生物学个人线上教学虚拟直播间建设探析

崔学

摘要：当前，疫情防控形势复杂，线上教学已经成为特殊时期的新常态。在长期的网络授课实践过程中，多数教师已经能够熟练运用各种线上教学软硬件。此时，很多教师已经不满足于当下取得的成绩，更清晰的音画呈现，更立体的细节演示，更丰富的技术手段成了老师们追求的目标。该文主要针对线上教学中声音系统、真人出镜和虚拟直播间建设等方面的一些问题进行探讨。

关键词：线上教学  语音降噪  麦克风音量  真人出镜  绿幕抠像  虚拟直播间

中图分类号：G421 文献标识码：A

Analysis of the Construction of the Virtual Live Broadcasting Room for Personal Online Teaching of Biology

CUI  Xue

（Heilongjiang Agricultural Engineering Vocational College， Harbin， Heilongjiang   Province， 150025 China）

Abstract： At present， the situation of epidemic prevention and control is complex， and online teaching has become a new normal in a special period. In the long-term practice of online teaching， most teachers have been able to skillfully use all kinds of online teaching software and hardware. At this time， many teachers are no longer satisfied with the current achievements， and clearer audio-visual presentation， more three-dimensional detail demonstration and richer technical means have become the goals pursued by teachers. This paper mainly discusses some problems in online teaching， such as the sound system， live appearance and the construction of virtual live broadcasting rooms.

Key Words： Online teaching; Voice noise reduction; Microphone volume; Live appearance; Green screen matting; Virtual live broadcasting room

在線上教学比重大幅度增加的当下，如何基于广大教师的现实情况，自费建设成本低、效果好、操作简便、且具备一定便携性的个人线上教学系统，已成为一个迫切的问题。下面，笔者就个人在此方面形成的一些经验，与大家进行交流分享。

1声音系统

1.1功能说明

声音几乎是教师上课时最重要的知识传播载体，音量小、噪音大、或者外界声音信息传入，从心理学上讲，任何一点声音干扰都会造成无意注意，分散学生们好不容易集中起来的注意力。纵使课件再精美，课程设计再巧妙，传播知识的效率都会大打折扣。

疫情期间线上授课的地点几乎都是在家里，外部噪音难以干预。还有电脑风扇本身的噪音，怎么也消除不掉的电流声，严重影响声音效果。另一种广泛存在的现象是，即使把所有能设置的地方都调到最大，学生还是反映音量小、听不清，开启声音增强，语音大了，噪音也被加倍放大。换专业麦克风，音量小的问题也无法解决。目前可以搜到的解决方案中，不仅需要外置声卡、专业话放，还需要重新装修房间满足声学环境要求。其成本之高，让老师们难以在家中实现。下面，介绍一下最适合教师上课的低成本声音解决方案。

1.2硬件准备

首先了解一下麦克风的种类，常见的有铝带麦、动圈麦、电容麦。其中铝带麦克风诞生较早，已逐渐退出市场。动圈麦灵敏度低，演唱会、KTV常用。电容麦灵敏度高，可细分为振膜电容麦和驻极体电容麦。前者音质好，价格贵，多用于电台、录音棚；后者音质稍差，胜在价格低、体积小，手机、笔记本电脑机身自带的都是驻极体麦克风[1]。

话筒的任务就是收集声音，灵敏度低，环境噪音和人声收录的都少，灵敏度高，人声收录好，环境噪音收录的也多。想提高人声、降低噪音，只有两种方法，一是让麦克风离嘴尽可能的近，并大声说话，让人声盖过噪音；二是让环境尽可能安静，从源头上消除噪音。演唱会没办法安静，只能使用低灵敏度的动圈麦，尽量少收音。电台有专业的隔音吸音装修，主持人离麦也很近，所以可以尽情使用超高灵敏度的大振膜电容麦，让听众听到声音的全部细节。

但无论哪种方式，都无法解决音量的问题。声音进入电路的信号本身就是很弱的，要想获得大音量必须借助声卡和话筒放大器的物理信号增益功能，信号增益对人声和噪音是一视同仁、等量放大的。而且专业的声卡和话放价格非常昂贵。

