一种新型的基于图像识别技术的录播系统在课改中的应用

夏宇，陆琴

(1.江苏省邗江实验学校网络中心，江苏 扬州 225009；2.江苏省邗江中学高三数学组，江苏 扬州 225009）

一种新型的基于图像识别技术的录播系统在课改中的应用

夏宇1，陆琴2

(1.江苏省邗江实验学校网络中心，江苏 扬州 225009；2.江苏省邗江中学高三数学组，江苏 扬州 225009）

“先学后导—问题引领”教学模式的研究，旨在通过改变教师的教学方法来转变学生的学习方式。为了进一步深化课改，作者单位在课堂中引入了一种新型的基于图像识别技术的高清全自动录播系统。文章介绍了该录播系统的设计理念和具体实现，介绍了基于图像识别定位的技术的具体应用，还介绍了录播系统在课改中常态化应用整合方面的经验。

录播系统；图像识别；先学后导；问题引领

引言

自2006年以来，中央教育科学研究所韩立福博士 “新课程有效课堂教学行动策略研究”课题组开展了有效教学的理论研究和实践探索。经过实践研究，课题组提出了由“知识传授型”教学范式转向“知识建构型”教学范式。课题组在 “知识建构型”理论视野下，创新性地建构“有效教学”基本理论，重新界定了“有效教学”的概念，提出了“先学后导—问题评价”教学模式，采用了小组合作学习的教学组织形式。在山东省枣庄市市中、广州颐和实验学校和内蒙古乌丹五中等实验学校进行了实验研究并取得了实质性进展，收到了让教师和学生以及家长满意的实验效果。

2007年以来，江苏省邗江中学、江苏省扬州市邗江区实验学校引进并丰富了这一课堂教学模式。江苏省邗江中学在全校100多个班级中开展了 “教学重心前置”教学模式研究；实验学校在全校100多个班级中全面实施了“先学后导—问题引领”教学模式的研究。改革旨在通过改变教师的教学方法来转变学生的学习方式。要求课堂应该以学生为中心，教与学的活动应以学生能力的形成、知识素养的提高和个体全面发展为宗旨，把学生身心和谐发展作为终极目标。

2009年，为了进一步深化课改，两所学校调研并建立了全自动录播教室项目。目前，国内全自动录播系统比较成熟的教育领域解决方案有Winnov的CBOX、翰博尔的Power Creator、江苏科建的课件制作系统、网梯公司的课件制作系统等。经过多方调研，学校最终选择了北京翰博尔公司基于图像识别的新型高清全自动录播系统，并常态化运用到课堂教学中，取得了良好的使用效果。

选择录播系统的出发点是既还原本真的课堂，又充分发挥电化教育对于课改的辅助作用。消除听课人员、录制人员、电教设备等对课堂的影响，让学生感觉不到设备干扰从而专注于教学活动，让教师不需要任何电教人员，“鼠标点三次”，即可实施录播、直播、制作精品课程课件网上发布的全部过程。

具体实现以下目标：完成国家级精品课程和省级精品课程录制，建立学校优秀/骨干教师课程库；教学管理人员进行教学评估、评比，通过网络管理监控更方便、准确、客观；搭建相互观摩、借鉴的网络平台，达到教学资源共享平衡；增加学校网络信息平台可用资源的数量；建立在线学习平台，实现学生自主学习、充分享受优质资源最佳的主动学习环境；网络课件制作、精品课程建设；微格教室建设；网络远程教育、培训；报告、会议实时直播、录播；多方教学研讨；优秀教师的教学成果建设；教学管理、评估；网络自主学习管理；优质动态教育资源的建设和共享；网络电视台建设。

