数字化聚合下微格教学环境设计

尹合栋

(重庆第二师范学院 教学资源中心，重庆 400065)

1 引言

微格教学(micro-teaching)是将复杂的教学过程分解成十种教学技能，运用录播技术将这些训练拍摄下来，再结合所得视频进行深入反思与讨论，以达到促进训练者教学能力的一种培训方法。教师以教育学、心理学和视听理论为依据，结合现代教育技术对学生进行单项技能训练，实践证明微格训练是提高教学技能的有效途径，也是培训教师综合教学能力的最佳方式之一[1]。传统微格教学运用模拟电路器件控制摄像镜头和云台，利用模拟音、视频技术把学生的教学技能训练视频记录在磁带上，再将磁带上的视频转化为数字资源，这种方式利用模拟器控制镜头十分不便，对操控人员有较高技术要求，高频率使用模拟器容易使器件损坏，通过这种方式录制的视频资源不易长久保存，且不容易查询和检索，不利于微格教学资源的整理和分享[2,3]。微格教学环境是师范生培养体系的重要组成部分，运用微格教学环境中的自主学习系统，通过在线观摩、微格实训和校外实习等多种方式，为师范生人才培养创新发展提供重要的保障。传统的微格教学将学生限制在教室里讨论、评价微格训练极大限制了学生学习的灵活性，传统的微格训练模式由于受到场地影响，观摩微格训练的人数受到限制，更别提在微格教学里训练了。这要求我们利用新的计算机、网络和多媒体技术对传统的微格教学环境作进一步的完善和修改。

数字化聚合实质上是信息技术的数字化存在形式，多媒体技术、网络技术以及智能计算机技术快速发展，推动了教学手段现代化进程，数字化环境下的软、硬件建设对现代微格教学发展产生了较大的影响[4]。为了让师范生教学训练、观摩、评价和资源共享更加方便，为了更好进行师范生职前、职后一体化人才培养，综合发展师范生教学实践、教学评价、教学反思和现代教育技术应用能力，本研究通过电子白板和短焦距镜头，利用协同控制录制机、智能导播、高清摄像机、拾音器、调音台等现代视听设备，创造高精度屏幕显示和高保真音质的现代化多媒体视听微格教学环境。利用智能跟踪摄像方式，减轻以往传统录播方式下的工作人员跟踪拍摄及教师重复示范讲课的劳动强度，通过软硬件产品的全方位结合，实现远程视频直播并为广大师生、教研员提供课后点播观摩和评价，完成知识传承和进行校际课程交流。利用web开发和“云计算”技术以及中央集成控制理念，对全区域内教学对象、教学环境、教学平台进行统一管理，以便与全国教育信息一体化接轨。

2 微格教学环境的组成

学习环境是学习资源与人际关系的动态整合体，是支持学习活动的外部条件[5]。在现代数字聚合环境下，一个完整的微格教学系统包括“微格教室”、“观摩室”、“录播室”和“控制室”等四个部分。微格教室主要是用于教学技能训练，例如：导入技术、讲解技能、提问技能、演示技能、板书技能等，它把一课堂的多项技能分解后逐一练习，它是在录播教室进行综合训练的基础。微格教室一般建设在相对安静地方，大小30-40m2为宜，每个微格教室可容纳12个学生左右，学生人数太多不利于小组训练指导和讨论，人数太少则无法模拟真实的教学环境，微格教室内的桌子最好为可组拼的正六边形课桌，这方便学生小组讨论学习[6]。录播室主要用于录制一节完整的课，而非某单项教学技能，它一般在所有单项教学技能训练结束后进行，也可以用于师范生实习前进行强化训练。录播室大小为90m2为宜，主要用于模拟真实教学环境，里面的桌子是行向排列，录播室同时可以作为精品视频公开课录制场所。观摩室大小与录播室相似，里面的桌子可以分两种排法，前面几排坐位用于观摩录播室内的试讲(或示范课)情况，后面的桌子由正六边形可拼课桌组成，主要用于学生微格训练后的小组讨论、自我评价、小组互评及教师评价。观摩室除了用于教学观摩和评价外，还可以当作微格训练准备室。控制室大小40-50m2左右，主要实现教学训练的远程控制、集中录播管理、课程的调度、在线教学直播、远程观摩评议，教师可以在控制室内通过大屏观察各微格教室的训练情况，用语音双向话筒对学生的训练给予提示和指导，此外控制室还可以起到安全监控的作用。控制室有大屏显示器和课件非编系统，里面的资源服务器保存着所有的录制视频资源，此外还有训练平台服务器、调音台、智能导播服务器和导播服务器等。微格教室、录播室、观摩室和控制室的布局如图1所示。

