基于三屏顯示技術(shù)的多媒體教學(xué)支持系統(tǒng)研究與應(yīng)用

黃東軍+楊穎華

摘 要：學(xué)習(xí)空間理論支持多屏顯示系統(tǒng)的應(yīng)用。但目前多媒體教學(xué)系統(tǒng)大多是單屏顯示的，呈現(xiàn)內(nèi)容局限于一個(gè)相對(duì)狹小的空間，無法同時(shí)顯示更多的教學(xué)內(nèi)容，尤其在需要比較不同的教學(xué)內(nèi)容時(shí)，教師不得不進(jìn)行窗口或畫面切換，導(dǎo)致內(nèi)容停留時(shí)間減少，增加觀察負(fù)擔(dān)；此外，要顯示學(xué)生計(jì)算機(jī)桌面圖像也很困難。我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由三顯示屏構(gòu)成的多媒體教學(xué)支持平臺(tái)，包括教師主屏、教學(xué)輔助信息屏、學(xué)生桌面顯示屏。由于系統(tǒng)能同時(shí)顯示多屏畫面，因此便于學(xué)生觀察比較，特別是能夠顯示一個(gè)或多個(gè)學(xué)生計(jì)算機(jī)桌面圖像，有利于開展互動(dòng)式教學(xué)。實(shí)際應(yīng)用表明，三屏系統(tǒng)能夠顯著改善教學(xué)過程，提高課堂注意力，激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)的積極性，提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)空間；多媒體；教學(xué)支持平臺(tái)；三屏顯示系統(tǒng)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2017）04-0093-04

一、引言

從感知的視角看，傳統(tǒng)教學(xué)也是多媒體的，教師通過聲音傳遞聽覺信息，采用粉筆和黑板傳送視覺信息，借助掛圖、設(shè)備、模型等實(shí)物，為學(xué)生提供切身的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[1]。但是，現(xiàn)代數(shù)字媒體技術(shù)使這種場(chǎng)景得到了極大提升，數(shù)字化教學(xué)技術(shù)，集文字、聲音、圖像、視頻、動(dòng)畫于一體，顯著提高了教學(xué)效率，教師可以借助各種數(shù)字媒體手段表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)其教育思想和教學(xué)目標(biāo)開辟了廣闊空間。

然而，目前大部分多媒體教學(xué)系統(tǒng)仍存在不足，比較突出的一點(diǎn)就是基于單一顯示屏幕，呈現(xiàn)空間狹小，缺乏互動(dòng)功能，教師的主動(dòng)性、學(xué)生的參與性難以充分發(fā)揮[2]。本文主要針對(duì)單屏顯示系統(tǒng)的缺陷展開研究。

二、設(shè)計(jì)思想

學(xué)習(xí)空間理論強(qiáng)調(diào)促進(jìn)學(xué)生形成有效學(xué)習(xí)模式的四個(gè)方面[3]，包括物理學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)、認(rèn)知理論的理解、技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新、教學(xué)方法論的構(gòu)建。僅就物理學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)來看，教育技術(shù)專家和實(shí)踐者普遍認(rèn)為[4][5]，在數(shù)字媒體與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，學(xué)校需要重視以顯示系統(tǒng)為核心的創(chuàng)新性學(xué)習(xí)空間的建設(shè)[6][7]。研究人員指出，用于教學(xué)的顯示系統(tǒng)正從傳統(tǒng)的單一屏幕模式向多屏顯示模式發(fā)展，而交互功能的融合進(jìn)一步提升了多屏顯示系統(tǒng)的作用[8]。

多屏顯示系統(tǒng)可以追溯到早期的四面升降黑板，這種黑板具有書寫內(nèi)容停留時(shí)間長(zhǎng)、便于對(duì)比與回顧、幫助形成更加清晰的講課與聽課思路、減少擦黑板時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)代數(shù)字顯示技術(shù)所構(gòu)建的多屏顯示系統(tǒng)，可以看成是多個(gè)滑動(dòng)黑板以及視覺或藝術(shù)學(xué)科中使用的雙幻燈系統(tǒng)等傳統(tǒng)多屏顯示技術(shù)的新發(fā)展[9]。Seward等人的研究表明，由多信息界面圍繞的圓桌加上技術(shù)人員工作區(qū)，能夠把小組成員的表現(xiàn)意識(shí)提升到更高層次，“中層管理人員的思想和行動(dòng)像高層管理者，而高層管理者的思維像董事一樣”[10]。Seward將這樣的空間稱為the Pod。the Pod的實(shí)踐展現(xiàn)了多屏顯示學(xué)習(xí)空間的潛力和優(yōu)勢(shì)。

