《事实和证据视野中的课堂教学诊断》录播系统和诊断平台

《事实和证据视野中的课堂教学诊断》录播系统和诊断平台从技术层面来讲,为了开展“基于数字化视频课例的课堂教学诊断研究”,我们主要研发了两个系统:一是课堂教学现场数据采集系统,它能将课堂教学场景尽可能完整地记录下来;二是基于校园网的课堂教学诊断平台系统,它能实现课例信息的存储与呈现、诊断活动的开展与过程管理。对执教者而言,执教者能借助该平台将课堂实录、教学设计发布到网上,自定义基于课堂实录的超级链接,能对视频片段进行文字性描述,能对课堂实录进行片段截取并分类存放,能查阅观课者的评价信息;对观课者而言,观课者能借助系统提供的评价量规对课堂教学进行观察和评价,能参与执教者有关片段分析的讨论,能对执教者的课堂教学实录进行片段截取并进行阐述,截取后的片段能分类存放与查阅;对管理者而言,管理者能根据该平台提供的基础信息导入的接口,如评价量规、视频片段的分类等信息的导入接口,对执教者及观课者参与网上听评课的情况进行统计。我们还借助信息技术开发了课堂教学诊断流程,这相当于铺设了一条研究课堂教学的“轨道”。这条“轨道”预设了观课评教的基本维度、流程和技术,把课堂教学研究的过程流程化,以便教师能按特定的步骤来开展课堂教学研究,形成基本的研究能力,进而改善其研究的思维方式。第一部分 全自动数字化录播系统一、系统选型2008年2月，学校校园网络进行整体改造。考虑到各项教学活动中需要录像的课越来越多，录制人员相对短缺以及传统录像过程中录制人员进课堂容易对课堂教学产生干扰的情况，学校提出了建设全自动数字化录播系统的建议。当时市场上主要有两大类录播系统，一类为移动方式，一类为固定方式。为了方便管理，减少录制过程中对设备管理人员的依赖，学校选择了固定模式的录播系统。1经浦东社发局市场招标，最终选定由上海卓越电子公司负责洋泾中学的录播系统建设。 为了方便教师现场观课，又不影响课堂教学的正常开展，学校决定在录播教室的边上同时建一间听课教室，录播教室和听课教室的位置关系如图1-1-1所示： 图3-1-1 录播教室和听课教室的位置关系

录播教室的主要配置有：课桌椅、讲台、绿板、投影仪、投影幕布、吊麦、摄像装置等。除吊麦、摄像装置外，录播教室配置与普通教室配置一样；听课教室的主要配置有：桌椅、背投、功放、音箱，其中背投用于播放录播系统采集的画面。2008年5月录播教室建成,6月学校以教研组为单位对教师进行录播教室使用培训，2008年9月录播教室正式投入使用。为了推动录播的使用，学校要求每位教师每学年上交一堂教学的录像，开课的内容及时间由教师自定。2008学年，录播教室录课176节，2009学年，录播教室录课232节。 2011年6月，随着老师们对录播教室的逐步认可，录播教室的使用频率迅速增加，老师们经常出现“撞车”预约不上录播教室的情况；学校管理层也因势利导，希望借助于数字化课堂实录，以实录事实为依据，通过创设一系列活动，引导教师“把课堂教学打开，说上课的道理”，进而提升广大教师课堂教学反思能力与反思水平，故提出建设第二间录播教室的建议。第二间录播教室的建设仍由卓越电子公司负责实施，但校方和公司通过协商采取了合作共建的模式，由学校出思想，提数据采集要求，提供试验场地，公司负责思想的技术实现；校方提供的思想及试验场地折算成一定的金额，最后计算到录播教室的建设费用中，结果第二间录播教室的建设费用仅为市场价格的60%左右，同时采集的画面和音质也得到了优化，更能反应课堂的实施状况，如原来仅用2个吸顶麦克录制声音，现在改用8路吊麦阵列来录音，录播系统能根据现场人员的音量，智能地关闭7 2个吊麦，选择离发言者最近的吊麦开启、工作，这就既克服了吸顶调麦的由于“硬质天花板”所带的回音问题，由能使当前“焦点”音源能被较高质量地保存下来；原来有学生发言时，跟踪学生的镜头在学生身上仅停留15秒左右，现在改为：只要学生不坐下，跟踪学生的镜头不移走，即使学生坐下，在其身上停留的时间也不能少于10秒，同时将学生及教师的现场表现同时呈现在画面上，从而更好地反映师生对话的场景；当老师使用实物展台呈现学生作业情况时，要求采集的图像要大画面持续记录学生的作业，以便课后借助课堂实录再现课上学生学生作业完成情况，而之前的录播策略是展台的画面仅停留10秒左右，很多情况下还没来得及看清学生的作业，画面已切换到其他场景；另外，在过去的录播系统中，在固定式绿板左右两侧没有课桌椅的地方是录制的死角，因为公司认为那儿不可能有学生活动，而现在这两侧可能成为课堂的活动中心，为了便于课上学生小组讨论，学校在者两侧安排了移动绿板，为此公司也录播的范围做了调整。难怪公司在事后感慨：他们事先设定的录播策略有近70%被修改。就这样，第二套录播系统在公司和学校花了近一个学期的磨合，最终得以在2012年2月建成。由于第二套录播系统在录播策略上做了很大的改进，且采用了高清的录制技术，自然第一套录播系统遭到了冷落，除了实在没办法，教师们一般会选择在第二套录播教室中录课。为了满足教师们的使用需求，同事保障《基于数字化视频课例的课堂教学诊断与实践》研究课题的顺利开展，2013年6月，学校决定参照第二套录播系统，对第一套录播设备进行升级改造。考虑到有教师提出：希望在课堂教学录制的过程中能有选择性地对特定小组、特定学生进行录制，学校在录播系统的改造过程中，又增加了场外辅助录制的功能，即在系统进行全制动的录播的过程中，场外人员可根据授课教师的要求，对特定对象采用人工操控的方式进行录制，之后再把控制权交给系统，有系统自动完成录制。系统改造于2013年9月完成并交付使用。以下是改造录播系统（酷睿K7）的设备清单与技术参数（见表3-1-1）：3大

