刘菊霞 唐 玲
【摘 要】本文首先总结了卫星网络在第二代远程教育和第三代远程教育中的应用实践，之后以清华大学的远程教育平台为案例，对卫星网络在远程教育应用的拓扑结构、功能结构、学习方式、系统优势等方面进行了详细的分析。
【关 键 词】卫星网络、远程教育、清华大学远程教育平台
【作者简介】刘菊霞，中央电化教育馆教育信息资源开发部
唐 玲，清华大学继续教育学院北京卓尔教育投资公司副主任
一、卫星网络在远程教育中的应用
（一）远程教育的三个发展阶段
远程教育的发展经历了三代：第一代远程教育为函授教育，是以印刷课程材料为主要学习资源、以邮政传递书写作业和批改评价为主要通信手段的函授教育，主要代表是独立设置的函授学校和传统大学开设的函授教育、校外教育，函授教育始于19世纪中叶的英国。第二代远程教育为多媒体教学，除了印刷材料外，主要还有广播电视等大众媒体和录音录像个人微机等个人媒体的大规模和工业化的远程教育，主要代表是各国独立设置的开放大学、广播电视大学以及其他独立设置的自治的远程教育大学。第三代远程教育是建立在应用双向交互电子信息通信技术基础上的新一代远程教育，其技术基础主要是电子通信技术和计算机技术。第三代远程教育的特征和优势是双向交互，即通过信息技术实现人机和人际的相互交流和交互作用，从而加强师生间的交流和集体教学活动，更可以大大激励和促进个体化学习和同学间的协作学习。[1]
（二）卫星网络在第二代远程教育的应用
第二代远程教育通过卫星技术传输课程资源、特点是单向的，一对多的。师生间的交互效率较低，通常是通过邮政系统或电话来完成，运转周期较长，费用较高。因此，师生和同学间的双向交互作用的不及时和不充分是第一、二代远程教育的明显弱点。常常通过不定期组织面授和答疑或短期住宿或实验室教学来弥补这一不足。
（三）卫星网络在第三代远程教育的应用
第三代远程教育利用信息技术可以实现同步和异步通信，可以使教学更加开放和灵活。第三代远程教育主要有两种类型，一种是完全依靠互联网，从课程建立、学生选课、作业布置、作业批改、答疑、考试等教学过程中的各个环节都在互联网上实现。第二种是将互联网与卫星网整合在一起，发挥两种网络各自的优势，为教学提供服务。例如，利用卫星网的带宽传输实现课件的发布，利用互联网的双向交互，实现师生和生生间的交互。清华大学的远程教育平台是一种将卫星网与互联网整合到一起，为用户提供灵活地、个性化的学习环境。
二、清华大学远程教育平台介绍
（一）原远程教育平台介绍
清华大学原有卫星播出平台是1997年建成并投入使用的，采用了Ku波段卫星视频传输系统，采用MPEG-2实现实时直播，在2000年又增加了数据广播实现课件的异步传输。
随着继续教育学院对远程培训项目需求地不断增加，原有的播出平台显现出了一些不足之处：
（1）卫星信道利用率低，传输成本高，无法满足多套节目的同时播出；
（2）对学习者和学习中心的有效管理较差，对学习者的支持不够；
（3）缺乏对课件资源知识产权的必要保护；
（4）对学生的交互式学习支持不够。
（二）原远程教育平台的改造目标
原平台存在的问题是从远程教育提供方的业务需求和管理需求的角度提出的。通过对最新需求的分析和问卷调查，从满足用户需求的角度提出了平台改造要达到的目标，可以归纳如下：
（1）提高卫星信道的传输效率，降低传输成本；
（2）构建一个基于天网与地网整合的学习环境，利用地网的交互性优势实现对用户有效管理，利用天网的宽带优势实现课程资源的快速传输；
（3）实现对课件的版权保护和有效管理；
（4）支持个体学生的个别化学习和混合式学习。
（三）平台改造方案
1、改变原平台的视频直播的编码方式
清华大学远程教育原有播出方式是视频直播与数据广播，视频直播采用的是MPEG-2编码方式，一个直播课程流占用4兆带宽，基本无法实现基于互联网的运行。因此要实现天地网的整合，首先要对原平台的编码方式改造。经过对各种编码技术的考察，选用MPEG-4作为新平台的课件编码方式。