鑒于上述觀察，我們研究了一種基于三屏顯示系統(tǒng)的教學(xué)支持平臺(tái)。該系統(tǒng)由教師主屏、輔助信息屏、學(xué)生桌面共享屏構(gòu)成，旨在讓學(xué)生通過教師主屏獲取課堂講授的主體知識(shí)，通過輔助信息屏參閱相關(guān)資料，尤其通過桌面共享屏實(shí)現(xiàn)交流和分享。我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一種能夠顯著提高學(xué)生的課堂注意力、增強(qiáng)學(xué)習(xí)自主性和參與性、提升教學(xué)質(zhì)量的學(xué)習(xí)環(huán)境。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案利用USB轉(zhuǎn)VGA顯示卡，搭建起以教師計(jì)算機(jī)為中心的三屏顯示系統(tǒng)。該方案實(shí)現(xiàn)成本低，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，使用方便。缺點(diǎn)是對(duì)教師計(jì)算機(jī)要求較高，且必須擁有兩個(gè)以上的空閑USB接口，并支持多屏顯示。但隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，這個(gè)缺點(diǎn)容易克服。在本設(shè)計(jì)方案中，投影屏幕包括教師課件屏（第一屏）、輔助信息屏（第二屏）和學(xué)生桌面顯示屏（第三屏）。第一屏主要展示授課的主體內(nèi)容。第二屏主要用于呈現(xiàn)與教學(xué)相關(guān)的輔助信息，如參考文獻(xiàn)、課堂習(xí)題、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。第三屏旨在實(shí)現(xiàn)交流和分享，通過將任何一個(gè)或者若干個(gè)學(xué)生的桌面顯示出來，激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)，這是本項(xiàng)目的特色。需要強(qiáng)調(diào)的是，這種應(yīng)用模式特別適合諸如程序設(shè)計(jì)、軟件應(yīng)用等實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，教師通過顯示學(xué)生桌面的編程或軟件應(yīng)用的情況，能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性。所以，三屏的配置在很大程度上與具體應(yīng)用相關(guān)。實(shí)際上，本系統(tǒng)并不限制教師對(duì)三屏的安排，教師完全可以根據(jù)需要靈活地利用三個(gè)或其中部分屏幕。例如，三個(gè)屏幕全部用于顯示學(xué)生計(jì)算機(jī)桌面圖像。

2.軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵。在上述系統(tǒng)組織方式下，由于教師計(jì)算機(jī)直接連接到第一顯示屏，因此，我們?nèi)菀淄ㄟ^MS PowerPoint、Prize等演示軟件實(shí)現(xiàn)授課內(nèi)容的呈現(xiàn)。第二屏也容易通過獨(dú)立演示軟件或窗口實(shí)現(xiàn)內(nèi)容呈現(xiàn)。

關(guān)鍵是第三屏。第三屏的目標(biāo)是呈現(xiàn)學(xué)生桌面圖像。從技術(shù)上看，達(dá)到這個(gè)目標(biāo)有多種選擇。例如，利用Netmeeting、Office Live Meeting、QQ等及時(shí)通信工具中的桌面共享功能，教師能夠?qū)W(xué)生計(jì)算機(jī)的桌面共享到教師主機(jī)。但是，這種技術(shù)路線有一些難以克服的缺點(diǎn)。首先，管理負(fù)擔(dān)較重，所有參與教學(xué)活動(dòng)的計(jì)算機(jī)都要運(yùn)行及時(shí)通信軟件，這要求教師有更多的計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識(shí)。其次，教師計(jì)算機(jī)運(yùn)行應(yīng)用共享之后，計(jì)算開銷會(huì)顯著增加，嚴(yán)重降低計(jì)算機(jī)效能。此外，這種方式也難以同時(shí)顯示多個(gè)用戶的桌面圖像。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)輕量級(jí)的遠(yuǎn)程桌面圖像傳送與顯示軟件。它分為兩個(gè)部分，一是運(yùn)行在學(xué)生計(jì)算機(jī)上的圖像捕獲與發(fā)送程序（屬于C/S模式中的Server端），其主要功能是捕獲學(xué)生計(jì)算機(jī)的桌面圖像（序列），并通過Socket方式傳送到教師計(jì)算機(jī)上。第二部分是運(yùn)行在教師計(jì)算機(jī)上的客戶端程序，其主要功能是接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)傳送過來的圖像（序列），并將這些圖像顯示在投影屏幕上。該方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

