等學校在线教学组织与管理工作的指导意见》，明确提出各高校应依托各级各类在线课程平台、校内网络学习空间等，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动，保证疫情防控期间教学进度和教学质量。[1]

综合来看，延迟开学期间，广大高校教师常用的各类在线直播教学平台，如雨课堂、腾讯会议、QQ群、钉钉等，各具特色，均能较好地实现在线直播教学。然而，每个平台也都有自己的局限性，如雨课堂暂不支持PPT内动画和视频播放、腾讯会议和QQ群中教学过程难以保存回放等。然而，这些平台或工具的共同短板，一方面是板书效果不佳，需要授课教师购买白板或手写板等专用设备，即便如此，对于数学、物理等需要大量板书的相关课程来说，也很难满足板书需求，更远远达不到实体教室板书的效果;另一方面，这些平台的使用需要一定的技巧，往往需要提前花费一定时间进行熟悉，对于信息技术素养不是很高的教师，特别是老教师而言，也是一项不小的挑战。此外，全国在线教学用户的暴增，也导致各大在线教学平台接连崩溃，一定程度上影响了教学进度、教学体验和教学效果。[2]

为了解决在线教学中的上述难题，本文提出了一种依托远程网络直播教室、结合腾讯会议工具的互动式在线直播教学方案，并在S高校延期开学期间的在线教学实践中取得了良好的效果，受到了授课教师和学生的广泛好评。

二、远程网络直播教室在线直播互动教学方案

自2016年起，互联网直播凭借其实时性、交互性、易用性、覆盖面广等特点实现了迅猛发展，而其与教学相结合，则促进了直播课堂的日渐成熟。[3]直播课堂能够帮助教师回归课程设计本身，免受学习多项复杂技术的困扰。[4]课堂直播的同时还能够进行同步录制，形成宝贵的教学资源，不仅有利于教师进行教学反思，还能促进学生课后巩固和自主学习，因此也广受高校师生青睐，其中具有代表性的则是网络直播教室的推广与应用。[5]

1.远程网络直播教室系统架构

一般来说，网络直播系统主要由采集系统、导播系统、播放系统、网络传输系统、接收系统等五个子系统构成。采集系统完成音视频信号的采集;导播系统可以通过手动或自动的方式切换视频画面，并完成视频信号的编码;播放系统使用流媒体服务器完成媒体资源录制、直播、点播、存储和管理;网络传输系统完成音视频数据传输;接收系统完成视频信号接收和媒体播放。[6]

图1所示为新冠肺炎疫情防控期间所部署的远程网络直播教室系统架构。教室内的互动主机通过HDMI分别与摄像机组和教学电脑相连，将采集到的音视频流，一方面通过内部专用网传送到校内直播平台，另一方面也将音视频数据推流到依托于厂商的外网云直播平台。校内直播平台部署在校园网，经过视频流压缩转码后，以直播的形式呈现到Web服务器直播网站。用户可以通过笔记本电脑、平板电脑或手机登录直播网站收看直播。此外，运维技术人员可以通过后台管理系统进行系统配置、镜头切换、摄像机操作等后台管理维护工作。

远程网络直播教室内部布设了教师特写、教师全景、板书特写等摄像机位。（见图2）直播系统通过教师定位装置、学生定位装置以及授课多媒体电脑传感装置，实时感知教师的当前授课状态，自动对直播镜头进行切换，能够极大地节省人力成本。[6]

2.内部专用网IP映射

出于信息安全的考虑，校内直播平台部署在校园内部专用网中，校外用户需要通过VPN访问。为了减轻直播授课期间大量用户同时在线而给学校VPN服务器带来的巨大压力，需要将校内直播平台的内部专用网IP映射到外部互联网。将内部专用网IP映射到因特网中，最常用的方法是NAT（Network Address Translation，网络地址转换）。[7]

本文利用校园网出口防火墙进行NAT配置（见图3），完成内部专用网映射，并申请了直播平台域名。这样既能方便校外在家参与直播教学活动的师生进行访问，也可以减轻VPN服务器压力，还能够隐藏内部网络IP地址以及拓扑结构信息，保障校园内部网络安全。

