基于多媒體技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜燕，王曉

（湖北醫(yī)藥學(xué)院 公共管理學(xué)院 湖北 十堰 442000）

傳統(tǒng)的教學(xué)模式，就是使用黑板、粉筆、教科書、掛圖、模型、教具等教學(xué)介質(zhì)，結(jié)合教師講授的教學(xué)模式，這種教學(xué)模式中教師往往占有主導(dǎo)作用，而學(xué)生常常處于被動(dòng)的接受知識(shí)狀態(tài)，教學(xué)的效率并不高，但是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以多媒體技術(shù)為基礎(chǔ)的教學(xué)手段在大學(xué)課堂教學(xué)中被廣泛應(yīng)用，越來越多的教師在教學(xué)中采用了多媒體等現(xiàn)代授課方式。利用這種計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的模式可以起到增大教學(xué)信息量、改善教學(xué)效果、活躍課堂氣氛等作用。

計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（Computer Aided Instruction）簡稱 CAI[1]，它是各種教學(xué)活動(dòng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的，主要是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助完成教師的部分工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)以對話的方式與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)、教學(xué)資源共享、教學(xué)進(jìn)度安排、學(xué)生信息管理等功能。CAI為學(xué)生提供一個(gè)良好的個(gè)人化學(xué)習(xí)環(huán)境。綜合應(yīng)用多媒體、超文本、人工智能、網(wǎng)絡(luò)通信和知識(shí)庫等計(jì)算機(jī)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)教學(xué)情景方式上單一、片面的缺點(diǎn)。它的使用能有效地縮短學(xué)習(xí)時(shí)間、提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的教學(xué)目標(biāo)。

基于CAI的設(shè)計(jì)理思想，結(jié)合現(xiàn)有的多媒體技術(shù)，設(shè)計(jì)了“基于多媒體技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了教學(xué)環(huán)節(jié)師生互動(dòng)、教學(xué)資源共享、教學(xué)內(nèi)容更新、教學(xué)進(jìn)度安排和學(xué)生信息管理等各智能模塊的功能，對于教師而言，該系統(tǒng)是一種進(jìn)行多類數(shù)據(jù)管理的多媒體輔助教學(xué)的智能系統(tǒng)，對于學(xué)生來說，該系統(tǒng)又是一種可以自主學(xué)習(xí)的輔導(dǎo)工具[2]。

1 主要功能模塊設(shè)計(jì)及性能分析

基于多媒體技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)集合多媒體教學(xué)資源，將課件開發(fā)融入其中的教學(xué)管理系統(tǒng)，教師可以根據(jù)教學(xué)需要，結(jié)合課程特點(diǎn)，進(jìn)行課前課件編輯、整合以及個(gè)性化設(shè)置，綜合運(yùn)用多媒體技術(shù)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和備課，同時(shí)還可以對后臺(tái)教學(xué)資源庫、習(xí)題庫、學(xué)生信息庫等多類數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活管理，為了體現(xiàn)以學(xué)生自我發(fā)展為中心的教學(xué)宗旨，該系統(tǒng)在課上和課下都能對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)進(jìn)程進(jìn)行有效管理，例如，學(xué)生自動(dòng)考勤、課后答疑、自動(dòng)提交作業(yè)和即時(shí)評價(jià)教學(xué)效果等。

本系統(tǒng)由電子筆、演示播放工具、多媒體網(wǎng)絡(luò)采編工具和后臺(tái)SQL數(shù)據(jù)庫等主要部分構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 基于多媒體技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the three-dimensional structure of teaching system based on Multimedia Technology

系統(tǒng)提供的客戶端功能模塊主要有E媒體介質(zhì)模塊、資源管理模塊、課件編輯系統(tǒng)模塊、備課系統(tǒng)模塊、課堂教學(xué)演示模塊五部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 客戶端功能模塊圖Fig.2 The client function module diagram

1.1 資源管理模塊

隨著多媒體技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展?；诙嗝襟w技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境下，不同類型資源的集成和共享，實(shí)現(xiàn)了資源管理的智能化。系統(tǒng)中資源管理模塊將教學(xué)過程中的資源分為兩大類，一類是教學(xué)數(shù)據(jù)資源，一類是學(xué)生數(shù)據(jù)資源。在因材施教的原則下，針對每個(gè)班級的學(xué)生個(gè)體，相對其教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容不會(huì)完全相同。對數(shù)據(jù)的智能化管理就是充分考慮了學(xué)生自身的個(gè)性化發(fā)展，同時(shí)系統(tǒng)還考慮了教師同時(shí)教授兩門以上不同的課程，或者帶不同班級的情況，課程數(shù)據(jù)和學(xué)生數(shù)據(jù)的管理就顯得尤其重要。系統(tǒng)啟動(dòng)初始化過程中和啟動(dòng)后這一功能可以在目錄管理模塊和學(xué)生管理模塊中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)對資源數(shù)據(jù)的智能化管理，還表現(xiàn)在不同類型數(shù)據(jù)的兼容性支持上面。該系統(tǒng)可以在統(tǒng)一環(huán)境中打開不同類型的數(shù)據(jù)。

