尹合棟

(重慶第二師范學院 教學資源中心，重慶 400065)

1 引言

微格教學(micro-teaching)是將復雜的教學過程分解成十種教學技能，運用錄播技術將這些訓練拍攝下來，再結(jié)合所得視頻進行深入反思與討論，以達到促進訓練者教學能力的一種培訓方法。教師以教育學、心理學和視聽理論為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)代教育技術對學生進行單項技能訓練，實踐證明微格訓練是提高教學技能的有效途徑，也是培訓教師綜合教學能力的最佳方式之一[1]。傳統(tǒng)微格教學運用模擬電路器件控制攝像鏡頭和云臺，利用模擬音、視頻技術把學生的教學技能訓練視頻記錄在磁帶上，再將磁帶上的視頻轉(zhuǎn)化為數(shù)字資源，這種方式利用模擬器控制鏡頭十分不便，對操控人員有較高技術要求，高頻率使用模擬器容易使器件損壞，通過這種方式錄制的視頻資源不易長久保存，且不容易查詢和檢索，不利于微格教學資源的整理和分享[2,3]。微格教學環(huán)境是師范生培養(yǎng)體系的重要組成部分，運用微格教學環(huán)境中的自主學習系統(tǒng)，通過在線觀摩、微格實訓和校外實習等多種方式，為師范生人才培養(yǎng)創(chuàng)新發(fā)展提供重要的保障。傳統(tǒng)的微格教學將學生限制在教室里討論、評價微格訓練極大限制了學生學習的靈活性，傳統(tǒng)的微格訓練模式由于受到場地影響，觀摩微格訓練的人數(shù)受到限制，更別提在微格教學里訓練了。這要求我們利用新的計算機、網(wǎng)絡和多媒體技術對傳統(tǒng)的微格教學環(huán)境作進一步的完善和修改。

數(shù)字化聚合實質(zhì)上是信息技術的數(shù)字化存在形式，多媒體技術、網(wǎng)絡技術以及智能計算機技術快速發(fā)展，推動了教學手段現(xiàn)代化進程，數(shù)字化環(huán)境下的軟、硬件建設對現(xiàn)代微格教學發(fā)展產(chǎn)生了較大的影響[4]。為了讓師范生教學訓練、觀摩、評價和資源共享更加方便，為了更好進行師范生職前、職后一體化人才培養(yǎng)，綜合發(fā)展師范生教學實踐、教學評價、教學反思和現(xiàn)代教育技術應用能力，本研究通過電子白板和短焦距鏡頭，利用協(xié)同控制錄制機、智能導播、高清攝像機、拾音器、調(diào)音臺等現(xiàn)代視聽設備，創(chuàng)造高精度屏幕顯示和高保真音質(zhì)的現(xiàn)代化多媒體視聽微格教學環(huán)境。利用智能跟蹤攝像方式，減輕以往傳統(tǒng)錄播方式下的工作人員跟蹤拍攝及教師重復示范講課的勞動強度，通過軟硬件產(chǎn)品的全方位結(jié)合，實現(xiàn)遠程視頻直播并為廣大師生、教研員提供課后點播觀摩和評價，完成知識傳承和進行校際課程交流。利用web開發(fā)和“云計算”技術以及中央集成控制理念，對全區(qū)域內(nèi)教學對象、教學環(huán)境、教學平臺進行統(tǒng)一管理，以便與全國教育信息一體化接軌。

