在线视频互动教学教研系统建设方案
在线视频互动教学教研系统
建设方案
目录
一、背景 (4)
二、现状分析 (5)
三、某在线视频互动教学教研系统 (7)
3.1系统概述 (7)
3.2设计原则 (7)
3.3系统总体设计 (8)
3.3.1设计思路 (8)
3.3.2系统总体架构 (9)
3.3.3系统总体拓扑图 (10)
3.3.4主讲教室 (11)
3.3.5听课教室 (13)
3.3.6互动录播教室 (14)
3.4系统详细设计 (15)
3.4.1实时网络课堂 (15)
3.4.2课程交换 (16)
3.4.3在线评课及观摩 (16)
3.4.4高清教学课件互动 (18)
3.4.5多屏全高清显示 (19)
3.4.6丰富的教学画面处理能力 (21)
3.4.7音频处理技术 (21)
3.4.8智能唇音同步 (22)
3.4.9录课与课程点播 (22)
3.4.10空间网格技术 (23)
3.4.11图像识别 (23)
四、系统平台功能设计 (24)
4.1平台分级统一管理 (24)
4.2平台监督管理 (24)
4.2.1 教室状态监管 (24)
4.2.2 课堂状态监管 (25)
4.2.3 教室管理 (26)
4.2.4 课堂管理 (33)
4.2.5 日志管理 (33)
五、系统课堂应用模式设计 (45)
5.1无生课堂 (45)
5.2有生课堂 (46)
5.3校际交流课堂 (47)
5.4互动录播课堂 (48)
六、系统核心设备介绍 (50)
6.1互动教学中心服务器 (50)
6.2硬件教学终端 (50)
6.3教师跟踪摄像机 (50)
6.4全高清录播主机 (50)
七、系统特点及优势 (51)
7.1视频自动跟踪处理 (51)
7.2领先的视频编解码技术 (51)
7.3卓越的音频处理技术 (51)
7.4超大规模组网技术 (52)
7.5树形分级组网 (52)
7.6快速交换转发技术 (53)
7.7超强网络适应能力 (53)
八、附件（设备清单） (54)
8.1中心平台设备 (54)
8.2主讲教室设备 (55)
8.3校际交流教室设备（互为主讲教室） (56)
8.4互动录播教室设备 (57)
8.5听课教室设备 (58)
一、背景
根据中共中央十八届三中全会《关于全面深化改革若干重大问题的决定》：“大力促进教育公平，健全家庭经济困难学生资助体系，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。
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》中提到，要加快教育信息基础设施建设，强调“加快终端设施普及，推进数字化校园建设，实现多种方式接入互联网”、“加强优质教育资源开发与应用”、“强化信息技术应用”。鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，提高运用信息技术分析解决问题的能力。提高教师应用信息技术水平。推进信息技术在学校课堂教学、教学管理等方面的应用。
《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》明确提出：到2020年，形成与国家教育现代化发展目标相适应的教育信息化体系，基本建成人人可享有优质教育资源的信息化学习环境，基本形成学习型社会的信息化支撑服务体系，基本实现所有地区和各级各类学校宽带网络的全面覆盖，教育管理信息化水平显著提高，信息技术与教育融合发展的水平显著提升。教育信息化对教育改革和发展的支撑与引领作用充分显现。
二、现状分析