上述解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于，學(xué)生桌面捕獲、圖像傳輸和教師端的接收與顯示，均通過單一功能程序?qū)崿F(xiàn)，效率高。單一功能的專用系統(tǒng)，既不需要遠(yuǎn)程桌面連接使用的賬號(hào)與認(rèn)證，也沒有視頻會(huì)議、即時(shí)通信工具等系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)，還能同時(shí)顯示多個(gè)學(xué)生的桌面，采用二分屏、三分屏、四分屏、甚至畫中畫等方式。

實(shí)現(xiàn)技術(shù)上，我們利用Windows環(huán)境下的GDI（Graphic Device Interface）所提供的SelectObject和BitBlt兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)屏幕捕獲。SelectObject是一個(gè)設(shè)備上下文函數(shù)（device context function），其功能是將一個(gè)對(duì)象選擇到特定的設(shè)備上下文（DC）中。BitBlt函數(shù)的功能是執(zhí)行位塊傳輸，就是把特定設(shè)備內(nèi)的一個(gè)矩形區(qū)域像素的顏色數(shù)據(jù)，傳送到目標(biāo)設(shè)備上下文中，目標(biāo)可以是一個(gè)窗口或內(nèi)存區(qū)域。利用這樣一個(gè)組合，再結(jié)合位圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)操作，即可以實(shí)現(xiàn)屏幕捕獲。

至于網(wǎng)絡(luò)傳輸，我們采用了Socket程序設(shè)計(jì)技術(shù)。一方面，學(xué)生計(jì)算機(jī)運(yùn)行屏幕捕獲與傳輸服務(wù)器程序，該程序執(zhí)行WinSock初始化、設(shè)置Socket地址與協(xié)議類型、解析服務(wù)器地址與端口信息、創(chuàng)建偵聽Socket、綁定偵聽Socket，最后將該Socket置于偵聽狀態(tài)即可完成網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備工作。一旦服務(wù)器偵聽到一個(gè)連接，則調(diào)用WinSock的accept函數(shù)接收該連接，之后就可以調(diào)用系統(tǒng)的send函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)了。send函數(shù)有一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即捕獲圖像在內(nèi)存中的首地址指針，正是通過代入這個(gè)指針，send函數(shù)得以將圖像發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

另一方面，教師計(jì)算機(jī)運(yùn)行接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)的客戶端程序?？蛻舳斯δ苤饕ǚ?wù)器地址解析、Socket創(chuàng)建、連接服務(wù)器、接收并顯示圖像數(shù)據(jù)等部分。圖3是客戶端（教師計(jì)算機(jī)）接收到的遠(yuǎn)程桌面圖像（序列）。

四、應(yīng)用與評(píng)價(jià)

上述系統(tǒng)已經(jīng)在本校計(jì)算機(jī)與通信實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室搭建了一個(gè)由短焦距高清投影儀、三塊拼接在一起且有一定夾角的大規(guī)模顯示屏構(gòu)成的平臺(tái)，如圖5所示。利用該系統(tǒng)，我們進(jìn)行了《多媒體原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《C語言程序設(shè)計(jì)》、《分布式系統(tǒng)》、《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)論》等課程的教學(xué)，歷時(shí)2年多。

在兩年多的時(shí)間教學(xué)實(shí)踐中，我們對(duì)近600名學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查。采取了“問題+選擇答案”的問卷模式，共有8個(gè)問題，如表1所示。

以下是調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果與結(jié)論。

（1）三屏系統(tǒng)便于學(xué)生比較觀察教學(xué)內(nèi)容

在被問到“三屏系統(tǒng)是否有助于學(xué)生對(duì)比查看教學(xué)內(nèi)容”這個(gè)問題時(shí)，有62.3%的學(xué)生表示“很有效”，33%表示“有效”，兩者合計(jì)達(dá)到95%。這個(gè)結(jié)果與學(xué)生對(duì)“三屏系統(tǒng)是否有助于豐富課堂教學(xué)的信息類型”的評(píng)價(jià)結(jié)果非常一致，后者的“很有效”支持率為59.2%，“有效”的支持率為38.7%，總體有效的評(píng)價(jià)為97.9%。