2 微格教學環(huán)境的組成

學習環(huán)境是學習資源與人際關系的動態(tài)整合體，是支持學習活動的外部條件[5]。在現(xiàn)代數(shù)字聚合環(huán)境下，一個完整的微格教學系統(tǒng)包括“微格教室”、“觀摩室”、“錄播室”和“控制室”等四個部分。微格教室主要是用于教學技能訓練，例如：導入技術、講解技能、提問技能、演示技能、板書技能等，它把一課堂的多項技能分解后逐一練習，它是在錄播教室進行綜合訓練的基礎。微格教室一般建設在相對安靜地方，大小30-40m2為宜，每個微格教室可容納12個學生左右，學生人數(shù)太多不利于小組訓練指導和討論，人數(shù)太少則無法模擬真實的教學環(huán)境，微格教室內(nèi)的桌子最好為可組拼的正六邊形課桌，這方便學生小組討論學習[6]。錄播室主要用于錄制一節(jié)完整的課，而非某單項教學技能，它一般在所有單項教學技能訓練結(jié)束后進行，也可以用于師范生實習前進行強化訓練。錄播室大小為90m2為宜，主要用于模擬真實教學環(huán)境，里面的桌子是行向排列，錄播室同時可以作為精品視頻公開課錄制場所。觀摩室大小與錄播室相似，里面的桌子可以分兩種排法，前面幾排坐位用于觀摩錄播室內(nèi)的試講(或示范課)情況，后面的桌子由正六邊形可拼課桌組成，主要用于學生微格訓練后的小組討論、自我評價、小組互評及教師評價。觀摩室除了用于教學觀摩和評價外，還可以當作微格訓練準備室。控制室大小40-50m2左右，主要實現(xiàn)教學訓練的遠程控制、集中錄播管理、課程的調(diào)度、在線教學直播、遠程觀摩評議，教師可以在控制室內(nèi)通過大屏觀察各微格教室的訓練情況，用語音雙向話筒對學生的訓練給予提示和指導，此外控制室還可以起到安全監(jiān)控的作用?？刂剖矣写笃溜@示器和課件非編系統(tǒng)，里面的資源服務器保存著所有的錄制視頻資源，此外還有訓練平臺服務器、調(diào)音臺、智能導播服務器和導播服務器等。微格教室、錄播室、觀摩室和控制室的布局如圖1所示。

圖1 微格教學環(huán)境平面布局

3 教室裝修設計與要求

3.1 教室吊頂與墻面設計

微格教室和錄播室的天花板應能夠承受5公斤重量吊裝，主要用于安裝燈和話筒。吊頂可以為整體石膏吊頂和礦棉板吊頂。整體石膏吊頂?shù)奶攸c是安裝完畢后中間沒有拼縫，涂完涂料之后整體顏色一致，整體視覺效果給人美觀大方的感覺，但整體石膏吊頂對環(huán)境內(nèi)部的聲音吸收效果沒有礦棉板的效果好。吊頂鋪設之前應檢查是否要增加線纜，因為吊頂裝好后很難更換或者增加線纜，吊頂破損之后不能很簡單的修補。木質(zhì)吸音板采用薄板共振吸聲原理，在共振頻率上由于吸音板振動而大量吸收聲能。木質(zhì)的有較好的吸聲效果，而且它安裝簡便，不易污染。墻面最好安裝木質(zhì)吸音板，這樣會有效減小教室內(nèi)聲音的反射，在這環(huán)境中錄制的聲音質(zhì)量較好。

3.2 地面、窗簾和燈光設計

教室的地面要平整，選用矩形為宜，圓形的不適合當作微格教室用。教室地面采用復合吸音地板或者化纖地毯，這樣可以保證教室內(nèi)部的整體美觀效果，并且可以最大限度吸收環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生的回聲。地板下鋪設隔音膜，有效地吸收在地板上走動的聲音，但沒有地毯上走動的聲音小。教室可用整體地毯，這種地毯耐磨有彈性，不易生蟲不易被弄臟，價格也相對合理，在上面走動不會產(chǎn)生明顯的聲音，這樣可以在最大限度上防止錄像中有不必要的聲音被采集。教室內(nèi)部不能有柱子等障礙物，否則嚴重影響攝像效果和采光。教室最好采用雙層遮光厚窗簾，既可以擋光又可以吸音。教室內(nèi)的布光要均勻，內(nèi)部采光基本采用格柵燈，內(nèi)部平均照度在300～500流明之間。講臺旁邊區(qū)域增加補光，保證照度在800～1000流明。使用電子整流器的三基色燈管。講臺區(qū)域一般安裝三組面光燈，采用 36瓦× 4的補光燈，距講臺前方1 m，三盞燈均勻分布于講臺左右內(nèi)側(cè)。補光燈的型號：36W×4 DSR系列三基色冷光燈，在墻面需要對應每個燈單獨增加開關。

