基于网络平台的课堂录播系统设计与实现

王玉祥

（武警学院训练部，河北廊坊065000）

基于网络平台的课堂录播系统设计与实现

王玉祥

（武警学院训练部，河北廊坊065000）

高质量、规模化、课程体系完善的教学视频资源是优质数字教育资源的核心。文章分析了基于网络平台的课堂录播系统设计与功能实现，阐述了系统设计原则及建设过程中所需的关键技术，并对其在教学实践中的应用前景和价值作了深入研究。

网络平台；课堂录播系统；设计

教育信息化是国家整体信息化发展的重要组成部分和战略重点之一，是教育与科技结合的标志性领域。2012年3月13日，教育部印发了《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，指出推进信息技术与教育的深度融合是未来我国教育发展的主要任务。自从教育部于2003年启动精品课程建设工程开始，课堂网络录播产品如雨后春笋般的出现了［1］，特别是在课堂实时录播以及微格教学等方面广泛应用，促进了教学过程更方便、更快捷、更有趣、更有效；加快了院校优质资源建设，拓宽了优质资源共享范围；提供了更加丰富的学习工具、手段和实践空间；提高了教育教学质量和效益。因此，课堂录播系统的应用在教育的信息化支撑体系中是非常重要的一个环节，其对教育教学方式、方法和过程以及资源建设起到强有力的推动作用。

一、课堂录播系统概述

课堂录播系统是将教学现场的音视频信号、VGA信号以及预设音视频文件进行同步整合的一体化系统平台，录制生成标准化的流媒体或广播级视频文件，用来同步直播、存储、后期编辑和存储。终端通过IE浏览器或登录系统服务器收看现场直播，也可以后期点播视频收看。主要应用于课程录制、视频会议、教育培训、智能法庭等场合。特别是在各类讲座、公开课、优质课的现场直播和远程教学中，让每个学生都感到如身临课堂一样。院校建设课程录播教室（如图1所示），能够保持现有教学状态和保证当前教学常态化，同时减轻后期制作人员负担，提高精品课程制作效率，减少制作成本。

图1　课堂录播教室平面图

对全部日常教学活动进行全过程录制是一项艰巨而复杂的任务，从效率、数量、人力成本上看，传统的录播系统无法满足实际建设的需要［2］。为此，本文设计并实现了基于网络平台的课堂录播系统，实现了课堂录播的规范化、自动化。

二、基于网络平台的课堂录播系统设计与实现

1.系统设计原则

课堂录播系统的设计原则把握操作简便、安全稳定，不仅满足教学需求，而且具备最优组合、最高性价比和最佳交互方式。整体方案设计应遵循以下原则：

先进性：先进的设计理念、网络结构、开发工具、标准化和技术成熟的软硬件产品。

实用性：系统设计符合国际相关标准和专业技术规范，人机界面友好，方便实现各种功能。

可靠性：系统软硬件具有高兼容性、高可靠性和高稳定性。

灵活性：系统采用模块组合和结构化设计，配置灵活。

发展性：系统规划设计满足因技术发展需要而实现低成本扩展和升级的需求。

开放性：系统设计采用开放技术、开放结构、开放系统组件和开放用户接口，以利于系统的维护、扩展升级。

兼容性：系统具有良好的兼容性，充分考虑向下、向上的兼容，系统建设与校园网平台、校园规划充分结合。

2.系统功能实现

（1）高低双码流录制、输出模块

课堂录播系统录制或存储为主流音视频格式，并根据需求对视频的分辨率、码流、采样率等进行精准设置，高低双码流录制大小在256K-50M之间任意调整。双码流输出模式能够解决直播时存在的技术问题，既要考虑低码流的网络直播，又要考虑高码流的电视直播，同时又保存高码流的工程文件。工程文件可导入到大洋、索贝、Premiere等主流非编工作站，进行精细的镜头调整和添加各种动画效果。

（2）文件录制备份模块

课堂录播系统采用多机位、多通道完整、备份录制模式，完成多路视频信号、音视频文件或PPT之间的自动切换。如果现场出现切换或合成错误，后期仍然可以进行再编辑。系统自动生成音视频标准的工程文件，同时满足mp4、avi、asf、flv等视频文件的录制和保存，本地音视频文件可作为片头、片尾、垫播和插播使用。所有通道支持单一音频、视频播出或录制，也可作为现场同期音播出。系统具备手动、智能全自动、遥控式课程录播，由主讲教师独立、全程掌控录播进程，完整备份每个机位镜头数据，形成N+2个素材文件或工程文件。

