构建多媒体教学环境

吕　方　许忠信

尽管当今高速发展的高科技无处不在，但教师们仍然孤零零地在课堂上讲课，大部分教师还墨守成规地使用最原始的教学辅助工具。比如，粉笔黑板这类教学史上最古老的教学工具仍是许多科学技术领域教学中首选的教学方法。自从计算机应用出现在教育领域以来，研究者一直寻求将它们整合并发挥其优势的途径。

构建多媒体教学环境这项艰巨的任务必须从需求分析开始。其中最具挑战性的任务是适应计算技术不断创新的条件下，确保多媒体教学系统的可靠性。

因此，我们提议建立一个可靠、普遍、适应性强、使用简便的科技教学整合体。将这种系统放置在一个面向服务的模型上，通过一个独立的工作平台来实现，比如一个虚拟机器提供开发者所需要的适应性。耦合组件会适应非单块集成电路方法和灵活地再应用。通过再使用和提高组件性能，这个系统会变得更加可靠而且这个积木式的结构会使得系统更易于管理。

一、老师有什么

目前，在教学中应用电子计算设备的需求是很大的。一些局部的解决措施已经存在了，但是没有任何人用全球化的观点来使用这种技术。而且大多数研究者也没有投入精力去关注这个发展结构，这个结构是科技和针对课堂的简易使用来设计的一种结合。

至今，三种电子学习途径成为主流：

* 大量使用幻灯片讲课

* 通过光纤信号传送的视频录像演讲，以及最近使用的网络播放

* 一些电子学习模式而衍生出来的动态页面、动画和Java程序

用幻灯片讲课能够有很好的视觉效果和流畅的讲课节奏。老师预先计划好所有讲课内容，加入所有需要的资源。一些列表、图表，或者图像都可以直接地呈现给观众。更多的好处是，计算机产生的幻灯片可以打印出来给学生，这样他们以后复习的时候就有副本了。

但是，幻灯片讲课经常会出现静态的状况，因为所有的东西都是提前计划好的，少了一些老师根据所讲内容与学生互动的可能性。

通常幻灯片内容是以项目符号列表的形式排列的文本格式，这种格式也限制了老师的表达方式。

有时候，当学生们看到有大量数字的幻灯片显示时也会感到痛苦，尤其是在数学和物理课上。

录制整个讲课内容，这会让学生们远程学习课程而且回忆起以前的内容。录制或者传送课程，标准的互联网视频播放系统已经变得很流行了，这些也充分利用了具有高品质视频播放软件的实用性和简易操作性。

不过，标准视频Webcast工具使得录制技术的质量与教学内容不相符合。文本和图画，不论是幻灯片或者黑板上的，很难进行编码的原因有二：一是视频压缩会忽略明显的边缘效果；二是平稳地传输内容需要高带宽的互联网连接，一些学生在远程很难访问视频。

教学的小型应用，例如动态网络页面、动画，或者Java程序都可以应用在讲课当中，同时也可以单独地面对在家中的学生进行授课而没有任何约束。然而，由于培训某种专门技术的传统方法很难与现代计算机写作系统相匹配，在使用传统计算机写作系统时，花费在掌握该系统提供的学习辅导单元上的时间与精力远比实际写作所用时间多得多。

二、老师需要什么

假如这些幻灯、视频录制和电子教学模式是教育领域最关心问题的直接答案，那么，如下的一些要点就要分析：

* 对课堂教学的支持，包括整合教育化小型应用的可能性

* 准备课堂教学的设备支持

* 同步和异步的远程教学支持

很明显，老师们必须考虑他们在教室中是否有优先权。如果这些工具不能与他们多年的教学经验和实践相平衡，就会使他们有可能拒绝任何教学设备。因此，任何设备应当与老师建立起的工作习惯相一致，同时还能给老师增加更多的有价值的教学经验。每一个老师都有自己不同于其他老师的教课方法，老师必须能够根据他们的想法来改变这些电子设备。

一个平稳顺畅的课堂教学表现依赖于课前备课的质量，它依次包括收集内容、构造讲课层次、准备教学用的要素，比如表格、数字、图片之类的。多媒体元素会是有用的教学工具。

越来越多地使用这类多媒体需要更专注的准备工作。为了避免多余或重复的工作，像预调整打印在纸上的材料，基于计算机工作的教学工具必须能够提供这种便利的处理方法。这包括尽可能保留自由限度，允许更多需要的结构。一个老师应该能够控制讲稿中材料的数量、顺序和要素。

