“云教室”应用模式探讨

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摘 要：高清视频会议、云计算等先进通信、网络、信息技术的发展，有效推动着现代远程教育的信息化建设，其中云教室是面向未来远程教育的新型途径。在分析云教室技术原理和建设意义的基础上，探索云教室应用于国家开放大学的改革和创新模式，通过将“云教室系统、双向视频会议系统、HDX桌面终端系统、个人软件终端”等多终端融合接入云教室，搭建彼此间互联互通的教学和研讨环境。

关键词：云教室；云计算；高清视频；信息化

中图分类号：G434

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）005-0199-03

作者简介：贺媛婧（1989-），女，内蒙古乌兰察布人，硕士，国家开放大学信息化部实习研究员，研究方向为教育技术学。

0 引言

根据《构建利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面有效机制的实施方案》，“构建利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面的有效机制，逐步缩小区域、城乡、校际差距”，国家开放大学不断推进信息化建设进程，促进信息技术与教育教学的深度融合[1]。国家开放大学于2013年启动云教室项目系统建设工作，加快推进教育资源的共建共享。云教室作为国家开放大学总部与分部之间互联互通、内容共享、业务联系的技术纽带和桥梁，为远程教育事业的发展提供了创新模式。但如何探索形成一套适应于国家开放大学教学及办学的管理和应用模式，更好地提高学校办学效率，还需要不断进行探索和研究。

1 云教室相关技术研究

云教室是将现代通信技术、网络技术、信息技术融入现代远程教育中的新型技术方案，其将高清的双向视频会议系统与远程教育平台紧密结合，通过组建图像高清、音色悦耳清晰、设备稳定、操作方便的远程视频会议，为满足网络互通条件下的教学、研讨、交流等业务提供技术支撑环境，最终形成互联互通、内容共享、集中管理、分级维护的多终端应用模式。云教室以“双向视频会议系统”为基准和核心，融合了网络通信、高清视频、数据协作、高清分屏等多种技术。

（1） 网络通信技术。云教室作为一种新型的网络应用，特别是高清视频效果对基础承载网络环境有着较高要求。国家开放大学云教室系统采用IP网络连接，通过网络链路共享发挥网络效能，不仅使系统具有更好的灵活性和可管理性，而且可以实现多种应用网络的共享与互通[2]。云教室系统本身对网络带宽要求为64K～2M，但是为了保证高清、流畅的音视频效果，参与云教室互联的会议系统带宽不应低于4M线路。

（2） 多点呼叫控制单元。云教室系统采用MCU（多点呼叫控制单元）为核心控制单元，为整个云教室系统提供接入、控制等服务，其中包括MC和MP两部分。MC负责处理终端间的视频压缩编码控制信息，决定视频和音频处理能力；MP对音视频或数据进行混合、切换、分屏等处理。为了避免出现因网络流量问题影响到视频会议效果的情况，将MCU连接于核心交换机，置于网络汇集点，以方便所有终端与多点控制单元MCU建立连接，保证MCU到所有终端都有足够的带宽，从而确保视频效果达到720P帧高清质量，形成以MCU为中心的星型结构。

（3） 高效编码技术。云教室在互动过程中必然产生巨大的数据量，其中数据量最大的是数字化的视频数据。因此首先需要采用高效率的视频压缩编码技术H.261、H.263、H.264等方式，压缩处理采集到的模拟视频信号，并将其数字化。为了选择合适的编码技术处理数据，对几种压缩编码方式进行了比较和研究， 如表1所示。

（4） 高清音频质量。国家开放大学云教室系统采用高清吊顶麦克风，在云教室天花板4个方向分别垂直悬挂麦克风，具有360度全向麦克风技术。在云教室任何位置的与会者，发言者只要以日常音量讲话，远端都可以清楚地听到对方发言；同时麦克风采用屏蔽材料，独有的抗电磁干扰能力，可以完全防止外接的手机电磁信号对音频的干扰；音频处理和传输过程采用高清立体声音频协议中高质量的音频算法G.722.lAnnex C，结合回音消除技术，可实现清澈透明的环绕立体声效果，使本地和远端的通话方尽享自然流畅的交流方式，而不会产生信号损失。

（5）高清视频效果。国家开放大学云教室从传统的标清视频过渡到高清视频图像，画面清晰度与质量发生了本质变化。传统的视频会议采用分辨率为352*288格式，受到点阵数量的限制，在数字及线条的显示精细度方面用户体验较差；而云教室高清图像最低分辨率为1280*720P，其中P代表逐行扫描，1280、720代表垂直方向所能达到的分辨率，图像由隔行扫描变为逐行扫描，可减小图像显示的闪烁，使人眼在会议过程中没有疲劳感[3]；云教室在视频显示中长边与短边的比例标准为16∶9，该标准是最适合人眼观看的比例，整体屏幕可增加20%的显示空间输出，使人视觉上感觉显示比例为1∶1。