一、基于图像识别技术的录播系统的实现

1.方案的选择

目前基于其他技术的自动录播系统为了完成自动跟踪过程，往往采用红外感应或超声波方式运用多台摄像机进行区域切换拍摄来实现所谓的跟踪。对教师的信号探测技术通常采用被动式红外探测技术或主动式超声波探测技术，对学生的图像跟踪技术通常采用较为简单的无线按钮、有线或无线话筒等开关方式。当教师进行正常走动时，采用这种技术的跟踪便会出现画面切换、跳跃的现象，大大影响了拍摄效果，造成画面非常不稳定，影响直播或录制的质量。由于其采用感应器来感应教师位置，因此很容易受到外界因素干扰（如电磁波、光线、声音等），其灵敏度、精确度等方面均存在较大问题。板书内容往往要加上单独的摄像机进行切换拍摄，浪费了大量的物力资源，反而达不到好的拍摄效果。另外教师跟踪和学生镜头定位往往需佩戴、使用跟踪设备或是进行整个教室施工才可完成跟踪功能，大大地降低了自动录播系统的实用性。除学生手持话筒影响课堂录像真实感、电池更换不便等外，最大的缺陷是上课时学生出于好奇不断乱按按钮或话筒打开忘了关，噪声和图像会不断干扰正常的课堂录像。以往的课堂录像多数都需进行课后补录，并重新编辑，给课堂教学录播带来极大不便。

伴随着录播系统在学校大量使用，学校面临解决课堂场景的全方位录制和直播问题，如果每次上课都安排专人跟拍，非常耗费人力，因此学校急需高效的教师跟踪系统和学生定位系统，减少工作人员的工作难度和工作量。

Power Creator基于图像识别的全自动录播系统集多媒体技术、自动控制跟踪技术、网络流媒体技术等于一体，将教师视频、学生视频及多媒体课件等VGA信号进行智能化跟踪切换录像，将教师教学、多媒体课件演示与学生互动视频记录成单画面或多画面模式的视频格式，自动生成视频课例资源，并通过流媒体技术同步实现网上直播。

2.子系统介绍

（1）录播中控系统。录播控制台集成化，能实现一键开/关系统、一键开始/停止录播，教师无需技术培训即可授课；控制台提供了传统的按键式操作，还提供了数字化触摸式操作，可以进行云台镜头控制、手动导播、鼠标点击跟踪等等。

（2）教师跟踪系统，是图像定位系统的一种。无论是教师在上课时快速走动还是板书等，系统能采用不同策略自动变焦跟踪拍摄，画面输出稳定。系统采用无人值守的操作模式，整个跟踪工作过程无需人为干预，上课的教师只需按照通常的上课模式进行正常教学活动即可，无需佩戴专用跟踪设备来完成跟踪拍摄，消除了教师的不适应感，使其更加专注于教学活动。

教师图像跟踪识别策略：①当教师在课堂中走动时，跟踪系统自动调焦并进行近景拍摄；②启动录播系统和多人同时出现在讲台时，跟踪系统自动调焦并进行全景拍摄；③当教师无走动讲课或板书时，跟踪系统自动调焦并进行特写拍摄。

（3）学生定位系统，同为图像跟踪系统。学生定位系统能够自动实时对正在发言的学生进行定位并采用特写拍摄。当学生站起来进行发言或回答问题时，学生定位系统将自动调用学生摄像机对正在发言的学生进行定位并采用特写镜头进行拍摄，学生发言结束后，系统自动返回教师跟踪系统。

学生图像跟踪识别策略：当学生起立回答问题时，教师跟踪系统自动交由学生定位系统进行控制，学生定位系统自动定位起立学生，同时进行特写拍摄，学生回答完毕，系统自动返回到教师跟踪系统；当有多位学生同时回答问题时，系统切换至学生全景画面，当剩下一名学生回答问题时自动给学生特写。

（4）智能导播系统。自动录播系统的导播功能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，系统随教学活动的变化智能选择切换策略，并实现带特效功能的智能导播。

（5）智能音频系统。智能音频系统主要通过智能混音器全息采集教师授课时的语音信号和学生上课时回答问题或讨论的语音信号，并实时传送至课件录制系统完成课件实时录制。

（6）课件实时录制系统。可以非常简单、方便地把整个课堂情境实时录制下来，生成有音视频和电子文档的流媒体课件，并且压缩率很高，能够实现动态的捕捉、自动生成文字索引等功能。

