直播技术在电子电路实验教学中的应用实践

杨昕欣，张晓林，刁为民，刘荣科，李 松

（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191）

0 引言

在电子信息专业教学体系中，实验教学是工程和创新能力培养的重要环节，实验教学有助于学生正确理解理论知识，认识工程与理论之间的联系，激发学生的兴趣和热情，在运用所学知识解决实验中遇到的问题过程中逐渐积累经验，锻炼解决复杂工程问题的能力，在验证性实验和分析性研究的过程中培养出设计实验和探索性研究的能力［1］。

电子电路系列课程是电子信息工程专业课程体系中的核心专业课程，在课程体系中肩负着承前启后的作用［2］，以其中的“通信电路”课程为例，该课程内容多、难度大，而且需要学生摆脱先行课程的思维惯性，教师普遍感觉课时少、难讲，而学生则感觉太抽象不易接受。因此通过实践环节帮助学生理解理论知识、建立工程概念，显得尤为重要。电子电路课程的实验环节历来受任课教师重视，近年在各种条件建设的支撑下，各个高校在实验教学内容和方法方面出现不少创新成果。

我校电子信息工程核心课程国家教学团队在以电子电路和集成电路设计为主的课程群建设中，高度重视实验教学研究和改革，本文就教学团队近年来依托空天电子信息国家虚拟仿真实验中心，借鉴SPOC教学模式理念，促进实验教学有效实施的尝试和探索，进行了初步总结［3～4］。

1 电子电路实验教学常见问题

在“通信电路”课程的实验教学中我们发现了一些问题和现象，其在不同程度上影响着实验课的效果。第一种现象是部分学生在实验中有时候会卡在某个问题上，不知如何继续实验。经过了解，我们发现其中很大一部分原因在于：电子电路是整个课程体系中学生较早接触的实践性较强的课程，学生的思维一般还处于从理论知识到工程概念建立的转换阶段，一些实践中的方法和概念运用尚待熟悉，加之“通信电路”课程又是以非线性电路为主，学生比较陌生，在实验中遇到一些物理现象时，一部分学生还习惯用线性的思维去解释或分析，往往会陷入迷惑，不知该如何继续。这一方面与学生在实验之前准备不充分有关，另一方面也说明实验环节和理论课之间还需要很好的结合。

第二种现象是，一方面实验指导教师工作量巨大而另一方面学生往往又觉得指导不足。经分析发现，在指定教师指导实验过程中，需要花不少时间，重复进行诸如安全操作规范、仪器使用方法以及其他一些常见的指导，通常在一次实验的前半程疲于应付此类问题，后半程学生又忙于完成基本测试，很多深层次的实验和测试没有时间去实践和思考，实验效果打了折扣。这一方面表明存在有限的实验教师队伍与逐渐增长的实验指导需求之间的矛盾，另一方面也表明需要采取有效的措施能使学生在实验课之前有机会充分了解实验仪器和实验室环境。

另外一种现象是，经常有些学生无法在预定时间内完成实验。经了解发现，由于“通信电路”课程实验的调试测量过程较为复杂，其中不少细节内容单靠实验指导书的文字描述很难描述清楚，不便学生理解，使其在实验过程中有时会走弯路，在错误的方向上花费了较多时间。这说明实验指导书还有一定的局限性，学生在实验指导书之外还需要一些更有力的指导。

此外，实验教学是个动态发展的过程，实验的更新、变化需要及时发布给学生，而指导教师也需要及时掌握学生的反馈。相对理论课的互动教学，实验课教师与学生的互动方式还比较单一，理论课一般都建有相应的课程网站，其中通常包含互动模块，有较好的效果。当然把实验环节整合到理论课网站上是一种常见的解决办法，不过这种文字互动的方式对实验环节而言效率还不够高，实践教学还需要一种更直观的互动方式。

