云教育双师课堂整体解决方案解析

本期河姆渡方案馆为你带来云教育双师课堂整体解决方案解析。

一、设计思路

    双师课堂整体解决方案是软件和硬件组合一体化产品组合方案，可应用于互联网、城域网、局域网上，可以轻松地将众多的多媒体教室或精品教室整合成在一起，实现网络互动教学功能,将物理上分离的教室虚拟成一间大教室，每一位上课学生都可以听到发言学生和教师的对话，为双师课堂等教学活动的开展搭建沟通的渠道。帮助用户在网络上构建多个虚拟的网络教室或多媒体教室，可同时提供多人语音、视频、数据等多种交流方式；满足该地区所有城乡教育局、学校之间、教学点之间跨地区双师课堂教学等信息沟通需求，整个沟通过程可自动录制成标准的视频教学课件用于课后点播，是非常优秀的双师课堂整体解决方案。

二、总体架构

    主讲教室：是学校用来为教师课堂授课实况过程进行录制、课堂师生实时交互教学、作为主讲教室进行远程教学与教研的场所。将优质老师的授课过程录制成精品课程资源，形成学校精品优质的校本资源。

    听讲教室：是学校用来为教师课堂授课实况过程进行常态化录制、课堂师生实时交互教学、远程接入其他主讲教室听课的场所。以集中式常态化互动教学的手段将日常课堂教学录制成内容全面的视频课件，形成常态化的校本资源。

    资源管理平台：作为资源共享发布、教学交互管理、设备集中管控的平台部署于学校机房中,对校内外提供音视频互动及点播、直播、课件资源管理等应用服务。

     “1+A”的建设模式，暨在学校建设1间主讲教室+多间听讲教室，目的是让每个班级的学生都可以享受到优质的教师资源，优质教师可以轻松实现“跨校兼课”、“结对帮扶”，一名优秀的教师可以同一时间给N个班级同时授课，本地老师做好课后辅导工作。让更多学生共享优质教师资源，颠覆传统教育，逐步实现“实力一样强、资源一样优、学校一样好”的目标，实现教育资源均衡发展。

    依照双师课堂解决方案整体建设需求，本次项目建设采用“1+A”模式，根据学校要求建设主讲教室和听讲教室。主讲教室（智能化云教室）采用较好的授课教室、音视频设备及计算机软硬件设备，听讲教室（常态化云教室）则可以充分利用原有教室多媒体设备，采用性价比高便于大面积普及音视频及计算机软硬件设备。骨干教师在智能云教室进行授课，其他班级（教学点）学生则在听讲教室远程实时参与课程听课及互动；授课视频资源按类别上传至课件资源管理系统平台，用户通过网络登录系统，就可以观看教学视频，实现远程教育。

三、建设内容

3.1 智能化云教室

    智能化云教室（主讲教室）是学校用来为教师课堂授课实况过程进行录制、课堂师生实时交互教学、远程教学与教研的场所。主讲教室具有强大的交互功能，使学生在线学习不受时间、空间的限制，为学生的个性化学习创造了条件，结合社会环境教学,可以有效地提高学生的认知能力。

    智能云教学主机采集VGA信号，同时采集4台高清摄像机分别负责对教师特写、学生特写、学生全景、板书特写的拍摄，采集下来的视频信号传送给智能云教学主机，采用智能切换图像识别拍摄技术，无需人工干预，全方位记录，还原老师授课、学生听课的教学场景。将优秀教师的整个授课过程及教学内容电子化、数字化，支持后期对课件进行删减、合成、同时满足支持移动终端接入学习，方便学校教与学的综合应用，完成国家级精品课程和省级精品课程的录制。

    学校新建一个主讲教室，或者选择将学校原有的多媒体教室升级为主讲教室，其中多媒体教室可充分利用原有多媒体设备（计算机、显示器、投影机、电子白板），其他可在现有的多媒体教室上进行功能升级，包括音频设备、教室环境、摄像机等进行升级改造，增加一台智能云教学主机，让每个班级都轻松接入资源云平台与其他校区或者其他班级进行各种教学活动，满足各班级老师、学生的教学以及与外部名校进行交流研讨的需求。