2010年，某市政府把“全市农村中心小学以上建制学校实现宽带入校，100%的学校建成班班通的校园网”列为“某数字教育”发展的重要目标，由某市教育局组织实施。2013年，为加快某市教育信息化发展步伐，推进“数字某”和“智慧某”建设，构建和谐社会，促进现代信息技术与教育有机融合，根据教育部《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》和全国教育信息化工作会议精神，某市人民政府办公室转发了市教育局《关于某市教育信息化建设实施方案》的通知（鹰府办发[2013]23号），提出实施教育信息化三年行动计划，建成某教育资源服务平台和某教育信息管理平台，实现宽带网络校校通、优质资源班班通和网络学习空间人人通，形成网络、资源和服务全覆盖的教育信息化公共服务体系，使某市的教育信息化走在全省前列。
根据《某市人民政府办公室关于印发某市教育信息化试点工作实施方案的通知》（鹰府办字【2015】57号）要求，从2015年开始，建设某市教育信息管理中心，用两年时间，建成某教育资源服务平台、某教育信息管理平台，实现宽带网络校校通、优质资源班班通和网络学习空间人人通，形成网络、资源和服务全覆盖的教育信息化公共服务体系，以应用为导向，推进信息技术与教育教学的深度融合，努力将某市打造成为全省教育信息化的示范区。同时，明确了试点工作的重点任务之一是，全面实施在线视频互动教学教研系统建设工程，全面提升某市基础教育阶段课堂教学整体水平，解决农村学校教学点和薄弱学校难以开齐开足开好课程的问题，逐步开设和推广在线课堂，提高薄弱学校和教学点教育教学质量。促进教育公平均衡发展。继续做好“视频互动教学及网络研修系统”应用试点工作。
2015年在全市中小学建设200个在线教室并实现互动，其中月湖区、高新技术开发区、信江新区、龙虎山景区、市直中小学全覆盖，全市初中、高中学校全覆盖，全市教
学点全覆盖，全市中心学校全覆盖。两年内实现所有中小学全覆盖，并逐年增加在线教室数量。
三、某在线视频互动教学教研系统
3.1系统概述
某市在线视频互动教学教研系统是将领先的多媒体通信技术应用于教育与培训行
业的具体成果，可在互联网、局域网、城域教育专网等多种网络环境下轻松实现大规模的远程视音频互动教学应用。传统的网络课堂系统主要是基于流媒体直播技术而建立，仅可实现一个“主讲教室”向多个“听课教室”的视音频广播，数据传输是单向的，无法实现“教师”与“学生”的视音频交互，不能满足个性化教学的需要。
某市在线视频互动教学教研系统完全区别于采用流媒体直播技术建立的传统网络
课堂系统，具备强大的视频、音频以及数据的融合交互功能，并支持1080P全高清视频、48KHz高保真音质，可以让不同学校、不同地域的教师和学生如同就在一个教室一样进行教学、培训和互动。并且，所有课堂的视频、音频、数据互动过程均可录制成教学资源，提供给教育资源云平台，供后期的教学教研活动再利用。
3.2设计原则
某市在线视频互动教学教研系统设计方案遵循以下设计原则：
稳定性：选择成熟的产品和集成方案。设备对供电、通信、和气候等外部条件应具有良好的适应性。
实用性：在规划设计上既要坚持高起点、高定位又要根据实际情况，充分利用现有设备，避免盲目建设，资源浪费。
易用性：坚持管理的便捷性与安全性相结合的原则。工程的硬、软件建设要从教师管理使用的便捷性和安全性出发来进行规划和设计。
可扩展性：坚持统一标准，因地制宜的原则。对于空白教室，要求一次性按照标准完成建设任务；对于已经安装部分设备的教室，可以分时分批完成设备改造，逐步达到建设标准。
安全性：所有设备和线路必须符合国家有关安全标准，有防漏电、防雷击、接地等环境保障措施；建立必要的管理制度，保障网络信息和设备的安全，有防病毒、防不良信息等功能；保证教育资源有效存储和合理使用。
3.3系统总体设计
3.3.1设计思路
本方案为满足大规模城乡学校在线视频互动教学应用的需求，实现跨区域创新教学应用，提升整体教育信息化水平，促进地区之间教育的均衡发展。采用业界先进的网络传输技术、大规模组网技术、视音频编解码处理技术、多媒体交互技术等。
针对本次项目整体规模及今后更大扩容需求，某市在线视频互动教学教研系统采用网络多级树状级联架构，树状网络架构具有相对独立、自成系统、自行维护和管理、架构稳定和扩容方便等特点。系统架构设计从根本上决定了系统所能提供的业务服务的规模和水平。基于事实上服务架构，是大规模业务平台所普遍采用的，被反复证明是目前最强壮、最高效、最具伸缩性和业务扩展能力的平台架构之一。