（3）网络直播模块

通过网络教学平台可以将课堂教学内容进行网络直播，课堂内容通常有视频、音频、演示文稿、文本等形式，用户可通过浏览器访问观看。如果是基于Web课堂直播，则与网络的平台Web Server或学习管理系统进行无缝连接。

（4）电视直播模块

课堂录播系统实现同步电视直播，支持模拟、数字信号输出，容易更改信号制式、分辨率，有多种音视频输出端口对接校园电视台，视频输出接口包括HD-SDI、SD-SDI、YUV、Y/C、复合等接口，音频输出接口包括数字、模拟、监听等。

（5）教师跟踪模块

系统可实现自动跟踪，无需人为干预，准确无误的跟踪教师授课过程。具备自动变焦跟踪拍摄，拍摄过程顺畅、平顺，画面稳定。

（6）学生定位模块

学生定位模块可实现自动定位，当探测到学生起立时，系统自动将学生摄像机对准发言的学生。学生回答完毕，教师跟踪系统自动返回。

（7）智能导播切换模块

课堂录播系统具备传统视频切换台功能，提供诸如划像、画中画、淡入淡出等常用特技效果，实时输出时钟信号、角标和支持色键抠像技术，支持本地文件作为虚拟背景进行实时虚拟合成，内置调音台支持多路本地音频播放，并实时切换通道同期音，能与外围音频保持均衡统一、相互切换或混音。内置字幕编辑软件，支持制作静态、动态字幕转入字幕列表待播，如课程内容、章节、重点提示、主题等，教师通过专属遥控器来实现字幕的精准输出。

图2　课堂录播系统架构

3.核心技术分析

（1）图像自动识别跟踪技术

教学过程中主要有下列几种情景：当教师在讲台上讲解时如何跟踪拍摄，当教师走下讲台讲解时如何跟踪拍摄，当教师走下讲台和学生交互时如何跟踪拍摄，当1个学生起立回答问题时如何跟踪拍摄，当2个或多个学生回答问题时如何跟踪拍摄，当学生走上讲台回答问题时如何跟踪拍摄，当讲台上的学生书写板书时如何拍摄，当教师书写板书时如何拍摄，有2人或多人写板书时如何拍摄，当教师讲解PPT时如何采集等等，解决办法就是运用图像自动识别跟踪技术。根据摄像机对比定位分析，如果图像有变化，且变化幅度达到临界点，控制摄像机对图像变化区域做跟踪拍摄，不受强光影响，定位准确。

在录播教室中，拍摄教师的摄像机一般定义为主摄像机，一切的自动切换和跟踪，最终复位到主摄像机。课堂录播系统依据定位摄像机设置一个立体空间，在这个空间里运动的教师和学生会触发多种跟踪或切换策略，依据左右、前后、上下运动的规律，使整个录制过程显得更加真实、平滑、顺畅、自然，且不受立体空间以外的环境影响。在自动录播过程中，系统按照自己的运行原则进行录制，除非教师结束录制状态。

（2）输出可编辑的XML工程文件

课堂录播系统采用标准的行业音视频编解码技术，完整记录摄像机所有数据，同时在系统执行自动或手动切换跟踪策略时，完整记录每一个跟踪、切换断点，自动形成可导入、可编辑的XML音视频工程文件。可编辑的XML工程文件具有强大的兼容性，导入任何一款国内主流非编软件即可进行再编辑，在本系统内能够实时调整镜头切换位置和时间点，添加更新字幕和特效。

（3）与校园电视台无缝融合技术

校园电视台配置完备的摄像、导播、编辑、直播等系统。课堂录播系统具备多通道的高清导播切换录制、高清虚拟合成、高清在线字幕、网络直播、电视直播、LOGO水印等功能，而这些模块都是“一键式”，不需要很复杂的操作，这样使得课堂录播系统与校园电视台相互融合、相互支持。