项设备组件名称厂商型号功能及技术参数数量软

件

系

统远程录播辅助软件ABLE支持通过网络远程接管录播进程，实现个性化导播。可实现远程自动开关机、远程设置录制码流/分辨率/校标/课标/课程信息等相关录播系统参数，可远程监看录播教室现场所有的图像采集信息，并可远程调节控制摄像机，根据教学进程后台实现场景间的切换调度，根据需要将最能反应教学过程的场景对外直播或保存录制成课堂录像。★要求具备与产品名称对应的软件著作权证书.1智能录播系统软件ABLE内嵌SSV专利技术，实现高分辨率、低码流编解码；音视频信号数字降噪处理；实时录制；实时直播；自动生成片头片尾；提供画中画功能。★要求具备智能录播系统软件著作权登记证书。1自动编辑策略系统软件ABLE设定、编辑设备调度策略；可对系统输入输出设备设定自动操作模式；定义情景逻辑；根据授课课型的变化，设定相应自动编辑策略，调度协同控制系统设备工作。★要求具备自动编辑策略系统软件产品登记证书1多维图像识别定位系统软件ABLE通过多角度图像分析，构建全教室的空间物理坐标，根据教室内人的移动，精确定位坐标位置。特点：１：全教室无定位死角，２：能够排除投影，窗帘，风扇等干扰；３：多目标定位；４：目标可以精确在３０cm内1全

数

字

高

清

录

播

系

统全自动录播主机ABLEBM-1V根据定位系统反馈及其它状态信息，判断教学进度，实现多场景自动切换的策略调度。自动图标、主题图像叠加；自动镜头切换、自动切换特技效果。通讯方式：RS-232,RS-485,IEEE802.3u-100BaseTX；★提供多类多组输入输出接口，端口数量需至少具备：VGA口（11组）、AV接口（19组）、网络RJ-45口(12组)、报警输入输出接口（6组）1高级电源箱ABLEEM-2可控制录播教室内所有设备的升、降、停等控制.可对特定灯光电源端口进行调光处理.也可通过设备上的按钮，手动控制电源的开关。可以与全自动录播主机自动对接，接受控制台对各种设备的电源管理控制。1图形图像工作站ABLESC-PHS实现对课堂教学场景的流媒体编码存储，并通过网络对外直播功能。录制结果为标准的ASF流媒体格式，能支持