2 定制化直播平台的支撑作用

上述分析表明为了更好地达到电子电路实验教学改革的目标，需要做好实验环节与理论课有效衔接、提高实验指导效率，要解决好有限的实验课时资源与逐渐丰富的实验内容之间的矛盾问题。这需要理论和实验课教师紧密配合，从课程教学方法、实施保障等多方面入手，持续不断地进行改进。

当前，宽带网、云计算技术、智能终端、移动互联网等技术的快速发展与普及，也为实验教学手段创新提供了支撑。例如，以云计算的数据存储和管理为核心，借助虚拟化技术，使得使用者可以在任何时间、任何地方，通过任何可联网的装置连接到云上，可以方便地存取数据。基于云计算的CDN（Content Delivery Network）技术，通过建立索引、缓存、流分裂、组播等技术实现内容发布，借助负载均衡技术实现内容路由，实现了尽可能避开互联网上有可能影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使内容传输得更快、更稳定。

这些技术很好地解决了视频等高带宽应用的低时延和自由接入等关键问题，而使用这些技术的成本也逐渐大众化，这就导致可以结合实验课程教学定制以视频为核心的师生信息共享平台。在这个平台上，教师可以从实验教学的有效实施等角度出发，高效地组织教学活动或展开教学探索。

教学视频直播一般包括采集、压缩、转发、接入等环节，从实验教学需要出发，对视频直播整体定制，可以为师生带来诸多便利。其中采集端的定制可以兼容专业摄录设备和各类便携终端摄录传感器，支持实验室、课堂等多种场景的直播采集方式；采用成熟的音视频编码压缩技术可以有效控制标清乃至超高清视频的码率，有效降低带宽成本；基于云计算的一系列技术及定制转发服务可有效解决延迟问题，突破了距离的限制，从而使在线课堂可以延伸到校园之外；在宽带无线网络覆盖的支撑下定制基于各类智能终端的接入应用，则可以真正实现随时随地获取直播。

这样的信息共享平台与普通课程网站模式不同，该平台是师生共同参与的信息共享平台，不再是单向信息发布平台，可以基于这些特点在实验教学中探索出一些新的途径和方法，从而提升实验教学效果。直播信息共享平台用于实验教学具有如下优点：

2．1 提高实践环节的课前预习效率

由于实验课时有限，课前预习如果不够充分，例如对实验内容和要求不了解，对仪器使用不熟练，对实验室环境及安全规范不清楚，这些都会造成实验过程中出现各种问题。学生以往主要通过实验指导书和课程网站发布的公告做预习准备，而基于直播信息共享平台，可以将基础实验、仪器使用、实验环境、安全规范等做出演示视频，根据教学实际不定期更新，这样一些不容易用文字描述清楚的细节就可以方便地展现给学生。这些内容适合采用专业摄录设备制作，画面质量清晰，经过剪辑后，短小精悍，对辅助学生课前预习很有效。在这样的条件支持下，可以将实验的消化学习时间分配到课下，为课上展开引导、启发式的探索性实验节约出来的时间，可用于尝试开展翻转课堂模式的实验教学［5～6］。

2．2 促进实验课与理论课的紧密耦合

课程网站是实现实验与理论课整合的一种方式，通过良好的网站设计和合理的用户管理机制，可以较好地实现实验课与理论课的有效整合。不过由于SNS（Social Networking Services）的发展普及，网站模式的信息共享机制受到一定冲击，师生用户更乐意采用微信等方式建立快捷的联系。基于云计算的信息共享平台，可以方便地将传统课程网站与SNS服务结合在一起，将传统网站作为后台，结合云存储和CDN转发服务，以微信公众号作为统一入口，整体布局，实现整个课程体系各个环节的紧密耦合。