3.3 師、生采音方案設計

教師話筒采用無線領夾式(或手持式)和界面式結(jié)合使用，學生的采音使用拾音器，一般90m2的教室用四個吊式話筒拾音器即可。教師在講臺前授課或在講臺兩側(cè)講話均可用界面話筒有效采音。教師在黑板板書時的授課聲音可通過黑板下方的界面話筒采音。無線話筒使用在采音和擴音時效果比界面話筒好，但有個問題是，當話筒電池沒電或話筒耳機接線與衣服摩擦產(chǎn)生靜電會影響聲音采集，而界面話筒剛好可以彌補這些不足。學生的話筒采用吊頂式，其安裝位置離黑板中間有大約2～5m，偏離中間2m左右，話筒向下傾斜40度。安裝話筒的位置盡量避開日光燈以及投影機，因為日光燈的整流器在運行的過程中會產(chǎn)生噪聲，投影機運行的時候散熱風扇也會有較大的噪聲，會對聲音錄制有較大影響?？照{(diào)建議選用低噪音的,比如直流變頻空調(diào),盡量避免因空調(diào)噪聲影響采音效果[7]。

4 微格錄播環(huán)境的布置

本文研究的錄播系統(tǒng)是智能錄播系統(tǒng)與微格訓練系統(tǒng)有機結(jié)合，這種方式結(jié)合了學校教師教育設計而成，并且將這兩種系統(tǒng)軟件作了無縫銜接。微格教學系統(tǒng)由軟件集中控制，通過校園網(wǎng)絡連接一起，系統(tǒng)中心交換機采用Intel千兆網(wǎng)連接，以保證系統(tǒng)對多媒體素材高速率傳輸?shù)囊?，微格教室電腦和交換機采用千兆連接。系統(tǒng)主交換機通過千兆校園網(wǎng)線連接，以保證整個網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ㄐ浴?/p>

錄播室采用最新的布線方法，在教室的前端配有電子白板和短焦距投影儀，短焦距投影儀可以避免教師的影子投到白板上，也方便教師直接觸摸電子白板進行演示、板書，增強課堂教學的交互性。以錄播室為例，教師講臺上配有一個10寸顯示器，主要用于視頻錄制過程中訓練者能實時看到錄制效果。錄播室采用5機位拍攝法，2臺廣播級攝像機及3臺高清攝像機，分別用于跟蹤拍攝教師特寫、學生特寫、教師板書及課堂全景。5個機位所采集的視頻信號傳送到智能導播系統(tǒng)，導播系統(tǒng)將信息傳送至服務器錄制課件。拾音器采集聲音后通過調(diào)音臺將信號傳送給智能導播系統(tǒng)?？刂剖抑饕娣胖悄軐Р?、圖像定位、調(diào)音臺、錄制服務器、直播非編服務器、微格實訓平臺服務器等設備，在這些設備中要預留硬件升級接口，能將錄播室和微格教室的音視頻設備連接起來。中控將所有信號源匯合，可實現(xiàn)教學實時錄播，可以通過網(wǎng)絡進行在線觀摩、互動和學習。微格教學環(huán)境主要部分網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.1 智能跟蹤系統(tǒng)

用圖像識別技術實現(xiàn)智能跟蹤，根據(jù)教師不同身高自動調(diào)整教師在鏡頭里的位置，整個跟蹤無需人為操控和干預，教師也無需使用其它跟蹤儀器拍攝，這在一定程度上消除教師的緊張情緒，使其更好、更快進入教學角色。智能跟蹤可以對在教室行走的教師進行跟蹤拍攝并給予特寫，當有學生站起來回答問題則可激發(fā)學生定位系統(tǒng)，從而學生攝像機就對學生進行特寫拍攝，學生回答結(jié)束坐下后，智能跟蹤又重新發(fā)揮作用，如果有多名學生同時站起來回答問題，學生定位系統(tǒng)則自動切換到學生全景，當只有一個學生回答時又給予特寫，這種特寫、近影和全景的自動切換過程充分體現(xiàn)了智能跟蹤拍攝高效性。