选用MPEG-4编码方式是因为它有以下三个优点：基于内容的交互性、高效的压缩比、通用的访问性。对于新平台而言，MPEG-4最大的优点在于其较高的视频压缩比，即使在窄带宽的网络上仍然可以传输高质量的视频。众所周知，互联网的带宽不足和视频课件的大容量是制约远程教育广泛开展的两大瓶颈。如果采用MPEG-4的视频压缩输出格式，系统对网络带宽要求就会相对降低，根据图像尺寸及每秒帧数，可以做到56Kbps－2500Kbps连续可调。例如对于352×288标准电视尺寸的图像输出，带宽仅要求为300Kbps左右。这样可以大大节省宝贵的带宽资源，降低传输成本，是实现基于互联网视频直播较为理想的技术。鉴于我国当前的网络条件，在新平台的改造中，首先对编码方式进行了全面改造，MPEG-4成为新平台的技术基点。
2、基于互联网与卫星网的直播
流媒体技术为直播提供了有力的支持，一方面它解决了多媒体播放时的网络带宽问题，另一方面还有效地保护了课件资源的知识产权。平台采用微软的流媒体技术来实现基于互联网与卫星网的课程直播。
新平台提供了三种直播和课件点播的方式：
（1）基于互联网的流媒体直播过程是通过在Windows Media Service上建立单播发布点，发送单播流；
（2）基于卫星网的流媒体直播过程是通过在Windows Media Service上建立广播发布点，发送的是多播流；
（3）课件点播需要在Windows Media Service上建立单播发布点，同时在IIS下建立虚拟目录共同构成课件点播的服务环境。点播服务需要客户端与服务器建立一对一的连接，是一种单播方式，发送单播流。
新平台是通过自主开发的直播软件Liverserver（其操作界面见图1）和一个核心组件来完成基于两网的直播服务的。当平台要新建一门课程时，组件会自动地在Windows Media Service下建立单播发布点，同时在IIS下建立虚拟目录，自动配置好基于互联网课程直播和课程点播的环境。直播软件在建立卫星频道的过程中，会自动在Windows Media Service建立广播发布点，为实现多播数据包在卫星信道的直播传输建立环境。所有发布点的建立，均由软件根据课程建立的情况自动生成，管理员无需了解流媒体工作原理，即可完成对流媒体直播和点播服务的控制。直播软件以图形化界面显示，方便了管理员对直播课程的管理。
图1直播软件
（四）平台改造的实施
1、平台的拓扑结构
图2 清华大学远程教育播出平台拓扑结构
如图2清华大学远程教育播出平台的拓扑结构图所示。平台由主站、小站及学习者三部分组成。各小站由卫星数据广播接收系统、Router转发软件、卫星客户端接收软件（CastClient）、多媒体教室和局域网组成。
直播课堂的基本流程是：录制软件将直播教室实时授课的现场采集下来，经过MPEG-4编码、压缩成流媒体格式的课件，再由直播服务器通过卫星网和互联网传输到学生端，为学生提供实时课堂直播学习。其中，用户通过身份认证之后，才可以进行直播课堂的学习。互联网用户与直播服务器建立连接，在互联网上收看直播节目，卫星网用户可以直接收看经过卫星信道传输的流媒体课程资源，也可以将流媒体课程资源转发到本地的局域网，在局域网中收看。直播课堂的课程资源究竟是来自互联网还是卫星网，对于学生来说是透明的，从而体现了卫星网与互联网的无缝连接。
在清华大学远程教育播出平台中文件播出的流程是：将录制好的课件经卫星打包机打包，上传到卫星，通过卫星信道传输到各个学习中心，由学习中心的卫星接收卡将课件数据接收并存储到本地计算机。
2、平台的功能结构
新平台主要包括六大子系统：学习支持系统、教务管理系统、课件生成系统、系统管理系统、课件资源管理系统和课件加密系统。各系统关系如图3所示：
图3 清华大学远程教育播出平台功能结构图
3、播出功能
系统播出功能分为两种，一种是直播服务，一种是录播服务。
（1）直播服务（Liveserver）
课题组自主开发的直播服务是指与授课现场的同步播出并将课程以流媒体格式传输给用户的一种服务方式。在直播服务中，管理员可以添加直播频道，设定直播流的播出方式（多播或单播），启动直播服务器与编码器建立连接，开启直播服务。直播服务以图形化界面呈现，方便了管理员对课程直播的操作。新平台实现了基于卫星网与互联网的直播。
（2）录播服务（Castserver）
课题组自主开发的录播服务是指将已经录制完成的课件（与授课现场不同步），按照课表播放课件。播放的课件放在流媒体服务器上，录播服务根据课表寻找相应课件，并自动播放课件。新平台实现了基于卫星网与互联网的录播。