上述調(diào)查結(jié)果符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。實(shí)際上，三屏系統(tǒng)的突出特點(diǎn)之一，就是為對(duì)比顯示差異化內(nèi)容提供了方便。沒有內(nèi)容上的差異化和對(duì)比性，三屏系統(tǒng)的優(yōu)越性就不能充分體現(xiàn)出來。因此，為了更好地發(fā)揮三屏系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，教師應(yīng)當(dāng)盡可能在三個(gè)屏幕上顯示對(duì)比性強(qiáng)的內(nèi)容。例如，我們?cè)谝淮谓虒W(xué)中，在三個(gè)屏幕上分別顯示出三個(gè)學(xué)生對(duì)同一問題的求解算法與運(yùn)行效果，鮮明的對(duì)比給學(xué)生留下了深刻印象。

（2）三屏系統(tǒng)有助于開展互動(dòng)式課堂教學(xué)

在評(píng)價(jià)“三屏系統(tǒng)是否有助于開展啟發(fā)式、開放式、互動(dòng)式課堂教學(xué)”這個(gè)問題時(shí)，有36.7%的學(xué)生表示“有很大幫助”，53.1%表示“有幫助”，兩者合計(jì)達(dá)到89.8%。這個(gè)結(jié)果與學(xué)生對(duì)“三屏系統(tǒng)有助于激發(fā)學(xué)生參與教學(xué)的積極性”的評(píng)價(jià)結(jié)果非常一致，后者對(duì)“有很大幫助”的支持率為40.1%，“有幫助”的支持率為49%，總體有效的評(píng)價(jià)為89.1%。

很明顯，學(xué)生積極參與教學(xué)是互動(dòng)式課堂教學(xué)的基本特征，所以，當(dāng)學(xué)生認(rèn)可三屏系統(tǒng)有助于學(xué)生參與教學(xué)的時(shí)候，就必然會(huì)認(rèn)可系統(tǒng)有助于互動(dòng)式教學(xué)的開展。這就是上述兩個(gè)調(diào)查指標(biāo)的評(píng)價(jià)呈現(xiàn)一致性的原因。

與互動(dòng)式教學(xué)密切相關(guān)的另一個(gè)重要因素是，課堂內(nèi)是否為學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。教學(xué)中除了語言的交流以外，如果能為學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，將會(huì)進(jìn)一步提升課堂教學(xué)的互動(dòng)性。我們?cè)O(shè)計(jì)的三屏系統(tǒng)，有一個(gè)十分重要的特性，就是能夠同時(shí)顯示多個(gè)學(xué)生的計(jì)算機(jī)桌面。這就為學(xué)生表現(xiàn)自己的編程、設(shè)計(jì)、制作等能力，開展競(jìng)爭(zhēng)性實(shí)踐活動(dòng)，提供了舞臺(tái)。因此，在被問到“三屏系統(tǒng)在動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)過程方面是否有幫助”時(shí)，有55.1%的學(xué)生認(rèn)為“有很大幫助”，認(rèn)為“有幫助”的占38.8%，總體支持率達(dá)到93.9%。

我們注意到，上述三個(gè)調(diào)查項(xiàng)目的評(píng)價(jià)中，學(xué)生對(duì)“三屏系統(tǒng)在動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)過程上的優(yōu)勢(shì)”的認(rèn)可度高一點(diǎn)，這可能暗示學(xué)生更希望三屏系統(tǒng)用于動(dòng)手實(shí)踐教學(xué)。實(shí)際上，我們目前的三屏系統(tǒng)正是安裝在實(shí)驗(yàn)室的，采用系統(tǒng)進(jìn)行的課堂教學(xué)均含有實(shí)踐內(nèi)容，而進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前，參與試驗(yàn)的學(xué)生主要在傳統(tǒng)多媒體教室內(nèi)上課。因此，在三屏系統(tǒng)支持下的教學(xué)與以往的課堂形成了強(qiáng)烈對(duì)比，從而強(qiáng)化了學(xué)生對(duì)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的認(rèn)同和期待。

