可视化巡课系统的设计与实现

张 凯，杨再明，宋慧宁

（1.中国矿业大学 公共教学服务中心，江苏 徐州 221116；2.徐州工程学院 外国语学院，江苏 徐州 221116）

可视化巡课系统的设计与实现

张 凯1，杨再明1，宋慧宁2

（1.中国矿业大学 公共教学服务中心，江苏 徐州 221116；2.徐州工程学院 外国语学院，江苏 徐州 221116）

巡课已经成为很多学校的教学管理和教学督导的一项重要内容，使教学管理工作走向精细化、科学化的一个标志。本文在分析目前巡课模式和现有硬件的基础上，对可视化教学巡课系统进行规划和设计，实现了对教学过程的全面质量监控。笔者相信在相应制度保障下，本系统一定会成为教学管理的重要抓手，在深化教学改革、提升教学质量方面产生一定影响。

可视化;巡课系统;教学管理;教学评价;设计与开发

前言

为保证正常的教学秩序，加强教学的过程化管理,减少或杜绝教学工作中各种教学事故的发生，实现教师的教风和学生的学风良性循环，促进学校教育教学质量的稳步提高，很多学校都实行巡课制度。巡课俨然已经成为很多学校的教学管理和教学督导的一项重要内容，使教学管理工作走向精细化、科学化的一个标志。目前，很多高校巡课的一般有教务处的管理人员、学校的教学督导人员以及各二级学院的领导负责实施，传统的巡课主要采取的是巡课人员根据教学课表到教室进行听课、查课并记录相关情况，主要内容包含老师是否按时到达所上课教室，学生大致的出勤情况、教师的言行、教学仪态以及课堂教学的组织纪律等情况，并进行描述性记录。这样描述性的巡课记录不具体、不详实，无法对其进行后期的统计与分析，很难反映出课堂上师生的真实教学状态，没有发挥巡课的应有功效，达到对课堂教学质量监控和促进教师专业成长。同时，此种查课方式不但浪费了学校大量的人力和物力，也影响到了部分老师的教学思路常，很多教师对这种模式下的巡课方式提出异议，教务管理人员也觉信息收集效率低下，并缺乏连贯性，仅仅成为了教学秩序检查的一种方式，很难达到预期的效果，巡课也就流于了一种形式。如何打造一个常态化教学下的过程性评价的信息化教学巡课系统，在巡课人员不进入教室的情况下，即可全面掌握教室的上课情况，实现对课堂教学质量全程的监控，是一个值得教育技术工作者思考和研究的课题。

一、系统的设计规划

1.项目前期的基础

为进一步加强国家教育考试管理，根据教育部、财政部相关文件和通知的要求，我校在2012年完成了国家教育考试标准化考点建设工作，在302间多媒体教室内建设了384个考场，每间大教室有2个摄像机，小教室为1个摄像机，每个摄像机配备一个编码器和拾音器，全面覆盖的考点考场监控和网上视频巡查系统 （C/S模式）。摄像头主要采集的是学生场景画面。

为了提高多媒体教室的管理效率和智能化管理水平，我校以第三代信息交互式网络中控为核心，更新了网络中控、读卡器、电子讲台，教室内新增了变焦云台摄像机、编码器、拾音器等设备。技术升级改造后多媒体教室实现了基于校园网的多媒体信息交互、教学设备远程可视化管理与控制、教学过程视频监控等功能。

由于前后两期招标在核心设备 （音视频编解码器）的技术上存在一定差异，造成两期的视频管理平台无法统一，尤其是视频资源的有效利用存在诸多不便和不足。为此，笔者以设计巡课系统为契机，统筹复用为原则，提出对两期的管理平台进行融合，设计开发了以视频的直播、点播、采集、存储、回放为基础一体化教学巡课管理平台，并复用于电子监考和可视化多媒体教室的管理，提高平台使用的便捷性和易用性。

2.项目实现的目标

巡课系统从现有的C/S模式的管理平台中分离出来，采用模块化架构设计，基于B/S模式开发，将标准化考场和可视化教学多媒体管理平台教室终端的摄像机、编码器、拾音器设备进行融合，在不影响原来系统的前提下，实现统一管理，集录像、存储、管理、应用、评价为一体，统一纳入到巡课管理平台，实现信息化基础设施建设与教育教学管理手段的整合。利用其在线巡课、听课、评课等功能提高信息化教学管理水平，增加教学评价的真实性、公开性、公正性，提高教学管理效率。