4、电子课表
课表管理将纸质的课表生成电子课表，电子课表可以控制平台直播服务和录播服务的开启，同时给用户提供清晰地课程播出时间表。管理员可以按周添加课表，还可以将本周的课表复制到其他周，灵活地编排课表。管理员编辑电子课表如图4所示。另外，管理员在编辑课表时，对于课程的输入只需在以树形目录结构显示的课程列表中选择课程名即可，这样可以快捷地协助管理员完成课表的编辑工作。
图4 管理员编辑课表图
5、课件加密系统
课件加密系统的目的是为了解决课件资源的盗版问题。旧平台生成的课件资源不采取任何加密措施，就通过数据广播和光盘的方式分发给学生，发放下去的课件资源很容易被复制。采用课件加密系统将课件加密后，当用户需要点播课件或用光盘使用课件时，都需要登录到认证服务器进行身份验证，认证通过并下载到许可证后才可以正常使用课件。通过课件加密系统可以有效地保护课件资源，实现课件的版权保护。新平台课件加密系统采用的是微软DRM（Windows Media Rights Manager）数字版权解决方案。
6、学习方式
用户的学习方式有两种，一种是可以接入互联网，可以通过IE的方式进行学习，另一种是没有接入互联网，可以通过专用软件从卫星网进行学习（如图5所示）。
在直播学习过程中，当用户无法通过上网身份认证接受直播学习时，可以通过卫星网客户端软件CastClient在学习中心进行实时课堂学习。该程序安装在卫星接收机或学生计算机上，它是通过接收由卫星数据接收卡所接收并转发的实时流媒体数据，为用户提供直播学习服务的。在此过程中，客户端程序会验证本站点是否有接收某一直播课程的权限，如果有权限，用户才可以收看直播，如果没有则会出现“无权限收看”的提示信息，以此来保护课件资源。用CastClient客户端收看直播课程的图示如图5所示。CastClient客户端是课题组自主开发应用程序。
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图5 用CastClient 客户端软件收看直播课程
（五）系统优势
1、天地网整合使新平台的应用更广泛
新平台将天地网进行整合后，实现了网络认证机制，从而加强了对学生的有效管理。同时新平台还可以对学生的学习情况进行全面追踪，使老师可以了解学习者的学习过程，从而可以更有效地为学习者提供学习支持服务。此外，由于充分整合了互联网的优势，使得新平台的服务对象范围扩大，由原来只面向校外学习中心提供远程教育服务，扩展到直接为个体学习者提供个别化和混合式的在线学习服务。
2、编码方式的改造增强了清华大学远程教育的服务能力
在完成了编码方式的改造后，现有卫星信道的利用率大幅提高，原来同一时刻只能传输一套节目的信道现在却可以并行播出多套节目，使得清华大学远程教育的服务能力上了一个新台阶，最终达到降低传输成本，提升竞争力的目的。此外，编码方式的改变还简化了管理员的工作流程，减轻了工作量，提高了工作效率。
3、资源加密机制有效地保护了知识产权
在实现了用户认证的基础上，平台采用DRM数字版权加密机制，对教学资源进行加密，进一步加强了对课件资源版权的有效保护，也即保护了远程教育投资方的合法权益，为转型后的远程教育健康发展提供了有效地支持。
4、先进学习理念与技术的应用满足用户多层次的需求
混合式学习理念旨在为学习者提供更为灵活的学习方式，分布式课件点播服务使整个系统的存储结构和性能得到了优化，满足了用户随时随地学习的需求，而个性化定制服务，使得用户可以根据自身情况选择经济适用的升级方案。
（六）平台运行情况
平台自2004年9月开始进行试运行，经过在先期在宁波站、北京科委教学站、密云教学站的测试，中期在全国49个扶贫站点测试，后期在全部近200个远程站点的大规模测试，并不断修改完善，于2005年2月正式用于远程课程播出。
清华大学新的远程教育播出平台运行以来，已经为清华大学远程学历教育、清华大学扶贫项目、清华远程学堂、清华企业远程培训、律政培训学校、黄冈中学网校等多个培训项目完成了课程直播任务。
[本文曾发表于中国卫星通信广播电视用户协会，第四届理事会全体会议]
[1] 丁兴富. 三代信息技术和三代远程教育[J]. 中国远程教育, 2000.8
