基于网络平台的课堂录播系统设计与功能实现及应用研究
教学视频资源质量高、规模大且课程体系完善，这是优质数字教育资源的核心。文章分析了基于网络平台的课堂录播系统设计，还分析了其功能实现，阐述了系统设计原则，也阐述了建设过程中所需的关键技术，并且对其在教学实践中的应用前景和价值作了深入研究。教育信息化属于国家整体信息化发展里重要的构成部分，也是战略重点之一，它还是教育与科技相结合的标志性领域。2012年3月13日，教育部发布了《教育信息化十年发展规划(2011 - 2020年)》，该规划表明推进信息技术和教育的深度融合是未来我国教育发展的主要任务。教育部于2003年启动精品课程建设工程，此后课堂网络录播产品大量出现，尤其在课堂实时录播和微格教学等方面得到广泛应用，这促进了教学过程变得更方便、更快捷、更有趣、更有效，加快了院校优质资源建设，拓宽了优质资源共享范围，提供了更丰富的学习工具、手段和实践空间，还提高了教育教学质量和效益。因此，课堂录播系统的应用在教育的信息化支撑体系里是极为重要的一个环节，它对教育教学方式有强有力的推动作用，对教育教学方法有强有力的推动作用，对教育教学过程有强有力的推动作用，对资源建设也有强有力的推动作用。
课堂录播系统概述
课堂录播系统是一体化系统平台，能将教学现场的音视频信号、VGA信号以及预设音视频文件进行同步整合，录制生成标准化的流媒体或广播级视频文件，用于同步直播、存储、后期编辑，终端可通过IE浏览器或登录系统服务器收看现场直播，也能后期点播视频收看，该系统主要应用于课程录制、视频会议、教育培训、智能法庭等场合。特别是在各类讲座、公开课、优质课的现场直播以及远程教学中，能让每个学生都有身临其境之感。院校建设了课程录播教室（如图1所示），它可以保持现有教学状态，保证当前教学常态化，还能减轻后期制作人员负担，提高精品课程制作效率，减少制作成本。
图1 课堂录播教室平面图
对全部日常教学活动进行全过程录制，这是一项艰巨且复杂的任务。从效率方面来看，传统的录播系统无法满足实际建设的需要。从数量方面来看，传统的录播系统无法满足实际建设的需要。从人力成本方面来看，传统的录播系统无法满足实际建设的需要。为此，本文设计并实现了基于网络平台的课堂录播系统，该系统实现了课堂录播的规范化，该系统实现了课堂录播的自动化。
基于网络平台的课堂录播系统设计与实现
1.系统设计原则
课堂录播系统的设计原则是要把握操作简便这一要点，还要确保安全稳定，它不仅要满足教学需求，而且要具备最优组合，拥有最高性价比以及最佳交互方式，整体方案设计应遵循以下原则：
先进性体现在，具备先进的设计理念，拥有先进的网络结构，使用先进的开发工具，遵循标准化，还有技术成熟的软硬件产品。
系统设计符合国际相关标准，系统设计符合专业技术规范，人机界面友好，便于实现各种功能。
可靠性：系统软硬件具有高兼容性、高可靠性和高稳定性。
灵活性：系统采用模块组合和结构化设计，配置灵活。
发展性方面，系统进行规划设计，该设计要满足需求，这种需求是因技术发展而产生的，目的是实现低成本扩展和升级 。
系统设计采用开放技术，采用开放结构，采用开放系统组件，采用开放用户接口，目的是利于系统的维护，利于系统的扩展升级。
系统具备良好的兼容性，能充分考虑向下兼容，也能充分考虑向上兼容，其建设与校园网平台充分结合，还与校园规划充分结合。
2.系统功能实现
(1)高低双码流录制、输出模块
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课堂录播系统录制或存储的是主流音视频格式，可根据需求精准设置视频的分辨率、码流、采样率等，高低双码流录制大小能在256K - 50M之间任意调整。双码流输出模式能解决直播时存在的技术问题，要考虑低码流的网络直播，也要考虑高码流的电视直播，同时还保存高码流的工程文件。工程文件能够导入到大洋这种主流非编工作站，工程文件也能够导入到索贝这种主流非编工作站，在这些工作站里可以进行精细的镜头调整，还可以添加各种动画效果。
(2)文件录制备份模块