    教室的主要设备包括智能云教学主机、大屏液晶显示器、交互式电子白板、图像跟踪系统、音频采集及处理系统、高清图像采集系统等。

• 图像跟踪系统采用人脸识别及位差分析技术，教师身上无需佩戴任何装置，即可实现四个场景的（老师特写、学生特写、学生全景、板书）自动跟踪拍摄，实现教师学生教学互动的全自动录制。
• 声音的采集在教室内安置2个全向麦克风对教师和学生进行拾音,老师和学生无需携带设备即可完成声音采集。
• 互动及授课时音视频资料播放的声音的输出通过位于教室前端左右两个音箱完成。
• 智能云教学主机、数字音频处理主机、功放、图像自动跟踪设备部署于电子讲台或机柜中，使得整个教室美观整洁。

    主要设备包括：智能云教学主机1台，教学行为分析主机1台，数字音频处理器1台，触摸屏1台，高清云台摄像机2台，高清一体摄像机1台，板书传感器1个，拾音话筒2个，音箱1对,液晶电视1台。

3.1.1 智能云教学系统

    智能云教学系统是主讲教室的核心，系统通过采用先进的音视频编解码及触控操作技术，实时记录教师授课讲解视频、音频、板书、授课计算机的VGA屏幕画面、学生问答视频、多方音视频互动视频等信息，以单画面电影模式或多画面资源模式形式，手动/自动上传到资源管理平台上，形成教学课件资源。同时，系统还可以与其他终端设备进行音视频双向互动，教授授课及互动实况也能够同步进行视频直播。

• 多点远程教学交互
• 傻瓜式操作，教师无负担
• 系统架构灵活
• 用户列表
• 智能切换图像识别拍摄技术
• 主画面智能切换
• 低带宽接入
• 分屏模式
• 超强网络适应性
• 高清晰录制
• 多种录制模式
• 手/自动导播
• 全触控操作
• 课件上传
• 一体化设计

3.1.2 图像跟踪系统

    图像跟踪系统采用行业领先的人脸检测跟踪、运动分析、行为识别等智能图像算法，实现了常态化课程教学中的教师跟踪、学生发言检测、教师板书等行为动作的快速定位拍摄，教师、学生均无需佩戴任何辅助装置。系统内置智能导播切换策略，触发切换播出拍摄角度最佳的摄像机镜头，对场景、人物完成推拉、特写等拍摄动作，实现完全替代人工的多机位、多景别、多视角、多策略的智能自动课堂拍摄。

    系统主要由教师定位跟踪摄像机、学生定位跟踪摄像机和板书检测传感器组成。三者均采用基于人工智能的图像识别分析技术，定位精度高，抗干扰性能强，不易受到光线、声音、电磁波等各种外在环境的影响。其中教师跟踪摄像机甚至能在教师长时间静止的情况下仍然保持锁定，不受其他运动目标的干扰和影响，并能实现全教室范围跟踪，而不再局限于讲台。学生定位摄像机可实现智能识别多个学生的站立和坐下动作，自动屏蔽与发言无关的教室内走动、身体晃动等其他干扰动作，身高适应范围广泛，对阶梯教室也可天然适用，且教室后部的观摩室、晃动的窗帘等因素都不构成干扰。板书检测传感器能识别出教师的真正板书动作，而对老师的阴影、靠近黑板的走动都不会造成误触发，可靠性好，稳定性高。

    图像锁定自动跟踪摄像系统主要由三大部分组成：教师跟踪摄像机（以下简称教师机）；学生定位摄像机（以下简称学生机），板书检测传感器（以下简称板书传感器）。其主要功能及应用如下：

• 教师跟踪摄像机
• 学生定位摄像机
• 板书跟踪

3.1.3 音频处理系统

    声音的效果对互动及录制质量的影响较为明显，环境声、反射声、干扰噪声等进入教学采集系统均会造成录音质量和互动过程中回声的产生。其最大的表现为信噪比低，即使放大也只能是语音噪声同时放大，影响收听效果；语音清晰度下降，由于建筑声学对反射声延迟及混响效果，同时影响了声音的频响特性，造成声音模糊不清晰；要改善录音和扩声效果，对互动录制音频的处理必不可少。