2．3 利于加强实验教学过程精细化控制

定制化直播平台为加强实验教学过程的精细化控制提供了方便快捷的互动机制。实验教学是一个动态发展的过程，始终伴随着教学内容、教学方法的发展带来的不断更新和变化，为了尽快将这些更新和变化变成教学实践，需要师生之间有更直观、即时的互动方式，此外，课时、教室、设备、仪器等教学资源的高效利用也依赖于高效互动所支持的精细化管理。基于定制的信息共享平台，采用随手拍短视频方式，无需专业摄录和编辑，可以快速将实验教学进行中的答疑、故障排除、优秀作品、经验交流等现场分享出来，辅以评论和弹幕功能，结合课程微信群，可以实现即时互动，根据学生的反馈对教学活动做出快速更新和调整。

2．4 提供一种新的实验教学考核方式

定制的信息共享平台中，也可以使学生成为视频发布者，这样学生就可以将实验的成果直播给指导教师和其他学生，在约定的时间进行实验考核，对场地几乎没有限制；用同样的方式，学生也可以把实验中遇到的问题展现给教师，在约定的时间答疑，这非常适合对开放和创新类实验展开教学指导和考核评估。

3 直播平台定制方案

基于云计算服务的电子电路实验教学共享直播平台如图1所示。主要包括三个部分：采集端处理与推流、云端流媒体服务和终端播放显示。

图1 基于云计算服务的直播平台

3．1 采集端处理与推流

对于视频内容的采集，目前教学直播场景中使用的采集源有三种：①手机或平板的前后置摄像头，②电脑的摄像头以及桌面，③专业的摄像机。虽然三种情况都是采集音视频数据，编码压缩发送到流媒体服务器进行处理后广播出去，但是每一种场景下采集用到的方式还是有所不同，具体如下：

1）手机／平板电脑

对于目前主流的Android系统和iOS系统，由于在AppStore上线APP比较繁琐，我们目前只开发了Android端的推流APP北航云推流。通过推流APP实时采集摄像头视频和麦克风音频数据，根据移动设备硬件性能选择软编码或者硬编码压缩数据，同时根据需要可以做一些美化、镜像、静音等特殊处理，处理完成的数据根据设置的服务器地址和端口号推到流媒体服务器上进行处理分发。

2）个人计算机

对于PC端，目前采用的方式是利用第三方免费推流直播软件，体验较好的有XSplit和OBS。它们的功能比较丰富，通过安装插件可以实现捕获桌面或者外接的音视频设备、具有打开PPT等主流格式的文档、白板功能、插入网页、添加文字及水印、选择场景以及选择分辨率和帧率等强大的功能。最后一般都是以RTMP格式串流出去。

3）专业摄像机

在直播讨论或实验仪器操作的应用场景下，有时候为了保证画面的质量需要用到专业的摄像机，由于目前摄像机内部并没有集成直播需要的推流功能，此时，我们采用摄像机加高清视频编解码器的方式进行视频直播。编解码器一般采用H．264／AVC视频压缩算法和AAC音频压缩算法，具备优异的视频表现和音频还原性。同时提供了丰富的流媒体协议，例如 RTMP、HTTP、RTSP／RTP、UDP 等。通常通过WEB页面进行配置，简单高效。

3．2 云端流媒体服务

流媒体服务器的主要功能是以流式协议（RTP／RTSP，MMS，RTMP等）将视频文件传输到客户端，供用户在线观看；也可从视频采集、压缩软件接收实时视频流，再以流式协议直播给客户端。

典型的流媒体服务器有Windows Media Service（WMS），Adobe公司的 Flash Media Server（FMS），以及Wowza、RED5等，部署方式和功能大体都相近，一般都支持跨平台。部署好流媒体服务器，即可实现从采集端接收推流视频，经转码同时生成不同分辨率的视频流，从而满足不同观看条件的需要。

