基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統

【摘要】屏幕觸摸技術的快速發展使其在教育中的應用越來越多，而LCD大平板電視因具有亮度高、壽命長、對比度大等特點，也已逐步得到教育部門的認可。文章將觸摸技術與LCD大平板電視結合，開發了一套多屏組合的多媒體教學系統，以替代基于投影機技術的多媒體教學系統，解決了基于投影機技術的多媒體教學系統存在的壽命短、維護成本重、嚴重影響學生視力健康的弊端。同時，應用屏幕觸摸技術將教師從鼠標和鍵盤前面解放出來，充分應用肢體語言和板書技能進行教學，有效的提高了教學效果。

【關鍵詞】屏幕觸摸技術、LCD、多屏組合、多媒體教學

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)09—0035—05

一 問題的提出

隨著教育信息化的不斷推進，國家用于各類學校建設多媒體教學系統的經費也在不斷增加。但是，由于目前學校的多媒體教學系統顯示技術還是依賴于投影機技術，存在下列幾個明顯缺陷:

1 基于投影機技術的多媒體教學系統維護成本高，壽命短。雖然目前投影機價格明顯下降，但是，投影燈泡與顯像器件(液晶片或微鏡子片)的價格仍然居高不下，造成了多媒體教學系統建設越多，維護成本越重的困境。目前我國教學中至少有250萬臺投影機，每臺投影機的燈泡壽命為一年，如更新率為50%，假設每個燈泡更新費用為2500元，則每年用于更新投影機燈泡的消耗約31億(250萬臺×0.5×0.25萬元)元。在我國政府部門僅支付建設多媒體教學系統的費用，而維護和更新費用由學校自己解決，以一個學校平均擁有30間多媒體課室，一年更換一個燈泡計算(多媒體教學開展較好的學校，投影機使用頻率高，燈泡壽命不到一年)，燈泡一年消耗經費就達7.5萬元，4-5年后投影機就需要更換，經費仍由學校自己解決。所以，造成許多學校領導不敢大膽鼓勵教師使用多媒體系統教學，從而造成多媒體教學系統往往在一些學校成了擺設的現象。

2 基于投影機技術的多媒體教學系統嚴重影響學生視力。由于采用投影機顯示技術，當其亮度下降一半時，教室必須使用窗簾遮光、關閉課室全部或部分燈光等手段來降低環境亮度以提高屏幕顯示清晰度，而在此環境下屏幕與書本的亮度形成強烈反差，嚴重影響了學生的視力健康。

3 基于投影機技術的多媒體教學系統不支持屏幕觸摸技術。屏幕觸摸技術是當前信息技術教學的發展趨勢，是還原傳統板書教學技能，將教師從電腦前面解放出來的關鍵技術。雖然，有些多媒體系統配備了電子白板，促進了師生板書中的交互，但是這種交互范圍顯然有限。

二 基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統

1 系統的設計思想

基于紅外線觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統通過軟件技術將兩個(或四個)50-60英寸平板電視組成一個集多屏、分屏、單屏等顯示模式的多媒體教學系統。在多屏顯示器中選擇一個或兩個屏幕嵌入橫列掃描式紅外線檢測設備，通過集課堂多媒體教學和教學資源管理融為一體的交互的教與學系統，實現課堂教學中直接屏幕觸摸操控、電子板書、電子教案與知識大綱同步顯示、重難點知識強調并推送到它屏放大、視頻或動畫播放與文字顯示、屏幕注釋、電子板書同時進行等教學手段。本系統徹底改變了傳統多媒體教學系統的知識顯示模式，清晰展示整個教學過程的知識脈絡，有效增強多感官刺激，顯著提高課堂教學效果。同時，采用多屏組合，為立體化、數字化多媒體教學提供了一個嶄新的教學系統。

2 系統的主要特點

(1)系統壽命長，維護成本低，有效保護學生的視力。近年來，由于LCD大平板技術迅猛發展，加之其采用屏體自身發光成像顯示技術，具有亮度高、壽命長、對比度大、不受空間影響(塵埃)等特點，已逐步得到教育部門的認可，并在多媒體教學系統中得到推廣應用，不僅解決了基于投影機技術的多媒體教學系統中存在的燈泡更新成本高的問題，而且有效保護學生視力。

(2)應用大屏幕觸摸技術，增強課堂教學的互動性。屏幕觸摸技術雖然是近年來發展起來的新技術，但是發展迅猛，第五代觸摸屏打破聲波屏、電阻屏、電容屏、紅外屏幾分天下的格局，并在教育中得到了迅速的推廣應用。特別是近年來多點觸摸技術的興起，為多媒體教學帶來革命性的改革，使傳統的板書技能、學生在大屏幕上書寫成為可能。正因如此，在大屏幕LCD平板電視中嵌入紅外線觸摸設備，構建新一代的多媒體教學系統，大大增強了教學的互動性，并成為今后多媒體教學系統的發展趨勢。

(3)多屏組合，多區域顯示教學資源。本系統應用軟件實現多屏幕組合，通過系統開發的課堂教學軟件，進行雙屏或多屏組合，將課堂教學知識導航、知識詳細內容以及流媒體課件分別使用不同的屏幕或區域同步顯示，構建了多屏幕、分區域顯示模式，知識大綱、知識詳解、動態可視流資源等各自一個顯示區域(窗口)，脈絡清晰，有效提高教學效果。