同步的远程教学，比如视频会议，可以提供有资源约束性质的课程。此外，还可以帮助学生复习过去的学习内容。异步远程教学为帮助学生复习考试，赶齐所错过的学习内容提供了便利。

虽然同步或异步教学法为学生提供了一个有价值增进的机会，但只有尽可能不用幻灯片时，老师才可以采用该教学方法。其实，老师们需要一个工具充分协助其备课和讲稿的分发，允许多种多样教学媒体的简单整合，以及选择性支持同步远程教学。这就包括：一方面提供大量数据支持，另一方面准许课堂上的高度自由权利。

三、需求调查

学校是一个不同种类组成并且可衍生的集合。软件开发人员希望他们的软件系统可以持续地成功，所以，他们必须在多种软件硬件构造的环境下建立一个可以生存的模式，同时还要使其适应不同的软件设计理念。

1.基本需求

这种软件必须适应现存的硬件基础架构，而且很容易适应其他多媒体应用的工作。软件开发人员应该避免过度集中于对所有者特殊解决方案的解释，软硬件在课堂教学中应尽量排除超负荷的可能。

因此，开发的软件需要在结构变化或者功能增强方面进行严丝合缝的整合，比如新型媒体增加、技术格式变化，或者新硬件的简单升级。

2.实际期望

成功的远程教学需要先了解目标学生的技术条件，而且需要考虑将来技术或目标群的变化。举个例子，当参与者第一次要进行远程教学时，会有一种强烈的心理屏障，因为他们首先要安装客户软件程序。我们不能设想所有学生都有互联网连接，而让高带宽的连接空置。举例，2003年对柏林工程系学生的一个调查表明：尽管93%的学生可以连接互联网，但是有超过50%的学生只使用调制解调器上网。

通过给出的统计，我们建议在不同的质量层次进行播放，分离课程内容到不同的流体，提供可移动的浏览器，用户可以控制开关的视频音频或者幻灯片流体。除此之外，这些内容也应该以未联网的模式分发，例如刻成DVD。

3.寻求持久性

越是特殊的解决方案，其重复使用的可能性就越低，这也直接影响其持久性。就如同软件工程中，单片集成电路方法很难被重新使用。举个例子，从已记录的陈述中提取某些幻灯片制成压缩视频，这是很繁重的过程。此外，因为技术革新、立法变更，或者文化发展，许多课程、课题的内容都在经历着飞速的变化。

因此，应该把发展的重点放在创新内容体系而不是管理执行它。构建内容管理系统或者进行一些额外的元数据研究不会对达到目标有帮助，同时也不会缩减花费。

一个增强多媒体教学的软件环境应该提供更多个体的教学部分的管理。它必须能够提供一个完整的解决方案，使其能允许教育小型应用，基础支持创新，产生内容的有机综合。

在特定环境下教学的技术整合和不同组织系统间的合作，一方面需要很高的灵活性，另一方面也需要很高的可靠性。最理想的解决方案是使用提供的硬件设备与老师的工作流程严密地结合起来，同时，个人也可以轻松管理其配置。

四、黑盒子里有什么

这个可靠的、普及的、适应性强的，而且简单使用技术结合成整体的黑盒子里边到底有什么东西？

由于这些组成部分的软件工程设计方法在过去的几年里被提议过，可应用的领域包括Eclipse Rich客户平台所带的各种工具（http://www.eclipse.org/）。我们计划利用这些途径提供一个完备的创新支持课堂应用的解决方案，更多的是相关的服务能够在一个精确的体系结构里的各部分间自由提供耦合，这也就允许他们可以进行远程资源的动态下载。

1.普通教室的安装

根据一般的情况，在教室安装完软件，用户根据应用的具体要求来进行配置。为了达到此目的，他们利用工具来具体说明要做什么而不是如何去实现。随后，系统就会分析它所处的环境，从远程数据库下载其所需的部分，合成这些服务，使其能提供所需的功能。

一个音频记录软件安装向导提供了一个系统配置和环境分析的工具实例。一个专业系统通过GUI（图形用户界面）的安装向导来帮助用户进行系统化设置和语音设备的测试。由于最初修正过的合成描述，这种结果包含了一系列所需的已过滤的服务来适应一个给出的记录的前后期处理。在上课过程被录制下来的过程中，系统的显示器和控制器是语音设备中最为重要的部分。比如，系统可以侦测和报告一个范围内的错误和硬件故障。系统也可以模拟和自动操作标准化影音工作室设备，像是图形均衡器、噪音滤除器以及压缩器。