（6）数据协作共享。云教室系统通过发送和接收双流技术，通过呼叫带宽实现了视频、音频和数据的同步传送，实现本地和远端间的数据协作与共享。通过云教室系统的DVI输出接口，实现将PC端显示的任何内容及本地音视频同步传输到远端，接收端可以通过显示器显示传送内容。因此，云教室系统实现了与会者在听到发言者声音的同时，还能实时观看到发言者计算机的活动图形，有效实现了会议中多媒体内容的传送共享。

（7）自动分屏技术。云教室高清系统实现了智能高清分屏模式，可在一个屏幕中分割观看多个分会场。通过MLA软件为总部与分部间互通提供快速的分屏设置，目前设置有44种分屏模式，根据参会分部变化情况，MCU自动调用分屏模板，不需要人工进行任何干涉。如果与会分部数量太多，大于分屏的最多数量，则云教室系统自动采用轮训模式，自动切换显示。

2 云教室应用实例分析

国家开放大学云教室在2013年建成后，多次使用云教室系统开展系列教学、业务及学生活动，覆盖到的应用场景包括双向互动教学、多地教学研讨、教学实时录播、多地高清视频会议、远程论文答辩与面试、学生考试视频监控、考前辅导、学生比赛等多种形式，同时根据应用场景的要求，接入云教室的设备也呈现多样化的融合模式。

2.1 多终端融合接入

国家开放大学云教室系统的MCU和终端都采用国际标准的相关协议，具有良好的兼容性和稳定性，可以与其它分部云教室或标清会议系统等视频终端混用与互联。

（1）接入分部云教室系统。国家开放大学总部云教室可以与各分部云教室进行互联，总部作为总控制中心，集中管理分部云教室系统，分部云教室只需确保网络通畅、接收信号即可。但是，分布在全国各地的分部云教室终端，其使用的网络来源于中国电信、中国联通、教育网等多家运营商。经测试发现，不同网络运营商之间的终端通信可能出现严重的丢包现象，严重影响视频会议的质量和效果。对比分析多种解决方案后，总部最终决定通过负载均衡技术解决此问题。总部MCU分别配置了电信、联通和教育网3个通信机制，让MCU始终都能用与终端相同的链路进行通信，解决了因为跨运营商而产生的丢包问题，确保总部与分部之间的顺畅互通[4]。

（2）接入传统的标清双向视频会议系统。传统的标清设备和云教室高清设备虽在分辨率及图像处理技术方面有较大差距，但云教室高清系统可支持与标清系统协议混合使用，支持多种协议或多种速率同时接入召开会议。但是由于视频像素标准间的巨大差距，互联过程时常发生部分丢包现象，导致视频效果发生延时或显示画面不够清晰，这也是未来急需解决的问题。

（3）接入HDX桌面终端系统。HDX桌面终端系统是便捷的一体化终端设备，其通过固定的公网IP与MCU进行连接。通过HDX桌面终端系统可以参与由云教室总部系统发起的高清双向视频会议，同时也可以召开桌面终端系统间的小型即时视频会议。

（4）接入个人软件终端。M100个人软终端为个人端远程呈现的应用程序，非常适合远程工作人员或远程站点在组织办公室内部的可视通讯，可随时随地接入云教室系统进行通话。其直观、简化的界面让用户能够实时输入会议的ID号码，通过视频桥接实现与云教室系统的互通，允许云教室无缝、在线地连接到全球的数百万会议室和融入式远程呈现系统。

2.2 实际管理模式

国家开放大学云教室管理模式是将设备管理与会议使用分离，通过总部云教室系统集中控制所有设备系统，其它分会场采用小型手持终端，以实现分会场及时应答主会场传送的请求信号。

总部作为主会场建立和组织视频会议，由总部统一的“一键式操作”平台发起会议、调度邀请与会者或结束会议，全网络各终端分会场对其响应并自动加入会议。总部控制平台可实时监控并预览所有正在参会的终端的实时场景状态，根据需求实时调整主会场和分会场显示画面，而无需分会场进行任何操作。