（3）三屏系統(tǒng)有助于提高學(xué)生的課堂注意力

在條件相同的情況下，學(xué)生注意力是否集中，對(duì)教學(xué)質(zhì)量有決定性影響。然而，注意力是一個(gè)受多種因素影響的心理特征，除了學(xué)生個(gè)人的心理、身理上的原因以外，注意力還受環(huán)境和教學(xué)方式的制約。學(xué)習(xí)環(huán)境混亂、嘈雜必然會(huì)顯著降低注意力，而教學(xué)內(nèi)容和方式不符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，也容易導(dǎo)致學(xué)生注意力分散。

在被問到“三屏系統(tǒng)是否提高了你的課堂注意力”時(shí)，28.6%的學(xué)生表示“提高明顯”，61.2%的學(xué)生表示“有提高”，兩者相加為89.8%。

我們認(rèn)為，之所以三屏系統(tǒng)能夠明顯提高學(xué)生的注意力，除了教學(xué)內(nèi)容以外，主要原因是改善了教學(xué)方式和教學(xué)環(huán)境。在教學(xué)方式的改善方面，基于三屏系統(tǒng)的互動(dòng)、比較、表現(xiàn)、競(jìng)爭(zhēng)等教學(xué)方法的運(yùn)用，因而有助于激發(fā)學(xué)習(xí)自主性，提高學(xué)生的注意力。

從機(jī)制上看，三屏系統(tǒng)具有更寬廣的視域（field of view），單位面積顯示的內(nèi)容減少（需要教師自覺利用這一優(yōu)點(diǎn)），已經(jīng)講解的內(nèi)容有更長(zhǎng)的停留時(shí)間，因此，學(xué)生的認(rèn)知心理負(fù)擔(dān)明顯降低。這一點(diǎn)也為調(diào)查所證實(shí)。在被問到“三屏系統(tǒng)是否看起來更輕松”時(shí)，77.6%的學(xué)生表示“確實(shí)更輕松”。

當(dāng)然，77.6%的比例似乎還不足以與89.8%的注意力提高率成正相關(guān)。但是，我們的另一項(xiàng)調(diào)查可以解釋其中的原因，在被問到“三屏系統(tǒng)是否會(huì)增加學(xué)生接收信息的負(fù)擔(dān)”時(shí)，盡管有65.3%的人表示不明顯，但表示“有增加”的為30.6%，表示“增加很多”的為4.1%，合計(jì)達(dá)到34.7%。這說明，盡管三屏系統(tǒng)改善了教學(xué)環(huán)境，但是總體上由于信息量加大、信息類型增多，學(xué)生接收信息的負(fù)擔(dān)會(huì)有所增加。顯然，在負(fù)擔(dān)加重的情況下，注意力會(huì)受到一定的影響。此外，在被問及“三屏系統(tǒng)是否會(huì)增加緊張感”時(shí)，盡管有55.1%的人表示“不明顯”，但還是有40.8%的學(xué)生表示“比單屏系統(tǒng)緊張”或“有點(diǎn)緊張”，4.1%表示“很緊張”，三者相加為44.9%，這個(gè)結(jié)果與對(duì)“接收負(fù)擔(dān)增加”的評(píng)價(jià)比較一致。

所以，三屏系統(tǒng)有助于提高學(xué)生的課堂注意力，但是，教師在利用系統(tǒng)的時(shí)候，需要適當(dāng)控制教學(xué)信息量，以便在提高注意力和增加學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)之間確定一個(gè)平衡點(diǎn)。

五、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由三個(gè)顯示屏構(gòu)成的多媒體教學(xué)支持平臺(tái)，包括教師主屏、教學(xué)輔助信息屏和學(xué)生桌面顯示屏。系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵是教學(xué)控制軟件，包括學(xué)生桌面捕獲與傳輸、教師計(jì)算機(jī)接收進(jìn)程、顯示進(jìn)程等。該系統(tǒng)不僅能同時(shí)顯示多屏畫面，便于學(xué)生觀察比較，而且具有顯示內(nèi)容的靈活切換等功能。實(shí)際應(yīng)用表明，三屏系統(tǒng)能夠顯著改善教學(xué)環(huán)境，有利于學(xué)生比較觀察教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生的課堂注意力，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)的積極性，最終顯著提高教學(xué)質(zhì)量。

當(dāng)然，在系統(tǒng)的應(yīng)用中，教師需要有意識(shí)地控制顯示信息量。此外，系統(tǒng)要求安裝三個(gè)投影儀和三塊常規(guī)顯示屏，成本上是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管如此，考慮到該系統(tǒng)帶來的好處，我們認(rèn)為整體效用仍然是較高的。

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（編輯：郭桂真）