现代网络远程教育关键技术研究

摘要：随着信息技术的快速发展，网络远程教育得到了广泛应用。系统地总结了现代网络远程教育关键技术，可为开发不同应用背景的远程教育系统提供技术参考。

关键词关键词：网络远程教育；教育技术；关键技术

中图分类号：TP303

文献标识码：A 文章编号：16727800（2014）002005103

0引言

远程教育发展与信息技术的进步息息相关。以计算机技术和网络技术为代表的现代信息技术不断进步并日臻成熟，使得基于网络的现代远程教育成为可能。虽然网络远程教育系统所采用的技术具有很大灵活性和多样性，但从工程实践角度，网络远程教育系统大体上可由通信网络、终端设备和教学资源三部分组成。其中，通信系统和终端设备构成了远程教育系统的硬件基础，教学资源则是远程教育系统的软件基础。现代远程教育中涉及的关键信息技术按照功能可以分为信息处理技术和信息传输技术两大类。

1网络远程教育信息处理技术

现代网络远程教育应用的信息处理技术主要包括多媒体数据压缩编码技术、网络信息技术以及流媒体技术。同时，伴随着信息处理技术的不断进步，智能技术、数据挖掘技术、虚拟现实技术以及信息推送技术逐渐应用到远程教育中，并在远程教育中发挥着越来越重要的作用。与前三种技术相比，后几种信息处理技术的发展还不够成熟。

1.1多媒体数据压缩编码技术

在现代远程教育中，要提供的资源不仅局限于文本文件、图像文件，还包括视频、音频、动画等多媒体信息。但是这些数字化音频、视频信号的数据量很大，给信息存储和传输造成了较大困难，阻碍了人们有效获取和使用信息。在远程教育系统中，为了提高信息传输效率，必须对多媒体数据进行有效压缩。一种优良的压缩技术需要满足以下三个条件：一是压缩比大；二是算法简单，压缩/解压速度快，能够满足实时性要求；三是压缩损失少，即解压缩效果好。国际标准化组织等国际组织于20世纪90年代领导制定了三个有关多媒体数据压缩编码的国际标准：JPEG标准、H.261、MPEG标准。

静态图像压缩标准JPEG是适用于彩色和单色多灰度或连续色调静止图像的数字压缩国际标准。它可将图像数据压缩到原来的1/10至1/30，并可实时再生。它不仅适用于静态图像压缩，也可用于电视图像序列帧内图像压缩编码。JPEG的优良品质使得它在几年内获得了极大成功。目前，大多数网站中80%的图像都采用JPEG压缩标准。

动态图像压缩编码技术MPEG诞生于1991年。MPEG专家组于1991年2月正式公布了新版本MPEG-4V1.0版本。同年底MPEG-4 V2.0版本亦告完成，且于2000年年初正式成为国际标准。MPEG4标准将众多多媒体应用集成于一个完整的框架内，旨在为多媒体通信及应用环境提供标准算法及工具，从而建立起一种能被多媒体传输、存储、检索等应用普遍采用的统一数据格式。

视听通信编码标准H.261标准由国际电信联盟ITU于1990年12月制定，它具有覆盖ISDN（综合业务数字网）基群信道的功能，适合于有会话业务的活动图像压缩编码，被广泛应用于会议电视和可视电话。

1.2网络信息技术

目前，Web技术与数据库管理系统（DBMS）相互融合为互联网提供核心服务，也为网络远程教育技术提供技术支持。

1.2.1WWW与FTP技术

WWW（Word Wide Web）的含义是“万维网”，它是一个基于超文本（Hypertext）方式的信息检索服务工具。WWW提供友好的信息查询接口，用户仅需要提出查询要求，而到什么地方查询及如何查询则由WWW自动完成。现代远程教育运用WWW技术多媒体课件及教学信息，学习者可以通过浏览多媒体页面进行学习，以满足其在任何时间、任何地方都能学习的需要。

文件传输协议FTP（File Transfer Protocol）是Internet的传统服务之一，其安全性和传输速度都比较令人满意。FTP使用户能在两个联网计算机之间传输文件，它是Internet最主要的传递文件方法。此外，FTP还提供登录、目录查询、文件操作及其他会话控制功能。

