移動演示平臺開發(fā)和串行認知過程分析

何志毅， 郭 瀚， 王衛(wèi)東， 陳冬梅

(桂林電子科技大學 信息與通信學院, 廣西 桂林 541004)

幻燈演示在課堂教學中具有圖文信息輸出速度快和知識吞吐量大的特點，提高了教師授課的效率。不過長期以來其優(yōu)缺點一直存在著爭議[1]?，F在各種技術手段和教學方法不斷豐富和改善，逐漸彌補其在客觀上的不足，主要是信息量過大、不斷翻頁，造成學生難以像板書那樣跟隨老師的筆跡思考，而前頁的信息又無緩存無法前后聯系等缺點[2]。隨著大尺寸液晶屏的成本降低和觸摸屏技術的應用，出現了一體機和電子白板等各種教學產品，并被教師們合理地用于教學中[3]，以及無線投影儀的使用[4]都逐漸克服了過去單調PPT演示的缺點。

要把日益豐富的各種教學硬件設備合理充分地發(fā)揮其作用，需要建立一個智能化控制的互動教學體制，由此逐漸形成智慧教室的概念。從這些概念到使用的情況[5-7]來看，它應該具有以下四大基本特征：1)充分的多媒體教學手段。這是構成智慧教室的技術基礎，包括硬件設備和軟件方法的靈活運用；2)智能化。不僅是教師有播放幻燈演示用的計算機，每位學生也要具有智能化設備進行信息的處理、交流和顯示；3)網絡化。師生手中的智能設備需要交流就應建立一個網絡互相連接起來，當然在一個教室中采用無線局域網是最便捷的, 也包括各種多媒體設備都能夠在這個局域網中進行信息傳輸；4)交互性。信息流不是教師-學生的單向傳輸，而是師生之間的雙向乃至學生之間的多向傳輸。由此可見，要是上課學生人手一臺計算機的話,成本也是很高的，尚不說組網和軟件的開銷。

早期試圖通過技術手段來解決多媒體教學所存在的問題[2]，由于過去相關硬件設備技術條件的限制，直到近年來才形成一個功能較為豐富又切實可行的合理技術方案[8]。即利用現有的移動智能設備與演示端PC進行無線通信和可視化的控制，實現圖文傳輸以在兩端同步顯示幻燈界面，可在移動終端進行標注畫圖和手寫，將教師從講臺和電腦的束縛解放出來充分地與學生近距離交流，且對PPT操作遠比遙控激光筆甚至在本機操作的功能(如局部放大)豐富和方便。經過反復教學實踐和反饋進一步完善該系統，在當前建設智慧教室的發(fā)展趨勢下提供一個軟件技術方案，展示該系統實際應用的教學效果。

1 計算機幻燈演示中學習過程的心理學分析

智慧教室必須以足夠豐富的多媒體教學手段為基礎而建立起來，雖然關于多媒體技術對教學效果的改善早已經過教學實踐驗證并大量地報道。但相關理論依據的深入分析并不多見，為什么多媒體教學可以提高效率，同時又遭到很多學生的不滿[1]，也遭到很多老教師的反感？并非完全是部分教師主觀上的原因，如果結合認知心理學的理論來分析為什么多媒體能夠有益于教學，也就可以知道客觀上什么情況又不利于教學。從一般心理學角度來解釋，注意力容易向有變化的目標轉移。一般所了解計算機演示的優(yōu)點在于，圖文并茂并可插入動畫和視頻等豐富的內容和表現形式，這些特征可以吸引學生的注意，能否形成長時間的專注和興趣、以及讓學生滿意地獲取知識還是取決于教師對它合理的運用。

