土木工程专业远程实时交互式实践教学平台的设计与应用
张望喜++刘一江++胡小惠++方志++廖莎
[摘 要]鉴于传统的远程教学具有数据传输量大、实时显示困难的特点，可以研究基于移动终端运算和无线网络传输技术的远程实时交互式实践教学系统的建立，解决远程视频教学的信息传输量大、对通信网络带宽要求高的问题，在结合当前的视频会议方案以及相关技术的基础上，搭建并实现远程教学实时交互的功能。
[关键词]远程平台；实时交互；实践教学；移动学习
[中图分类号] G434 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）02-0092-02
目前，移动学习在国外已广受关注，被作为未来网络学习的重点发展方向。对移动学习最早的研究始于1994年美国卡耐基-梅隆大学的Wireless Andrew研究项目。2000年美国加州大学伯克利分校的人机交互研究室启动“Mobile Education”项目；2001年欧洲的“下一代”项目；2002年非洲农村移动学习项目；英国金斯顿大学、美国斯坦福大学等高校以及爱立信、诺基亚等商业公司已经开展移动学习相关项目；波士顿大学提出了基于卫星、使用数字视频和Internet实现的远程移动教学系统；日本的Tokai大学提出了使用非对称卫星和网络，用于下一代远程交互式教学的多媒体系统；芬兰赫尔辛基大学进行UniWap移动学习项目研究，开发出各种课程、服务和产品等移动学习资源。
我国对移动学习的研究起步晚于欧美等国家。1998年9月，教育部决定由清华大学等四所高校开始远程教育试点。国内的移动学习始于北京大学现代教育中心教育实验室承担的关于移动教育理论与实践的试点项目。2006年6月，深圳广播电视大学正式运行基于WAP技术的移动学习网；2008年，中国移动厦门分公司和厦门软件学院共建校园3G网。
一、远程实时交互式实践教学平台的特点
现代远程实时交互式实践教学平台，将信息技术和现代教育思想有机结合起来，特点如下：1.利用Internet远程教学，学习者不会有太大压力，轻松娱乐。2.对土木工程等实践性极强的工科专业，学生要下工地实习。由于工地的复杂性和危险性，实习者锻炼得不够充分。远程实时交互式实践教学平台可突破空间和时间的限制，能更好实现实践学习。3.通过远程教学平台，教师对工程现场情况进行分析与讲解，真正做到理论与实际相结合，促进学生对理论知识由抽象思维到形象思维的过渡。4.学生可根据现场情况在课堂上提出问题，教师通过调度远程移动现场实时画面进行解析，利于课堂互动。
二、远程实时交互式实践教学平台的技术架构
结合当前的视频会议方案以及相关技术，搭建并实现远程教学实时交互的功能。关键问题在于：系统平台的搭建以及硬件接口的兼容问题，包括MCU、终端、摄像机、录播服务器等；Android操作系统上的应用程序开发，解决防火墙和NAT穿越问题；利用音视频压缩、编解码技术实现音视频低码流、平稳、高分辨率的传输。以广域网为基础运行平台，依据H.323标准协议进行远程实时交互式实践教学系统组网，通过在校园主教室配备多点控制单元（即MCU），搭建起远程实时教学控制平台，用于连接施工现场及主教室。在主教室还配备管理终端、显示屏幕、解码器、录播服务器、高清摄像头、麦克风、平板电脑等设备。完整网络系统拓扑图如图1所示。
图1 完整网络系统拓扑图
系统设计部分借用视频会议系统，采用H.264低码率视频编码标准，使用半像素精度运动补偿算法，采用标准的G723.1音频编码算法，支持双向语音通讯，输出码率仅为24kbps。系统提供了各种灵活多样的网络接入方式，如3G、ADSL、专线、LAN、无线等。利用先进的IPAD平台技术和WI—FI无线网络技术，实现现场多点图像缩放、变焦、切换及与教室学生音像互动功能。
三、远程实时交互式实践教学平台的建设情况
湖南大学的土木工程专业水平在全国高校处在前列，有许多独到的专业特点，因此进行土木工程专业远程实时交互式实践教学平台的设计与应用研究就显得尤为重要。作为1998年第一批教育部指定的远程教育试点学校，本项目的研究获得了多方支持，学校安排专用教室，学院安排远程教学专用现场测试试播点和联系安排项目首播工程现场教学观摩点，配备足够的师资队伍利用平台讲解一系列结构静力、动力试验。
四、远程实时交互式实践教学平台的应用效果
