基于分組式教學(xué)的高清多媒體實驗室建設(shè)與研究

楊曉 劉衛(wèi) 馬逢田

[摘要]重慶理工大學(xué)經(jīng)濟管理實驗教學(xué)中心圍繞分組式教學(xué)的特點和優(yōu)勢，采用先進的多媒體信息技術(shù)，突破傳統(tǒng)模式和空間障礙，成功建設(shè)了分組式合班型高清多媒體實驗室。該文闡述了其建設(shè)方案要點，對其中的成果和經(jīng)驗進行了分析和總結(jié)，對高校開展多媒體實驗室具有一定的參考意義。

[關(guān)鍵詞]分組式教學(xué)法；多媒體：信息技術(shù)；實驗室建設(shè)

[中圖分類號]G40-057[文獻標識碼]A[論文編號]1009-8097(2012)01-0059-05

重慶理工大學(xué)經(jīng)濟管理實驗教學(xué)中心(以下簡稱經(jīng)管中心)是由該校的工商、經(jīng)貿(mào)、會計三個二級學(xué)院院屬實驗室于2006年合并而成。該中心經(jīng)過5年多的建設(shè)與完善，現(xiàn)已成為重慶理工大學(xué)經(jīng)濟管理類專業(yè)唯一的實踐教學(xué)基地。經(jīng)管中心目前擁有各類房屋面積2000M2，資產(chǎn)總額400余萬，建有金融實驗室、財會實驗室、沙盤實驗室、物流實驗室、綜合設(shè)計實訓(xùn)室、創(chuàng)業(yè)孵化室等多個專業(yè)性功能實驗室，取得了大量的教學(xué)科研成果，于2008年被評為重慶市市級實驗教學(xué)示范中心(省部級)。

近年來，伴隨著招生規(guī)模日益擴大，實驗室作為培養(yǎng)創(chuàng)新人才的基地，面臨著越來越大的壓力。2011年，學(xué)校決定在經(jīng)管中心新建設(shè)一個多媒體實驗室，并為此專門撥出兩間房屋作為建設(shè)用地，房屋的基本情況如下：

(1)兩間房屋彼此相鄰，中間由一面實體的墻壁完全隔開，學(xué)校明確規(guī)定，該墻壁不能拆除。

(2)兩間房屋的結(jié)構(gòu)完全一致，均為長方形(長17M，寬7M)，均能容納一個45人以內(nèi)的單班級開展實踐教學(xué)活動。

一、基本建設(shè)目標

1.全力打造滿足分組式教學(xué)需要的多媒體實驗室環(huán)境。

隨著大學(xué)生越來越嚴峻的就業(yè)形勢，以及社會發(fā)展對高素質(zhì)人才的迫切需求，高校教育越來越重視對大學(xué)生的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新能力、團隊合作精神、協(xié)同競爭意識的培養(yǎng)和鍛煉。廣大的師生在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)開展了大量的改革與探索，其中分組式教學(xué)法是最引人關(guān)注的改革成果之一。分組式教學(xué)法，顧名思義，是改變傳統(tǒng)的學(xué)生單一個體式的教學(xué)方法，將以往的由每個學(xué)生獨立完成相同題目的實踐方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生科學(xué)合理的分成多個小組，以小組為單位進行一個較為綜合的作品設(shè)計，每個學(xué)生在小組中充分發(fā)揮自己的作用。分組式教學(xué)法改變了以往對學(xué)生全面培養(yǎng)的傳統(tǒng)模式，強調(diào)大學(xué)教育從講授知識向?qū)W習(xí)知識轉(zhuǎn)化，強調(diào)發(fā)揮每個學(xué)生自己的獨特優(yōu)勢，強調(diào)學(xué)生對實踐環(huán)節(jié)的主動參與，所以取得了非常良好的效果，其應(yīng)用范圍也最為廣泛。本次多媒體實驗室建設(shè)的第一目標，就是采用先進的設(shè)備和軟件，全力打造出滿足分組式教學(xué)需要，能充分體現(xiàn)分組式教學(xué)法特點的多媒體實驗室環(huán)境。