1.2.2Web交互技术

通用网关接口（CGI，Common Gate Interface）是Web服务器和外部应用程序之间信息服务的标准外部应用接口。通过Web访问的简单HTML文档是静态的，即文件内容是不变的。而CGI程序是实时的，它输出的是动态信息。按照CGI编写的程序可以扩展服务器功能，完成服务器不能完成的工作，外部程序执行时可生成HTML文档，并将文档返回Web服务器。几乎所有服务器软件都支持CGI，开发者可以使用任何一种Web服务器内置语言编写CGI，其中包括流行的C、C++、VB和Delphi等。

1.2.3IP组播技术

随着网络技术的飞速发展，网络平台提供了各种业务，如Email、Telnet、FTP、WWW等，然而这些业务均为点到点数据传输，无法满足人们在Internet上开视频会议、看实况转播等更高需求。IP组播（IP multicast）通信技术的出现为实现点到多点或多点到多点数据传输提供了支持。目前，这种技术已成为国外各种研究团体和科研机构的研究热点，网络厂商纷纷提供能支持IP组播技术的产品，一些网络提供服务商（ISP）逐渐提供这种高级服务，许多提供大规模网络应用和服务的大公司也开始使用组播通信。

IP组播利用一种协议将IP数据包从一个源传送到多个目的地，信息拷贝被发送到一组地址以到达所有想要接收它的接收者处。IP组播将IP数据包“尽最大努力”传输到一个构成组播群组的主机集合，群组成员可以分布于各个独立的物理网络上。IP组播群组中成员关系是动态的，主机可以随时加入和退出群组，群组成员关系决定了主机是否接收发送到该群组的组播数据包，不是该群组的成员主机也能向该群组发送组播数据包。同单播（unicast）和广播（broadcast）相比，组播的效率非常高，由于任何综合链路至多用一次，可以节省网络带宽和资源，大大减轻发送服务器的负荷，从而能够高性能发送信息。另外，组播传送的信息能同时到达用户端，时延小，网络中的服务器不需要知道每个客户机地址。所有接收者使用一个网络组播地址，可实现匿名服务，并且IP组播具有可升级性，能够与新的IP和业务相互兼容。

1.2.4流媒体技术

目前，流媒体技术广泛应用于多媒体新闻、在线直播、电子商务等互联网信息服务业务。流媒体技术的应用也给现代远程教育带来了新机遇。

所谓流媒体，是指在网络中使用流式传输技术的连续媒体。流式传输实现了声音、影像或动画等媒体信息由音视频服务器向用户计算机的连续、实时传送。由于数据在发送过程中几乎即时播放，解决了多媒体播放时数据下载的延迟问题。流媒体传输技术是一种基于时间的连续实时传输技术，其关键在于网络数据传输和客户端播放的并行性。采用流媒体技术，能够有效突破低比特率接入网络方式下的带宽瓶颈，克服文件下载传输方式的不足，实现多媒体信息在网络上的流式传输。

流媒体把连续影像和声音信息经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包，由流媒体服务器向用户计算机连续、实时传送。让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个文件下载到自己的机器后才能观看。该技术先在用户计算机上创造一个缓冲区，在播放前预先下载文件的一小段数据作为缓冲，播放程序取用这一小段缓冲区内的数据进行播放。播放时，多媒体文件的剩余部分在后台继续下载填充到缓冲区。这样，当网络实际连线速度小于播放耗用数据速度时，可以避免播放中断，也使得播放品质得以维持。所以，流媒体最显著的特征是“边下载、边播放”。

实现流式传输主要有两种方式：顺序流式传输（Progressive Streaming）和实时流式传输（Realtime Streaming）。

流媒体传输模式主要有单播、IP组播、点播和广播四种，比较流行的流式文件格式主要有RealMedia 格式、ASF格式、QuickTime 格式与FLV格式四种。随着网络及流媒体技术的发展，越来越多的远程教育网站开始采用流媒体作为主要网络教学方式。作为一种新的传输方式，流式传输将推动网络视频信息的全面应用，进一步促进现代远程教育的发展。