4.2 智能導播系統(tǒng)

攝像機接收到圖像定位系統(tǒng)的指令后，對老師板書、學生進行跟蹤拍攝，然后把采集的視頻信號傳送給智能導播系統(tǒng)。智能導播系統(tǒng)主要是對所錄制的多場景和多視頻信號和計算機畫面進行智能切換，通過觸摸顯示屏可以方便控制多路視頻信號。智能導播系統(tǒng)有自動錄播系統(tǒng)的導播功能，同時也有切換視頻信號的功能。運用智導播系統(tǒng)可以有效調(diào)度及切換教師的講授、板書，學生回答，師生的交互，計算機桌面以及其它實物展示畫面。這種智能化調(diào)試與切換與實際教學的程序一致，精準的畫面表達可以有效展示教學的重、難點，基本符合學習者的學習認知需求。

4.3 課件實時錄制系統(tǒng)

智能導播系統(tǒng)完成導播過程后，把屏幕流、音頻和視頻數(shù)據(jù)，通過集控式錄播服務器進行實時采集并生成課件。各教學點(采集端)設計方案如表1所示，其中教室視頻采集端主要采用三種形式：第一種方式(軟件形式)是在教師機上安裝視頻采集卡及PowerCreator Composer軟件，通過軟件采集視頻、音頻、VGA等信息。第二種方式(硬件形式)是在教室安裝視頻服務器(編輯器)，通過專門的硬件采集視頻、音頻、VGA等信息。第三種方式(混合形式)是VGA信息通過PowerCreator Teacher軟件捕獲，視頻信息通過視頻服務器捕獲。課件實時錄制系統(tǒng)可以高效地把教學場景錄下來，生成完整的流媒體課件，還能將電腦桌面的內(nèi)容和電子白板的內(nèi)容以及鼠標移動軌跡記錄下來，并且通過動態(tài)捕捉每章課件的標題生成文字索引，文字索引給學生播放課件及后期資源整理帶來了很大方便。音視頻部分采用MPEG4壓縮算法(ASF/WMV格式)，文件質(zhì)量和大小相對合適。教室音頻采集用無線Mic，用音頻線連接采集端計算機的聲卡，采集端計算機把音頻信號傳遞到集控式錄播系統(tǒng)服務器。也可以把音頻信號接到視頻服務器，通過網(wǎng)線傳遞音頻信號。

課件錄制過程中，可以通過圖像和聲音預覽和監(jiān)視，實時檢查課件的完整性，避免課件聲音失真。生成的課件既可以為三分屏模式、單畫面電影模式。三分屏模式包括視頻播放區(qū)、課件目錄區(qū)和電腦顯示區(qū)。其中單畫面電影模式中的畫面可以是單一的教師講解的視頻，也可以是教師講解與學生互動、教師問學生回答、學生操作練習與教學課件的結(jié)合，單畫面電影模式一般以畫中畫模式呈現(xiàn)。通過這種方式得到的視頻為ASF格式或VGA格式，ASF 格式點播時無需安裝播放插件，VGA格式課件小、圖像質(zhì)量好。

表1 課件錄制方式組合方案

4.4 非線性課件編輯系統(tǒng)

課件實時錄制系統(tǒng)生成的課件，可能會對其進行編輯，比如刪減PPT中的錯別字，剪切掉錄制的雜音、噪音等等，普通的非線性編輯系統(tǒng)premiere只能對單畫面電影模式的視頻課件進行二次編輯的，而對于三分屏流媒體課件則要用到專門的PowerCreator media studio v2.0編輯軟件，因為三分屏課件的視頻、PPT和文字索引是一個數(shù)據(jù)包，而非單一的視頻對象，它只能用該軟件對三分屏進行編輯，運用這種軟件可以很方便對PPT內(nèi)容進行刪減、補充，也可以對課件聲音進行再加工，也可以添加字幕、片頭和片尾。