1.2 課件編輯系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)中課件編輯系統(tǒng)是基于Intemet Explore為演示平臺(tái)的課件編輯系統(tǒng)。系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了課件和教案的完整統(tǒng)一，主要可以實(shí)現(xiàn)課件編輯、課件列表、課堂測驗(yàn)、電子黑板、電子粉筆等功能。

1.3 備課系統(tǒng)模塊

教師備課系統(tǒng)模塊是基于學(xué)生需求而設(shè)計(jì)的，它實(shí)現(xiàn)了學(xué)生課堂接受信息和課外反饋信息的在線瀏覽功能，教師可以有針對性的根據(jù)學(xué)生在線反饋信息，對教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整安排，做到充分備課。這種功能的實(shí)現(xiàn)不僅改變了傳統(tǒng)意義上的教師備課只是把教學(xué)大綱和教學(xué)內(nèi)容寫成教案，或是利用Powerpoint直接做成課件給學(xué)生播放的模式。

1.4 課堂教學(xué)模塊

基于多媒體技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)是將課堂教學(xué)的三維化，教學(xué)策略的智能化，課件平臺(tái)統(tǒng)一化三者融合在一起的智能化系統(tǒng)。其中課堂教學(xué)的三維化是指：一是把網(wǎng)絡(luò)建在教室、把教室建在網(wǎng)上。教師可以在課堂教學(xué)的任一時(shí)刻，調(diào)閱網(wǎng)上的教學(xué)資源；或者把沒來得及在課堂上講的內(nèi)容或者課堂中新出現(xiàn)的教學(xué)問題發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)課堂上，讓學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)和討論[3]。二是把課件庫搬到教室，利用多媒體技術(shù)形象的演示。三是把實(shí)驗(yàn)室搬到了教室，學(xué)科實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)模擬，讓學(xué)生身臨其境。

教學(xué)策略智能化：智能化的教學(xué)策略是教師在課堂教學(xué)中調(diào)控教學(xué)信息流的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)、課堂氣氛和掌握知識(shí)的情況適時(shí)調(diào)整教學(xué)策略。目前，我們在該教學(xué)系統(tǒng)中為教師提供了自動(dòng)設(shè)定教學(xué)策略的功能，如互動(dòng)教學(xué)策略、情景教學(xué)策略、興趣教學(xué)策略等。

課件平臺(tái)統(tǒng)一化：系統(tǒng)提供給用戶一個(gè)利用不同開發(fā)工具制作的各類教學(xué)課件集成化平臺(tái)，方便了課件資源的共享和交流。

1.5 其它功能模塊

系統(tǒng)還配備了攝像設(shè)備，可以利用攝像機(jī)對課堂教學(xué)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。除此之外，本系統(tǒng)還提供了課堂管理、考勤管理、題庫管理等功能，其中學(xué)生管理功能、課件講義管理功能、網(wǎng)上課堂等功能由服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)由用戶登錄、課件管理、課件編輯、課件發(fā)布和課堂教學(xué)等結(jié)構(gòu)組成。其信息管理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信息管理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 The topology information management

2.1 多媒體元素的開放管理

系統(tǒng)中多媒體元素是指課件中所包含的用于人感官的文字、圖形、圖像、動(dòng)畫、聲音和視頻信息，教師可以根據(jù)教學(xué)需要，分離或組合課件所包含的任一多媒體元素，或者增加若干相適應(yīng)的元素，即實(shí)現(xiàn)了多媒體元素資源開放管理，更有利于個(gè)性化地因材施教。

2.2 多媒體資源的集成管理

系統(tǒng)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了各類媒體素材的同步、數(shù)據(jù)庫、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與文本的智能互訪技術(shù)[4]。根據(jù)管理內(nèi)容的不同，采取了不同的數(shù)據(jù)處理方式，對文本素材使用對話框方式或視圖方式進(jìn)行管理，并以TXT文件、RTF類型文檔存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了課件的異構(gòu)，可以面向不同的平臺(tái)進(jìn)行展示；對于圖形、圖像素材的處理，是按位圖或矢量圖的不同分別進(jìn)行管理；對于音頻和視頻元素，用戶在編輯課件時(shí)做出相應(yīng)的標(biāo)記，展示時(shí)系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)用播放器播放。