综上，从原理上来看，任何一种麦克风在硬件功能上都无法提高人声降低噪音，也无法获得大音量。在低成本解决方案中，想要获得高人声低噪音的清晰音质只有两方面可以入手，一是让麦克风离嘴尽可能的近，二是利用软件进行音量虚拟增益放大和虚拟降噪[2]。

在麦克风选择上，不建议购买太贵的专业麦克风，可以选择USB电容麦、USB接头领夹麦，前者音质相对好，后者更便携。这些麦克风便宜的几十块，最贵不过几百元。尽量选择USB接口设备，因为3.5毫米圆头接口的麦克风直接插在电脑上会有嗞嗞的电流噪音。由于上课时需要手写板书、打字，有些老师还需要有手势演示，麦克风还要尽量靠近嘴，所以摆在桌面上是很不方便的。如果使用体积较大的USB电容麦，建议配悬臂麦克风支架，把麦克风吊起来，这样不影响双手的动作。领夹麦直接夹在衣领或者胸前就可以。这两种方案都可以缩短麦克风和嘴的距离。如上课时手部动作较少，自带虚拟降噪的USB电脑桌面麦也是一个不错的选择。

不建议选购无线麦克风，一是声音会有延迟，二是上课中途电量不足容易造成教学事故。尤其是蓝牙耳机，再好的蓝牙耳机与电脑的适配性都是存在问题的，会存在语音延迟、信号不稳定、输入和输出无法同时使用等各种问题。

1.3 操作指南

准备好硬件后，还需要用软件对声音进行放大增益和降噪。和手机摄像头的虚拟变焦比不过专业相机长焦镜头原理一样，声音的虚拟增益是无法和话放的物理增益相比的，同时虚拟降噪会消除掉一定波长频率的声音，音质会有一定损失[3]。但环境、设备、发音标准程度都是一般水准，就像水桶原理，其他板都不长，所以降噪带来的音质损失也不会有太大影响。只要能让学生清晰无干扰的听到授课内容，就达到了最终目的。

多数系统中，在屏幕右下角的小喇叭图标处，依次点击：右键—录音设备—麦克风—右键—属性，即可调出麦克风音量选项卡，在这里将麦克风的音量调到100。有些系统会带有麦克风加强选项，可以选择+10 dB、+20 dB、+30 dB，数值越大，音量增强的越多，但通常加到20 dB，噪音就会非常大。还有些系统在选项卡里可以找到噪音抑制、回声消除等选项。勾选对应项可以使音质得到一定程度改善，但效果并不理想。

由于系统自带声音放大和噪音抑制效果较差，甚至有些电脑系统和麦克风没有这类功能选项，所以需要安装软件EqualizerAPO及其librnnoise_vst降噪插件。此软件及插件在搜索引擎就可以搜索到，找到后把它下载到电脑上。为保证音质，在安装软件前，要先将声音选项卡中的麦克风音量调到100，麦克风加强调到0，取消噪音抑制的勾选。

找到下载的安装包，双击，按照提示进行安装，此过程中需要记住安装软件的具体位置，通常为“C：＼Program Files＼EqualizerAPO”。安装完成后，软件会提示选择正在使用的设备，选项卡Playback是音箱耳机等输出设备，Capture devices是麦克风等输入设备，在这两个选项卡中选择正在使用的即可。如果不清楚正在使用哪一个，到屏幕右下角小喇叭处，右键分别查看播放设备和录音设备，列表内有绿色勾选的即为当前使用设备。安装完成后，软件会提示重启电脑，此时先不要重启。把安装包内VST文件夹内的文件librnnoise_vst右鍵复制，然后打开软件安装位置内的VSTPlugins文件夹（通常为“C：＼Program Files＼EqualizerAPO＼VSTPlugins”），将librnnoise_vst粘贴到此处。

完成后返回到上一级EqualizerAPO文件夹，在文件Editor.exe上，点击右键—发送到—桌面快捷方式，可方便今后随时设置。此时，重启电脑。

重启后，双击桌面上的Editor图标，打开软件，在窗口中间上方Device下拉列表内，选择当前使用的麦克风。点击下方空白窗口内的绿色加号，选择Basic filters—Preamp（Preamplification），即成功设置麦克风音量增益功能，可通过右侧的旋钮或数值调整音量增大幅度，通常调到15 dB至20 dB之间即可。