课堂录播系统采用多机位，采用多通道完整备份录制模式，能完成多路视频信号的自动切换，能完成音视频文件之间的自动切换，能完成PPT之间的自动切换。若现场出现切换错误，后期仍可进行再编辑。若现场出现合成错误，后期也可进行再编辑。系统会自动生成音视频标准的工程文件，能满足mp4视频文件的录制和保存，能满足avi视频文件的录制和保存，能满足asf视频文件的录制和保存，能满足flv视频文件的录制和保存，本地音视频文件可作为片头使用，本地音视频文件可作为片尾使用，本地音视频文件可作为垫播使用，本地音视频文件可作为插播使用。所有通道都支持单一音频播出，支持单一视频播出，支持录制，还能够作为现场同期音播出。系统拥有手动课程录播功能，具备智能全自动课程录播功能，拥有遥控式课程录播功能。主讲教师可独立掌控录播进程，能全程掌控录播进程。系统会完整备份每个机位的镜头数据，进而形成N+2个素材文件，或者形成N+2个工程文件。
(3)网络直播模块
课堂教学内容能借助网络教学平台进行网络直播，课堂内容有视频、音频、演示文稿、文本等形式，用户可通过浏览器访问观看。若基于Web课堂直播，会与网络平台Web或学习管理系统无缝连接。
(4)电视直播模块
课堂录播系统能实现同步电视直播，支持模拟信号输出，也支持数字信号输出，易于更改信号制式，易于更改分辨率，有多种音视频输出端口可对接校园电视台，视频输出接口包含HD - SDI接口、SD - SDI接口、YUV接口、Y/C接口、复合接口等，音频输出接口包含数字接口、模拟接口、监听接口等。
(5)教师跟踪模块
系统能够实现自动跟踪，不需要人为进行干预，能准确无误地跟踪教师授课过程，具备自动变焦跟踪拍摄功能，拍摄过程顺畅，画面稳定。
(6)学生定位模块
学生定位模块能够达成自动定位，在探测到学生起立的情况下，系统会自动把学生摄像机对准正在发言的学生，在学生回答完毕后，教师跟踪系统会自动返回。
(7)智能导播切换模块
课堂录播系统具备传统视频切换台的功能，能提供划像、画中画、淡入淡出等常用特技效果，可实时输出时钟信号、角标，还支持色键抠像技术，支持将本地文件作为虚拟背景进行实时虚拟合成，内置调音台，支持多路本地音频播放，能实时切换通道同期音，能与外围音频保持均衡统一，实现相互切换或混音。内置了字幕编辑软件，该软件支持制作静态字幕和动态字幕，制作完成后可转入字幕列表等待播出，像课程内容、章节、重点提示、主题等都可以这样操作，教师借助专属遥控器来实现字幕的精准输出。
图2 课堂录播系统架构
3.核心技术分析
(1)图像自动识别跟踪技术
教学过程中有多种情景，教师在讲台上讲解时要解决如何跟踪拍摄的问题，教师走下讲台讲解时要解决如何跟踪拍摄的问题，教师走下讲台和学生交互时要解决如何跟踪拍摄的问题，1个学生起立回答问题时要解决如何跟踪拍摄的问题，2个或多个学生回答问题时要解决如何跟踪拍摄的问题，学生走上讲台回答问题时要解决如何跟踪拍摄的问题，讲台上的学生书写板书时要解决如何拍摄的问题，教师书写板书时要解决如何拍摄的问题，2人或多人写板书时要解决如何拍摄的问题，教师讲解PPT时要解决如何采集的问题，解决这些问题的办法是运用图像自动识别跟踪技术。根据摄像机对比定位分析，若图像出现变化，并且变化幅度达到临界点，便控制摄像机对图像变化区域进行跟踪拍摄，该拍摄不受强光影响，且定位准确。
在录播教室中，拍摄教师的摄像机通常被定义为主摄像机，所有自动切换和跟踪，最终都会复位到主摄像机。课堂录播系统根据定位摄像机设置一个立体空间，在这个空间里运动的教师和学生，会触发多种跟踪或切换策略，按照左右、前后、上下运动的规律，让整个录制过程更显真实、平滑、顺畅、自然，并且不受立体空间以外环境的影响。在自动录播时，系统会依照自身的运行原则来录制，只有当教师结束录制状态时，这种录制情况才会改变。
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(2)输出可编辑的XML工程文件
课堂录播系统运用标准的行业音视频编解码技术，能完整记录摄像机的所有数据，在系统执行自动或手动切换跟踪策略时，还能完整记录每一个跟踪断点以及切换断点，并且会自动形成可导入的XML音视频工程文件，也能形成可编辑的XML音视频工程文件。可编辑的 XML 工程文件兼容性很强，将其导入任何一款国内主流非编软件，就能进行再编辑，在本系统内，它能实时调整镜头切换位置，还能实时调整时间点，并且可以添加更新字幕和特效。
(3)与校园电视台无缝融合技术