    声音采集、处理、输出部分使用的设备主要有数字音频处理器、专业全向麦克风、音频功率放大器及无源音箱等设备。教师授课时所使用的交互式电子白板、教学PC、全向麦克风采集的教室及学生的声音信号都进入数字音频处理器，经过处理后给智能云教学主机进行声音采集，同时交互式电子白板和全向麦克风的声音信号进入音频功率放大器进行现场扩声。

3.1.4图像采集系统

    系统运用两台（可调）高清云台摄像机和一台（可调）固定镜头摄像机及智能云教学主机组成图像拍摄和信号采集，云台摄像机用于拍摄动态移动图像，固定摄像机用于拍摄全景固定图像画面。智能云教学主机对4路摄像机拍摄的图像同时采集，通过导播应用处理，生成用于直播和点播的流媒体信号。

3.1.5 导播系统

    导播系统主要用于课程录制过程中多个场景及多路视频信号源、视/音频文件和计算机画面之间的自动切换，有效实现带特效功能的智能导播。用户可以通过手动硬件导播台和自动触摸导播台对录制过程中的各路视频信号源进行切换，切换的效果支持淡入淡出效果。

3.2 常态化云教室

    常态化云教室（听讲教室）是学校用来为教师课堂授课实况过程进行录制、课堂师生实时交互教学、远程接入其他主讲教室听课的场所。以集中式常态化互动教学的手段将日常课堂教学录制成内容全面的视频课件，形成常态化的校本资源。追求常态化、易普及、兼容性以及经济性，相比专业的主讲教室的建设，成本更低，使用更简单，施工更方便，并能兼容已建的教室视音频监控资源，充分考虑兼顾学校在日常监控、电子考场等方面的综合应用，通过共享设备及软件平台，减少财政的重复投入，降低建设成本。满足学生在线学习不受时间、空间的限制的基本需求，为学生的个性化学习创造了条件，结合社会环境教学,可以有效地提高学生的认知能力。

    学校可以新建一个听讲教室，也可以选择将学校原有的多媒体教室升级为听讲教室，其中多媒体教室可充分利用原有多媒体设备（计算机、显示器、投影机、电子白板、无线话筒、音响），在现有的多媒体教室上进行功能升级，增加一台常态化云教学主机，及两台网络摄像机，让每个班级都轻松接入资源云平台与其他校区或者其他班级进行各种教学活动，满足各班级老师、学生的教学以及与外部名校进行交流研讨的需求。

    教室主要设备包括常态云教学主机、大屏液晶显示器、交互式电子白板、音频采集及处理系统、高清图像采集系统等。

• 声音的采集在教室内安置2个全向麦克风对教师和学生进行拾音,老师和学生无需携带设备即可完成声音采集。
• 互动及授课时，位于教室前端的左右两个音箱输出音视频资料的声音。
• 常态化云教学主机、音频处理器、功放、中控器部署于电子讲台或机柜中，使得整个教室美观整洁。

3.2.1 常态化云教学系统

    常态化云教学系统是听讲教室的核心，系统通过采用先进的音视频编解码技术，实时记录教师授课场景、授课计算机的VGA屏幕画面、学生场景、多方音视频、互动视频等信息，以单画面电影模式或多画面资源模式形式，录制存储在本地终端设备，也可以选择上传到资源管理平台上，形成教学课件资源。同时，系统还可以选择进入在线课堂列表与其他教室进行音视频双向互动。

• 课堂列表
• 分屏模式
• 高清晰录制
• 手动导播
• 申请发言
• 远程导播平台（B/S架构）
• 一体化设计

3.2.2 高清图像采集系统

    系统运用2台高清网络摄像机及常态化云教学主机组成图像拍摄和信号采集，高清网络摄像机用于拍摄老师/学生全景固定图像画面,常态化云教学主机对2路高清网络摄像机拍摄及老师PC讲义的图像同时采集，通过导播应用处理，生成用于直播和点播的流媒体信号。

