远程虚拟微格教学系统的构建

羌　红　李　欣

【摘要】微格教学是对教师职业职前与职后技能培训的有效方法。为了优化微格教学系统，扩大其应用范围，提出了基于Web2.0与Web3D，并融合3D网络虚拟环境（NVE）和虚拟交互社区（VIC）概念的远程虚拟微格教学系统架构的可行性方案。着重对系统的逻辑结构、主要功能、网络架构及相关协议，以及硬件需求进行了分析与探讨。

【关键词】微格教学；虚拟交互社区（VIC）；远程教学

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097（2009）06—0088—03

微格教学系统是教学技能训练的重要工具，它对于教师教学、人员培训、教师职前培训等都有重要的作用。随着计算机、网络技术和多媒体技术的发展以及教学改革的不断深入，使得微格教学系统逐渐从模拟视、音频信号的采集、处理与存储向数字化的集成处理转变，也为基于数字微格的协作学习提供了技术支撑，并为基于数字微格的远程学习提供了可能。

构想中的远程虚拟微格教学系统，是一个基于Web2.0与Web3D并融合了3D网络虚拟环境（NVE）和虚拟交互社区（VIC）概念的混合平台。它通过三维环境建模真实重现微格训练教室，然后把各种同步的交流工具集成到3D虚拟环境，除了支持文本交谈、音频会话、视频会议以及基于视频的替身交互外，还具有社区支持功能，如：身份认证和授权、学伴名单列表、在场状态呈现（显示谁在线、是什么情绪、追求什么类型的活动）等等。目的是在实现原有微格教学目标的基础上，扩大受益面，系统所提供的沉浸感、临场感（be there），可使在职教师不必亲临培训现场也能感受到学习的氛围，强化微格教学训练过程的体验。

一 虚拟交互社区（VIC）及其社会功能

虚拟交互社区（VIC）定义为3D网络虚拟环境（NVE），在里边许多有相同兴趣和想法的人可以更容易地交流[1]。过去十年，VIC发展很快。当今最流行的VIC是大规模多用户角色扮演游戏（MMORPGs），全球拥趸数以亿计，典型代表有Second Life、World of Warcraft等。这些VIC的共同点是，建立在高速终端PC上，拥有永久进入网络的带宽。而且它们大多数依赖文本交谈作为主要的交流方式（尽管一些已经支持语音交流，但通常需要额外付费）。

大多数的VIC，用户由虚拟动画角色来代表，称作替身，它们代表用户在虚拟世界的位置和动作。学者P. Quax、C. Flerackers、T. Jehaes和W. Lamotte还提出了这些替身的扩展——结合3D世界与实时视频流的视频替身（Video Avatar），将在线用户的面部视频信息融入到虚拟的三维场景中[2]。笔者认为这样的扩展很适合远程虚拟微格教学的开展，因为其实时视频流的传输能够及时反映微格训练的实景，使得学习环境更具探索性和趣味性。

二 构建远程虚拟微格教学系统的整体方案

远程虚拟微格教学系统是一个建立在虚拟交互社区（VIC）概念之上的微格教学系统。

1 逻辑结构

远程虚拟微格教学系统的逻辑结构如图1所示。在系统中，需要构建一个主虚拟微格训练教室和多个子教学训练基地，每一个训练基地都需要VIC的支持。分布于异地的子训练基地的成员可以在本地登录系统进行训练，通过Internet与主控室联系，获得训练指导与交流。

（1） 虚拟环境中的受训人员 VIC提供一个真实再现教学环境的虚拟教室场景。受训人员和指导人员之间的交流通过视频替身进行，将实时视频信息融入到虚拟教室的三维场景中，实现准虚拟会晤。而在会话（包括师生和学伴之间的会话）时则切换到一对一的实时视频双向交互模式，类似于使用一个远程会议系统。[3]因此，受训人员需装备网络摄像机（包括主摄像机与辅助摄像机，用于多角度拍摄）以及带有耳机和话筒的耳麦。

在主控室授权的情况下，受训人员可以通过虚拟微格训练教室的嵌入式终端自主地进行练习，并把训练情况实时地记录在主控电脑的硬盘上。

（2） 虚拟环境中的指导人员与受训人员类似，指导人员通过虚拟环境的导航进入虚拟教室。指导人员通过网络观察每位受训人员的教学过程，针对教学过程中出现的问题，进行单独地指导和评价，或者组织全体受训人员对共性的问题和优秀教学实践进行观摩、交流和评价。另外，指导人员具有获取和传送当前的内容和记录音频、视频消息的权限。

2 主要功能

（1） 即时反馈功能该功能通过对受训人员在虚拟教室内部活动的存取来实现。它可以通过简单的网络摄像机录制，经过采集卡实时采A/V流、再压缩、编码、上传存储到流媒体服务器，再由指导人员添加录像课程，即提取A/V流，播放受训人员自身的表现，使其能够实时了解自身表现，通过自我诊断、反馈调节，实现自我完善。[4]

（2） 即时指导功能指导人员通过观看受训人员的表现，来进行实时指导。最简单的方法可采用Net meeting来实现点到点的音频和视频对话。作为双向可视，受训人员也可看到指导人员的画面。