校园电视台配备了完善的摄像系统、导播系统、编辑系统、直播系统等。课堂录播系统拥有多通道的高清导播切换录制功能、高清虚拟合成功能、高清在线字幕功能、网络直播功能、电视直播功能、LOGO水印功能等。并且这些模块都是“一键式”的，操作不复杂。如此一来，课堂录播系统与校园电视台能够相互融合、相互支持。
通常录制课程的视频码流一般不会超过10M，这便于网络教学平台进行直播或者存储。校园电视台录制节目的视频码流至少要达到25M，如此才能达到播出要求，这意味着课堂录播系统要实现高标清兼容，视频码流能够在512K至50M之间进行调整，画面质量不但要满足网络直播或存储的需求，还要满足校园电视台的需求。
基于网络平台的课堂录播系统应用
教学视频是一种教学方式和展示手段，它最直接有效，最原汁原味，最生动活泼，在教学研究、资源建设、教师发展、教育传播等方面有不可替代的作用，基于教学视频的学习会成为数字化教育的一个重要组成部分。
1.教学反思常态化，促进教师发展
教师在课堂上很难察觉到自身课堂教学存在的问题，借助课堂录播系统回放来观摩和反思，能起到照镜子的作用，进而发现不足之处或有待改进的地方，课堂录播系统让教师教学反思行为常态化，促使其教学水平持续提升。它对青年教师的成长帮助极大，能加快青年教师迅速成长，促使其实现从单一依赖师傅指导到与师傅共同研究探讨的转变，还能实现由被动接受到主动作为的转变，以及从程式化到常态化的转变。
2.校本教研常态化，提升教学质量
校本教研活动是教师专业发展的重要构成部分，是新入职教师迅速成长的关键环节。借助课堂录播平台的录播教室与观摩教室，能让同行教师方便地进行现场听课与评课。教师还能够通过网络教学平台观看同行教师上课的实时画面，这打破了时间限制与空间限制，达成了同步观摩。并且还能对教师授课进行点播、回放以及评价。课堂录播平台极大程度地拓展了校本研修的深度，课堂录播平台极大程度地拓展了校本研修的广度，这有利于校本研修持续开展，这有利于校本研修常态化开展。
3.教学评比网络化，评比形式丰富多样
教学评比或教学比赛是学校教学管理部门考核教师教学水平时常用的方法与手段，也是能促进教师提升课堂教学水平的有效激励举措。不过，传统的教学评比活动常常以随堂听课的形式进行，这在一定程度上会对正常的课堂教学秩序产生影响，进而影响评比结果的公平性。并且，由于受到时间和场地的限制，评比活动的组织规模通常有限。引入课堂录播系统后，多名教师能够同时授课，评委能在任何地方借助网络听课、评课 。打分结果经网络汇总，立刻形成参赛者最终成绩 。这避免了诸多中间环节，从根本上确保了评比活动的公平、公正、公开 。另外，比赛结束后，若选手对比赛结果有异议，还可对比赛过程及讲课细节进行回访、查询 。
4.教学研究远程化，促进教育公平
目前，各院校之间师资力量不均衡，教学资源也不均衡，这是教育差距的主要矛盾和主要表现。解决教育差距以及不均衡问题，需要教育主管部门统一协调部署，从制度层面进行引导，逐步实现。建立区域院校同盟，共享优质师资，共享教学资源，这是避免资源浪费和重复建设、促进教育公平的有效途径。课堂录播平台在推动院校间优秀教师与优质资源共享上，具备独特的优势，录播平台让跨院校、跨班级同步授课变得简便易行，不同院校的教师能够借助平台构建教学共同体，共同开展教研活动，彼此促进、共同提升。
5.优质资源数字化，推进精品课程建设
随着院校信息化建设不断推进，如今各个院校的校园网平台建设均已完成，然而存在的最大问题是，平台上缺少相应的数字化教学资源，资源质量以及应用效度是院校信息化建设的瓶颈，应用课堂录播系统能够加快院校数字化资源建设速度，还能改变建设模式，拥有丰富教学资源后，会有效促进学科发展与专业建设。另外，这些精品课程对青年教师专业水平的提升有帮助，还改变了学生传统的学习模式，促进了自主学习以及个性化学习。
6.教育活动网络化，促进学生发展
学校教学活动现场借助课堂录播系统这一平台来组织，在全校范围内完成网络或电视直播，还能提供网络提问、网络投票等互动环节，视频文件会被保存到学生成长记录袋中，毕业时作为礼物送给学生，这些活动的开展会促进教育活动网络化，极大促进学生全面协调发展。
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