（7）课堂直播系统。通过IP网络，例如局域网、互联网、卫星网，将课堂内容直播出去，课堂内容包括音频、视频以及计算机屏幕内容，接收端通过IE浏览器即可收看直播课堂内容。

二、“先学后导—问题引领”课改模式介绍

1.两种范式的分析

“知识传授型”教学过分强调教师课堂讲授行为和传授知识的艺术性研究，轻视学生主体的学习责任、学习方法和学习质量的有效性。从行为特征上，可以概括为“先教后学”。

“知识建构型”教学是基于建构主义知识观、教学观和学习观的教学类型，建构主义理论认为，“学习是一种能动的活动，决不是教师片面灌输的被动的活动”，“知识”并不是靠教师传递的，而是由学生自身主动建构的，要求学生自主学习、主动学习、合作学习和探究性学习，强调学生学习过程是自主建构的过程，教师在适当情境下给予智慧型指导和帮助。在课堂教学中，培养具有反思型、智慧型的“懒”教师和善于自主合作探究学习的勤学生，使学生学会发现问题、分析问题和解决问题，学会自主学习，养成自主学习习惯，最终培养学生终身学习的能力。从行为特征上，可以概括为“先学后导”。

2.“先学后导—问题引领”有效教学模式的框架

“先学后导-问题引领”教学模式的基本含义就是要实现以问题为主线、以评价为手段、以任务驱动为途径的有效教学。

从操作层面上看，教与学的过程分“问题发现”、“问题生成”、“问题解决”三个阶段来进行，把教学过程简单概括为“问题发现+问题生成+问题解决”教学模式（分别取 “发现”、“生成”、“解决”三个英语单词的首字组成“FFS”），简称为 FFS 教学模式，可以理解为“先学后导—问题引领”有效教学模式的操作模式。

基本课堂教学结构是 “三步三环节”。三步是“自主学习、汇报展示→自主研究、讨论交流→自主应用、评价回授”。每一步都由三个基本环节构成，这三环节是“自主学习、交流讨论、汇报展示”。

“自主学习、汇报展示”是把要学习的材料进行问题化处理，形成学生的课前预习问题，提供给学生自主学习，然后由小组组长在课前检查学习情况，组织交流学习中的问题，上课时，由每一组的组员汇报本组的学习情况，展示本组的学习成果，并提出本组出现的问题供全班交流讨论。课前带着问题预习，是学生和教材进行的第一次对话，能让学生尽快走进文本，扫清基础知识和基本技能上的问题，提前思考，为课堂上深入讨论做准备。

“自主研究、讨论交流”是把学生自学过程中生成的问题、本课知识结构中的核心问题或知识应用中的典型问题提供给每一个小组成员，在他们自主研究的基础上，以小组为单位开展深入讨论，广泛交流，并在班内汇报。课堂教学中，以问题为主线，从学生的经验和已有知识出发，创设有助于学生自主学习、合作交流的教学任务，改变以例题、示范、讲解为主的教学方式，引导学生投入到操作、探索、归纳与交流的学习活动之中，通过小组合作完成学习任务。

“自主应用、评价回授”是针对课本内容，编制应用问题，通过自主练习解决问题，同时发挥小组的功效，进行组内互评，教师在掌握基本情况的基础上适时小结，对出现的典型问题及时矫正回授。

三、录播系统在“先学后导—问题引领”课改中的应用

1.全自动录播系统贯穿“先学后导—问题引领”的全程

“先学后导”里的“学”有两层含义：一是要求教师事先对文本知识进行结构化学习，对课程和学生做出科学分析和问题预设，深度开发相应的学习工具，选择适当时机支持学生进行有效学习；二是要求学生课前对文本知识进行结构化预习，对课程内容尽可能做出结构化分析和问题预设，围绕“概念性问题”、“原理性问题”、“习题性问题”和“拓展性问题”进行自主合作探究学习。