進一步分析幻燈演示與板書的區(qū)別，前者是一鍵顯示，也不便于手寫畫圖即興發(fā)揮，后者的一筆一畫雖然較慢，但可順序地表現教師的思維過程。與計算機一樣，認知心理學認為人的大腦信息輸入和加工過程也可分為并行與串行2種方式[9-11]，對于形狀圖案這些形象信息可以并行地被視覺采集和進行識別記憶等處理，或來自不同感官的刺激都可獨立地采集和處理，如并行地利用視覺和聽覺采集信息可同時觀看視頻和聽懂音頻。多媒體教學就是利用了人類感知的可并行輸入機能提高教學效率。但是單獨對于語言信息的采集和理解，則是以時間順序的串行方式為主。如果PPT頁面一整屏地出現，學習者需要將字符排列的空間順序轉換為時序，由聽課變成了“讀課”，讀屏幕實際上比讀書本還難，因為走馬燈似的幻燈翻頁讓“觀眾”無法像書本來樣前后聯系以掃描方式閱讀。當然對于圖形的觀察和理解影響不大，因為它本來就可以通過視覺并行輸入和處理，這時省去了現場畫圖的時間。也有的圖需要按照工作原理過程逐步顯示，這時可采用動畫顯示，則解決了大腦部分需要串行輸入信息的需求。

2 新型教學多媒體技術應用

隨著信息技術的發(fā)展，大量性價比的信息設備和模塊產品使得多媒體教學方式真正多了起來，以下僅僅是常見的已經或正在走入教室的幾種相關技術介紹。層出不窮可用于多媒體教學的技術產品越來越多地出現，在了解其基本技術原理才能合理地選擇和運用。

1)電子白板和一體機。投影儀作為傳統教學多媒體基礎設備，不像板書那樣幻燈翻頁之間沒有過渡和緩存，所以投影與黑板結合是一種常用的方法，不過這種組合用起來也經常有不便之處，因為它們分別需要弱光和強光照明環(huán)境。投影與電子白板相結合則是最佳組合。電子白板通過對手寫電子筆的精確定位，一般利用短焦投影顯示筆尖畫線痕跡，可迅速擦除，書寫可達到黑板的感覺和效果。另外隨著大屏幕液晶屏性價比的迅速提高，帶有觸摸屏的教學一體機也可用于小型教室中取代投影儀，同時自帶手寫軟件兼?zhèn)潆娮影装骞δ躘12]。

2)觸摸屏。各種智能設備標配之一的觸摸屏之所以操作方便，是因為用戶輸入與終端信息輸出的顯示空間位置重合，與傳統的輸入設備鍵盤鼠標和觸控板相比完全是可視化操作，改善了人機交互界面。目前廣泛應用的為電容屏，通過檢測手指與觸屏4個邊角耦合電容的交流電流大小定位觸碰點，支持輕觸和多點觸碰，使用方便；電磁屏依靠其行列電極作為天線接收電磁筆窄束發(fā)射的電磁信號，高分辨率的精準觸碰定位適合于書寫繪畫；紅外屏則應用到一體機和電子白板這樣的大屏幕上。定位更精確的光電式電子白板，通過2個放置在觸摸屏相鄰邊角上的線陣CCD[13]，連續(xù)不斷地捕捉觸摸表面上的觸摸物體移動變化來準確定位。

3)智能移動設備。智能手機出現以前，PDA(個人數字助理)就已經用于課堂教學，從而智慧教室的概念就開始形成[5]。但這種設備普及率不高，智能手機和平板電腦普及使它們于教室課堂的條件完全成熟。它們的通信功能則可用于課堂中的交流和即時反饋，為什么面對面的課堂上還需要這些移動設備來交流？一是很多學生羞于口頭提問；二是提問或反饋可以不中斷教師講解，教師可保存問題在課堂中選擇一個適當的時間當堂解決，而不是到了考試的時候才知道問題很多[14]。

4)鏡像同屏無線投影。將移動智能顯示畫面鏡像無線傳輸到投影屏幕或一體機大屏幕上，不像遙控激光筆僅有的翻頁作用，教師脫離了講臺束縛的同時還能在本機上全功能操作，可與學生面對面近距離地交流，如蘋果公司的AirPlay無線模塊可方便地將iPad的畫面快速鏡像到投影屏幕上[15]，微軟公司也推出其Micracast產品將平板式的PC機與投影儀無線連接[4]。無線投影的另一種方法就是在安裝Android系統的智能投影儀提供的同屏軟件，與連接在同一無線路由器下的手持設備連接并同屏顯示，當然比專用的無線模塊速度稍慢。由于要不斷地壓縮和傳輸屏幕圖像，同屏消耗較大的數據處理和傳輸資源。蘋果公司設計了另外一款軟件“Explain Everything”用于計算機演示，避免了同屏傳輸的資源消耗，需要將演示文稿轉換為pdf文檔。

