专递课堂解决方案.docx
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专递课堂解决方案
专递课堂解决方案
2020-04-11
1.项目背景
1.1概述
为贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》精神，均衡发展九年义务教育，推进教育公平，提高农村教育质量，缩小城乡教育差距，教育部、财政部从2010年开始实施农村义务教育薄弱学校改造计划（简称“薄改计划”）。
从建设的阶段来说，建设的初期是对于薄弱地区基础的环境及设备的建设，包括教室环境、网络、多媒体教学设备等等。
这些条件都满足后，农村的薄弱地区还存在教学师资资源缺乏的问题，而由于农村教学点条件较差，学生较少，很难为这些地区配备优秀的师资力量，这种情况下，通过信息化的手段，将优秀的师资资源分享到农村薄弱教学点。
实际上这也是国家推动的一种建设方式，2016年2月份发布的《2016年教育信息化工作要点》，其中的的重点任务是，深入推进“三个课堂：
专递课堂、名师课堂、名校网络课堂”的建设应用，推广“优质学校带薄弱学校、优秀教师带普通教师”模式，不断扩大优质教育资源覆盖面；6月教育部办公厅又发布了《教育信息化“十三五”规划》。
在这个件中提出积极推动“专递课堂”建设，推广“一校带多点、一校带多校”的教学和教研组织模式，逐步使依托信息技术的“优质学校带薄弱学校、优秀教师带普通教师”模式制度化。
在这样的背景下，我们推出专递课堂方案，帮助平衡不同地区教学资源，促进不同学校优质资源交流，整合形成优质教学资源库。
1.2需求分析
本项目旨在平衡区域教学资源，实现优秀资源的分享，平衡不同地区教学资源，提高整个区域的教学水平。
具体来说，应满足以下功能需求：
1、建立区域教学互动交流子系统
利用远程实时互动上课的方式，使部分开不足开不齐开不好课的教学点与拥有相对丰富教育资源的中心学校上同一堂课，以共享优秀资源。
除了优质资源学校的教师为薄弱教学点学生上课外，不同优质资源学校之间也可以进行教学交流。
优秀的教师同时为多个教室的学生授课（考虑到教师的教学精力，一般两个为宜）。
在给本教师学生上课的同时，远端教室的学生也可同时上课，并且可与主讲教室的老师、学生实时互动。
（有生课堂）
2、建立视频会议子系统
通过建设应可实现视频会议的功能，可用于远程教师培训、行政会议等活动。
要求系统有良好的网络适应性及音视频效果。
3、建立在线教研子系统
通过本次建设，教务部门可通过系统进行听课、评课、督导等教研活动，在线教研的方式更加灵活，可提高教研效率和质量。
4、建立优质教学资源库
本次建设应建立优质教学资源库，可将名师、名校的课程录制下来，形成资源库，并应提供完善的资源分享平台，使资源能服务于学生、老师等用户。
5、建立巡考安保子系统
通过建设应可实现监控的功能，在考试期间，进行电子巡考，并且应考虑到巡考业务对于资源安全的特殊要求，提供相应的保障。
在非考试期间应通过视频监控保障校园安全。
2.建设依据及原则
2.1建设依据
《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》
《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》
《2015年教育信息化工作要点》
《2016年教育信息化工作要点》
GB8898-2011《音频、视频及类似电子设备安全要求》
GB16796-2009《安全防范报警设备安全要求和试验方法》
GB17859-1999《计算机信息系统安全保护等级划分准则》
GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》
GB50198-2011《民用闭路监控电视系统工程技术规范》
GB50348-2004《安全防范工程技术规范》