3.在线巡课系统拓扑图

在线巡课系统主要由教室端的学生摄像机、教师变焦摄像机、编码器、拾音器、VGA采集器和录像、存储、数据库、Web、流媒体、服务器集群以及大屏显示系统、巡课管理平台构成（如图1所示）。一般情况，大教室需要安装三台摄像机，两路为学生摄像机，一路为教师摄像机；小教室需要安装两台摄像机，一台为学生摄像机，一台为教师摄像机。为了统筹复用，我校的学生摄像机为国家教育考试标准化考场定焦摄像机，教师的摄像机一般应为变焦的球机，具备变焦、云台控制功能,最好具备图像识别的智能跟踪功能，采用图像分析处理技术，老师无需佩戴任何设备，通过不同的策略定义，便可以实现多区域智能跟踪，完成对教师授课过程的图像采集。在讲台区域和学生区域分别安装全向拾音器，用于课堂教学教师和学生的声音采集。[1]视频信号与声音信号经过编码器同步编码后，传到录制转码服务器进行录制，保证音视频同步录制。通过软件抓屏采集对电脑的VGA信号进行采集，并通过巡课平台进行整合，可以生成教学视频课件。

图1 在线巡课系统拓扑图

由于系统涉及的设备数量多、音视频录制的数据传输和计算量大，对服务器性能要求极高，为保障服务器运算性能及系统的稳定性，[2]后端的服务器集群必须采用科学合理的方案，才能保证视频直播和点播观看效果以及满足录制视频的存储需求，从而达到巡课的流畅性。为此专门配备了录像服务器、存储服务器、流媒体服务器、Web专用服务器、数据库服务器以及大容量的存储系统（磁盘阵列系统），基础架构如图2所示。

集中式教学巡课室提供大屏显示系统，通过数字音视频矩阵配合18块超窄边液晶屏拼接成一个3行×6列的大屏幕显示系统，可以在液晶屏上以1、4、6、9、12画面分割显示教室的画面。在听评课模式下以一个教室的三路画面（教师、学生、计算机VGA），显示听课教室教学情况，并可以通过云台控制对教师视频进行画面的调整。通过管理平台设置可以完成教室的图像自动循环切换，完成全校所有教室监控画面的显示。系统复用于可视化多媒体教学管理系统和国家教育考试标准化考场巡查系统。

图2 巡课系统服务器架构图

二、系统平台功能模块

巡课平台主要包括：统一身份认证、在线巡课、在线巡考、听课评课、视频点播、视频管理、数据中心等七个主要功能模块。

1.统一认证

（1）与数字化校园认证系统对接，实现实名制访问。

（2）支持用户分类设置，分类为：校级领导、教务管理人员、巡课员、任课教师、学生、管理人员、系统管理员五大类，可设置系统的模块访问权限。

2.在线巡课

在线巡课支持两种模式的定位查找：区域模式、课表模式。“区域模式”实际是按楼宇、分区等对教室进行批量巡检。在该模式下一般实现分屏显示（可设置分屏显示数量，默认为9分屏），当选择教室数大于分屏显示数时，要求支持翻页浏览；且支持不同镜头之间的切换（教师镜头、学生镜头、课件镜头）。在“课表模式”下，与学校教务系统对接，系统能自动按当前日期和上课时间（节次）筛选正在上课的课程记录，并按学院和老师进行分类显示界面左侧，以便快速定位。在视频图像下方显示当前教室的基本信息：教师名称、课程名称、应到学生数等。当用户定位到指定教室时，左侧显示课程名称、任课教师等信息，右侧将显示该教室内的所有摄像头监控画面，屏1显示教师的视频，屏2-3显示学生的视频，屏4显示VGA信号。授权用户可以对摄像机进行云台控制，对教学场景进行多角度巡查。

3.在线巡考

“在线巡考”的功能与“在线巡课”的功能基本相同。由于考场安排信息相对与课程安排比较简单，所以“在线巡考”仅要求提供按区域模式进行在线巡查即可。为做到快速定位，要求在分类显示时，显示有考试任务的教室（考场）。

4.听课评课

通过本系统只要能连接到校园网的在任何地点均可随时看到各教室场景、听到声音，并可控制机摄像机的镜头、云台动作。在不干扰正常教学的情况下实现巡查、听课、在线实时教学评估等功能。每天系统自动按上课教师所处学院-教师姓名进行分类显示正在上课的教室，听评课画面和“在线巡课”显示内容一样，并提供评价量规和打点评价功能方便教学评价人员进行评价。在讲课过程中，如果评课人员发现老师有需要纠正的地方或者其他需要记录的信息，可随时按热键进行记录，所有的打点信息将与多画面的视频信息一起存储在资源库中，[3]并实时对所有评课程记录进行保存统计，同时也支持课后视频点播听课，可对教学过程反复多次评估，学期末自动生成本课程的教学评价结果。

5.视频点播

原始标准化考场的录像存储名称是以日期和时间命名，非常不利于检索、查找和回放。本系统将按照实际教学需求和考试安排，对指定教室进行视频录像，按规定格式进行数据存储。包括：录像参数设定、录像任务定制、课表数据导入、考场教室数据导入等。录像模式支持“任务定制录像”和“课表自动录像”两种模式。其中“课表自动录像”模式按课表设定时间进行自动录像，要求与课表进行对接；“任务定制录像”模式一般用于各类国家级教育考试和校内正常考试所进行的教室录像等情况，该模式需要输入定制的任务名称。视频点播是对已经存储的录像资源进行回放。包括课堂录像视频和考场视频。视频存储按目录形式进行归类（如图3、4所示），并以流媒体格式进行点播、回放所选视频。同时，可以按“学院、教师、课程、教室、日期、节次、年级”等进行组合查询，检索到指定教室的视频资源，以流媒体格式进行点播回放所选视频。