教师可通过互联网观看已有视频课件，学习同行同轨班级课堂的实录，就自己关注的环节、重难点进行有针对性的备课，优化教学设计。学生通过互联网提供的已有视频课件能够更好地生成问题。

“先学后导”里的“导”，是指对学生自主合作解决而尚未解决的问题进行指导，具体有三层含义：“师生互导”、“生生相导”和“生本联导”。

“问题引领”是符合建构主义学习理论和问题教学思想的行动话语，对教师“教”的行为和学生“学”的行为以及学习方式的转变，提出了新的要求，期望教师和学生逐步建立这种“问题评价”的学习思维。教师和学生对文本知识的结构化学习，要本着如何发现问题、分析问题、解决问题的线索来展开，同时要在问题发现、问题分析、问题解决、问题拓展等阶段都要嵌入评价，保障教师和学生的问题生成质量以及问题解决的质量。

教师在课堂上通过录播系统平台可以方便地开展网络多媒体教学，问题评价的过程可利用网络或计算机程序来实时实现，实现教学效果的实时反馈。

2.全自动录播系统对课改反思的促进明显

教师自主的反思是最有效的。平时教学，教师很难注意到课堂的细节，如教师本人上课的教态、声音的高低、语速的快慢等细节。通过录播系统，授课教师在课上能通过中控系统即时看到自己的仪表，课后能立刻看到全方位的课堂录像资料。

传统方式进行教研活动时，听课教师只能坐在教室内，听课人员多的话，会挤满过道直至讲台前，既影响学生上课，也增加了教师的压力。录播室内环境安静、灯光柔和，和普通教室几乎完全一致，实现了教学常态化。听课教师通过单向玻璃能看到师生的一举一动，也可通过观摩室两边的液晶电视同步观看，还可以在局域网内观看课堂直播，这样就大大增加了听课的人数，拓展了听课范围。

全自动课堂录播系统还能同时让多个学校多个班级的学生通过网络同步接受优质教师的授课，使课程资源不再局限于本校的应用，外校甚至外区域的学校都可应用。通过网络视频会议系统还可以实现远程评课。

在评价时，课堂实录的输出显示可以是一个画面，也可以是多个画面或者是画中画的方式，方便同行点评。自动生成文字索引功能方便评课教师对视频进行定位。

3.全自动录播系统实现微格教学

微格教学，英文为Micro teaching，又被译为微型教学、微观教学、小型教学等。微格教学的创始人之一爱伦(W·Allen)说它是“一个有控制的实习系统，它使师范生有可能集中解决某一特定的教学行为，或在控制的条件下进行学习”。 英国的布朗（G·Brown）说：“它是一个简化了的、细分的教学，从而使学生易于掌握。”我们认为，微格教学是一个有控制的教学实验系统，它是运用现代教学理论和电教技术，系统地训练师范生和在职教师掌握与提高教学技能的一种培训方法。

基于全自动录播系统，数字化的微格教学系统应运而生，它是一个集微格教学、多媒体编辑、影视音像制作、多媒体存储、视频点播、数字化现场直播为一体的数字化网络系统。在这里，观摩和评价系统均采用计算机设备，并通过交换

[1]陈宗让，李晓铭.课堂教学自动录播系统图像跟踪技术研究[J].现代教育技术，2009，（7）.

[2]韩立福.新课程有效课堂教学行动策略[M].北京：首都师范大学出版社，2006.

[3]韩立福.论“先学后导—问题评价”有效教学模式——兼论一种具有操作性的新课程“FFS”教学模式[J].教育理论与实践，2009，（10）.

[4]钟启泉编译.现代教学论发展[M].北京：教育科学出版社，1992.

[5]夏宇.电脑硬道理——网管实战[M].重庆：电脑报电子音像出版社，2010.

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1673-8454（2011）04-0070-05

（编辑：鲁利瑞）