GA308-2001《安全防范系统验收规则》
GA/T74-2000《安全防范系统通用图形符号》
GA/T75-94《安全防范工程程序与要求》
GA/T367-2001《视频安防监控系统技术要求》
GA/T368-2001《入侵报警系统技术要求》
GA/T379-2002《报警传输系统串行数据接口的信息格式和协议》
GA/T388-2002《计算机信息系统安全等级保护操作系统要求》
GA/T388-2002B《计算机信息系统安全等级保护管理要求》
GA/T390-2002《计算机信息系统安全等级保护通用技术要求》
YD/T1171-2001《IP网络技术要求--网络性能参数与指标》
2.2建设原则
本方案设计根据实际需求，遵循技术先进、架构合理、安全可靠、功能齐全、易管理、易维护并节约成本的原则；综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。
本系统设计内容是系统的、完整的、全面的；同时该设计方案具有科学性、合理性、可操作性。
遵循以下设计原则来构建本系统。
实用性和先进性原则
采用科学的、主流的、符合发展方向的技术、设备和理念，系统集成化、模块化程度高。
设计合理，架构简洁，功能完备，切合实际，能有效控制和提高工作效率，满足学校管理的实际需求。
系统的安装调试、软硬件操作简单，容易掌握，适合中国国情和教育行业的特点。
经济性与实用性原则
在先进、可靠和充分满足系统功能的前提下，体现高性价比。
采用经济实用的技术和设备，充分利用现有资源，综合考虑系统的设计、建设、升级和维护。
充分考虑用户实际需要和教育信息化发展趋势，根据用户现场环境，设计符合用户要求的系统配置方案，通过严密、有机的组合，实现最佳的性能价格比，以便节约工程投资，同时保证系统功能实施的需求，经济实用。
可靠性与安全性原则
系统采用成熟的、稳定的、完善技术设备，系统具有一致性、升级能力，能够保证全天候长期稳定运行。
在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能，同时系统具有一整套完成的系统管理策略，可以保证系统的运行安全。
灵活性与可扩展性原则
网络系统是一个不断发展的系统，因此应具有良好的扩展性，能够根据信息化地不断深入发展，方便地扩展网络覆盖范围、扩大网络容量和提高网络各层次节点的功能。
具备支持多种通信媒体、多种物理接口的能力，提供技术升级、设备更新的灵活性。
系统能够通过增加服务器等软硬件设备，方便、平滑的对系统容量进行扩容，后台存储容量也具备较高的可扩展能力。
开放性与互连性原则
系统应具备与多种协议计算机通信网络互连互通的特性，确保网络系统基础设施的作用可以充分发挥。
在结构上真正实现开放，基于国际开放式标准，包括各种广域网、局域网、计算机及数据库协议，从而为未来的业务发展奠定基础。
可管理性原则
能够实现监控、监测整个系统的运行状况，包括各平台软硬件设备和前端视频服务器设备，可以迅速确定网络故障，及时告警，并拥有完善的报表功能等。
高安全性原则
根据国家对网络与信息系统安全性的基本要求，该系统在设计初期将符合国家有关信息与信息系统安全的法律和法规，满足教育系统内部及适用环境对该系统提出的安全性要求，采用国际标准加密算法与系统内部私有协议相结合的方式防止出现系统数据泄密、音视频资源被盗用等安全问题。
3.方案设计
3.1整体设计思想
针对本项目需求，我们将重点对学校的教室和中心平台进行建设。
针对于学校教室的互动应用需求，我们进行相应的部署，分别建设主讲教室，听课教室两种教学环境。
在中心平台，我们部署业务系统服务器、管理、存储等设备，一方面可以对各教室设备进行管理、控制，另一方面也可管理、存储采集到的视音频资源。
图示：
系统组网图
3.2资源采集
根据应用需求不同，可在有优秀教学资源的教学点建设为主讲教室，薄弱教学点教室建设为听讲教室。
3.2.1主讲教室