针对本次项目集成度要求，互动教学平台的部署需简单便捷，主讲教室和听课教室使用最少设备部署完成在线视频互动教学，设备之间的音视频连接线尽量少，充分利用现有教室讲台空间，遵照常规教室布局无需额外增加设备机柜。
针对本次项目易用性要求，平台界面按钮要简洁明了，清晰易懂，文字说明需与在
线视频互动教学相关，系统设计操作简单，具备开机自动启动和自动登录功能，主讲教室和接收教室的教师上课前只需打开在线视频互动教学相关设备的开关，即可正常上课，无需进行其它复杂操作。紧贴实际教学需求，整个教学过程体现“不改变”、“不打断”、“不干扰”三原则，仅通过原有“班班通”设备即可完成在线教学。
针对本次项目兼容性要求，某市在线视频互动教学教研系统设计完全兼容班班通设备和教育资源全覆盖设备。
针对本次项目的稳定性要求，平台设计采用的媒体交换服务器和硬件教学终端，必须是一体式硬件嵌入式终端，具有较高的硬件集成度，最大程度降低硬件兼容性，能够使终端长时间稳定运行。同时采用WES7嵌入式系统，能够保护重要的系统区，重启终端后自动恢复系统区，不惧病毒攻击、减少人为错误操作带来的影响。
针对本次项目对于简易维护要求，平台设计的业务管理基于Web方式，操作简洁，只需web登陆即可轻松实现管理维护。系统简洁易用，无需投入专业人才进行维护管理。
3.3.2系统总体架构
某市在线视频互动教学教研系统采用统一构架，综合运用了音视频通讯、网络、多媒体信息处理等技术。由高清视频终端、媒体交换平台、录播服务器和其他辅助设备共同构成在线教育资源云平台。系统平台支持服务器分布式集群组网，满足大规模在线课堂直播、教师教学评课、学生学习互动，教研研讨，并提供交互媒体资源录制功能。系统具有强大的扩充性和兼容性，支持大规模资源的管理以及用户分级权限管理等功能。
系统总体架构
3.3.3系统总体拓扑图
系统拓扑图
某市在线视频互动教学教研系统采用多级网络架构，传输网络可以充分利用学校之间现有教育专网资源。为了保证系统平台能够稳定可靠的运行，提供良好的网络使用环境，根据本次教育项目建设规模，在教育局部署中心媒体交换服务器，主要负责对硬件
教学终端认证和接入，以及多方交互的视频、音频和数据流进行转发。媒体交换服务器采用业内先进的H.264 High Profile视频编码格式，图像质量远高于其他种类的编码格式。具有的智能包修复、自学习唇音同步等技术，支持四级媒体交换服务器级联，满足今后互动教学平台扩容需求。
3.3.4主讲教室
在本次互动教学平台中，主讲教室教学点配置一套互动教学设备，设备包括硬件教学终端、老师跟踪摄像机、学生全景摄像机、音频处理器和全向麦克风，硬件教学终端支持双屏输出，可以分别在1屏上显示主讲教师画面与教学课件，2屏显示听课教室画面。终端采集一路主讲教师的图像，一路现场学生画面和“班班通”教学课件画面，教学课件数据通过终端数据接口同步到教学终端中。将讲课现场的视频、音频和数据实时传播到远端听课教室。并可与在线的听课教室进行实时互动教学。其中主讲教室中间顶部安装一台高清跟踪摄像机，具有自动跟踪功能，镜头跟踪时移动平稳，减少画面晃动。能清晰的捕捉到老师表情及肢体语言。
为保证在线互动课堂上课质量，网络最低需求：独享带宽10M（上传、下载带宽均能达到10M）。
主讲教室设备连接图
设备安装示意图
3.3.5听课教室
听课教室建设方案为安装一套互动教学设备，设备包括硬件教学终端、学生全景摄像机、无线麦克风。互动教室能在屏幕上同时显示主讲教师画面与教学课件。互动教学终端采集一路现场学生画面传到主讲教室，可以在主讲老师同意的情况下启动对讲功能。
为保证在线互动课堂上课质量，网络最低需求：独享带宽4M（上传、下载带宽均能达到4M）。
听课教室设备连接图
设备安装示意图
3.3.6互动录播教室
互动录播教室由在线视频互动教学系统与录播系统组成，既包含在线互动教学功能也包含课程录制、点播等功能。从子系统划分，可以分为在线课堂、录播教室、点播等几个子系统，各个子系统相互依存又相对独立。