该系统能够将施工现场真实地展现在课堂，加强课堂现场和外地教师间的教学资源分享。在施工现场的教师根据主教室的需求，通过平板电脑、高清摄像头等终端设备，获得现场音频、视频，经通信网络传输到主教室；主教室学生依据对视频的理解和教师的讲解，在课堂上提出与实际应用相关的问题；教师利用摄像头拍摄提问学生，现场教师能够实时获得信息进行现场拍摄，图2为现场演示部分照片。学校可随时和现场教师（或外聘教师）之间进行高效的远程教学互动，特别适应一些很难清楚理解的现场案例或现场施工工序的讲解和描述，很明显地提高了教学效果，节省了学时和实践费用；一般实践活动等均可通过远程实时交互教学平台完成，有效提升了教学质量。该系统虽以土木工程专业为试点进行实施，但也可在其他专业应用，并与其他高校组网，进行课程共享。
■
图2 现场演示照片
五、结论
步入信息化时代，现代网络教学已经在教学领域中占据着重要的位置。把网络远程教学和实践性极强的土木工程专业相互结合，一方面很好的节省了人力物力，另一方面又避免了诸多的安全性问题。传统的网络远程教学具有数据传输量大、实时显示困难的特点，而基于移动终端运算和无线网络传输技术的远程实时交互式实践教学则很好地解决了这一问题。随着网络环境的完善，基本实行了网络平台的实时交互式实践教学，对于现在以及将来的土木工程的教学和人才培养有着重大的意义。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张蕾，许良. 对土木工程专业实践教学改革的探讨[J].环球市场信息导报，2013.
[2] 胡立攀，李新成，唐国菊.国内移动学习的研究现状与发展趋势[J].中国医学教育技术，2010.
[3] 傅健，杨雪.国内移动学习理论研究与实践十年瞰览[J].中国电化教育，2009.
[4] 曹瑛，陈乐，王俊岭，等.基于数字化校园的移动学习系统设计[J].西南师范大学学报（自然科学版），2014.
[5] 王琴，王军.基于移动云计算的移动学习研究[J].制造业自动化，2013.
[6] 周驰岷，陈薇，胡竹祥，刘波.基于远程教学平台的互动教学研究[J].中国教育技术装备，2013.
[7] 葛二灵，符意德，年瑞，周昆.基于云服务的设备远程诊断实时交互平台设计[J].计算机与数字工程，2012.
[8] 李云飞，王敏娟，王加俊，等.移动学习系统及其相关学习模式[J].开放教育研究，2012.
[责任编辑：钟 岚]
[摘 要]鉴于传统的远程教学具有数据传输量大、实时显示困难的特点，可以研究基于移动终端运算和无线网络传输技术的远程实时交互式实践教学系统的建立，解决远程视频教学的信息传输量大、对通信网络带宽要求高的问题，在结合当前的视频会议方案以及相关技术的基础上，搭建并实现远程教学实时交互的功能。
[关键词]远程平台；实时交互；实践教学；移动学习
[中图分类号] G434 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）02-0092-02
目前，移动学习在国外已广受关注，被作为未来网络学习的重点发展方向。对移动学习最早的研究始于1994年美国卡耐基-梅隆大学的Wireless Andrew研究项目。2000年美国加州大学伯克利分校的人机交互研究室启动“Mobile Education”项目；2001年欧洲的“下一代”项目；2002年非洲农村移动学习项目；英国金斯顿大学、美国斯坦福大学等高校以及爱立信、诺基亚等商业公司已经开展移动学习相关项目；波士顿大学提出了基于卫星、使用数字视频和Internet实现的远程移动教学系统；日本的Tokai大学提出了使用非对称卫星和网络，用于下一代远程交互式教学的多媒体系统；芬兰赫尔辛基大学进行UniWap移动学习项目研究，开发出各种课程、服务和产品等移动学习资源。
我国对移动学习的研究起步晚于欧美等国家。1998年9月，教育部决定由清华大学等四所高校开始远程教育试点。国内的移动学习始于北京大学现代教育中心教育实验室承担的关于移动教育理论与实践的试点项目。2006年6月，深圳广播电视大学正式运行基于WAP技术的移动学习网；2008年，中国移动厦门分公司和厦门软件学院共建校园3G网。
一、远程实时交互式实践教学平台的特点
现代远程实时交互式实践教学平台，将信息技术和现代教育思想有机结合起来，特点如下：1.利用Internet远程教学，学习者不会有太大压力，轻松娱乐。2.对土木工程等实践性极强的工科专业，学生要下工地实习。由于工地的复杂性和危险性，实习者锻炼得不够充分。远程实时交互式实践教学平台可突破空间和时间的限制，能更好实现实践学习。3.通过远程教学平台，教师对工程现场情况进行分析与讲解，真正做到理论与实际相结合，促进学生对理论知识由抽象思维到形象思维的过渡。4.学生可根据现场情况在课堂上提出问题，教师通过调度远程移动现场实时画面进行解析，利于课堂互动。