主讲教室完成教学资源的采集、处理，形成的教学资源一方面给到薄弱教学点，另一方面给到管理中心作为教学资源，用于后期学习，教研等工作。
教室端架构以及接线图如下：
图示：
教室端架构图
图示：
教室端组网图
主讲教室应包括的设备有专递课堂终端、拾音设备、教师跟踪摄像机、学生全景摄像机等设备。
资源采集
应包括音频资源采集和视频资源采集两个部分。
音频资源可新建拾音设备，如果教室里原有领夹麦等拾音设备，可直接利用。
音频设备直接接入专递课堂终端，终端应包含有丰富的音频接口以及音频处理模块。
视频源应包括摄像机视频源和编码课件视频源。
教师跟踪摄像机采用先进的图像分析算法，利用一只固定的摄像机实现对教师跟踪，以避免传统多设备实现跟踪产生的故障节点多，跟踪画面不稳定等问题。
讲台全景摄像机实现对整个讲台区域教师活动的图像采集。
学生全景摄像机实现学生图像采集。
专递课堂终端应内置编码模块，授课电脑可直接通过VGA或HDMI接口的线缆接入终端，实现编码。
资源处理
专递课堂终端应负责完成资源的处理，包括画面合成与混音。
终端应可将多路视频信号进行合成，可提供电影模式、画中画模式、多画面模式等多种画面合成模式，并且可以根据教学场景变换实现自动导播。
此外它还应支持添加课程的片头、片尾，更好的记录课程信息。
通过以上丰富的灵活的课程资源处理方式，终端可以输出更符合用户观看体验的教学视频。
远程互动
专递课堂终端应完成远程互动的功能。
通过接入上级MCU，可以将本地终端合成后的画面以及课件PPT的画面给到听课教室。
也应接收听课教室端的听课学生的视频源。
终端本身应包含回声抵消等音频处理模块，可以保障互动过程中有良好的音频效果。
通过先进的压缩编码算法，可以低码流传输高清画面，减少互动过程中的带宽占用。
显示扩声
专递课堂终端应包含解码模块及数字功放模块，外接抬头电视，可显示远端听到教室学生的画面。
接音箱后可听到远端学生提问及互动声音。
画面显示
关于显示设备，主讲教室应配置投影机及一个吊装液晶电视，液晶电视称为抬头电视，远程专递课堂过程中应根据不同场景，主讲教室显示设备应显示不同画面风格内容
场景一：
老师正常上课：
投影机显示画面抬头电视显示画面
场景二：
听课教室学生回答问题：
投影机显示画面抬头电视显示画面
同时，该类教室也可作为听讲教室。
3.2.2听讲教室
听讲教室部署的设备包含专递课堂终端、学生全景摄像机以及音频设备等，通过专递课堂终端接入上级MCU，可以将听讲教室学生的音视频给到主讲教室。
听讲教室应接收两路视频源，一路是主讲教室合成的画面，主体是授课教室，另一路是授课PPT，这样的观看场景更真实还原上课场景。
在网络条件限制的情况下，也可以选择只接收一路合成画面，由于合成画面已经经过自动导播，在切换PPT的时候会自动把PPT的画面变换为主画面，故也可以较好得还原上课场景。
关于显示设备，听课教室应配置投影机及一个吊装液晶电视。
场景一：
老师正常上课：
投影机显示画面抬头电视显示画面
场景二：
听课教室学生回答问题：
投影机显示画面抬头电视显示画面
3.2.3会议室
我们系统中的专递课堂终端集成了会议功能，通过接入本级或上级的MCU，可与其他会议终端或其他教室的专递课堂终端进行互通，完成视频会议，教学研讨等工作。
3.2.4校园监控
可对各学校新建高清监控系统，采用网络高清摄像机进行图像采集，根据不同的应用场景，应可选不同的摄像机，如红外功能摄像机、PTZ功能摄像机等。
通过监控系统可用来保卫学校安全，预防及处理突发事故，教室内监控也可在考试时用作电子考场。
如果学校已经有监控系统，应可对于数字监控系统通过国标GB/T28181进行接入，对于模拟监控系统，应可编码后接入。
监控系统应采用级联架构，学校本地管理中心可查看本校监控视频，市级可查看本市内的监控视频，区域级管理中心可查看下级各学校监控视频。
3.3管理中心
管理中心设备主要负责对前端设备和资源的接入，应包含接入管理设备、存储设备、流媒体设备、MCU等设备。