3.2.3 常态化图像跟踪系统

    常态化图像跟踪系统采用行业领先的人体行为识别智能图像算法，实现常态化课程教学中的教师动作检测、学生发言检测等行为动作的快速切换拍摄。教室无需安装跟踪主机，教师、学生均无需佩戴任何辅助装置，摄像机内置教师跟踪及学生检测算法，完成教师镜头、学生镜头的智能切换。

    系统主要由教师高清网络摄像机、学生高清网络摄像机和学生辅助检测摄像机组成。其中教师高清网络摄像机能够智能识别教师是否在讲台上，并给出相应的状态切换信号。学生高清网络摄像机+学生辅助检测摄像机可智能识别多个学生的站立和坐下动作，可识别站立后的离座走开动作，自动屏蔽与发言无关的教室内走动、身体晃动等其他干扰动作，身高适应范围广泛，对阶梯教室也可天然适用，可靠性好，稳定性高。

3.2.4 常态化导播控制系统

    常态化导播控制系统主要用于课程录制及互动课堂教学过程中多个场景、多路音视频信号源以及计算机画面之间的手动切换控制，用户可以通过远程导播控制软件在课程录制或常态化教学过程中进行导播控制，满足常态化教学的需求。

3.3 资源管理平台

    资源管理平台是基于网络的教学资源库管理，可实现教学资源的共享、有效聚合和充分利用。分布式教育资源库将资源的核心信息如资源名称、类型、存储地址等存储到中心结点或主服务器上，形成资源索引表。使用时，直接到该索引表检索，按址即可快速检索到所需资源。系统可以帮助学校更方便的管理和共享教学资源。

    随着当今教育信息化的不断发展，界面简洁大气、操作方面易用、系统功能强大、可扩展能力强是网络应用的发展趋势。该系统本着以上设计原则，为优质资源提供功能强大可扩展的后台管理功能，为用户提供简洁、易用的操作界面、个性化的服务，将大大增加用户活跃度，提升系统生命力。

3.3.1 应用功能

    首页：首页主要包括以下功能导航，课程库、微课库、精品专辑、公开课、消息动态、名师空间、个人空间、系统管理（只有管理员账户可见）共六大模块。首页主要对主要信息的一个检索显示，方便匿名用户直接登录就可以实现公开课程的预览、公开课信息、最新公告信息展示。

    资源库:资源库主要呈现优质的课程视频、文档资源和题库资源，供教师学生点播学习。课程支持按年级、学科、知识点、学校、最新、最热等方式进行应用和内容的分类展示。同时，界面上还提供内容查询的入口，搜索支持模糊查询，查询的返回的内容以缩略图配描述的方式展示。课程支持用户对其进行收藏。支持视频能精准被搜索功能，并可以支持知识点进行搜索，可直接通过界面搜索框，找到视频中某个相关知识点的片段，点开该知识点，就能观看该视频片段，支持片段的循环播放。

    微课：在首页下的微课主要展现了管理进行推荐的一微课视频。方便用户直接查看教学知识点。用户直接可以点播任意课件进行点播观看。

3.4 移动学习APP

    利用碎片时间，学生可以通过移动设备随时随地的进行教学微课视频、优质课程视频，课后与线上老师进行在线的授课，极大的拓展了学习的方式。移动学习APP支持IOS及Android平台上应用使用，通过App用户利用移动智能设备接入远程授课现场进行远程音视频双向互动、参与评课等；另一方面，可以登录到资源管理平台台，实现精品课程分享、微课分享、资源点播，直播等应用。

四、增值服务

    云教育有别传统录播厂家，在协助区域推进国家教育信息化发展，协力打造区域均衡化教育过程中，通过异度云教育在行业内独有的小蜜蜂服务团队，有针对性的对落地项目进行驻地实时的跟踪、引导和使用等方向的服务，确保用户打造的产品和方案能够常态化的应用，同时能切实有效的帮助核心用户（如：老师和学生）的信息化应用能力、教学能力和学习能力能够得到实实在在的提升，同时在服务过程中针对用户提出的实际需求完善和改进我们的产品和方案，真正做出符合用户需求的产品和方案，主要增值服务如下：

• 教学管理服务
• 教研管理服务
• 教务管理服务
• 智能化设备管理服务

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