2.3 典型实例分析

2.3.1 终端点对点会议

分部云教室系统、传统标清视频会议系统、HDX桌面终端系统、个人软件终端系统等任一终端设备都可以直接呼叫总部云教室系统，建立点对点的双向连接。

典型案例为总部云教室系统与云教室互联，搭建点对点会议，开展远程实时教学，进行远程教学辅导与互动，同时以发送双流的形式将教师演示文档同步到云教室，实现了让身处云教室的同学参与课堂、同步观看授课内容、实时远程提问，以及总部教师实时进行远程指导；其他无法到云教室现场的同学也可以通过电脑Web端、移动端设备，学习和观看整个课堂的教学互动过程，使总部的优质教学资源与边远地区学生进行实时共享。本次教学形式不仅提高了学生学习与互动的积极性，而且通过云教室拉近了总部教师与分部学生的亲近感，对促进课程教学效果、提升学生的学习兴趣起到积极的推动作用[5]。

2.3.2 多点混合会议

国家开放大学云教室系统具有强大的一体化操作和控制平台，适应遍布全国各地的多种网络环境，总部MCU与各地终端混合互联。与点对点会议模式最大的不同是与会的分会场数量众多，要适应各种网络条件、分配网络带宽，总部操作平台还要为各地分配显示画面内容。

2014年4月，44所国家开放大学分部校领导通过HDX桌面终端系统同时与会，会议将国家开放大学云教室设为主会场，44所分部作为分会场，同时在线参加国家开放大学质量保证委员会第一次工作会议，展开多方领导的在线发言及方案研讨。会议持续近3个小时，整个会场视频画面清晰稳定，互动效果流畅；44所分会场画面在总部屏幕自动轮训显示，且自动选择分屏模式，各分会场默认观看总部及其它所有分会场，个别可根据分会场需求，由总部统一操作，为分会场分配所需的视频内容。

本次多方在线的云教室视频会议赢得了所有与会方的赞同，希望日后利用云教室开展更多类似的研讨会议。本次同时在线的分会场数量之多，各分会场网络环境之复杂，使全会场呈现出多样化形态，通过实例证明了云教室系统可承载压力之强大、功能之完善。

2.3.3 混合或双流会议

国家开放大学云教室系统支持高清与标清混合互通、硬件系统与个人软件程序随时随地互联、多种协议及速率同时连接在线，以及多分屏模式及音视频与双流数据同步传输，为各种终端融合应用和各种数据同步传输提供了有力保障。

案例之一是通过软件M100实现印度尼西亚和国家开放大学云教室的互联。印度尼西亚与会方只需安装软件、输入会议ID号，即可在国家开放大学与印度尼西亚TRAMPIL基金会间建立连接。通过远程互联的形式，推进了中国与印尼教育文化的交流和研讨。

3 云教室建设意义及未来发展

云教室的合理使用为全社会构建全民终身教育体系与建设学习型社会，提供了随时随地可共享学习资源的大型平台。建设与应用云教室为实现国家开放大学“云、路、端”三位一体化目标，提供了有力的技术支撑和保障，为实现“六网融合”教学模式开拓了探索空间和思路，为创新人才培养模式、转变教育发展方式另辟蹊径[6]。

云教室系统的应用为国家开放大学系统内业务交流与研讨节省了大量开支，增强了总部与各分部间的交流学习和互通协作。云教室系统的应用还解决了西部边远地区的教学资源匮乏问题。在云教室背景下，可以及时将总部的优质教学资源传送到远端，构建通过云教室技术手段扩大优质教育资源覆盖面的有效机制，为促进教育公平、提升教育质量提供了有效途径。

国家开放大学云教室是一个全新概念，国内教育界特别是高等教育领域，还没有系统、大规模地推广云教室的应用案例。国家开放大学需要在实践中不断探索和总结，探索如何利用新一代信息技术实现不同标准云教室系统间的无障碍即时互通，逐渐提升师生使用云教室进行远程教学和互动学习的兴趣与系统内的业务沟通效率。

参考文献：

[1] 教育部，财政部，国家发展改革委，工业和信息化部，中国人民银行.关于印发《构建利用信息化手段扩大优质教育资源覆盖面有效机制的实施方案》的通知[Z].中华人民共和国教育部科技，2014.

[2] 李崇荣，张轩.基于IP/multicast视频会议技术在远程教育中的应用[J].清华大学学报：自然科学版，2003，43（1）：129-131.

[3] 郭庚雄.高清视频在“云教室”的应用[J].计算机光盘软件与应用，2014（10）：221-222.

[4] 俞文斌.宏桌面云电教新时代下的云教室解决方案[J].中国电化教育，2014（9）：4.

[5] 陈向东，叶新东，秦嘉悦，等.未来课堂――高互动学习空间[J].中国电化教育，2011（08）：6-13.

[6] 方慕真，孙雨，薛海峰，等.国家开放大学远程教育云的探索研究[J].中国教育信息化，2011（21）：6-9.