1024*768/1280*1024/1280*720/1920*1080/1536*768五种不同分辨率的课堂录像的录制。码流控制在400k-8M可调整，帧率达到25帧/秒以上。1建议配置：IntelXeonE56202.4G2G内存500G硬盘ZOTGeforce210显卡（1个PCI-e16x、2个PCI-e8x、1个MIO，1个PCI插槽）华硕ReaktekHDA声卡全数字高清摄像机组采用ExviewHD1/3”CMOS，全数字高清摄像机。2有效像素:200万，★最大视频输出：1080/59.97P；10倍光学变焦，10倍数字变焦；水平视场角度:55.4度-2.9度；4最低照度1.7Lux/F1.6(彩色)0.1Lux/F1.6(黑白);信噪比>50dB;电子快门：50HZ:1/3-1/10,000s，60HZ:1/4-1/10,000s；白平衡：自动/手动/自动跟踪白平衡/室内/室外；控制协议:RS-232（VISCA协议）/RS-422(VISCA协议）/PELCO:P/D；★数字视频输出接口：RJ45百兆网口多维图像识别定位摄像机套件★本套件通过3-4路视频图像的采集分析，构建全教室的空间物理坐标，根据教室内人的移动，精确定位坐标位置。1设备柜前后为圆形通风孔的上下框;可同时安装脚轮和支脚;结构坚固，最大静载达600KG(带支脚）;可关闭的上部、下部多处走线通道，底部大走线孔尺寸可按需调整.1外观参数：材料及工艺SPCC优质冷扎钢板制作；厚度：方孔条1.5mm，安装梁0.7mm，其它1.mm。尺寸规格：80x60x100cm。简约型操作面板专业工业设计，流线型操作面板。可实现系统一键开关机；具备课件电脑/室内灯光/功放/投影机的一键开关机功能；能实现课件电脑/笔记本电脑/DVD/展台/VCD等设备的一键切换；可实现投影幕布/电动吊架/电动窗帘/电动液晶的升降控制。可实现分辨率/码流/录制模式等录播参数的设置.1要求提供样品确认面板具备以上按键功能施工配件配套线缆，安装附件（包括录播专用VGA线缆组、串口控制线缆组、音视频线缆组、红外控制线、USB线缆、AV-VGA转换器、摄像机适配器、电源适配器等）18

路

吊

麦

拾

音

方

案吊麦干涉管与振膜特别设计，对外部噪音有很好的抑制效果8适合远距离录音。频响范围：40Hz-18kHz灵敏度：-35dB拾音角度：100°信噪比：>70dB混音器支持8路麦克输入，采用自动压限技术和声控自动开闭技术，可以很好保证录制声音效果。1话筒输入失真：<0.1%;频率响应范围：40Hz-18kHz噪声电压：≤0.2mV功耗：<30W,48V换相电源输入施工配件配套线缆，安装附件（包括吊麦音频线、吊麦支架、音频线及部分定制音频线缆）1表3-1-1设备清单与技术参数表5二、系统功能 （一）为课堂教学现场录制提供简便的手段

如图3-1-2所示，这是在录播系统提供的简约化的操作面板。在录播教室上课，教师只要在上课前点按该面板上的“录播/暂停”按钮，即可启动课堂教学现场的自动录播，下课时，点按“录播停止”按钮，即可停止课堂教学现场的自动录播，要将投影的图像切换到其他的设备，如展台、课件电脑，只要点击相对应的按钮即可。这样，上课教师就可以在没有任何外界辅助人员帮助的情况下，自主完成课堂教学现场的录制，减少外界因素对课堂教学的干扰，使录制成的课堂教学画面更真实、更原汁原味，提高课堂实录的研究价值。此外，由于所形成的课堂教学实录为流媒体格式数据，这就为把课堂教学实录发布到网上，开展网络观课创造了条件。 图3-1-2操作面板

（二）为课堂教学诊断提供丰富的视频依据

安装在录播教室中的摄像装置、视频采集卡，在视频传感器的控制下，不仅能完成教师板书、PPT课件、实物投影、课堂场景等画面的录制与采集，还能只能捕捉学生发言、师生交流等画面，这就保证了在课堂实录中能包含多角度反映师生活动的画面，为开展课堂教学的自我诊断、同伴诊断提供丰富的视频依据。以下呈现的是部分课堂教学场景。6图3-1-3教师板书场景图3-1-4学生活动场景7图3-1-5课件特写图3-1-6展台特写图3-1-7师生对话场景8图3-1-8小组研讨场景 图3-1-9师生交流场景

（三）为开展课堂教学的现场诊断提供适切的场所

坐在听课教室的人员既可以透过单向玻璃直接观察课堂，也可以借助于背投观察由网络直播过来的课堂实况，这样听课人员就可以不走进课堂听课，这一方面有效地降低听课活动对课堂教学所产生的干扰，另一方面，听课教师可以自由地就课堂中出现的问题、闪现的亮点、产生的疑惑展开及时一些交流，进而提高观课评课的质量。同时，我们可以借助于安装在听课教室的摄像装置，将听课人员的观课评课活动记录下来，提供给上课教师，为上课教师改进课堂教学提供参考。9 图3-1-10在听课教室观课