6.数据中心

数据中心主要记录相关配置系统的相关基础数据以及对重要数据信息进行统计和分析。主要包含：系统数据、录像日记、巡查日记、点播日记。

（1）系统数据：与系统有关的基础数据，含组织机构、学院设置、专业分类、课程分类、年历与作息时间、教室信息等。对于数据量大的基础数据，提供数据模板下载和外部数据导入功能。对这些数据具有编辑修改功能。

（2）录像日记：记录录像操作错误发生时的基本信息，便于对有错误的录像过程与行为进行跟踪和检查。

（3）巡查日记：记录用户在进行巡课、巡考时发生的基本信息，包括用户名、巡查教室、上线时间、下线时间、使用时长、是否下载等。

（4）点播日记：记录用户在进行点播视频资源时发生的基本信息，包括：用户名、访问资源名称、上线时间、下线时间、使用时长、是否下载等。

图3 课堂视频资源的分类显示

图4 考试视频资源的分类显示

三、平台实现的技术路线

项目系统从体系架构可分为接入层、应用层和接口层三层。接入层：接入层位于通平台的最上端，直接面向客户，提供面向客户的功能展现；接收客户的请求，进行逻辑处理。应用层：应用层分为统一接入平台层和应用逻辑层。应用逻辑层是应用层的核心，对业务基础对象、业务处理封装，提供统一的业务逻辑。[4]接口层：接口层完成平台系统与其它第三方系统的交互。应用程序采用分层的体系结构方法，这是为了保证清晰的关注点分离，避免耦合，每一层都将负责他只关注的那一层，并对其它层有较少的关联，这提高了可重用性和避免耦合。例如如果一个请求是来自浏览器或通过API那么在业务层的服务是不可知的。

系统基于.NET企业级架构平台，部署在IIS应用服务器集群、SQL Server数据库、Mongo dB分布式文档型数据库、Redis分布式缓存之上。技术以bootstrap+asp.net mvc+spring.net+entity framework为核心结合Ajax、数据库读写分离等企业级应用技术。平台在模块之间采用面向服务的SOA架构思想，以WCF构建面向Restful Web Service。

四、结束语

我校根据设计方案，在整合标准化考场和可视化教学管理系统的基础上，2016年在国内率先建设完成了基于视频的可视化教学巡课系统，共有教室终端300间。在教学管理中心，可以通过大屏显示系统校领导、教学督导等管理人员的集中式听课，各级学院领导、教研室、教学管理人员、辅导员通过校园进行实时巡课和随时点播课程对学校的教学状况进行信息化教学监督。改变了以往计划性的听课安排很难覆盖到各个学科、不同职级的教师，利用本系统可以发挥信息技术记录信息、存储信息的优势，实现在任何时间、任何地点进行评教，突破听课制度的时间和空间约束。而且，巡课所观察的是教师的常态教学情况和学生的常态学习情况,那么对教师和学生的评价也就更加中肯。对于一个有经验的教学人员，可利用10分钟左右的时间完成一堂课的评价，利用此方式可以有效提升听评课数量。在这种覆盖面下，量的倍增将促进质的变化，形成较大的改善教学的压力和动力。任课老师也通过教学过程常态化记录，建立了教师课堂教学电子档案袋，老师可以通过回看教学录像进行教学反思和了解学生的接受情况，从不断的改善教学方法，优化教学计划，提高自己的教学能力。教学管理人员也可以抽取教师课堂的教学录像，作为申报教改项目、教学成果奖、“最受学生欢迎的老师”、教学竞赛评比以及职称职务评定等客观依据，促进课堂教学质量提升以及教师教学能力的提高。[5]经教师授权，学生也观看课堂教学录像、对于老师课堂上讲解的难点，没有理解的或理解的不够透彻，进行点播回放，进行有重点的复习，激发学生的学习兴趣，培养学生的自主学习能力。在国家教育考试以学校各类考试过程中，启用录像和巡考功能，对考试过程进行了全程记录，巡考人员也可以在不进入教室情况即可完成巡考，不但保证了考试过程的公平、公正，也促进了良好考风、学风的形成。笔者相信在相应制度保障下，本系统一定会成为教学管理的重要抓手，在深化教学改革、提升教学质量方面产生一定影响。

[1]赵海涛.智能录播系统如何为高效课堂服务[J].新课程(下旬),2015(8):103.

[2][5]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,2015,25(12):103-109.

[3]竞业达全自动多画面录播系统解决方案[EB/OL].http://www.chinabaike.com/z/keji/jiaoyu/754723.html,20110408.

[4]张欣.联通网上营业厅系统的分析与设计[D].北京邮电大学,2008.

（编辑：王晓明）

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1673-8454（2017）13-0066-04