2.建設(shè)跨房間的合班教學(xué)多媒體實驗室。

大學(xué)教育與小學(xué)、初中、高中教育的一個不同之處在于，大學(xué)教育中經(jīng)常采用合班制的方式進行教學(xué)，即同一個教師同時給兩個班級的學(xué)生授課。合班制教學(xué)方式由于在單位時間內(nèi)授課的學(xué)生人數(shù)成倍增加，同時其教學(xué)效果也基本不受影響，所以，其對于授課任務(wù)非常繁重的大學(xué)教師而言，合班制的教學(xué)方式是其樂于采用也經(jīng)常采用的一種教學(xué)方式。但從前面的建設(shè)場地介紹中可以看出，本次多媒體實驗室建設(shè)場地為兩個相鄰的單班規(guī)模房間，房間之間有無法拆除的墻體，這一現(xiàn)實的情況對于合班的實踐教學(xué)而言造成了幾乎無法逾越的障礙。本次多媒體實驗室建設(shè)的第二個目標，就是在既有的約束條件下，積極探索和大膽創(chuàng)新，盡一切努力突破這一物理障礙，實現(xiàn)兩個房間的聯(lián)合控制與協(xié)調(diào)管理，使多媒體實驗室無論是單班還是合班均能靈活使用。

3.大力提升整個多媒體實驗室的實用性和易用性。

多媒體技術(shù)是指把文字、聲音、圖像、動畫等多種媒體的信息通過計算機進行處理，集成具有交互性系統(tǒng)的一種技術(shù)。其在實驗室中實際使用所發(fā)揮的最終效果，與其提供的多媒體信息整合方案的實用性和易用性有著密切的聯(lián)系。有鑒于此，本次多媒體實驗室建設(shè)的第三個目標，就是專門針對多媒體實驗室的實用性和易用性，進行深入的思考與分析，做出整體設(shè)計。為了有效地開展工作，我們進一步界定了這一目標的具體內(nèi)涵，主要包括以下幾個方面：

(1)高清晰度的視覺效果。包含兩個方面的內(nèi)容，其一是能提供顯示高清數(shù)字信號的手段和方法，即顯示畫質(zhì)達到1080P，分辨率達到l920×1080；其二是能提供對單一畫面的太尺度高清晰顯示的手段和方法。

(2)高保真度的聲音效果。無論是人還是計算機發(fā)出的聲音，均能通過音響系統(tǒng)，在整個房間內(nèi)清晰的傳播。

(3)高效率化的師生交互。主要包括教師和學(xué)生之間的圖像交互、聲音交互和資源交互三個方面。

(4)高自由度的操控使用。包含兩個方面的內(nèi)容，其一是將多媒體實驗室的主要設(shè)備進行集成，采用良好的人機交互界面，使實驗室的使用方便快捷；其二是采用成熟的無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)部分設(shè)備的移動化。

二、基本建設(shè)方案

1.采用液晶拼接系統(tǒng)，構(gòu)造分組式作品演示高清液晶顯示墻。

DID液晶拼接系統(tǒng)，主要包括DID(Digital InformationDisplay)液晶顯示屏、液晶顯示屏拼接器及控制軟件、VGA矩陣以及液晶墻拼接支架等。利用DID液晶拼接系統(tǒng)，我們可以將多塊高清液晶顯示屏組合起來，形成一個較大的液晶顯示墻，其可以實現(xiàn)以下的功能：

(1)獨立顯示多個畫面。每塊液晶顯示屏均可以獨立顯示一個畫面。

(2)整體顯示一個畫面。所有的液晶顯示屏組合成為一個整體，顯示一個畫面。

(3)組合顯示多個畫面。將全部液晶顯示屏組合后，重新進行劃分，形成M×N個獨立的顯示畫面。

(4)高清畫質(zhì)顯示。每塊DID液晶顯示屏的拼接器均帶有HDMl高清數(shù)字信號接口，可以完美的顯示高清畫質(zhì)。

采用這套液晶顯示墻，我們可以將分組實驗中多個小組的作品在同一時間、同一個平面上進行高清畫質(zhì)的展示，非常便于教師和學(xué)生進行一對一、一對多、多對多的對比、分析和點評，使分組式教學(xué)的實際效果有質(zhì)的飛躍。

2.采用投影機和畫框幕布，構(gòu)造單一作品大尺度高清晰顯示面。

盡管液晶顯示墻能夠完美的演繹高清畫質(zhì)，但其昂貴的價格對建設(shè)資金提出了很高的要求，而且其尺寸越大，價格還將成倍的增長。經(jīng)過精確預(yù)算，我們無法建設(shè)120寸幅面的液晶顯示墻，而對于單班實驗室而言，120寸是顯示單一作品最理想的大小。為實現(xiàn)這一功能，我們采用高亮度的投影機和120寸畫框式幕布相組合，以投影的方式來展示單一作品。其與液晶顯示墻相互補充，分別從大尺度畫面和高清畫質(zhì)兩個關(guān)鍵點入手，共同構(gòu)建多媒體實驗室視頻系統(tǒng)主要的硬件解決方案。

3.采用音響系統(tǒng)和無線信息技術(shù)，進一步提升實驗室的實用性和易用性。

在視頻系統(tǒng)的問題基本解決之后，我們將注意力轉(zhuǎn)移到如何進一步提高多媒體的效果，突顯其實用性、易用性方面。為此，我們設(shè)計了以下的解決方案：