2网络远程教育信息传输技术

计算机网络技术的发展对远程教育起到了重要推动作用。较为重要的网络远程教育信息传输技术有ATM交换技术、帧中继交换技术与视频会议技术。

2.1ATM交换技术

ATM（异步传输模式）交换称为信元交换，它是在光纤大容量传输媒体环境中分组交换技术的新发展。ATM交换把数字化语音、数据及图像信息分成固定长度的若干段，称为信元，由用户信息字段和信元头组成，信元数据根据信源动作按需分配。ATM交换支持不同的传输媒体，提供多种传输速率，可以组建各种规模的网络，同时支持数据、数字化语音/图像传输，针对不同应用对数据传输可靠性和实时性的不同需求，采用了不同的处理策略。ATM交换以信元为单位，并在信元中增加了可丢弃标识和优先级，并支持带宽预约，确保具有实时性要求的数据可以优先传递；同时ATM交换机简化了差错控制和流量控制功能，减少了结点处理延时，使得传输速率可达Gbps数量级。目前大部分ATM网络设备都具有E1电路仿真端口，这些端口可同普通DDN的E1端口一样使用，具有专线性质，可以方便地用来建立远程教育实时授课系统。

2.2帧中继交换技术

帧方式是在开放系统互联（OSI）参考模型第二层，即数据链路层上使用简化方式传送和交换数据单元的一种方式。由于链路层数据单元一般称作帧，便称为帧方式。其重要特点之一是将X.25分组网中通过分组节点间的重发、流量控制来纠正差错和防止拥塞，对处理过程进行简化，将网内处理移到网外端系统中实现，从而简化了节点处理过程，缩短了处理时间，这对有效利用高速数字传输信道十分关键。

2.3视频会议技术

视频会议又称会议电视，是利用电视和通信网络召开会议的一种多媒体通信方式。视频会议通过可视化、实时、双工、交互的形式实现了在不同地理位置上人们的相互交流，包括在网络上点对点、一点对多点、多点对多点的语音、图像、图形、动画、视频、数据传递与交流，它体现了超越空间、群体的“面对面”协同工作特点。视频会议系统实时性好、交互性强的特点，使它在远程教育方面得到了广泛运用。

视频会议系统主要由终端设备、传输信道、多点控制单元MCU（Multipoint Control Unit）以及控制管理软件等组成。其中，终端设备和MCU是视频会议系统特有部分，传输信道不是视频会议系统所特有的，而是业已存在的各类通信网络。

视频会议系统的终端设备将视频和音频数据信号分别进行处理后组合成一路复合数据流，再将它转变为适合在网络中传输的帧格式送到传输信道中进行传输。它主要包括视、音频输入/输出设备、视（音）频编码解码器、处理设备及多路复用/分解设备几个部分。由于视频会议具有即时传送图像、声音和数据功能，视频会议除了可用来召开远程会议，还可直接用于远程教育。利用视频会议开展远程教育可以实现异地授课和优秀教育资源的共享目的。视频会议系统具有实时性好、交互性强的特点，是目前用于远程教育系统中异地实时授课的有效手段之一。

3网络远程教育模式分析

基于网络的远程教育利用网络传输文字、图形、图像、声音和视频等多媒体教学信息，可达到双向、实时交互传输目的，其传输模式如图1所示。

学和异步式远程教学两种。同步式远程教学利用模拟真实课堂的方式双向实时开展交互式网上教学，当前比较先进的是采用数字视频会议技术。电子白板和聊天室也属于同步方式。异步式远程教学采用基于网络技术的多媒体平台，将教学资源存放在信息服务器中，学生可通过网络进入平台进行学习。BBS、电子邮件、新闻组、视频点播等都属于异步方式。异步式远程教学系统基本结构如图2所示。

总之，基于网络的远程教育可以进行实时或非实时交互。利用多媒体计算机和计算机网络进行学习，教学形式既形象生动又不受时间与空间制约，能方便地进行双向互动，达到理想的教学效果。

4结语

现代网络远程教育是在信息与通信技术不断发展的基础上产生的一种新的教育形式。本文对基于网络的现代远程教育技术进行了系统分析与归纳，分别从信息处理技术、信息传输技术及远程教学模式三个方面进行了阐述，可为工程技术人员快速开发远程教育系统提供参考。

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