5 直播、點播功能設計

系統(tǒng)支持點播也支持多個教室同時直播，實時直播的內(nèi)容包括教師的圖像、聲音、學生畫面及電腦屏幕等。實時直播教師的圖像與聲音能與屏幕直播保持同步，在小網(wǎng)絡環(huán)境下也能收看直播。動態(tài)屏幕直播可把計算機屏幕教學內(nèi)容、FLASH動畫、鼠標運動軌跡以及電子白板等內(nèi)容流暢的傳輸?shù)娇蛻舳?。這種直播方式自動化程度高，客戶端無需任何操作，通過服務器直接控制客戶端直播。在直播前必須運行直播服務器上的PowerCreator Live Server軟件，直播服務器從錄制服務器實時取得視頻、音頻以及屏幕信息，并發(fā)送給客戶端用戶進行直播。通過局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)可把課堂內(nèi)容實時傳播出去，客戶端用戶通過IE瀏覽器可收看直播課堂內(nèi)容。學生可以在觀摩室的電子白板觀看各個微格教室和錄播室的現(xiàn)場試講或授課情況，學生也可以用Internet Explorer游覽器收看基于Web的課堂直播。點播與直播相似，學習者可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問點播資源庫內(nèi)的視頻進行在線學習。直播服務器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 微格教學環(huán)境設計要注意的問題

在進行微格教學環(huán)境設計時要充分利用學?，F(xiàn)有的計算機、投影儀、電子白板、服務器、視頻采集設備、調(diào)音臺等資源，除了要對錄播教室進行防噪處理和燈光設計外，還要對錄播過程中的智能跟蹤、智能定位、智能導播以及課件的實時錄制作科學、合理地架構(gòu)。攝像機對教師的智能跟蹤要穩(wěn)定，跟蹤拍攝出來的畫面要連續(xù)，不能有跳躍感，跟蹤系統(tǒng)對強光和電磁波要有一定程度的抗干擾性能力，不能因強光和電磁干擾而影響智能跟蹤的靈敏性。跟蹤過程中應無盲區(qū)，所拍攝的畫面要有重點且能進行實時特寫跟蹤。智能定位主要是針對學生的回答問題自動給予特寫，學生回答完畢后能自動切換到教師攝像機，整個切換過程應自動完成，最好不用人工干預，這樣可以提高錄播的效率。智能導播要做到智能切換，能自動識別場景變化內(nèi)容并且自動對核心內(nèi)容作特寫。智能導播系統(tǒng)的跟蹤與切換方法要以實際教學為基準，并要求支持多通道和多文件輸入。課件實時錄制所得課件能自動生成文字索引，并能創(chuàng)建縮略圖索引，所得課件音、視頻能保持原圖像。

7 結(jié)束語

本文設計的微格教室、錄播室采用先進的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字存儲、多媒體編輯、視頻點播、在線直播技術，這種智能化教學環(huán)境使學生微格訓練的方式發(fā)生了很大改變，激發(fā)他們對教學技能訓練的興趣，這種方式也改變微格教學評價的方式，由傳統(tǒng)的面對面的評價轉(zhuǎn)變?yōu)樵诰€評價，運用智能化錄播系統(tǒng)可以制作豐富的微格教學案例資源庫，也可以在他們的微格訓練視頻中選擇一些正、反案例作為資源庫素材，同時也可以將這些視頻作為分析教學的訓練情景。這種數(shù)字化微格教學環(huán)境使師范技能訓練過程更優(yōu)化，教學效果得到進一步提高。微格教學環(huán)境的設計與應用提高了應用型本科院校師范生教學能力，增加了他們的核心競爭力，利用微格教學錄播系統(tǒng)能有效進行網(wǎng)絡課程和微課程的實時錄制，有利于區(qū)域內(nèi)教學資源收集整理，從而儲備優(yōu)質(zhì)教學資源，為今后優(yōu)質(zhì)教學信息化環(huán)境搭建提供有力的數(shù)據(jù)保障。

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