图1 微格教学环境平面布局

3 教室装修设计与要求

3.1 教室吊顶与墙面设计

微格教室和录播室的天花板应能够承受5公斤重量吊装，主要用于安装灯和话筒。吊顶可以为整体石膏吊顶和矿棉板吊顶。整体石膏吊顶的特点是安装完毕后中间没有拼缝，涂完涂料之后整体颜色一致，整体视觉效果给人美观大方的感觉，但整体石膏吊顶对环境内部的声音吸收效果没有矿棉板的效果好。吊顶铺设之前应检查是否要增加线缆，因为吊顶装好后很难更换或者增加线缆，吊顶破损之后不能很简单的修补。木质吸音板采用薄板共振吸声原理，在共振频率上由于吸音板振动而大量吸收声能。木质的有较好的吸声效果，而且它安装简便，不易污染。墙面最好安装木质吸音板，这样会有效减小教室内声音的反射，在这环境中录制的声音质量较好。

3.2 地面、窗帘和灯光设计

教室的地面要平整，选用矩形为宜，圆形的不适合当作微格教室用。教室地面采用复合吸音地板或者化纤地毯，这样可以保证教室内部的整体美观效果，并且可以最大限度吸收环境内产生的回声。地板下铺设隔音膜，有效地吸收在地板上走动的声音，但没有地毯上走动的声音小。教室可用整体地毯，这种地毯耐磨有弹性，不易生虫不易被弄脏，价格也相对合理，在上面走动不会产生明显的声音，这样可以在最大限度上防止录像中有不必要的声音被采集。教室内部不能有柱子等障碍物，否则严重影响摄像效果和采光。教室最好采用双层遮光厚窗帘，既可以挡光又可以吸音。教室内的布光要均匀，内部采光基本采用格栅灯，内部平均照度在300～500流明之间。讲台旁边区域增加补光，保证照度在800～1000流明。使用电子整流器的三基色灯管。讲台区域一般安装三组面光灯，采用 36瓦× 4的补光灯，距讲台前方1 m，三盏灯均匀分布于讲台左右内侧。补光灯的型号：36W×4 DSR系列三基色冷光灯，在墙面需要对应每个灯单独增加开关。

3.3 师、生采音方案设计

教师话筒采用无线领夹式(或手持式)和界面式结合使用，学生的采音使用拾音器，一般90m2的教室用四个吊式话筒拾音器即可。教师在讲台前授课或在讲台两侧讲话均可用界面话筒有效采音。教师在黑板板书时的授课声音可通过黑板下方的界面话筒采音。无线话筒使用在采音和扩音时效果比界面话筒好，但有个问题是，当话筒电池没电或话筒耳机接线与衣服摩擦产生静电会影响声音采集，而界面话筒刚好可以弥补这些不足。学生的话筒采用吊顶式，其安装位置离黑板中间有大约2～5m，偏离中间2m左右，话筒向下倾斜40度。安装话筒的位置尽量避开日光灯以及投影机，因为日光灯的整流器在运行的过程中会产生噪声，投影机运行的时候散热风扇也会有较大的噪声，会对声音录制有较大影响。空调建议选用低噪音的,比如直流变频空调,尽量避免因空调噪声影响采音效果[7]。

4 微格录播环境的布置

本文研究的录播系统是智能录播系统与微格训练系统有机结合，这种方式结合了学校教师教育设计而成，并且将这两种系统软件作了无缝衔接。微格教学系统由软件集中控制，通过校园网络连接一起，系统中心交换机采用Intel千兆网连接，以保证系统对多媒体素材高速率传输的要求，微格教室电脑和交换机采用千兆连接。系统主交换机通过千兆校园网线连接，以保证整个网络数据传输的畅通性。