管理平台设计
中心管理平台应采用嵌入式的硬件结构设计，内嵌Linux操作系统，保障设备运行安全、稳定；并且应支持级联组网，方便系统扩展。
平台应提供完善的设备管理、用户管理、认证管理、权限管理、告警管理等功能。
存储磁盘阵列
磁盘阵列应实现对课程资源进行存储，磁盘阵列应支持RAID备份和热备份，可保障资源安全，同时，磁盘阵列应支持通过堆叠实现存储空间的海量扩展，并可实现负载均衡。
流媒体服务器
流媒体服务器应采用嵌入式架构，性能稳定，安全可靠，在系统建设中应配合业务管理系统以及磁盘存储阵列使用，实现媒体转分发的作用，辅助实现教学资源的直播、点播等功能。
业务系统
业务系统应实现各类教学业务，直接面向用户使用。
应采用B/S架构，支持主流浏览器访问。
业务系统应实现三个方面的功能：
专递课堂互动组织相关应用、直播点播等课程观看应用、教学评教、自我反思等教学管理应用。
MCU（教育云平台EDU）
各级管理中心的MCU应负责接入本级的终端设备及下级MCU，作为其上级。
MCU应完成视频会议、专递课堂终端的接入管理控制。
解码器及电视墙
解码器及电视墙应将各教室的上课情况显示出来，完成教学督导、教学研讨等工作。
4.应用功能介绍
通过前端资源采集，管理中心的资源整合，封装不同应用适配不同协议，最终通过用户终端，为用户提供多种应用：
专递课堂、录播课堂、在线教研、教学督导、电子巡考、远程培训及会议。
覆盖教学的各个环节，全面帮助提高教学水平。
4.1录播课堂
除了通过互动功能实现专递课堂的应用外，系统可以对课程进行录制，并形成教学资源库，充分利用这些资源帮助提高教学水平。
具体来说，可以形成名师课堂，即将名师讲解的重点、难点或者期末总结录制下来，一方面可以帮助学生学习，另一方面还可以作为示范课让其他老师学习，进而帮助他们提高。
也可以形成名校课堂，将各名校的优秀资源录制下来，学生可以进行选学，扩大优秀资源的覆盖面。
4.1.1课程录制
平时上课，或是在远程互动时，系统可以把课程视频录制下来，形成课程资源库。
形成的资源库一方面可以供学生老师课后学习、总结，另一方面也可用作教学分析。
画面风格。
录制时有多种画面风格可供选择，包括画中画、多画面、单画面，系统除了可以提供默认的画面风格模板供选择外，还可根据具体需求进行自定义。
自动导播。
在录制时，可以根据教学侧重点不同进行自动地画面切换，即自动导播。
如在老师特写时，如果叫学生上讲台进行互动，系统会自动将特写切换为全景；教师在切换PPT时，会自动把PPT画面切换为主画面……
平板控制。
通过平板电脑，可以完成以下几方面应用：
1、录制节奏控制，包括录制开始、暂停、结束。
2、手动导播，手动进行画面切换。
3、选择录制时的画面风格。
4、其他，如专递课堂呼叫远端教室等。
4.1.2课后点播
完成点播的业务系统采用B/S架构，支持主流浏览器访问，不需要安装任何插件，方便操作。
同时系统有良好的课程呈现方式，用户既可以根据系列课系统性地学习某门课程，也可以通过便捷的搜索方式找到课程。
4.1.3业务应用
为完善对录制好视频的应用，我们开发了丰富的应用。
包括：
上传下载。
教师可以上传课程的相关资料，如课后作业、课件PPT、课外阅读材料等，供学生下载，丰富课程资料。
知识索引。
将完整视频中不同的教学重点分别截取出来并标记重点提要。
这样，学生在后期学习的时候可以快速找到自己所需的知识重点片段。
知识索引节约了用户观看学习的时间，提高了学习效率。
个人空间。
个人空间是针对具体个人的学习中心，包括观看记录、收藏课程、课表信息等等，为每个用户提供个性化的教学服务。
其他还包括在线交流、排行榜、自我反思、添加字幕等等，通过这些实用、易用的业务应用充分利用录制好的课程视频帮助提高教学水平。
4.2远程互动教学
远程互动可以实现不同校区或者不同学校间的远程教学，实现教学资源互补，促进教育资源均衡化。