2.远程教学

另外一个例子是白色书写板应用软件，它获取参与者的书面文本，然后存储并通过互联网传输这些数据给感兴趣的客户。为了提供额外的功能，老师利用安装向导来从一系列服务中挑选可以与讲课内容紧密结合的部分，这些服务可以从本地或者远程来提供。当老师选择了特定的服务程序，例如一个泡排序可视化迷你应用程序，下载相对应的组件，白色书写板的核心就会显示出此服务。相同的服务也会被应用在客户端，但有可能是其他不同的组件来提供的。

在视频流体情况下，不同的服务能够转换成不同格式的内容。接受器服务可以接收引入连接的请求，然后在获取的视频类型和能在客户端显示出的格式类型之间，选择和配置适当的转换服务。

各种组件的可下载功能成为这种方法中最方便的因素之一。但如何建立这些远程数据库还是个尚未解决的课题。

普通的方法习惯于通过服务来建立组件实现其功能，其中一个任务就是在界面种类组成中定义服务条款。这之后，单独的一方能在这些数据库中共享他们的执行组件。在服务条款合同中的详细信息必须在相关的明确领域内决定出来。考虑这个因素，依据句法的界面种类与一些元数据相结合的属性在大多数情况下就足够使用了。

五、SOPA

如图1所示，自我组织处理和流体结构（the Self-Organizing Processing and Streaming Architecture，SOPA，http://www.sopa.inf.fu-berlin.de/）就是符合我们的想法并且良好运行的。这个框架体系管理多媒体处理和有组织的流体组件，它存在于一个图表流程中，这个流程的特点就是能与流媒体处理组件自主编合，有机动态的图形处理利用各种分布式资源中的组件。SOPA根据图形的需求安装了这些组件，这都来自它的某些特定目的，还根据应用程序的需要进行组合。一个XML文件表述了粘合这些组件的图形。

SOPA使用了全面的属性来描述节点，举例来说，可以告诉系统选择一个压缩到确定带宽的音频编码。图形结构可以改变而且它的编码可以随着系统运行进行升级。其实现过程应用了Oscar(http://oscar.objectweb.org/), Richard S. Hall的OSGi体系中的公开资源，作为其基本的组件模式。

SOPA目前着重于多媒体处理和互联网流媒体在服务器和客户端的应用上。在服务端，例如一个视频流体服务器，SOPA可以根据联网客户在运行时间的实际性能来进行编码的整合与管理。除此之外，它还可以对客户端进行严密的清晰的重新设置和升级，用来自动适应流媒体处理以满足用户需求。

对每一个明确的需求，SOPA会使用Eureka，这是一种基于指定地点的搜索调用组件的引擎，它可以在本地或者远程数据库中归类有特殊处理要求的图形。当进入远程数据库，SOPA从远程资源中重新找到有需求的组件然后在本地调用。

SOPA根本上是尽力简化此应用程序发展，它既能延伸流媒体和处理层，同时还能缩减行政管理的工作量。再具体一些，SOPA提供了一个集拢的解决方案，它是一个可延伸的管理多媒体组件的体系。SOPA可以同步不同的多媒体流体，例如幻灯片和视频流体，同时利用独立的应用程序的方法来记述混合内容的操作性，比如从一种多媒体格式转换成另外一种。

六、电子粉笔

E-Chalk软件系统(http://www.e-chalk.de/)通过互联网获取和传输用黑板进行授课。Raúl Rojas最先提出此设想并在柏林Freie Universit鋞对其进行了发展。E-Chalk通过结合多媒体特征的现代讲课软件和传统用的黑板，增强了课堂里的教学效果。这个软件用一个可触摸的计算机屏幕虚拟一个黑板，老师可以拿着笔在上面工作。这种方法保持了传统黑板作为教学用的工具，同时也帮助老师创立了现代化的多媒体教学环境。

SOPA处理混杂的流媒体和记录讲稿。E-Chalk则随着一套节点来操控和转换不同类型的媒体和必要的XML图形描述。当老师开始用E-Chalk录制或者传送一个讲课内容，媒体图形就已经建立，系统也已经激活并处于在线状态。在媒体图形建设过程中，系统也会检测是否需要升级。系统会升级任何所需的节点。

使用SOPA的同时，学生也会用QuickTime或者Windows Media Player等来接收E-Chalk流媒体。为了完成它，一个接受器等待一个引入的连接并检测它的类型。依据连接中的客户类型，它可以调整已有的媒体图形，执行寻查，下载支持新媒体类型的节点。