录播室采用最新的布线方法，在教室的前端配有电子白板和短焦距投影仪，短焦距投影仪可以避免教师的影子投到白板上，也方便教师直接触摸电子白板进行演示、板书，增强课堂教学的交互性。以录播室为例，教师讲台上配有一个10寸显示器，主要用于视频录制过程中训练者能实时看到录制效果。录播室采用5机位拍摄法，2台广播级摄像机及3台高清摄像机，分别用于跟踪拍摄教师特写、学生特写、教师板书及课堂全景。5个机位所采集的视频信号传送到智能导播系统，导播系统将信息传送至服务器录制课件。拾音器采集声音后通过调音台将信号传送给智能导播系统。控制室主要存放智能导播、图像定位、调音台、录制服务器、直播非编服务器、微格实训平台服务器等设备，在这些设备中要预留硬件升级接口，能将录播室和微格教室的音视频设备连接起来。中控将所有信号源汇合，可实现教学实时录播，可以通过网络进行在线观摩、互动和学习。微格教学环境主要部分网络拓扑结构如图2所示。

4.1 智能跟踪系统

用图像识别技术实现智能跟踪，根据教师不同身高自动调整教师在镜头里的位置，整个跟踪无需人为操控和干预，教师也无需使用其它跟踪仪器拍摄，这在一定程度上消除教师的紧张情绪，使其更好、更快进入教学角色。智能跟踪可以对在教室行走的教师进行跟踪拍摄并给予特写，当有学生站起来回答问题则可激发学生定位系统，从而学生摄像机就对学生进行特写拍摄，学生回答结束坐下后，智能跟踪又重新发挥作用，如果有多名学生同时站起来回答问题，学生定位系统则自动切换到学生全景，当只有一个学生回答时又给予特写，这种特写、近影和全景的自动切换过程充分体现了智能跟踪拍摄高效性。

4.2 智能导播系统

摄像机接收到图像定位系统的指令后，对老师板书、学生进行跟踪拍摄，然后把采集的视频信号传送给智能导播系统。智能导播系统主要是对所录制的多场景和多视频信号和计算机画面进行智能切换，通过触摸显示屏可以方便控制多路视频信号。智能导播系统有自动录播系统的导播功能，同时也有切换视频信号的功能。运用智导播系统可以有效调度及切换教师的讲授、板书，学生回答，师生的交互，计算机桌面以及其它实物展示画面。这种智能化调试与切换与实际教学的程序一致，精准的画面表达可以有效展示教学的重、难点，基本符合学习者的学习认知需求。

4.3 课件实时录制系统

智能导播系统完成导播过程后，把屏幕流、音频和视频数据，通过集控式录播服务器进行实时采集并生成课件。各教学点(采集端)设计方案如表1所示，其中教室视频采集端主要采用三种形式：第一种方式(软件形式)是在教师机上安装视频采集卡及PowerCreator Composer软件，通过软件采集视频、音频、VGA等信息。第二种方式(硬件形式)是在教室安装视频服务器(编辑器)，通过专门的硬件采集视频、音频、VGA等信息。第三种方式(混合形式)是VGA信息通过PowerCreator Teacher软件捕获，视频信息通过视频服务器捕获。课件实时录制系统可以高效地把教学场景录下来，生成完整的流媒体课件，还能将电脑桌面的内容和电子白板的内容以及鼠标移动轨迹记录下来，并且通过动态捕捉每章课件的标题生成文字索引，文字索引给学生播放课件及后期资源整理带来了很大方便。音视频部分采用MPEG4压缩算法(ASF/WMV格式)，文件质量和大小相对合适。教室音频采集用无线Mic，用音频线连接采集端计算机的声卡，采集端计算机把音频信号传递到集控式录播系统服务器。也可以把音频信号接到视频服务器，通过网线传递音频信号。

课件录制过程中，可以通过图像和声音预览和监视，实时检查课件的完整性，避免课件声音失真。生成的课件既可以为三分屏模式、单画面电影模式。三分屏模式包括视频播放区、课件目录区和电脑显示区。其中单画面电影模式中的画面可以是单一的教师讲解的视频，也可以是教师讲解与学生互动、教师问学生回答、学生操作练习与教学课件的结合，单画面电影模式一般以画中画模式呈现。通过这种方式得到的视频为ASF格式或VGA格式，ASF 格式点播时无需安装播放插件，VGA格式课件小、图像质量好。

表1 课件录制方式组合方案

4.4 非线性课件编辑系统

课件实时录制系统生成的课件，可能会对其进行编辑，比如删减PPT中的错别字，剪切掉录制的杂音、噪音等等，普通的非线性编辑系统premiere只能对单画面电影模式的视频课件进行二次编辑的，而对于三分屏流媒体课件则要用到专门的PowerCreator media studio v2.0编辑软件，因为三分屏课件的视频、PPT和文字索引是一个数据包，而非单一的视频对象，它只能用该软件对三分屏进行编辑，运用这种软件可以很方便对PPT内容进行删减、补充，也可以对课件声音进行再加工，也可以添加字幕、片头和片尾。