（3） 双向交流功能实时远程交互可将指导人员的指导与远程受训人员练习的过程实时传输到流媒体编码机，经过采集卡的采集、编码后实时上传到流媒体服务器，再由流媒体服务器实时发布到终端计算机，从而达到教师和学生、学生和学生之间的双向交流。

（4） 异步功能视频点播传统（VOD）能够为受训人员提供各项教学技能的教学示范以及供观摩见习的优秀教师的课例等视音频学习资源。借助流媒体技术，通过视频采集卡将丰富的电视教材的音、视频信号进行压缩录制成流媒体文件，通过站点进行网络直播，或者保存为相应的流媒体文件后，根据学生的需要进行播放，实现异步教学。[5]

3 网络架构及相关协议

系统的网络架构，其逻辑实体由四个担负不同职责的服务器构成，分别为会话服务器、A/V流媒体服务器、VIC服务器和数据库服务器。会话服务器管理授权用户、注册用户的登录和离开，也用来初始化A/V传输会话。为了传输和管理这些会话，使用了会话发起协议SIP。A/V流媒体服务器用来传输。点对点传输仅在有两个对象参与时才可能。当更多对象参与时，就需要使用传输服务器，因为多个对象之间点对点连接由于带宽限制是不可能建立的。本方案把单个流发给传输服务器，然后再转发给不同对象，这样每个参与者仅需要发送单个A/V流而不是给每个参与者都发一个。会话服务器负责指明客户端使用哪个传输服务器（假如一个以上可用的话）。由于A/V流的实时特点，实时传输协议（RTP）是显然的协议选择。其他更有效的A/V流传输的可能性是使用组播。[6]为了不超过128kbps（或256kbps）的上传带宽限制，我们需要压缩A/V流。目前使用MPEG-4 80Kbit QCIF压缩视频，Speex Narrowband 15Kbit压缩音频，实现可用带宽的最优化。[7]管理3D 虚拟环境的同步化和持续性是VIC服务器的职责。它包括传输虚拟世界本身、物体和用户状态的实时显示以及管理、储存一个连续的世界状态。文件传输通过使用文本传输协议（FTP）。数据库服务器为存储于数据库中的两类数据服务：一类数据包含用户个人信息诸如A/V参数和社区地址列表的配置文件，另一类数据是该服务器传输和存储（共享）的媒体及其他数据文件。底层协议使用了FTP和超文本传输协议（HTTP）。网络架构及使用的相关协议如图2所示。

4 硬件和网络要求

VIC平台可经由语言（如C++）编程运行于大多数的Windows系统。对于网络摄像机，320 x 240 像素、28fps就能提供较舒适的视觉观感，它甚至能拍摄教室内电视上播放的影片。关于音频，可将耳机和话筒集成到网络摄像头，建议无线话筒与固定话筒一起使用，这要求将回音取消（AEC）功能整合到话筒或软件中。最后，为了流畅地渲染3D 虚拟场景，客户端的计算机还需配置3D 图形加速卡。为了保持网络信息流通量的最大化，A/V 流在输出之前要求被压缩，需选择合适的压缩标准。

三 结束语

本文提出了基于虚拟交互社区（VIC）平台的远程虚拟微格教学系统架构方案。这种新型的虚拟教学系统，无疑更有利于创设课堂教学情境，给远程学员带来更多探究性的、有趣的学习氛围。随着系统功能的拓展和完善，其在教师教育培训领域的实际应用价值将凸显。同时，作为一种尝试，系统功能远未完善，尚有许多关键技术有待解决，需进一步深入的研究。

参考文献

[1] JORISSEN Pieter, DI FIORE Fabian, Vansichem G, et al.A virtual interactive community platform supporting education for long-term sick children [EB/OL].

[2] Quax Peter, Flerackers Chris, Jehaes Tom, et al．Scalable transmission of avatar video streams in virtual environments [EB/OL].

[3][7] 李欣.面向远程教育应用的“视频化身虚拟教室”设计[J].电化教育研究,2008,(8):68-73.

[4] 王利兴.微格教室的设计[J].现代教育技术,2002,(4):62-63.

[5] 周剑辉,丁芳.基于网络的微格教学环境设计[J].现代教育技术,2007,(1):62-64.

[6] 饶雨泰.基于流媒体技术的校园网视频点播服务器设计[J].科学技术与工程,2007,(6):1240-1246.

Constituting Long-range Virtual Micro-teaching System

QIANG Hong LI Xin

( College of Teacher Education , Zhejiang Normal University , Jinhua ,Zhejiang,321004,China )

Abstract: Micro-teaching is an effective way for the training of teachers both before serving and after serving. The article puts forward the feasible way of constituting long-range virtual micro-teaching system based on the Web2.0 and Web 3D, combined with the concept of 3D network virtual environment (NVE) and virtual interactive system (VIC), the new constituting is to optimize the former micro-teaching system and to widen its using content. The logic frame of the system, the main function, the network architecture, the related agreement and the hardware requirements are also analyzed and discussed.

Keywords: Micro-teaching; Virtual Interactive Communities (VIC); Long-range Teaching