（四）为课堂教学录制的场外干预提供技术手段支持

在课堂教学进行的过程中，若要对某个或某几个特定的目标持续录制，单靠全自动录播是很难做到的，这时候必须通过场外干预来达到目的，以下是安装在听课教室中的辅助录制控制台，场外辅助录制人员可以通过它将录播系统的自动录制模式切换到人工干预模式，等人工干预工作结束后，再把录制工作交还给全自动录播系统。图3-1-11辅助录制控制台三、系统改进当前产品对比产品改进内容第二套录播系统第一套录播系统1. 跟踪方式改进：由超声波定位跟中，改成图像识别定位跟中，提高跟踪的抗干扰能力。2. 录音设备改进：将吸顶麦改成调麦，减少了天花板回10音对录音的干扰。3. 跟踪策略改进：不限定讲台区域；能对实物展台展示 的内容进行长时间记录，直至投影内容切换；能对学 生发言过程进行长时间记录，直至学生发言结束5秒 后再做切换；

4. 呈现画面改进：大画面记录课件电脑及实物展台呈现 的内容；师生对话中，教师、学生的画面同时呈现。第三套录播系统第二套录播系统增加场外人工干预手段第二部分基于网络的教学诊断平台一、设计目标 （一）指导思想

2009年5月，学校提出对校园网教师专业成长袋中的数字视频课例做进一步数据挖掘，因此提出“把课打开，说上课的道理”的平台设计总目标，具体地说就是要实现如下几个目标：

1.创新听评课机制

将听评课活动过程化，记录听评课活动全过程；将听评课建立在“整体评价”和“片段评价”相统一的基础之上；评价强调“事实证据（数字视频片段）”、强调对执教者的尊重，是在和执教者互动的过程中完成的；

2.重构执教者反思策略

将执教者的反思活动过程化，先是由表及里，再由部分到整体；将执教者的反思建立在个体、同伴、专家共同分析的基础上；反思强调对课堂事实的陈述、评价、分析。 3.创新专家引入机制

透过平台，一方面可以让专家直接参与学校的听评课活动，进而提高学校听评课活动的水平与质量；另一方面，也可以邀请专家为学校的听评课制定评价量规，进而引入专家“智能”。 4.丰富校本研修手段

教师参与听评课活动既是奉献个人教育智慧的过程，也是向同伴、专家学习的过程，是推进教师专业发展的有力抓手。11 （二）功能预设

2009年7月，经过近两个月的需求调研，学校决定将新的应用架构在原有的校园网上，并以应用中涉及到的角色为线索，确定了下述功能：

1.执教者对应的功能

1.1课例上传与发布，即上传与发布课堂教学实录与教学设计、教学反思等； 1.2课堂教学自我整体评价，即执教者依据评价量规对课堂教学作自我整体评价；

1.3同伴、专家整体评价查询，即查询每位听课者填写的量表，以及根据所有听课者所填写的量表汇总之后形成的图表。 1.4课例切片

根据自我、同伴、专家的整体评价，确定切片视角（选择评价量规中相关的专题和相应的切片模式（问题模式、鉴赏模式、探究模式）），标记相关的视频片段，对片段中的教学事件进行陈述、评价、分析；

1.5同伴、专家片段分析查询，即查询听课者针对执教者所做切片的评价与分析。 1.6焦点透视查询，即查询专家或同伴以自己独立的视角对执教者的课堂实录所做的切片分析，也可以是执教者做了深刻思考后再做的切片分析。 1.7.课堂教学反思撰写，即把自己的判断，结合同伴、专家的观点所做的全面反思填入平台。 2.听课者对应的功能

2.1课堂教学整体评价，即依据评价量规对执教者的课堂教学作整体评价； 2.2课堂教学片段分析，即依据执教者的切片分析，参与教学片段分析的讨论。 2.3焦点透视，即专家或同伴依据自己的视角，提取课堂教学中的典型片段，并作阐述解释。 3.管理者对应的功能

3.1.课堂教学评价方案管理，即教学管理部门制定或引入课堂教学评价方案，并将其导入系统。3.2视频案例管理，即教学管理部门对视频案例进行分类管理；对专家、执12教者提取典型片段及其阐述解释做编辑整理。 3.3课例上传统计，即教学管理部门对执教者上传的课例进行统计；3.4.听课评课统计，即教学管理部门对听课者参与评课的情况进行统计。二、技术路线 在确定了平台基本功能之后，根据学校现有的网络运行环境，老师们的使用习惯，即多数教师习惯使用微软的Windows平台，以及学校开发人员对技术的掌握情况，我们确定了如下技术路线：