3 移動交互式教學軟件平臺開發(fā)及應用

多媒體的教學手段也包括軟件的運用，如各種CAD軟件在電腦上實時運行和顯示，科學仿真計算乃至虛擬現實的視覺環(huán)境，遠比單一的幻燈演示豐富多彩并用起來得心應手。當然最基本和常用的軟件平臺還是PPT軟件，如果各種多媒體軟件能夠互相嵌入，使用和切換起來就比較方便。另外還出于資金條件的考慮和多媒體硬件設備普及的困難，開發(fā)一套基于PPT演示的交互式無線教學軟件平臺，可兼?zhèn)浯蟛糠中滦投嗝襟w設備的功能，也有這些設備所沒有的如局部放大和滾動等特點，作為當前多媒體智慧教室建設的一個選擇方案。

3.1 移動交互式演示

根據當前智慧教室發(fā)展方向之一交互性的需求，在原來利用安卓設備的單一PPT可視化無線控控制端的基礎上[8]，進一步開發(fā)了在該平臺的學生版App，使得學生在自己的手機或平板電腦等智能移動設備上安裝該軟件后，也能在同一個WLAN中與作為服務端連接投影儀的PC機連接，如圖1所示，在教師的控制下進行通信，可以實時地匿名發(fā)送各自的問題顯示到投影屏幕和教師主控端移動設備上，教師可以親自解答，也可由課堂輔導教師或其他同學仍以文字信息回復這些問題而不中斷授課。這樣在以教師為中心和學生為中心的授課方式之間找到一個合適的平衡點，達到交互性的要求同時保持較高的授課效率。移動App基于安卓設備的開發(fā)，一是考慮安卓手機較低的價格和更高的使用普及率；二是隨著方案的成熟與推廣也可進一步考慮IOS移動設備上的應用開發(fā)。

這個網絡交互平臺還解決了幻燈演示翻頁前頁內容不能緩存的問題，幻燈頁面可以圖片的形式發(fā)送到每個客戶端移動設備并顯示出來，學生版軟件可以在自己的屏幕上看到幻燈頁面，可以選擇跟隨教師的翻頁進度同步顯示，也可選擇獨自瀏覽，這樣把每個學生現有的設備資源。不過是否防止學生借此機會在課堂上玩手機，一方面課堂的交互性增強也會改善學生的自覺性，另一方面由于教師在移動控制中也便于近距離觀察，再一方面學生是否認真聽課與能不能玩手機也沒有必然的關系，也不能因噎廢食。由于幻燈頁面以圖片形式保存在學生的手機中，課后學生還可離線瀏覽復習，隨時隨地充分利用碎片時間，把手機變?yōu)閷W習工具。

圖1 交互式計算機演示平臺示意圖

對于課堂上在教室中近距離的通信，采用無線局域網(WLAN)連接是最有效和最可靠的方法。一般需要連接幾十到上個百客戶端，用一個普通無線路由器連接到十個終端的時候，操作時響應就變得遲滯不穩(wěn)定了，采用容量較大的無線AP后就解決了這一問題。低成本的無線路由器連接幾個終端可用于小班輔導，無需幾個師生擠到一個電腦屏幕上還不能全看清楚。