教师在主讲教室对薄弱教学点教室的学生上课，听讲教室的学生，可以观看两路画面，一路是主讲教师的画面或者是合成画面，一路是教师授课课件的画面。
此外终端也有音频良好的音频处理效果，可有效消除噪音、抑制回声。
通过良好的画面及声音呈现效果，提供给学生真实的上课体验。
当城区中心校为薄弱校上课时，主讲教室无学生，即无生课堂，讲课老师可以将全部精力用来对教学点学生授课，更好地帮助薄弱教学点学生掌握课堂内容。
当城区中心校进行教学交流时，双方教室都有学生，即有生课堂。
这种教学交流有三个方面的好处：
1、学生接受不同老师上课，从不同角度理解教学内容。
2、不同学校的不同优质科目互补，共同提高。
3、通过交流提高老师的教学水平。
4.2.1流畅的视频互动
教师在主讲教室对听课教室的学生上课，听课教室的学生可以观看两路画面，一路是主讲教师的画面，一路是教师授课课件的画面。
互动画面是直接通过教室间的录播主机进行数据传输。
通常情况下仅需一条2M带宽的公网即可保障画面的流畅传输，对带宽的需求很低。
且录播主机符合标准的协议，可以与多台同类型的录播主机或视频会议终端进行直接互动通信。
在此过程中，可以根据网络情况选择不同的呼叫码率，保障在网络条件不好的情况下互动依然顺畅。
而处于主讲教室的教师也可以同步看到听课教室的学生反映，能够直观的了解到学生的听讲效果反馈，从而能相应地对授课节奏进行精准把控。
4.2.2实时的音频互动
录播主机内置了音频模块，具有回声抵消、啸叫抑制、噪音消除等音频处理功能，保障在互动时有良好的音频效果。
主讲教室通过老师拾音器对老师的讲课内容收音，并通过录播主机处理，将该数据传输给远端的听课教室，听课教室可以清晰的听到老师的声音，再通过主机的音频模块的处理，听课教室端的声效宛如身在主讲教室。
同时，听课教室有疑问需要请教远端主讲教室的老师，也可以直接发问，通过布置在听课教室的学生拾音器，主讲教室的老师也同样可以清晰的听到学生的问题，从而实现实时的互动。
4.2.3音画同步
使用网络进行音视频的传输，不可避免地会有短暂的延迟时间，可能会出现音画不同步的情况，这样会极大的影响主讲教室与听课教室的互动效果。
通过客户端进行简易的调节，可以解决此问题。
通过良好的画面及声音呈现效果，可以让身处不同教室里的学生同时参与一个课堂教学，学生可以与远程教师进行实时提问与接受辅导答疑，提供给学生真实的上课体验。
4.3远程培训及会议
作为一种现代高效的沟通方式，视频会议正逐步成为各行业用户必备的沟通工具。
通常的视频会议需要布置一些视频会议终端来实现多方的视频会议，而专递课堂系统支持视频会议标准的协议，可以与视频会议设备融合，避免了建设多套设备可能会出现的兼容等其他问题。
同时通过一套设备的多种功能复用即满足了需求又节约了成本，提高了设备的使用率。
系统支持点对点、点对多点会议，任何1个终端入会后都可以发言，并发送相关的数据、图像、文件等，进行各种会商，提高会议的时效性和准确性。
在不上课的闲余时间，偏远地区可直接在教室里利用专递课堂终端参与培训或会议。
教师通过系统远程参与培训，不会因路途时间影响正常上课。
通过远程会议，可以在第一时间传达会议精神。
通过远程参与培训与会议，一方面可避免人员舟车劳顿，另一方面还可节省交通成本。
4.4在线教研
4.4.1在线听课
传统的听课方式，需要听课的老师到教师里，学习优秀老师的授课方式，这样存在一些问题，包括会影响老师的发挥、学生的表现等等。
通过本方案，老师可以在线进行听课，避免以上问题。
年轻的老师即可以在办公室里，通过自己的PC电脑，实时或课后观看优秀老师的授课过程，取长补短。
也可以由教务处组织多名老师一起在会议室进行听课，可进行教学讨论而且不会影响课堂秩序。
4.4.2在线考评
传统的考评方式，会影响上课老师发挥，不能真实反映教学水平，而且缺少说服性的材料，容易引起争议。
利用本系统在线教研的方式可以解决该问题。
