多媒体教学系统的设计与实现

董华军

摘  要： 為了给多媒体教学提供良好的网络环境，提升教学效果，提高学生积极性，根据传统教学与多媒体教学的不同，整合教学资源，设计、开发了基于网络的多媒体教学系统。此系统由视显文件配置、直播录制、用户管理、设备管理、授课管理与导播切换六大模块构成。该系统的建成，可加强学生间以及师生间互动，增强辅导学生的实时性，提升教师授课内容的丰富性与教学效果。

关键词： 多媒体教学系统; 多媒体数据库; 传统教学; 多媒体教室

中图分类号：TP311.5          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2022）03-118-03

Abstract： In order to provide multimedia teaching with a good network environment， improve teaching effects， and increase students' enthusiasm， according to the difference between traditional teaching and multimedia teaching， integrating teaching resources， a multimedia teaching system based on network is designed and developed. The system consists of six modules of video display file configuration， live recording， user management， equipment management， teaching management and director switching. The completion of the system can strengthen the interaction between students and between teachers and students， enhance the real-time guidance to students， and improve the richness of teachers' teaching content and teaching effect.

Key words： multimedia teaching system; multimedia database; traditional teaching; multimedia classroom

0 引言

传统的教学方式是使用黑板、粉笔、挂图、教具等教学介质，由教师讲授，这种教学方式中教师往往占有主导地位，而学生常常处于被动的接受状态[1]。多媒体教学是在电子教室中把图像、图形、声音、动画以及文字等各种多媒体信息实时动态地引入教学过程中，充分利用现有的计算机、网络、通信技术进行同步教学活动[2]。显然多媒体教学利用了先进的技术手段，让教学内容能直观、生动、形象地表示出来，从而加深学生对问题的理解，提高学生的参与度，提升教学效果。

随着语音、数据、视频的压缩编码技术以及网络传输技术的不断提高，人们可以快速随时随地获得来自异地的视频、音频及数据信息，实现多媒体教学[3]。教师可通过多媒体教室进行课堂相关的管理[4]。本文设计并实现了基于网络的多媒体教学系统，系统中教师能够把授课视频直播到各教室或进行学生端工位轮巡，一对一辅导学生实训。学生可观看授课直播、课件播放及板书，课后查询并察看历史授课视频。观摩考评人员可观看学生间或师生互动视频直播，查看存储于资源管理服务器的历史交互视频。

1 系统架构

本系统基于C/S体系结构，利用MySQL数据库存储数据，使用C++开发环境，生成音视频编解码库以实现流媒体数据发送与接收。多媒体教学系统由智能电子黑板、智能电视、智显教学终端、智慧讲台系统、学生交互终端及资源管理服务器构成，如图1所示。

⑴ 智能电子黑板采用系统智能驱动技术，内嵌系统教学软件，支持多场景教学，教师可选择资源管理服务器上的课件文件或本地课件播放与显示，切换授课板书或实操视频画面。

⑵ 智能电视终端登录后可通过直播服务获取音视频流解码后播放，观摩考评人员观看授课直播或查询历史授课视频后播放，终端登录避免无权限人员观看授课直播及历史视频，电视终端使用网络接口连接至资源管理服务器可远程观看。

⑶ 智显教学终端展示教师授课内容，播放实时实操视频，可切换至课件浏览或课堂板书，通过此种授课方式的有机结合，增强教师授课内容的丰富性，提升教学效果。

⑷ 智慧讲台系统实现不同授课教师的登录、授课设备的管理、直播视频画面与课件白板的智慧导播、授课视频的直播与录制、授课管理，轮巡学生终端工位，该设计验证教师用户权限，多个教师授课流程互不干扰，直播视频、课件及白板可导播切换，录制授课直播视频，有利于学生课后多次观摩。

⑸ 学生交互终端提供教师授课直播、实训工位终端学生的实时操作及一对一辅导，该终端交互方式有别于传统授课方式，加强学生间以及师生互动，辅导学生实时性得到增强。

⑹ 资源管理服务器功能涵盖课件管理、授课管理、直播服务、录制文件点播及数据库访问，此功能设计弥补传统教学的不足，实现教师导入课件、学生查询浏览课件及历史授课视频的检索观看。

网络互连设备用来提供不同网络通信时的互连及互通，广域网连接线路采用点对点、交换式，需选择合适的广域网线路。智能电子黑板、智能电视、智显教学终端、智慧讲台系统、学生交互终端及资源管理服务器皆通过网络交换机相连。

2 系统模块设计与实现

系统功能模块主要包括视显文件配置、直播录制、用户管理、设备管理、授课管理与导播切换。通过选取各模块中的子功能添加至智能电子黑板、智能电视、智显教学终端、智慧讲台系统、学生交互终端及资源管理服务器中生成相应的程序并发布至设备以实现多媒体教学系统的运作。

2.1 视显文件配置

音视频数据的采集通过连接摄像机使用特定协议通信实现，教室流媒体数据源较多，建立视显配置文件生成视频画面，这样视频显示不限于单幅画面，可自由设置多幅画面组合。配置文件根节点为显示框，视频流或音频流地址属于子节点配置，视频窗体起始点坐标、宽度及高度以占屏幕尺寸的百分比计数，播放音量及状态添加至音频流节点。视频位置与宽高在配置文件中设定，音频播放音量及状态参数等在程序中设置。

读取配置文件参数，获取视频流地址，使用三种样式类型，包括主次画面、画中画及矩阵布局，生成并输出复合视频。单幅画面是矩阵布局中的特例。获取摄像机视频流，解码转换为样式布局画面并输出多画面视频。