E-Chalk软件与各种各样的硬件设备组件共同工作，老师用此来替代传统的黑板。举个例子，教师可以写在数字书写板或者电脑书写板，用一个液晶投影仪显示计算机屏幕上的内容来取代墙壁。老师还可以用数字化的书写板，直接用液晶投影仪将内容展现在合适的地方。

软件可以将屏幕颜色变化，老师可以用不同颜色的笔在上面绘画。垂直地向上或向下卷动屏幕，从而有了一个没有限制的书写平面。讲课过程中，还可以用橡皮去除部分或者整个屏幕上的内容。从网上得到图像或者本地硬盘也可以放置在板面上。E-Chalk提供了连接计算机图形接口用来实现与网络服务的接口连接。

教师也可以应用从网上得到的含Java程序的教学迷你应用软件。当老师用一个默认的手写识别的颜色画一道线，手写输入就会通过一个数字格式辨认。这个辨认将输入转化为其他组件，比如Mathematica 或者 Maple界面。这样有利于呈现部分结果或者给出部分制定的数字功能的注释。当老师需要一个计算结果时，Mathematica 或者 Maple就会以文字或图像形式回答。

E-Chalk提供另外一种方式与第三方互动的组件：Chalklets。这些应用只有通过Strokes来实现，Strokes从屏幕上识别图画和姿态，绘画出它们自己响应出来的结果。

当一个E-Chalk课程结束，这个系统自动生成一个包括黑板内容的PDF文本。这个文本可以设置成彩色或者黑白色。

宏是E-Chalk提前准备课程的一种方法，它提供一些事先录音的材料，在授课过程中老师就能在板上显现和回复。老师提前存储一些绘制出来的有关课程的内容。在上课过程中，宏可以重放这些材料，以平常速度或者是加倍的速度，这完全取决于用户的需要。自动生成的宏可以是可视化的。

E-Chalk记录了所有从屏幕或者书写板上得到的内容，还包括老师的声音和一些选择性的视频。这些课程可以通过网络直播，也可以在视频会议系统中同步传输。

远程用户连接到E-Chalk的服务器可以看到所有的情景，就如同身在教室里一样。他们能选择接受课程的音频和一小段老师的视频。如果完全用E-Chalk来进行讲课，应用动态黑板画面、音频和视频，其所需带宽为128Kbps。如果不要视频流媒体，所需要的带宽为64Kbps。

基于Java程序的录制回放程序提供了最方便的途径来回顾一堂课。在这里，用户只需要有一个Java可认的网络浏览器，不需要安装任何插件或者客户端程序。

其他一些选项包括：课程内容由MPEG-2格式转换成DVD，支持Java程序的PDA，或者一个第三代手机可以运行RealPlayer，当浏览这些保存的课程时，远程客户看见一个类似图2所示的控制台，还可以使用典型的VCR工具，像是暂停、快进，或回放功能来控制内容播放。

七、Exymen

Exymen软件体系框架（http://www.exymen.org/），一个全球范围的交叉平台多媒体编辑器，它对于开发人员来说是一个关于媒体格式和数字信号编码的高速原型工具的选择。Exymen的开发人员尽力使这种工具提供免费下载来编辑媒体内容。

编辑者提供一个用户图形界面交叉平台，定义一般性的数据结构，运行操作基于时间的媒体。开发人员能用组件插件来完成抽象化的数据结构，以及那些有复杂格式综合的内容。这些扩展功能都可以存储和更新，而不用在运行的时候打断工作流程。组件可以用在框架和其他组件中，通过软件重新使用协助扩展开发。

开发人员能用Eureka从远程场所为系统提供组件。一些插件组件已经为Exymen所开发出来，所有类型的E-Chalk内容均可以被个人或者同步进行编辑。

Exymen能编辑由Java媒体结构支持的音频内容，像wav文件、QuickTime，或者是MP3格式。它还能编辑同步由网络导出的PowerPoint幻灯片。Exymen能用SOPA的媒体节点来编辑存档课程内容，因为它与SOPA共享本地组件的缓冲区。一个Exymen的专用部件读出媒体图形描述后找出转换路径。

虽然还有许多问题存在于我们架构多媒体教学环境的方法，但是我们坚信通过作好需求分析来实现分类的有计划的协助，通过建立解决方案来实现我们的计划，许多错误或者是多余的工作都是可以避免的。