3.直播收看方案

为了切实保证网络直播的稳定性，本方案部署了校内和校外两套直播平台。校内平台部署在校内直播服务器上，校外平台则依托于厂商的云直播平台。

校内直播平台方面，首先将需求采集阶段获取的相关课程，按照授课时间和地点安排，在平台的后台管理端，统一导入到直播平台中，生成授课安排界面（见图4）。

学生在上课时间登录校内直播平台，选择对应课程观看直播即可。

校外云平台方面，则是以教室名为单位，提前建立直播间，设置直播推流地址，学生在上课时间登录云平台，选择自己课程所在的教室，进入对应的直播间，收看课程直播。

不论是校内直播平台还是校外云平台，均能够同时支持WEB（World Wide Web，全球广域网）和WAP（Wireless Application Protocol，无线应用协议）两种访问方式，即学生不仅可以通过电脑登录两种直播平台，也可以通过平板或手机进行访问，从而为学生提供了一个可以随时随地收看课程直播的移动学习环境。[8]

4.教师授课方案

在远程网络直播教室中，设备会根据课表时间自动提前开机。在授课过程中，远程网络直播教室的多个摄像机位，能够根据教师当前的授课内容，自动进行镜头切换。比如，教师当前正在讲解PPT内容或演示某软件（如CAD、编程软件等）操作或播放视频等，系统通过感知多媒体电脑正在被操作，就会自动将直播画面切换至多媒体电脑屏幕画面（见图5），并在该画面停留至电脑累计无操作时间达15秒（停留时间可在后台进行设置），然后直播系统会自动切换至教师讲解特写画面（见图6）;当教师进行板书时，会自动切换到板书镜头（见图7），此时学生能够清楚地看到板书内容。

网络直播系统的镜头切换等内部运行机制，对于教师来说是无感知的。教师在授课的整个过程中，都不需要对直播和录播设备进行特殊的专业操作，只需要按照个人的习惯正常进行授课即可，无需学习相关设备和软件使用方法和使用技巧。这样就能够极大地减轻教师的负担，促进教师将注意力更多地投放在教学内容和教学活动中。

5.师生互动方案

目前网络直播平台尚未实现学生音视频信息的收集和传递，因此学生只能通过直播平台观看授课直播，无法实现学生向教师的提问和反馈。如果授课教师仅使用远程网络直播教室授课，而不辅以其他工具的話，那么教学就变成了单向的知识传递，而不是师生之间的双向互动，无法实现良好的教学效果。

该方案利用腾讯会议软件解决网络直播教室授课过程中的师生互动问题。（见图8）腾讯会议是一款方便好用的在线会议和远程办公软件，在新冠肺炎疫情防控期间免费开放，最多能够支持300人同时在线。教师可以在课前打开授课电脑上的腾讯会议软件，登录个人账号，创建会议，并向班级学生分享会议号和参会密码。学生也需要提前在电脑、平板或手机上安装腾讯会议软件，利用教师分享的会议号和参会密码加入会议。在教师讲授过程中，师生两端均关闭自己的麦克，通过远程网络直播平台进行教学互动。当教师提问，需要学生思考回答时，教师可以点名请某位学生回答，被点到名的学生，开启自己的麦克，回答问题。当学生有疑问时，随时可以开启自己的麦克，向教师提问，请求教师答疑解惑。如此一来，就实现了教与学之间流畅、高效的双向互动，一方面能够为学生提供个性化学习支持服务，激励和维持学生学习动机，促进学生的学习和发展;[9]另一方面也能够让教师及时得到教学反馈，促进教学方法持续改进，保证远程直播授课的教学质量。

6.录像回看方案

远程网络直播教室在进行课程直播的同时，也会同步进行课程录制。授课结束后，学生可以登录校内平台，进行已学课程的录像点播，也可以登录校外平台，进入课程教室直播间，观看课程回放。授课教师不仅能够像学生一样观看课程回放，也可以在结束本节授课之后，登录教室的录播主机，下载本次课程的录像，作为个人的教学资料进行离线保存。

课程回放不仅能够让直播教学过程中网络出现故障的学生及时补学课堂教学内容，也能够给学生提供一种课后复习巩固的良好渠道。同时，教师通过观看课程录像和回放，能够及时进行教学方法的自我反思和改进，促进个人教学能力的提升。