2.3 個(gè)性化編輯器的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了個(gè)性化的文本編輯器，在實(shí)現(xiàn)通常文本編輯器特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多類數(shù)據(jù)的智能化管理，其中包括試題庫數(shù)據(jù)、學(xué)生庫數(shù)據(jù)、章節(jié)表數(shù)據(jù)、檢索數(shù)據(jù)、課堂日志數(shù)據(jù)、講義教案數(shù)據(jù)等。個(gè)性化的文本編輯器使用Microsoft的ActiveX Data Obiects（ADO）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通用數(shù)據(jù)的高速訪問，構(gòu)建了文本與數(shù)據(jù)庫之間的橋梁。該編輯器與圖形圖像瀏覽器、音頻、視頻、動(dòng)畫播放器一起組成一個(gè)課件發(fā)布平臺(tái)[5]。

根據(jù)課件的使用方式.對已做好的課件的管理分為章節(jié)表管理、索引管理和使用方式管理等部分。章節(jié)表管理給出課程的所有章節(jié)：索引管理可以對任一章節(jié)進(jìn)行檢索；使用方式管理分為“行出現(xiàn)式”和“整屏出現(xiàn)式”，行出現(xiàn)式模仿教師板書方式，符合教師和學(xué)生的思維方式，整屏出現(xiàn)式適合學(xué)生自學(xué)和教師瀏覽總結(jié)。本模塊的核心技術(shù)是ADO、SQL技術(shù)[6-7]，以及網(wǎng)形圖像的編碼、音頻、視頻編碼、解碼技術(shù)等。

2.4 題庫管理

系統(tǒng)第一次登錄時(shí)，會(huì)根據(jù)用戶輸入的信息建立相應(yīng)的的試題庫。系統(tǒng)不僅可以在課件編輯和備課過程中編輯、增加、刪除和修改題庫中試題內(nèi)容，而且還可以在課件演示過程中，隨時(shí)點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，所選文字的相關(guān)試題自動(dòng)入庫。這樣一個(gè)完整的試題庫就在教師講授完一門課程之后建成了，不僅方便了期末的考試和考查，而且更有利于本學(xué)科的課程建設(shè)。

2.5 課堂管理

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫編輯和數(shù)據(jù)采集技術(shù)是實(shí)現(xiàn)課堂管理功能的核心技術(shù)。課堂管理由課堂考勤、課堂日志、課堂提問和課堂分析等主要部分組成。利用條形碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)學(xué)生考勤的自動(dòng)化，不論是課堂授課還是大型講座或報(bào)告，只需在教室或入口處放置一臺(tái)條形碼識(shí)別儀，就可以實(shí)現(xiàn)此功能。如果不方便使用條形碼技術(shù)，系統(tǒng)還可以采用教師日志查詢的方式實(shí)時(shí)掌握學(xué)生動(dòng)態(tài)，這種方式不僅方便了教師對學(xué)生的日常管理，而且做到了教學(xué)效果的實(shí)時(shí)反饋，加強(qiáng)了教師對教學(xué)過程的管理；課堂提問是基于試題庫的檢測方式，通過提問、搶答和游戲的形式對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行有效的檢測；課堂教學(xué)效果的綜合評價(jià)是對教師課堂日志綜合分析后形成，即課堂分析。

2.6 數(shù)據(jù)操作的智能管理

為了快速訪問了數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)中分別選用了ADO、ODBC、OLEDB、DAO等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的智能提取、智能檢索和智能存儲(chǔ)等功能[7]。同時(shí)提供了多類數(shù)據(jù)管理機(jī)制，可以方便的對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，支持對話框、文檔和視圖方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和展示。該系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)模擬展示、課件編輯、查詢、課堂教學(xué)管理、模擬操作、反饋練習(xí)、多媒體情景創(chuàng)設(shè)以及游戲等功能表現(xiàn)，來體現(xiàn)其具有支持大容量存儲(chǔ)、高速傳輸、人機(jī)交互、超時(shí)空交流共享等特性。

3 結(jié)束語

基于多媒體技術(shù)的三維教學(xué)系統(tǒng)隨著教育技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不斷實(shí)踐和改進(jìn)?；緦?shí)現(xiàn)了其三維教學(xué)理念的模式，即多媒體教室、互聯(lián)網(wǎng)和實(shí)驗(yàn)室三位一體的教學(xué)模式。系統(tǒng)把多媒體數(shù)據(jù)的集成提到了智能數(shù)據(jù)管理和智能集成領(lǐng)域[8]，是一種技術(shù)層面上的飛越。該系統(tǒng)不僅為不同類型的課件提供了一個(gè)集成化的平臺(tái)，而且首次把學(xué)生管理做為多媒體教學(xué)[9]中“數(shù)據(jù)管理”的一部分提出并應(yīng)用其中。當(dāng)然系統(tǒng)還有很多不完善的地方，需要在今后的教學(xué)實(shí)踐中反復(fù)推敲、不斷改進(jìn)，爭取在高校中推廣應(yīng)用。

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