二、远程实时交互式实践教学平台的技术架构
结合当前的视频会议方案以及相关技术，搭建并实现远程教学实时交互的功能。关键问题在于：系统平台的搭建以及硬件接口的兼容问题，包括MCU、终端、摄像机、录播服务器等；Android操作系统上的应用程序开发，解决防火墙和NAT穿越问题；利用音视频压缩、编解码技术实现音视频低码流、平稳、高分辨率的传输。以广域网为基础运行平台，依据H.323标准协议进行远程实时交互式实践教学系统组网，通过在校园主教室配备多点控制单元（即MCU），搭建起远程实时教学控制平台，用于连接施工现场及主教室。在主教室还配备管理终端、显示屏幕、解码器、录播服务器、高清摄像头、麦克风、平板电脑等设备。完整网络系统拓扑图如图1所示。
图1 完整网络系统拓扑图
系统设计部分借用视频会议系统，采用H.264低码率视频编码标准，使用半像素精度运动补偿算法，采用标准的G723.1音频编码算法，支持双向语音通讯，输出码率仅为24kbps。系统提供了各种灵活多样的网络接入方式，如3G、ADSL、专线、LAN、无线等。利用先进的IPAD平台技术和WI—FI无线网络技术，实现现场多点图像缩放、变焦、切换及与教室学生音像互动功能。
三、远程实时交互式实践教学平台的建设情况
湖南大学的土木工程专业水平在全国高校处在前列，有许多独到的专业特点，因此进行土木工程专业远程实时交互式实践教学平台的设计与应用研究就显得尤为重要。作为1998年第一批教育部指定的远程教育试点学校，本项目的研究获得了多方支持，学校安排专用教室，学院安排远程教学专用现场测试试播点和联系安排项目首播工程现场教学观摩点，配备足够的师资队伍利用平台讲解一系列结构静力、动力试验。
四、远程实时交互式实践教学平台的应用效果
该系统能够将施工现场真实地展现在课堂，加强课堂现场和外地教师间的教学资源分享。在施工现场的教师根据主教室的需求，通过平板电脑、高清摄像头等终端设备，获得现场音频、视频，经通信网络传输到主教室；主教室学生依据对视频的理解和教师的讲解，在课堂上提出与实际应用相关的问题；教师利用摄像头拍摄提问学生，现场教师能够实时获得信息进行现场拍摄，图2为现场演示部分照片。学校可随时和现场教师（或外聘教师）之间进行高效的远程教学互动，特别适应一些很难清楚理解的现场案例或现场施工工序的讲解和描述，很明显地提高了教学效果，节省了学时和实践费用；一般实践活动等均可通过远程实时交互教学平台完成，有效提升了教学质量。该系统虽以土木工程专业为试点进行实施，但也可在其他专业应用，并与其他高校组网，进行课程共享。
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图2 现场演示照片
五、结论
步入信息化时代，现代网络教学已经在教学领域中占据着重要的位置。把网络远程教学和实践性极强的土木工程专业相互结合，一方面很好的节省了人力物力，另一方面又避免了诸多的安全性问题。传统的网络远程教学具有数据传输量大、实时显示困难的特点，而基于移动终端运算和无线网络传输技术的远程实时交互式实践教学则很好地解决了这一问题。随着网络环境的完善，基本实行了网络平台的实时交互式实践教学，对于现在以及将来的土木工程的教学和人才培养有着重大的意义。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张蕾，许良. 对土木工程专业实践教学改革的探讨[J].环球市场信息导报，2013.
[2] 胡立攀，李新成，唐国菊.国内移动学习的研究现状与发展趋势[J].中国医学教育技术，2010.
[3] 傅健，杨雪.国内移动学习理论研究与实践十年瞰览[J].中国电化教育，2009.
[4] 曹瑛，陈乐，王俊岭，等.基于数字化校园的移动学习系统设计[J].西南师范大学学报（自然科学版），2014.
[5] 王琴，王军.基于移动云计算的移动学习研究[J].制造业自动化，2013.
[6] 周驰岷，陈薇，胡竹祥，刘波.基于远程教学平台的互动教学研究[J].中国教育技术装备，2013.
[7] 葛二灵，符意德，年瑞，周昆.基于云服务的设备远程诊断实时交互平台设计[J].计算机与数字工程，2012.
[8] 李云飞，王敏娟，王加俊，等.移动学习系统及其相关学习模式[J].开放教育研究，2012.
[责任编辑：钟 岚]