2.2 直播录制

直播管理负责建立教师授课直播会话，接收智能电子黑板、智能电视、学生交互终端及智显教学终端直播连接，发送直播音视频数据。直播录制服务功能实现教师授课直播流发送与接收，可录制直播流存储至资源管理服务器。教师端通过摄像机及音频输入采集音视频数据，发送至资源管理服务器直播模块。数据库维护直播表与课堂表数据，直播表字段包括直播名称、直播类型、开始时间、结束时间、状态等，课堂表字段包括课堂名称、课堂介绍、主讲教师、学生数等。学生端定时查询直播服务是否有直播会话建立，有直播会话建立的情况下开始接收直播流，在学生交互终端更新直播课堂数据。

2.3 用户管理

用户管理模块实现教师、学生、观摩考评人员及管理员的维护管理，包括查询、添加、修改、删除记录。系统用户由教师、学生、观摩考评人员与管理员构成。教师登录智慧讲台系统，初次使用需注册，输入教师基本信息，存储至教师信息表。注册完成后登录系统，开始授课直播。学生输入学号与密码，选择教室后登录学生交互终端，验证通过开始观看授课直播。观摩考评人员登录智能电视观看授课直播及历史授课视频。系统管理员负责维护系统参数配置与其他用户的管理。

2.4 设备管理

设备管理主要由摄像机管理、麦克风管理及音响管理組成。摄像机类型包括定位摄像机、教师摄像机与学生摄像机。智慧讲台系统摄像机管理可选择已注册教师摄像机或学生摄像机，选择单个摄像机可进行云台控制。云台控制摄像机移动方向为上、下、左、右，可伸缩调焦、远近聚焦、放大缩小光圈及设置云台速度。系统加载已安装麦克风与扬声器设备，选择需使用的设备，可调节设备音量。

2.5 授课管理

教师成功登入智慧讲台系统后设置相应的摄像机、音响等设备，进入直播管理开启授课直播。资源管理服务器直播服务负责接收智慧讲台系统直播流数据，发送至各终端解码显示，可录制授课视频存储至数据库以供课后学生查询观看。

教师如需播放课件，须连接资源管理服务器，选择播放的课件资料发送至各终端播放，切换课件时同步更新各终端播放画面。使用白板时可任意标注、绘画并即时显示，笔形包括普通笔、排笔与毛笔等，标注笔颜色可任意设定，标注内容可随时利用电子橡皮擦除，或随时存储至数据库及打印。此外可实现屏幕内容放大、聚光灯、遮屏、查看板书及屏幕校准，支持白板操作录制，实时同步白板与实操画面。

2.6 导播切换

导播切换包括跟踪子系统、智能导播子系统及手动导播子系统。使用定位摄像机对教师进行定位，将数据传递给摄像机通过移动与变焦进行跟踪。教师摄像机、学生摄像机根据切换策略智能切换，教师可在活动中进行手动控制。

智能导播集导播功能与跟踪功能于一体，实现教师授课、教师板书、课件展示多个教学场景与教学课件间智能调度及切换。跟踪范围不仅局限于摄像机固有的视野范围内，而是在整个教师活动的范围内，无论教师在活动范围内做任何动作都能智能跟踪，始终保持教师在图像中的位置，不出现半边身的状况。导播策略涵盖以下三种情况：教师在讲台区域讲课时是教师特写镜头，教师板书时切换到板书特写镜头，当教师区域有多目标时切换到教师全景镜头。教师成功登录智慧讲台系统后开启智能导播，移动时摄像机跟踪教师画面，无需教师进行手动控制。

3 系统关键技术

系统中授课视频直播、录制和点播采用流媒体技术实现，实时流媒体可同时捕获与播放音视频，授课直播时教师摄像机实时摄取教师授课画面，学生端摄像机捕获学生实操画面，教师可轮巡学生工位，学生观看教师授课直播，此交互方式不局限于单个教室，多个教室内的学生可共同观看教师授课以及与教师交互。在处理流媒体时带宽是一个重要的考量因素，连接资源管理服务器的学生交互终端数量越多，则流媒体传输所需带宽越大，同时视频分辨率决定所需带宽，在指定时间段内同等直播服务器并发数情况下标清传输的流量小于高清分辨率，应尽可能选择最大带宽及较高分辨率。

实时流协议（RTSP）是一种应用级网络通信协议，通过直接与流式传输数据的服务器通信，将实时数据从多媒体服务器传输至终端，该协议通过充当时间同步音视频媒体流的网络远程控制来建立媒体会话并控制客户端设备及服务器间的媒体流。当学生交互终端或智能电视软件从远程源流式传输音/视频时，客户端设备会向资源管理服务器发送RTSP连接数据以确定可用选项，如播放、暂停与录制，服务器返回可通过RTSP接受的连接类型列表，客户端向流媒体服务器发送媒体描述数据，服务器以媒体描述作为响应。客户端发送设置命令，服务器响应有关传输机制来启动流媒体传输过程。

4 结束语

本文阐述了多媒体教学系统的功能设计与实现技术，基于网络的多媒体教学系统的建成，促进不同于传统教学方式的多媒体教学系统改革，加强学生间以及师生间的互动，提高学生的积极性，授课内容能直观、生动、形象地表示出来，辅导学生实时性得到增强，提升教师授课内容的丰富性与教学效果。

参考文献（References）：

[1] 姜燕，王晓.基于多媒体技术的三维教学系统设计与实现[J].电子设计工程，2013（11）：56-58

[2] 张晓明.高校网络与多媒体教学系统初探[J].吉林工程技术师范学院学报，2008（11）：73-75

[3] 李晨.基于网络的多媒体教学系统的设计与实现[J]. 科技资讯，2008（11）：141，143

[4] 杨楠.网络多媒体教学系统平台的设计与实践[J]. 中国科技信息，2009（3）：225-227

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