5 直播、点播功能设计

系统支持点播也支持多个教室同时直播，实时直播的内容包括教师的图像、声音、学生画面及电脑屏幕等。实时直播教师的图像与声音能与屏幕直播保持同步，在小网络环境下也能收看直播。动态屏幕直播可把计算机屏幕教学内容、FLASH动画、鼠标运动轨迹以及电子白板等内容流畅的传输到客户端。这种直播方式自动化程度高，客户端无需任何操作，通过服务器直接控制客户端直播。在直播前必须运行直播服务器上的PowerCreator Live Server软件，直播服务器从录制服务器实时取得视频、音频以及屏幕信息，并发送给客户端用户进行直播。通过局域网、互联网可把课堂内容实时传播出去，客户端用户通过IE浏览器可收看直播课堂内容。学生可以在观摩室的电子白板观看各个微格教室和录播室的现场试讲或授课情况，学生也可以用Internet Explorer游览器收看基于Web的课堂直播。点播与直播相似，学习者可以通过互联网访问点播资源库内的视频进行在线学习。直播服务器结构如图3所示。

图3 直播系统结构图

6 微格教学环境设计要注意的问题

在进行微格教学环境设计时要充分利用学校现有的计算机、投影仪、电子白板、服务器、视频采集设备、调音台等资源，除了要对录播教室进行防噪处理和灯光设计外，还要对录播过程中的智能跟踪、智能定位、智能导播以及课件的实时录制作科学、合理地架构。摄像机对教师的智能跟踪要稳定，跟踪拍摄出来的画面要连续，不能有跳跃感，跟踪系统对强光和电磁波要有一定程度的抗干扰性能力，不能因强光和电磁干扰而影响智能跟踪的灵敏性。跟踪过程中应无盲区，所拍摄的画面要有重点且能进行实时特写跟踪。智能定位主要是针对学生的回答问题自动给予特写，学生回答完毕后能自动切换到教师摄像机，整个切换过程应自动完成，最好不用人工干预，这样可以提高录播的效率。智能导播要做到智能切换，能自动识别场景变化内容并且自动对核心内容作特写。智能导播系统的跟踪与切换方法要以实际教学为基准，并要求支持多通道和多文件输入。课件实时录制所得课件能自动生成文字索引，并能创建缩略图索引，所得课件音、视频能保持原图像。

7 结束语

本文设计的微格教室、录播室采用先进的数据传输、数字存储、多媒体编辑、视频点播、在线直播技术，这种智能化教学环境使学生微格训练的方式发生了很大改变，激发他们对教学技能训练的兴趣，这种方式也改变微格教学评价的方式，由传统的面对面的评价转变为在线评价，运用智能化录播系统可以制作丰富的微格教学案例资源库，也可以在他们的微格训练视频中选择一些正、反案例作为资源库素材，同时也可以将这些视频作为分析教学的训练情景。这种数字化微格教学环境使师范技能训练过程更优化，教学效果得到进一步提高。微格教学环境的设计与应用提高了应用型本科院校师范生教学能力，增加了他们的核心竞争力，利用微格教学录播系统能有效进行网络课程和微课程的实时录制，有利于区域内教学资源收集整理，从而储备优质教学资源，为今后优质教学信息化环境搭建提供有力的数据保障。

参考文献：

[1]尹合栋.数字化网络微格教学平台的构建与应用[J].中国远程教育,2012,(5):69-75.

[2]薛胜兰.信息技术环境下微格教学系统的构建[J].实验室研究与探索,2007,26(5):64-68.

[3]俞树文,王锋.基于网络的数字化微格教学系统的建设[J].现代教育技术,2007,17(9):102-104.

[4]尹合栋.数字聚合环境中的师范技能训练模式研究[J].重庆第二师范学院学报,2014,(3):28-32.

[5]吴江涛.网络环境下的微格教学系统设计[J].东莞理工学院学报,2013,20(6):88-92.

[6]赵立坤,刘欣.微格教室的设计与应用[J].山西财经大学学报，2011,33(4):172:174.

[7]胡检勤.中小学高清录播室建设方案[J].中小学电教,2011,(6):20-21.