再次点击绿色加号，选择Plugins—VSTplugin，在创建的选项卡上找到“Options”，点击它左侧的方块小图标，在弹出的窗口内选择上文提到的librnnoise_vst插件粘贴位置（通常为“C：＼Program Files＼EqualizerAPO＼VSTPlugins”），双击文件librnnoise_vst，即可成功实现降噪功能。成功设置后，关闭软件即可，每次开机也无须重新设置（如图1）。

依托EqualizerAPO软件的强大功能，可以得到十分满意的音量和非常好的人声清晰度。同时，环境中的各种噪音，包括近距离的鼠标键盘敲击声音都能得到良好的屏蔽。经过笔者的亲身测试，隔壁装修的电钻声音都能得到大幅衰减，完全不影响上课。EqualizerAPO软件的硬件容忍度也非常高，如果预算有限，麦克风的选择也可以不限于前文所提到的几种类型，十几元的3.5 mm圆头接口耳机话筒也能获得较满意的音质。

2虚拟直播间

2.1功能说明

在线下授课过程中，教师的神态、表情、动作，都是课堂的有机组成部分，在提高学生注意力、辅助知识理解等方面有着不可替代的作用。然而线上授课时，即使老师们开启摄像头真人出镜，由于清晰度、画面尺寸、人物背景中的无关事物等各种因素制约，教师的表情神态和肢体语言传递信息的功能也大打折扣[4]。虚拟直播间搭建可有效地营造教师出镜的现场感，让学生获得身临其境的听课体验，下面就此技术做一探索。

2.2硬件准备

摄像头无疑是真人出镜最重要的设备之一，教师授课摄像头应力求写实还原，画面清晰。笔者这里推荐罗技系列摄像头，物美价廉的C920已经可以满足大部分老师的需求。如果对画质有较高要求，可升级为C930或C1000。将摄像头架设在主显示器上沿中间即可，高度尽量与眼睛平齐，此角度和位置对营造人物与观众的交流感是非常合适的。

为了减少授课背景中的无关干扰，需要购买绿幕，通过软件抠图，仅让教师人像出现在画面中。如果授课位置后方有衣柜、窗帘杆或平整墙面，可以将绿幕悬挂起来，购买普通幕布即可，价格大约每平米10元。如果不方便悬挂，可以购买带边框支架的背景布，虽然价格稍贵一些，但其自带落地三脚架不受场地限制，正反两面红蓝双色，钢丝支撑边框可有效避免背景布褶皱，能够获得更完美的抠像效果。绿幕的放置应尽量远离人物，且覆盖整个画面背景为宜[5]。

此外，良好的光线也对最终呈现画面有着至关重要的作用，准备两盏家用台灯或落地灯即可。一盏放置在人物的侧上方，照亮脸部等出镜部分。此时会发现人物的影子投射在绿幕上，需要让另一盏灯照亮幕布，消除阴影。这样，可使后期抠像人物边界清晰，无毛边[6]。如果有更高的需求，可以购买专业的补光灯。若所处空间自然光线良好，也可不用灯光照明。

2.3 操作指南

所有硬件设备准备就绪后，需要下载软件OBS Studio。这是一款视频直播录制软件，提供了视频、文本、图像等的捕获录制功能。其以界面简洁，功能强大，完全免费等特点，深受广大用户的喜爱。

下载安装完成后打开软件，上方的大窗口为对外输出的画面，下方通常有场景、来源、混音器、控件四个小窗口。想要获得虚拟直播间效果，需要进行一系列设置。

第一步，添加虚拟直播间背景。点击“来源”小窗口下方的加号“+”—“图像”—“确定”—“浏览”—“确定”，在电脑里选择事先下载好的合适的背景图片，可以是教室或其他房间场景图片。此时可以在上方大窗口中看到选择的图片，用鼠标拖动边缘的红框调整图片大小和位置，以图片覆盖整个背景不露黑边为宜，如图2所示。

第二步，添加边框。和第一步一样，依然点击“来源”小窗口下方的加号“+”—“图像”—“确定”—“浏览”—“确定”，在电脑里选择事先下载好的合适的边框图片，可以是电视机或电脑显示器图片。再调整边框大小，放置在合适的位置。