教务处可以针对某门课程视频发起考评任务，并且给该任务相应的预案，即本次评价哪些项目，具体某一项占比多少，可以将该任务指派给考评的老师或领导，考评人员会收到考评消息。
除了可以根据预案进行考评外，还可以在课程视频上进行打点记录，记录某一点好，好在哪里，不好，有什么问题，方便后期查证或学习。
4.5在线督导
传统的督导方式，比如：
督导组的老师每人都分配了几个学校，每天需要到这些学校进行教学督导，而且督导方式也相对主观，没有形成一个信息化的、客观的评价方式。
为了节约人力物力，有效地提高了管理效率，帮助于教学水平的提升。
利用本系统可以实现在线的教学督察。
督导人员登录界面
督导老师登录系统之后，可以选择自己需要查看的教室，点击进入课堂，就可以在线的实时查看每一间上课教室的情况。
督导首页
通过选择不同的预案，不同细分的维度进行打分，比如：
授课态度、到勤率、课堂纪律等。
能够比较客观的体现实际的教学行为等情况，并且可以在线记录，方便后期查证。
督导人员督导界面
统计结果
4.6电子巡考
教室内的全景摄像机可以在考试期间采集考场画面，在管理中心可进行实时巡查，并且，可对考试时视频进行专门的备份存储，便于后期取证。
通过电子考场应用，可以保障考试公平公正。
科达有丰富的电子考场建设经验，早在2012年，就建设了甘肃省全省的考试系统，包含14825个考场。
上海的多所高校也是采用的科达电子考场系统，包括上海交大、同济大学、华东理工、东华大学等。
5.系统特点
5.1应用全面，高性价比
通过一套方案，可覆盖教学过程的所有环节，从时间维度来说，包括课前、课中、课后，从业务方面来说，包括教研、学习、考试等等。
实现这些应用时，我们采用设备复用的方式，即不同应用可能用到同样的设备，如教室里需要共同的音视频采集设备，专递课堂终端可用于互动、录课和视频会议等。
这样的建设方式不需要重复增加很多设备，在满足多种需求的同时节约建设成本。
5.2智能设计，操作便捷
考虑到偏远地区基层老师IT技术水平不高，操作过程如果太复杂，很难推广使用起来。
所以本方案充分采用智能化的设计保障系统的易用性：
一、具体的设备，如专递课堂终端、管理中心的所有设备，均支持上电自启动，设备直接插上电，就可以直接使用。
同时设备支持断电保护，使用完毕后，即使是直接把电源断掉，也不会影响下次使用；二、在采集课程资源时，有自动导播策略，不需要人为操作就可以呈现良好的课程视频效果。
三、专递课堂场景中，支持设备上线自动加入课堂，也就意味着，设备直接上电后可直接加入课堂，不要在任何硬件或软件上进行操作，方便易用。
5.3高度集成，运行稳定
对于部署在前端，维护复杂且占用空间有限的设备，我们采用先进的技术，提倡ALLINONE的理念，尽可能将多种功能集成在一个设备里面。
如专递课堂终端，除了基本的课堂录制及在线互动外，其集成的功能可完成教室里的常用数字化处理，它包含了视频矩阵、音频矩阵、调音台、功放、编码模块、PoE交换模块等。
另外是教师跟踪摄像机，传统的跟踪方案需要云台跟踪摄像机、辅助定位摄像机、跟踪主机，本方案采用一只固定的摄像机，利用图像分析算法的方式，可完成对教师的跟踪，且效果更好。
这样的方式有以下几个方面好处：
1、故障节点少，稳定可靠性高；2、维护操作简单；3、占用空间少；4、建设成本低。
5.4网络适应，高效传输
方案充分考虑到有些地区网络条件较差，从技术手段和业务设计两方面保障传输的资源适应不同的网络条件。
从技术上来说，我们采用highprofile压缩技术，实现在低带宽下传输高清视频，采用智能抗丢包、断线自动重呼等技术保障在网络条件恶劣时依然可以正常进行专递课堂。
从业务设计考虑，我们可以把课堂的多路画面合成为一路画面，这样原来占用多路的带宽现在占用一路就好了，并且合成画面由于自动导播，可以提供良好体验的课程视频。
5.5全网络化，易于维护
传统的模拟设备，无法远程控制，技术人员要维护、升级需要到设备部署的现场去，效率低下。
本方案才用全网络化部署
升级会员 