为保证在线互动课堂上课质量，网络最低需求：独享带宽10M（上传、下载带宽均能达到10M）。
3.4系统详细设计
综合应用场景图
3.4.1实时网络课堂
为了解决地域之间、学校之间教育资源和师资水平发展的不均衡，在线视频互动教学系统能把具有优质教育资源的学校，通过网络交互的形式实现不同地方的多个学校同上一堂课，以此达到支援师资力量薄弱学校，改善教育资源均衡的目的。
通过系统的实时课堂应用模式，主讲课堂可以将高清晰的老师授课图像发送给远端互动教室，同时把“班班通”教学课件通过桌面共享客户端以网络共享桌面的方式同步发送给远端互动教室，并可以将教师图像和课件图像一键切换位置。主讲教师可灵活控制其他互动教室的发言，同时允许多个远端互动教室发言；在老师和学生课堂交互的过程中，通过主讲课堂摄像机的自动跟踪功能，可以迅速定位老师画面，无需手动操作摄像机，老师可以专心上课；系统具有高品质的视音频互动效果，使得课堂交流清晰流畅。为了保证实时课堂的教学质量，系统支持三个远程互动教室上课。系统平台同时支持超过100个实时网络课堂同时召开，满足学校之间网络教学互动的需要。
3.4.2课程交换
在线视频互动教学系统能将学校之间教育资源和教师授课经验提供交流平台，通过网络课堂同步交互的形式参考对方教课方式和互相学习对方的教学经验。
通过系统的课程交换应用模式，在实时课堂的基础上，允许两个主讲教室同时在线，当一个主讲课堂在进行授课时，其他的主讲课堂会以听课课堂的形式参与听课，在当前授课主讲堂完成授课后，可一键切换另一个主讲课堂进入授课模式，替换之前授课的主讲课堂，被替换的主讲课堂会切换成听课课堂的身份参与听课；通过这种方式，所有主讲课堂可以学习其他主讲课堂的授课经验，进行交流和学习。
课程交换
3.4.3在线评课及观摩
教研是对教育教学过程中出现的问题进行研讨、探究和解析，从而找到合理的解决方案。教研活动是教育教学工作的基础。评课是教学、教研工作过程中一项经常开展的活动，评课能调动教师的教学积极性和主动性，帮助和指导教师不断总结教学经验，提高教育教学水平，提升教师的教育教学素养。
在线视频互动教学系统可以让日常教研活动在全市及乡镇范围内的学校之间开展，学校间、区域间互相交流经验，达到共同提高老师教学水平目的。为了不流于形式，要将活动经常化，通过平台可以灵活快速的组织教师同行进行评课和观摩，也可以让市教
育部门及校领导了解教师的日常教学情况。
系统平台支持在线评课和观摩功能。评课又可实现课中及课后评课。课中评课或观摩可通过系统平台提供的账号登陆系统，进入要评课或观摩的在线互动课堂。进入在线互动课堂后，评课或观摩的老师之间可以音视频交互，但是不会对正在进行的在线互动课堂造成任何影响，评课或观摩的老师可以听到和看到主讲老师所有音视频互动。
课中评课（在线观摩）
课后评课是评课老师通过系统平台提供的账号登陆系统，进入评课课表。选择要评课的实时互动教学视频录像。在线的多个评课老师能同时看得该视频录像并进行实时点评。课后评课是对老师课后录像进行评课，通过多方评课发现问题并可实时修正，不断提高老师教学水平。
课后评课
3.4.4高清教学课件互动
主讲教室的高清视频终端具备强大的数据处理能力。即可通过数据双流功能直接采集教师教学课件电脑上的图像，也可以通过安装在教师“班班通”电脑上的屏幕共享客户端实现远程教学课件视频信号的采集。终端的教学课件视频采集最高支持1920×1080分辨率，还能实现教学课件和教师画面的一键切换。方便老师快速进行教学课件的切换，让老师更加专注授课。
3.4.5多屏全高清显示
高清在线视频互动教学终端最大可实现4路1920×1080全高清图像的显示，每个屏幕可以显示不同画面内容，在线视频互动教学终端实现在一个屏幕上显示主讲教师画面，同时也能在其他屏幕上显示多个远端有生课堂的全高清图像的双屏显示应用，彻底突破了传统在线视频互动教学只能一路高清图像显示的限制，极大地丰富了高清在线视频互动教学的效果，满足了多样化的在线视频互动教学高清教学互动显示的需求。
（一号屏显示主讲课堂老师视频和课件）
（二号屏显示听课教室图像）