三、远程网络直播教室教学实践与效果

目前，S高校各个校区总共拥有70余间远程网络直播教室。在原定开学时间之前，提前在全校范围内对有意向使用远程网络直播教室授课的课程进行需求调研，不仅统计了相关课程的课程名、课程号、任课教师、授课时间、学生数量等信息，也统计了任课教师对教室黑板数量的特殊需求，以此为依据，合理地安排了每门课程的授课教室。

授课教室安排完成后，对同一时间段授课的课程，根据其学生数量，估算了并发在线峰值，并对校内和校外平台服务器的承载能力进行了细致评估，以确保学生上课期间服务器压力在合理区间，保证直播平台正常运行。

疫情防控期间的线上教学前三周，共有分布在两个不同校区的8间远程网络直播教室投入使用，直播课程约300课时，同时在线人数峰值约1000人。从系统稳定性和观看流畅性方面来看，三周的教学过程中，整个系统的无故障率达到99.95%。校外云平台曾出现过1次直播视频中断现象，中断时间约8分钟，此时双直播平台的部署设计发挥了作用，受影响的学生及时切换到校内直播平台继续学习。除此之外均能够正常运转，未出现其他故障。学生及教学督导均表示，直播视频画面清晰，观看流畅，系统稳定，极少出现卡顿现象。

从教学体验和教学效果来看，学生普遍反映，通过远程网络直播教室听课，并结合腾讯会议进行互动，“仿佛置身于教室之中，有种真正上课的感觉”;授课教师也表示，自己多年以来形成的授课风格基本不用改变，也无需花费额外的时间掌握各种在线直播平台的操作方法，还能得到自己讲授课程的录像，促进教育资源的共建与共享，是一种“在特殊时期进行远程网络直播授课的优秀方案”。此外，还有部分教师认为，在这种远程直播环境中上课，作为互联网原住民的学生，反而更能够畅所欲言，比面授教学时更敢于提出质疑和表达自己的观点。

然而，这种基于网络直播教室的授课方式，也存在一些缺陷，比如直播视频平均延时约10秒，有时会接近20秒，导致师生互动时存在一定的时间差，无法达到足够的实时性。这也需要进一步优化软硬件配置，降低直播延时。

四、结束语

同心战“疫”，教育不能缺席。针对新冠肺炎疫情期间国内各大在线直播教学平台的不足，本文提出了一种依托远程网络直播教室、结合腾讯会议软件的互动式在线教学方案，该方案既无需对授课教师进行额外的技能培训，极大地减轻了授课教师的负担，又能充分地满足PPT、操作演示、视频展示、板书等多种授课模式的需求，还能够实现良好的师生互动。此外，基于本校软硬件的部署以及校内校外两个直播平台的双保险方案，也能够避免使用通用平台时，全国范围内用户过多而导致的网络拥堵问题，保证在线直播观看的流畅性、稳定性和可靠性。基于该方案的大量教学实践也表明，该方案能够减轻师生额外的负担，带来优秀的教学体验，达到良好的教学效果。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部网站.疫情防控期间做好高校在线教学组织与管理工作[EB/OL]. http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/s5987/202002/t20200205_ 418131.html.

[2]李静.在线教育“崩溃” 撑住就是“晴天”[DB/OL].http：//it.people.com.cn/GB/n1/2020/0225/c1009-31603340.html.

[3]李波.某互动教学直播系统的设计与实现[D].北京：中国科学院大学，2017.

[4]李秀晗，朱启华.直播技术在高校混合式教学中的新应用——基于香港大学同步混合教学模式的行动研究[J].现代教育技术，2019（2）：80-86.

[5]王学勇.网络直播互动教室功能实践研究[J].教育实践与研究，2017（6）：35-37.

[6]张成龙，何鸣皋，郭磊等.跨校区网络直播系统的构建与应用——以Y高校为例[J].现代教育技术，2017（2）：54-58.

[7]谢希仁.计算机网络（第五版）[M]北京：电子工业出版社，2008.1：173-175.

[8]孙恒.基于云服务的移动视频直播系统的设计与实现[J].现代教育技术，2017（12）：121-126.

[9]李幸，孙力.远程教育个性化学习支持服务研究[J].中国教育信息化，2017（17）：9-12.

（编辑：王天鹏）