(1)高保真的聲音效果。我們采用目前國內(nèi)較為先進的

音響系統(tǒng)來確保實驗室的聲音效果(包括計算機的發(fā)聲和人的發(fā)聲)，主要設(shè)備有高保真的功放、音箱和調(diào)音臺等。

(2)無線便捷的交互方式。包括三個方面，首先是采用無線接收器和無線話筒等設(shè)備，實現(xiàn)教師和學(xué)生的發(fā)言以無線的方式進行傳輸，完全不受空間和線路的約束：其次是采用無線手寫等電子設(shè)備，實現(xiàn)教師的板書自由便捷，不受空間限制；最后，我們還采用多媒體網(wǎng)絡(luò)軟件，實現(xiàn)教師計算機與學(xué)生計算機之間資源發(fā)布、信息交互、課堂控制等功能。

4.采用中控系統(tǒng)，實現(xiàn)中央控制和靈活使用。

本次多媒體實驗室建設(shè)后，將增添大量的電子設(shè)備，某些設(shè)備的操作和使用較為復(fù)雜。如果我們不能在較短的時間內(nèi)讓廣大的授課教師掌握并靈活使用，必將會大大降低教師使用多媒體實驗室的意愿和興趣。為解決這一問題，我們采用觸摸式可編程中控系統(tǒng)，將主要的設(shè)備智能化集成：所有的操作均在后臺完成，包括各種設(shè)備的控制信號傳輸、VGA矩陣和液晶拼接器的聯(lián)動等；前臺則采用液晶觸摸屏提供一個簡單、友好的人機交互界面，使授課教師無需太多培訓(xùn)就能輕松掌握多媒體實驗室的使用。

三、主要實施方案

本次多媒體實驗室建設(shè)方案具體實施中，最為關(guān)鍵且難度最大的是視頻系統(tǒng)，其要求要在保持高清畫質(zhì)的前提下，突破房間之間的物理障礙，實現(xiàn)跨房間視頻信號聯(lián)合控制與協(xié)調(diào)管理。這在幾乎沒有任何成熟經(jīng)驗可以借鑒的現(xiàn)實情況下，無疑是一種突破創(chuàng)新和自我挑戰(zhàn)。以下，我們將主要闡述視頻系統(tǒng)的實施細節(jié)。

1.視頻系統(tǒng)設(shè)備配置與線路結(jié)構(gòu)

經(jīng)管中心與來自企業(yè)界的資深高級工程師深入分析、反復(fù)思考，最后采用了一個簡單、方便、又較為經(jīng)濟的視頻系統(tǒng)實施方案，其系統(tǒng)拓撲如圖1所示。

(1)主要設(shè)備。兩個房間各安裝一套2*3的液晶顯示墻，其采用的每塊液晶顯示屏均為40寸窄邊DID液晶顯示屏，除帶VGA信號接口外，還帶兩個HDMl高清接口；兩個房間各安裝一套投影系統(tǒng)，由3500流明的工業(yè)級投影機和l20寸大尺寸畫框式幕布組成；兩個房間共用一個l6進16出的VGA矩陣；每個房間有學(xué)生用計算機42臺，分成7個小組：每個房間有教師用計算機1臺，該計算機可同時輸出VGA和HDMl兩種信號；兩個房間的所有計算機使用4個24口的高速網(wǎng)絡(luò)交換機連接，形成局域網(wǎng)絡(luò)。

(2)VGA矩陣信號輸入端連接方式。教師用計算機的VGA信號使用VGA視頻分配器輸入矩陣；每組學(xué)生計算機中有一臺固定的計算機，其使用顯卡自帶的兩路輸出中的一路VGA信號接入矩陣，該計算機的兩路VGA信號在顯卡的控制軟件里配置成復(fù)制模式。

(3)VGA矩陣信號輸出端連接方式。將矩陣的16個輸出信號中的12個分別連接到兩個房間的12塊液晶顯示屏的VGA輸入接口；將矩陣的2個輸出信號分別連接到兩個房間的投影機輸入接口。

(4)高清信號連接方式。兩個實驗室的每臺教師用計算機均通過一個1分2的HDMI分配器和2個1分10的HDMI分配器與兩個教室的每塊液晶顯示屏的HDMI輸入接口連接。

由此可見，兩個實驗室的教師機上的HDMI高清視頻信號直接連接到液晶顯示墻上的每塊液晶顯示屏上，而所有的VGA信號則通過矩陣的方式連接起來，這就為各種信號之間的發(fā)送、傳輸、接收、顯示鋪平了道路。但是，物理上信號的連通距離正式的使用尚有一段距離，我們還必須進行以下的工作。