（一）选择WindowsServer2003作为平台运行环境

WindowsServer2003具有可靠性、可用性、可伸缩性和安全性，这使其成为高度可靠的平台。InternetInformationServices(IIS)6.0和WindowsServer2003提供了最可靠、最高效、连接最通畅以及集成度最高的Web服务器解决方案，该方案具有容错性、请求队列、应用程序状态监控、自动应用程序循环、高速缓存以及其他更多功能。这些功能是IIS6.0中许多新功能的一部分，它们使您得以在Web上安全地执行业务。 （二）以ASP.NET作为开发工具

ASP.NET是.NETFrameWork的一部分，是一项微软公司的技术，是一种使嵌入网页中的脚本可由因特网服务器执行的服务器端脚本技术，它可以在通过HTTP请求文档时再在Web服务器上动态创建它们。指ActiveServerPages（动态服务器页面），运行于IIS（InternetInformationServer服务，是Windows开发的Web服务器）之中的程序。 （三）选择MSSQL做数据库服务

MSSQL是指微软的SQLServer数据库服务器，它是一个数据库平台，提供数据库的从服务器到终端的完整的解决方案，其中数据库服务器部分，是一个数据库管理系统，用于建立、使用和维护数据库。SQLServer一开始并不是微软自己研发的产品，而是当时为了要和IBM竞争时，与Sybase合作所产生的，其最早的发展者是Sybase，同时微软也和Sybase合作过SQLServer4.2版本的研发，微软亦将SQLServer4.2移植到WindowsNT（当时为3.1版），在与Sybase终止合作关系后，自力开发出SQLServer6.0版，往后的SQLServer即均由微13软自行研发。 （四）选择WindowsMediaService和RED5做流媒体服务

流媒体指以流方式在网络中传送音频、视频和多媒体文件的媒体形式。相对于下载后观看的网络播放形式而言，流媒体的典型特征是把连续的音频和视频信息压缩后放到网络服务器上，用户边下载边观看，而不必等待整个文件下载完毕。由于流媒体技术的优越性，该技术广泛应用于视频点播、视频会议、远程教育、远程医疗和在线直播系统中。作为新一代互联网应用的标志，流媒体技术在近几年得到了飞速的发展。而流媒体服务器又是流媒体应用的核心系统，其主要功能是对媒体内容进行采集、缓存、调度和传输播放，流媒体应用系统的主要性能体现都取决于媒体服务器的性能和服务质量。因此，流媒体服务器是流媒体应用系统的基础，也是最主要的组成部分。WindowsMediaService是WindowsServer2003自带的流媒体服务器，采用mms协议工作，支持的流媒体视频文件格式主要有asf、wmv等；Red5的主要功能和Macromedia公司的FMS类似，提供基于Flash的流媒体服务的一款基于Java的开源流媒体服务器。它由Java语言编写，使用RTMP作为流媒体传输协议，这与FMS完全兼容。它具有流化FLV、MP3文件，实时录制客户端流为FLV文件，共享对象，实时视频播放、Remoting等功能。用Red5替换FMS后,客户端不用更改可正常运行。 （五）选择JWPlayer作为流媒体视频文件播放工具

JWPlayer是一个开源的在网页上使用的Flash视频、音频以及图片播放器，支持Sliverlight播放，可以通过一个XML文件使播放器自动切换显示一组图片，并播放背景音乐。它支持播放的AdobeFlashPlayer和HTML5浏览器可以处理任何格式（FLV文件，H.264标准，MP4功能，VP8的，WEBM，支持MP3，AAC，JPG，PNG和GIF）。它也支持各种流和播放清单格式（包括RTMP协议，HTTP直播和更多）和多种播放选项。并支持所有主要的CDN和自适应比特率切换意味着你可以在全球各地提供高质量的内容。14三、功能实现平台于2009年7月开始着手开发，11月初基本开发完成并投入试运行，2010年2月在学校全面推广，之后又在老师使用的基础上不断修改完善，直至2012年6月，系统功能才基本固定下来。整个平台为执教者、听课者、管理者提供了不同的功能，以下将截取平台真实图片进行详细说明。（一）执教者实现的功能

1.课例上传与发布：分为课例上传界面与课例发布界面。图3-2-1课例信息