第三步，添加屏幕分享。点击“来源”小窗口下方的加号“+”—“显示器采集”—“确定”—在“显示器”中选择“显示器1”—“确定”，用鼠标拖动边缘的红框，调整屏幕分享画面的大小和位置，使其处于第二步添加的边框内。

第四步，添加人物画面。点击“来源”小窗口下方的加号“+”—“视频采集设备”—“确定”—在“设备”中选择想用的摄像头—“确定”，用鼠标拖动边缘的红框，调整摄像头画面的大小和位置。在“来源”小窗口内，右键点击“视频采集设备”—“滤镜”—在效果滤镜小窗口下方点击加号“+” —“色度键”，如果背景布是绿色，则在“关键的颜色类型” 中选“绿色”，其他颜色同理。然后，主要调整“相似度”和“平滑”两项，观察上方窗口，直至人物背景变为灰色，抠图干净无毛边为止，通常默认值即可达到比较好的效果。也可以把平滑调为0，然后不断调整相似度，观察效果。调整完毕后点“关闭”即可。

第五步，启动虚拟摄像机。想要将设置好的虚拟直播间画面应用于网课，还需要点击右下角“控件”小窗口中的“启动虚拟摄像机”。然后打开授课软件，如钉钉、腾讯会议等，在其中的摄像头选项中，选择OBS Virtual Camera，呈现的就是设置好的虚拟直播间画面。

这一方法也适用于教师录制个人微课，只需要将第五步中点击“控件”小窗口中的“启动虚拟摄像机”改为点击“开始录制”即可。OBS的其他功能也非常强大，能实现非常多样的教学场景，各位老师可以自行探索学习。

比较遗憾的是，目前钉钉如果不购买会员，摄像头画质会受到很大限制，清晰度非常差。虚拟直播间画面中，PPT上的字可能会看不清。此外，像智慧树这样的网络教学平台是不支持电脑端摄像头分享的，只能使用屏幕分享功能。

那么，使用屏幕分享功能如何实现高清逼真的真人出镜效果呢。推荐使用“摄像头录像大师”这款免费软件[7]。下载安装后，打开软件，点击“菜单”—“系统设置”—“视频设置”，在右侧“摄像头”中选择要使用的摄像头，下方的“录像分辨率”选择“440×440”，然后点击“保存”。在软件窗口画面点击右键，勾选“窗口永居最前”和“精简模式”这两项。这样就获得了一个永远置顶显示在屏幕上的无边框摄像头画面，无论网课软件是否支持摄像头分享，都可以实现人物出镜功能。

综上，借助信息技术，在声音系统、真人出镜、虚拟直播间等方面寻求突破，力争达到更好的线上教学效果，使学生获得不输线下教学的体验，甚至在某些方面胜过线下教学。随着技术的发展和进步，教师的教学方法也要与时俱进，丰富的技术手段不止于融入线上教学，下一步也要探索将其利用在线下实体教学中。在广阔的后疫情时代，打通线上线下的分界线，探索教学虚拟现实技术。

参考文献

[1] 李芝萱.校园线上教育平台设计与实现[D].长春：吉林大学，2016.

[2] 高巍，杨根博，蔡博文.高等学校四种线上教学模式效果比较研究[J].黑龙江高教研究，2022，40（2）：155-160.

[3] 顾丽爱.开放大学线上教学现状与对策研究[D].石家庄：河北师范大学，2019.

[4] 李克寒，刘瑶，谢蟪旭，等.新冠肺炎疫情下线上教学模式的探讨[J].中国医学教育技术，2020，34（3）：264-266.

[5] 李祥輝，林东红，洪小颖，等.临床实验室管理学课程全线上教学模式的实践与探索[J].福建医科大学学报（社会科学版），2021，22（2）：72-74.

[6] 陈磊，周楠迪，陈鹏程.适应新工科特色的《食品发酵技术》线上教学模式探索与反思[J].食品与发酵工业，2022，48（3）：325-330.

[7] 罗振南.三晋理工学院线上教学管理系统设计与实现[D].大连：大连理工大学，2020.