2.安裝拼接控制軟件進行視頻信號的管理

通過對兩臺教師用計算機安裝液晶拼接控制軟件，實現(xiàn)對視頻信號的管理。

(1)信號歸類整理。對每個教室的視頻信號的輸入端和視頻信號的輸出端進行歸類編號，我們必須確保每個編號清晰明確，讓使用者通過編號能夠非常容易地確定其對應(yīng)設(shè)備。

(2)信號的控制。主要有兩個方面內(nèi)容，首先是控制各個輸出設(shè)備選擇和接收某個輸入信號；其次是控制液晶顯示墻如何顯示接收的信息，如單獨顯示，或者整體顯示等。

3.改進拼接控制軟件實現(xiàn)跨房間合班控制

由于液晶顯示墻在實驗室單／合班靈活配置方面處于空白狀態(tài)，所以，目前市面已有的拼接控制軟件均不能完全滿足要求，我們必須進行必要的二次開發(fā)改進軟件的功能。

(1)單／合班實驗室信號切換控制。前面已經(jīng)對各個信號端進行了科學(xué)的編號，現(xiàn)在的改進是實現(xiàn)對這個編號的管理，即在得到授權(quán)的情況下，使用者可以控制使用兩個房間內(nèi)全部輸入輸出信號；而在未經(jīng)授權(quán)的情況下，使用者只能控制使用其所在房間內(nèi)的輸入輸出信號，另一間房間的信號則無法使用。

(2)兩個房間同時作為單班使用下的矩陣控制。當(dāng)兩個教師分別進入兩個房間進行授課時，盡管前面的單／合班實驗室信號切換控制已經(jīng)將輸入輸出視頻信號分開管理，但仍然存在一個嚴重的問題，那就是現(xiàn)有的VGA矩陣同一時間只能由一臺計算機控制，故在傳統(tǒng)模式下，就只能一個教師使用，而另一個教師是無法同時使用的。我們的改進是當(dāng)該軟件啟動時自動進行偵測，一旦發(fā)現(xiàn)VGA矩陣的串口控制鏈路已經(jīng)被另外一臺計算機的控制軟件控制的情況下，將能通過網(wǎng)絡(luò)連接到已經(jīng)控制VGA矩陣的計算機，通過調(diào)用該計算機上的矩陣服務(wù)端軟件來實現(xiàn)對自己房間內(nèi)的視頻信號進行控制和管理。盡管這時候兩臺教師用計算機都在使用其中一臺的控制軟件對VGA矩陣進行視頻信號的切換，但由于有前面的信號授權(quán)管理，所以，其相互之間完全不受影響，而且在實際使用過程中使用者也完全感受不出來。

(3)定制設(shè)備完成矩陣自動管理。前面的闡述中我們知道，VGA矩陣同一時間只能由一臺計算機進行控制。根據(jù)擬定的設(shè)計方案，要完成單／合班靈活配置，就必須實現(xiàn)能夠自動判斷哪臺教師用計算機首先通電啟動，同時立即將矩陣交由該計算機控制與管理。這里我們采用了硬件的方式來進行解決，單獨設(shè)計和定制了一個矩陣控制信號切換器和液晶拼接器的控制信號切換器，該切換器能夠自動偵測兩臺教師用計算機中某一臺是否率先通電啟動，如果發(fā)現(xiàn)其中一臺已經(jīng)啟動，則立即將矩陣的控制權(quán)切換到該計算機上，另外一臺計算機則通過TCP／IP鏈路連接到此計算機的矩陣控制服務(wù)端對矩陣分配給本機的視頻信號進行切換。

4.單／合班實踐教學(xué)具體情況推演

完成前面的三個步驟后，實現(xiàn)了最關(guān)鍵的跨房間合班控制與協(xié)調(diào)管理問題，能夠全面的滿足單／合班多媒體室實驗室實踐教學(xué)的需要。

(1)單班開展實踐教學(xué)情況。由于只有一個班級開展實踐教學(xué)，所以只使用一間房間，只有一臺教師用計算機會啟動，矩陣切換器將VGA矩陣交由該計算機控制，該教室的拼接器控制信號也默認接在該計算機上，在沒有授權(quán)的情況下，該教師只能對本實驗室內(nèi)的視頻信號進行切換控制。

(2)兩個單班同時開展實踐教學(xué)情況。當(dāng)兩個單班同時開展實踐教學(xué)的時候，矩陣切換器會將VGA矩陣的控制權(quán)交給先啟動的那個教師用計算機，另一個房間的教師用計算機則將通過網(wǎng)絡(luò)共享控制矩陣的教師用計算機的矩陣控制服務(wù)端軟件，從而實現(xiàn)兩臺計算機同時控制使用VGA矩陣分配給