通常录制课程的视频码流一般不超过10M，便于网络教学平台直播或存储。而校园电视台录制节目的视频码流至少达到25M，这样才能达到播出要求，也就是要求课堂录播系统实现高标清兼容，视频码流从512K至50M可以进行调整，画面质量不但满足网络直播或存储，而且满足校园电视台需求。

三、基于网络平台的课堂录播系统应用

教学视频作为一种最直接有效、最原汁原味、最生动活泼的教学方式和展示手段，在教学研究、资源建设、教师发展、教育传播等方面具有不可替代的作用。基于教学视频的学习将会成为数字化教育的一个重要组成部分。［3］

1.教学反思常态化，促进教师发展

教师在课堂上很难察觉自己课堂教学中的问题所在。通过课堂录播系统回放进行观摩和反思，可以起到照镜子的效果，从中发现不足或需要改进的地方。课堂录播系统使教师教学反思行为常态化，促进其教学水平不断提升。尤其是对青年教师的成长有很大帮助，加快青年教师的迅速成长，实现从单一依赖师傅的指导到与师傅共同研究探讨的转变，也实现由被动接受到主动作为和从程式化到常态化的转变。

2.校本教研常态化，提升教学质量

校本教研活动是教师专业发展的重要组成部分，是新入职教师快速成长的重要一环。利用课堂录播平台的录播教室、观摩教室，方便同行教师现场听课、评课。教师也可以通过网络教学平台观看同行教师上课的实时画面，打破了时间和空间限制，实现同步观摩，同时还能对教师授课进行点播、回放和评价。课堂录播平台最大限度地扩展了校本研修的深度和广度，有利于校本研修的持续和常态化开展。

3.教学评比网络化，评比形式丰富多样

教学评比或教学比赛是学校教学管理部门考核教师教学水平的常用方法和手段，也是促进教师提高其课堂教学水平的有效激励措施。然而，传统的教学评比活动往往采用随堂听课的形式展开，一定程度上会对正常的课堂教学秩序造成影响，最终影响评比结果的公平性。且受到时间和场地的限制，评比活动的组织规模往往有限。引入课堂录播系统后，多名教师可以同时授课，评委也可以在任何地方通过网络听课、评课。打分结果通过网络汇总，即时形成参赛者最终成绩。避免了许多中间环节，从根源上保证了评比活动的公平、公正、公开。另外，比赛结束后，选手如果对比赛结果存在异议，还可以对比赛过程和讲课细节进行回访、查询。

4.教学研究远程化，促进教育公平

目前，各院校之间师资力量和教学资源的不均衡是教育差距的主要矛盾和主要表现。解决教育差距和不均衡需要教育主管部门的统一协调部署，从制度层面上引导，逐步实现。建立区域院校同盟，共享优质师资和教学资源，是避免资源浪费和重复建设、促进教育公平的有效途径。课堂录播平台在促进院校之间优秀教师和优质资源的共享方面具有得天独厚的优势。录播平台使跨院校、跨班级同步授课变得简单、方便。不同院校的教师可以通过平台形成教学共同体，共同开展教研活动，相互促进、共同提高。

5.优质资源数字化，推进精品课程建设

随着院校信息化建设的推进，目前各个院校校园网平台建设都已完成，然而最大的问题是平台上缺乏相应的数字化教学资源。资源的质量和应用的效度是院校信息化建设的瓶颈。应用课堂录播系统将加快院校数字化资源建设速度和改变建设模式，有了丰富的教学资源，就会有效促进学科发展和专业建设。另外，这些精品课程有助于青年教师专业水平的提升，也改变着学生传统的学习模式，促进自主学习和个性化学习。

6.教育活动网络化，促进学生发展

学校教学活动现场以课堂录播系统为平台来组织，不但完成在全校范围内进行网络或电视直播，而且能够提供网络提问、网络投票等互动环节，同时视频文件被保存到学生成长的记录袋中，毕业时作为礼物赠送给他们。这些活动的开展将促进教育活动的网络化，极大地促进学生的全面协调发展。

［1］吴洋.多媒体教学录播系统的设计与实现［D］.成都:电子科技大学，2012.

［2］陆海钢.基于云计算常态化录播系统的设计与实现［J］.现代教育技术，2015（12）.

［3］李小刚.教学视频支持下的网络时代个性化学习研究［J］.中国远程教育，2013（7）.

（编辑：鲁利瑞）

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1673-8454（2016）14-0088-03