3.2 移動展臺的多種運用方法

實物視頻展臺也是非常有效的多媒體教學手段之一，它利用攝像頭采集到的視頻圖像實時顯示到大屏幕中，在課堂上可以清晰地展示小尺寸實物、批注書本和作業(yè)[16]，使教室中所有學生無論遠近都可觀看清晰，例如做演示實驗就不需要圍觀都能看到，大大增強了授課的生動性。很多教室的多媒體講臺還配有專用的展示臺，但往往積滿灰塵，并不經常用甚至根本沒有過，這是因為軟硬件操作起來比較麻煩。在PPT無線控制的安卓程序中嵌入一個視頻預覽界面，打開安卓設備的攝像頭后，觸碰視頻預覽范圍即可拍照進行壓縮處理，直接把高分辨率jpeg圖像傳送到連接投影儀的PC機，并將幻燈片切換到圖片全屏顯示，設置自動對焦和自動閃光燈，可選擇單次拍攝和持續(xù)連拍(約每秒鐘采集和傳送1張圖片)。如圖2所示是對學生課堂練習拍照后無線傳到大屏幕上顯示、并馬上在觸摸屏上批注點評的現場。

圖2 移動圖像展臺的實時顯示

這種現場拍照-實時傳輸與顯示的移動展臺還可拓展到更多的應用。如前所述，計算機幻燈演示的缺點之一就是不能像板書一筆一劃、逐字逐句地把重點內容寫出來，這種過程非常適合認知心理學所認為需要串行輸入的知識傳授，這些就是那些難以用形象的圖示，而只能用語言和字符表達的抽象知識，語言就是一種以時序來表示的串行信號[9,11]。如果PPT幻燈演示能同時具備書寫功能，這一缺點就能得到克服。為此可在控制端的安卓設備觸摸屏上手寫然后映射到投影屏幕上[8]，并采用了特別適合于觸屏書寫的電磁觸摸屏和電磁筆，可以寫出簡單的字句和公式、畫圖等，不過在觸屏上的書法還是不能像板書那樣流暢自然和美觀。有了本系統的移動展臺，可在紙上書寫的同時連續(xù)拍照傳到PC機在大屏幕上連續(xù)顯示，這樣接近于連續(xù)的板書過程，在紙上寫肯定比在黑板或白板上寫還方便，如圖3所示。

圖3 連拍下的紙上書寫顯示

如果經常采用PPT的動畫功能可以清晰地演示一個過程，這對于學習者的理解是有幫助的。這樣將二維的幻燈圖片也分解成較小信息單位、逐個彈出圖文區(qū)塊的顯示方式，似乎也符合串行認知心理過程[9]，但依舊不能完全取代板書。如果這種方式運用不好反而像是在擠牙膏，同樣也不好接受。問題出自它與板書的區(qū)別在于信息源的不同，雖然板書也是逐字寫逐筆畫，但信息源自教師的大腦，也很容易適應學生的大腦接受；而幻燈演示的動畫即使也是逐字顯示，原始信息來自屏幕，很容易未經教師大腦加工直接通過教師口頭機械地轉發(fā)給學生，所以有時候也難于理解。利用以上自行開發(fā)的移動智能設備與投影計算機無線連接方案，在觸摸屏上方便地做一些標識繪圖，或利用移動視頻展臺將手寫圖文實時顯示在屏幕上，則兼?zhèn)淞送队帮@示的高效和板書易于理解與接受的優(yōu)點，無需師生注意力在投影屏幕和黑板間頻繁轉移。

4 結束語

在當前多媒體智慧教室的建設和發(fā)展趨勢下，日益豐富的各種新型多媒體技術進入到教室中，這些技術和相關設備具備各自特有的功能和優(yōu)越性能。提供了一種PPT幻燈演示和Wi-Fi環(huán)境下的智能化軟件平臺，可以在安卓移動設備上通過無線連接對PC機上的PPT運行進行可視化的智能控制，同時學生利用手頭的安卓移動設備亦可接入WLAN，同步顯示或異步瀏覽幻燈圖片，實時提問反饋疑難信息到教師的PC機和控制端。在理論上解釋了認知過程對板書的需要，它符合學習者對語言所表達知識的串行輸入/輸出的信息感知規(guī)律。本系統也具有拍照并實時傳輸和顯示圖像的移動展臺功能，是一個高性價比、涵蓋多種多媒體教學手段的智慧教室軟件解決方案。