虚拟教室系统的设计与实现

论文摘要

基于协同工作(CSCW)理论的虚拟教室,不但虚拟了传统课堂的教学功能,同时也为地域分散的网络在线老师和学生提供一个共享协同式课堂学习环境;它既是基于互联网的可实时交互的虚拟远程教学系统,也是计算机技术、网络通信技术和多媒体技术相结合的产物,为普及教育、实施继续教育提供了一种十分有效的手段。本文在分析了远程教育的历史及现状、虚拟教室在远程教育平台中所起的作用、基于互联网的远程教育存在的问题及应用前景以及现有虚拟教室的优缺点及其成因的基础上,探讨了符合中国国情的远程教育模式及平台搭建方案。本文从理论和原理上研究了基于公共互联网络远程教育平台的核心系统,并在互联网视频会议系统的基础上,进一步扩展了课堂教学活动的功能,包括音视频的采集、音视频编码、网络通信、实时传输控制、混音、回放、会议室管理、教室控制等。针对中国互联网的IP资源,P2P连通率不高,使服务器中转成本增加,网络带宽跟不上互联网的普及速度,以及网络流量不稳定等等不利因素的影响,提出了相应的解决方案。以基于面向对象的系统分析与设计的方法来构建虚拟教室系统,描述了教室控制服务器软件、教师客户端软件、学生客户端软件、音视频转发服务器软件、NAT类型检测服务器软件等子系统的实现方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 远程教育的历史
• 1.1.2 远程教育的现状与发展
• 1.2 研究目标
• 1.3 内容安排
• 第2章 虚拟教室的相关理论与技术
• 2.1 设计开发虚拟教室的教育理论基础
• 2.1.1 虚拟教室媒体创作的理论基础——戴尔的"经验之塔"
• 2.1.2 虚拟教室设计开发中教学设计的理论基础——建构主义学习理论
• 2.1.3 虚拟教室运行设计的理论基础——人本主义学习理论
• 2.2 基于包交换的TCP/IP网络通信技术简介
• 2.2.1 互联网
• 2.2.2 TCP/IP协议栈简介
• 2.3 虚拟教室系统音视频数据的传输使用UDP的原因
• 2.4 虚拟教室系统音频/视频采集、编解码及播放技术
• 2.4.1 VoIP及音频编解码简介
• 2.4.2 虚拟教室系统中影响接收端语音质量的因素
• 2.4.3 虚拟教室系统中视频的编解码
• 2.5 虚拟教室系统会议室管理及教室控制技术
• 2.5.1 视频会议室的创建
• 2.5.2 查询会议室
• 2.5.3 加入会议室
• 2.5.4 退出会议室
• 2.5.5 暂停/恢复播放音频
• 2.5.6 开启/关闭音频
• 2.5.7 开启/关闭视频
• 2.5.8 举手发言
• 2.5.9 点名发言
• 2.5.10 结束会议
• 2.6 虚拟教室的管理技术
• 2.6.1 系统构架图
• 2.6.2 虚拟教室的创建
• 2.6.3 查询虚拟教室
• 2.6.4 进入虚拟教室
• 2.6.5 退出虚拟教室
• 2.6.6 暂停/恢复播放音频
• 2.6.7 开启/关闭音频
• 2.6.8 开启/关闭视频
• 2.6.9 举手发言
• 2.6.10 点名发言
• 2.6.11 关闭虚拟教室
• 第3章 虚拟教室系统的优化技术
• 3.1 互联网传输的延时问题的分析及解决
• 3.1.1 基于包交换的互联网数据传输产生的延时
• 3.1.2 可靠但产生延时的TCP传输
• 3.1.3 不可靠但"实时"的UDP传输
• 3.1.4 处理乱序引入的UDP延时
• 3.2 实时传输固有的"抖动"问题及解决方案
• 3.2.1 什么是实时传输的"抖动"
• 3.2.2 RTP/RTCP协议
• 3.3 减少服务器中转媒体数据的问题
• 3.3.1 NAT技术的产生
• 3.3.2 非严格NAT
• 3.3.3 严格NAT
• 3.3.4 防火墙技术,及其对P2P应用的影响
• 3.3.5 动态IP
• 3.3.6 城域网
• 3.3.7 NAT类型的检测方法
• 3.3.8 "P2P通信"与"集中式媒体中转服务器"并存的方案
• 3.3.9 不同防火墙及NAT特性的终端网络,及分布式中转服务
• 3.4 有中转服务器介入的终端之间的UDP会话的建立及撤消
• 3.4.1 登录及在线维持
• 3.4.2 寻址及呼叫流程
• 3.5 镜子的工作原理
• 3.7 小结
• 第4章 虚拟教室系统的分析与设计
• 4.1 系统组成及各功能模块间的关系
• 4.2 各个功能模块及关系分析
• 4.2.1 虚拟教室控制器
• 4.2.2 媒体中转服务器
• 4.2.3 NAT检测服务器
• 4.2.4 教师EP和学生EP
• 4.2.5 各个功能模块之间的关系
• 4.3 教室控制器服务器软件的设计
• 4.3.1 网络IO模块的设计
• 4.3.2 在线维持定时器的设计
• 4.3.3 数据库代理模块的设计
• media的登录/登出'>4.3.4 S_media的登录/登出
• 4.3.5 虚拟教室创建/销毁模块的设计
• 4.3.6 虚拟教室进入/退出模块的设计
• 4.4 客户端（即教师机及学生机软件）的设计
• 4.4.1 TCP网络模块的设计
• 4.4.2 UDP网络模块的设计
• 4.4.3 视频采集、编码模块的设计
• 4.4.4 音频解码、回放模块的设计
• 4.4.5 寻址呼叫模块的设计
• 4.4.6 主控模块的设计
• 4.5 媒体中转服务器软件的设计
• 4.5.1 TCP网络模块的设计
• 4.5.2 UDP网络模块的设计
• 4.5.3 主控模块的设计
• 4.5.4 1-M转发模块的设计
• 4.5.5 寻址呼叫模块的设计
• 4.6 NAT及防火墙检测服务器软件的设计
• 第5章 虚拟教室系统的实现
• 5.1 虚拟教室系统设计实现
• 5.2 本虚拟教室系统特色
• 5.2.1 "快速高效"的屏幕捕获模式
• 5.2.2 教师演示同时录制
• 5.2.3 遥控辅导
• 5.2.4 自订功能
• 5.3 虚拟教室系统的应用
• 5.3.1 虚拟教室系统的实践准备
• 5.3.2 基于虚拟教室系统的课程展开
• 5.3.3 虚拟教室系统的问题分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 附录 术语表
• 致谢