3．3 终端播放显示

播放器端功能主要是从服务器上拉取视频流，然后解码播放，保证画面和声音清晰度，做到稳定、流畅且无卡顿。对于PC端，可以用VLC、Potplayer等现有的主流播放器播放 RTMP、HLS、HTTP等格式的视频流观看直播。在移动端的Android平台上，我们开发了直播播放器APP北航云播，当然还需要做一些工作来解决兼容Android系统平台差异的问题，iOS系统上则考虑上线安装过程较为繁琐，还没有开发。目前，Android系统用户和iOS系统用户都可以通过手机HTML5网页流畅地观看直播。

为了观看的便利性，我们基于HTML5开发了WEB端的直播播放器。网页嵌入免费开源的播放器jwplayer插件实现直播流的播放。同时与开发的微信公众号相结合，只需要一个网址链接，就可以利用微信里内嵌的浏览器观看直播。为了实现互动、增加趣味性，我们增加了当下大学生追捧的弹幕和留言聊天室功能，教师可以根据学生实时的问题调整教学节奏，提高大家学习的热情和效率。

4 基于直播平台的实验教学方案

直播平台为提高教学效率提供了良好基础，下面就以乘法器电路实验为例，简单说明基于直播平台的实验教学方案［7］。

（1）新学期开始，实验教师便要求学生关注课程公众号，介绍实验视频、仿真实验视频、实验指导、直播频道等课程资源的访问方法。

（2）实验课教师在课程公众号中发布信息，以提醒学生预习实验。学生只需在公众号内回复关键字，即可观看实验室安全规范和常用仪器介绍视频。

（3）学生可在实验开始前就预习中的问题在公众号内提问，由助教负责整理。指导教师根据需要对问题进行回复，既可采用随时信息发布方式，也可以采取在约定的时间，集中进行直播答疑和文字互动。

（4）理论课教师在授课中讲到调制解调电路部分时，在适当的位置放置二维码，学生可以扫码观看相关实验视频。例如，课堂上可以简单提示静态工作电流与乘法器增益之间的关系，而详细的静态工作点分析则可扫码浏览，学生还可以扫码观看相关实验视频进行预习。这样就将实验和理论课紧密的结合在一起，实验视频和实验指导书成为课堂教学的延伸和思考，而学生在学习理论课的同时可以方便地预习实验内容，避免了理论和实验课不同步而造成的生疏感，实验预习的效率和理论课学习的效果都可以提高，可以使实验进行得更顺利。

（5）实验一般以小班为单位进行，在先行小班实验中出现的问题可以采用短视频的方式在公众号内发布提醒后续学生注意。

（6）实验的更新、课时和场地调整信息可在公众号内公布，必要时还可辅以补充视频。

（7）实验课后学生可以留言，指导教师根据学生的反馈对相关教学资源进行更新调整。

（8）综合及创新性实验属于选作内容，一般有奖励成绩，凡是在实验中有成果的学生，例如用乘法器实现鉴频功能完成了对调频波解调，则可以申请发直播，全体师生都可观看，供学生之间相互学习和参考。

5 结语

基于云计算的直播技术可为实验教学提供极大的便利，为课前预习、动态调整、互动答疑、考核评估等环节带来了新的解决途径，为实验教学与改革的有效实施提供保障。2016年，本教学团队所负责的“电子电路I”课程获批成为首批国家精品资源共享课，团队以此为契机积极开展教学研究与探索，已将该平台应用于高频电路实验等教学环节中，并收到了良好的教学效果。学生反映该平台信息丰富、与教师沟通方便，对于其顺利完成实验和提高实践能力发挥了积极作用。

此外基于云计算的定制直播平台，具有成本低、易配置的特点，定制简单，容易实现与现有课程网站和课程公众号的融合，使用方便，不受时间、地点限制，在教学中将发挥更多的作用。基于此平台可能还会出现一些新的教学场景，如在理论授课时适时接入实验室的现场直播可以开展演示实验教学；或者在课程教学的讨论课环节，邀请有经验的工程师参与直播，可以使学生接触到更多、更新的工程知识。