智能化交互式远程教学系统的构建

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1、智能化交互式远程教学系统的构建沈健王晓华东理工大学，上海，200237摘要：为了更好地实现数字校园，将现代教育技术融入教育教学过程中，华东理工大学现代教育技术中心构建了一个交互式远程教学系统并对其进行软、硬件设备进行筛选和优化，在实践中完成交互式远程教室的建设。关键词：交互式；远程教学；远程教室；跟踪定位；视频；音频一、引言近年来，随着数字化校园建设的深入开展与计算机网络技术的广泛应用，利用远程教室开展跨地区课程学习和学术交流成为一种新型的教学模式。如何实现无人值守，如何进行高度智能互动，如何通过交互实现不同地区的任何人，只要得到授课

2、老师的授权，即可通过一台连接网络的计算机，实时或非实时地融入远程教室，听授课老师的讲授，与同学老师交流，甚至进行远程演示，是目前远程教学系统构建中必需解决的问题。华东理工大学现代教育技术中心为了能与美国DUKE大学开展本科生选修课互选，更好地促进教育信息化，全面提高本科教育教学水平，于2008年年初全面启动了交互式远程教室的建设工作。在设计初期我们就明确提出要通过构建一个无人值守的交互式远程教室，把课堂教学中完整的教学部分，包括教师面授、教师板书、教学课件、师生交流等可能的互动教学情景真实完整地利用流媒体技术、通讯技术、智能录播技术进

3、行展现，并通过网络进行传输，实现实时授课；在直播的同时将这些信息保存于本地服务器，供课后点播使用，以促进两地教育教学资源的共享。二、系统构成“公欲善其事,必先利其器”。智能互动式远程教室最核心的部件就是一套具有交互功能的软、硬件设备。我们在现有教师培训机房的基础上添置了视、音频信号采集系统、智能跟踪定位系统、远程互连系统以及显示系统，以此来构建智能交互式远程教学系统。如图1。图1所有的软、硬件的工作都基于一套移动式全智能录播系统。如图2图2下面就对以上各系统作简单阐述：（一）视频信号采集系统有研究证明，人的感知超过80%是通过视觉呈现

4、的。因此远程教室的一项重大任务就是将远端的视频信号尽可能真实、完整、及时地传送至目的端。为提升本系统的性价比，同时考虑到今后的升级问题，我们采用了前后置摄像机的方式，即在教室后部使用26倍光学变焦，480TV线，具备YH5902M控制云台的SONY980P作为教师场景摄像机，主要负责教师画面的跟踪与拍摄；在教室前部使用18倍光学变焦，且自带80个预制位的SONYD70，作为学生画面的拍摄与定位。众所周知，远程教室的主体是教师。将教师的每一个动作，每一个表情充分展现给学生是远程教室很重要的部分。因此尽可能提升摄像头的分辨率，采用高光学变

5、焦的摄像头就成为了我们的首选。而教师在讲课过程中可能并不定于某个点，而是在一个区域内移动。这就要求摄像机具备旋转控制云台，且不仅要实现目标自动跟踪功能，而且在必要的时候实现手动控制。在项目开始初期我们选择红外线感应摄像机作为教师跟踪的工具。即通过授课教师领夹上的红外线发射器引导红外线感应摄像机，从而实现教师端视频的跟踪。但是最终实验表明这种跟踪方式存在很大的问题。众所周之，红外线波长较短，约850～900纳米，而可见光中红光的波长在700纳米左右。两者相差不大的波长导致了一旦红外摄像机接触到接近红色的可见光，目标就会跟丢，甚至出现不可

6、控的来回转动。由于中心机房靠近教师方向都有窗户，这种跟丢的现象就极其普遍。而且由于红外线的穿透能力弱，一旦教师背对摄像机就会产生跟丢的现象。虽然有一些解决方法，但涉及到很多问题，让我们放弃了这种跟踪方式。期间我们还考虑了用超声波作为教师跟踪工具。但是这种跟踪方式必须要求老师携带一个超声波信号发射器，并且要在机房顶部安装超声波信号探测器。同时经过测试，我们发觉由于超声波在空气中损耗较大，且容易造成回波影响，因此最终我们决定使用智能信息识别技术来解决此问题。远程教室的客体是学生。教育技术研究表明，只有在课堂上实现师生互动，完成主体和客体间

7、的融合，才能教授一节成功的课程，也是目前教育发展的方向。因此对学生的视频采集我们也进行了适当考虑。我们将学生所处位置划分为4个区域。如图3。图3将学生摄像机的预制位设置如下：预制位0：学生区域全景，即包括学生区域1～4中的绝大多数学生。预制位1：以学生区域1中心为焦点，囊括此区域中的所有学生。预制位2：以学生区域2中心为焦点，囊括此区域中的所有学生。预制位3：以学生区域3中心为焦点，囊括此区域中的所有学生。预制位4：以学生区域4中心为焦点，囊括此区域中的所有学生。因此我们选择自带80个预制位的SONYD70作为学生场景摄像机，轻松解决

8、学生的视频问题，并且留下升级空间以方便增加学生区域。（二）音频信号采集系统对于远程教室而言，音频信号正常传输的重要性一点都不亚于视频信号，甚至从某种方面来说其意义超越了视频信号。有调查表明，目前绝大多数课程内容以教师讲授