(4)融課堂教學、學生自主學習和資源管理為一體。系統可以將教師課堂教學過程演繹的信息記錄在課堂教學平臺中，學生課后可以利用該平臺自由復習、瀏覽教師所講的課堂內容，猶如再一次聆聽教師的教學過程。

(5)LCD大屏幕電視在教育應用是發展的趨勢

隨著LCD技術的迅速發展，當前70英寸以下的LCD大屏的價格下降趨勢明顯，據美國專業市場調查公司DisplaySearch最新統計顯示，價格大幅下滑促使去年液晶電視高速成長，去年液晶電視平均售價下滑24%，遠超以往記錄。該機構預計今年液晶電視平均價格將下滑5%[1]。按照該趨勢，預計今年內65英寸以下LCD大平板電視價格將會降到2.5萬元以下，明年可能降到2萬元以下。所以，大屏幕的LCD電視將是今后多媒體顯示的發展趨勢。

三 基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統的組成結構

依據系統的設計思想，基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統主要由系統的支撐硬件和課堂教學平臺組成，其結構如圖1所示:

由圖可以看出，基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統由以下硬件和軟件構成:

1 硬件構成:

課室教學系統配備

(1)LCD大屏幕電視

(2)紅外線觸摸系統

(3)教師電腦

(4)多屏顯示驅動接口

(5)顯示設備支持機架

輔助系統配備

(1)無線接入設備和服務器

(2)移動學習設備(具有無線接入的筆記本、PDA)

2 系統軟件平臺構成:

(1)智能式多屏顯示管理平臺

(2)“傻瓜式”備課平臺

(3)課堂教學平臺

(4)網絡教學服務平臺(包括教學資源管理和在線測評)

四 基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統的主要功能

1 智能多屏顯示管理功能

為了實現教師所講的知識綱要始終保留在屏幕上，而又不影響多媒體文件同步顯示，從而有利于學生聽課時易于了解知識前后聯系，融會貫通。本研究采用多屏顯示技術，實現多屏幕環境中的獨立，組合，合屏等顯示模式。系統使用一個屏幕(主屏)來始終顯示本節課的知識綱要，而使用另外一個屏幕(副屏)以超鏈接的形式來顯示與知識點相關的PPT、視頻、動畫等課件，從而克服了傳統單屏多媒體教學系統中課件逐屏顯示，前后無法照應的不足。多屏顯示的關鍵是各屏之間可以進行多種模式的顯示，所以本系統的研究著重在于開發一套使用方便、性能穩定的軟件平臺。主要解決下列關鍵問題:

(1)支撐多屏多模式教學資源顯示框架。根據教學需要，教師可以將各種形式的教學資源，隨意拖到一個顯示屏里。

(2)每個顯示區域能自動識別顯示內容的多少，并根據教學顯示的字符量、距離與清晰度等原則設定顯示頁面和頁面數。良好的多屏多模式的顯示仿真功能，可以在單屏顯示環境下模擬雙屏顯示的實際效果。

(3)屏幕觸摸與板書系統。

2 備課功能

教師進行電子教案備課時，可根據教學內容，簡單、方便、快捷的安排知識結構，并根據媒體選擇理論，科學、合理的組織各種媒體文件，形成知識導航條，使學生對知識脈絡有整體把握。教師在備課時只需將知識綱要和重難點知識整理成word文檔，導入多媒體教學系統的課堂教學管理平臺，使用簡單的點擊操作，就可形成與之相關聯的知識綱要導航條，然后將PPT、多媒體課件、flash動畫等教學資源(課件)鏈入到對應的導航條，即可完成備課。

3 授課功能

(1)教師手寫板書和注釋。利用屏幕觸摸技術，教師可以像使用傳統板書一樣對各種顯示文件進行疊加式注釋，疊加式圖示講解。

(2)重難點知識強調演示。在講授過程中，教師根據教學需要，可將重難點知識，通過強調功能將其放大并推送至副屏顯示。

(3)動態數據、信息放大強調展示。隨著信息化的應用，許多專業和學科在教學中需要運行應用軟件和程序。由于運行的動態信息字符很小，學生無法看清楚，本系統中可使用動態放大功能，將運行中的小字符信息放大，并推送到副屏，清晰地展示在屏幕上。

(4)教學過程中形成的課件、注釋與交互信息的存儲和管理。教師在教學過程中對重難點知識的注釋，對學生板書作答的批注都可以錄制成教學資源存儲到服務器中供學生下載。

(5)課堂教學過程中重難點知識的回顧。為了幫助老師對本次課堂重點內容的復習，系統可以將教學中強調演示的內容，通過一個簡單的翻頁鍵，重現在副屏上。

(6)多媒體顯示。由于傳統的多媒體系統采用一個顯示屏，在多媒體顯示中只能顯示一個媒體流，不利于教學。本系統采用兩個(或多個，根據用戶需要)屏幕流，與知識點關聯的多媒體課件在副屏顯示，授課大綱及知識內容在主屏顯示，保證了展示的文字知識內容與多媒體課件同步顯示，增加了教學效果。

(7)主副屏互相切換。為加強教學效果，方便教師展示教學信息，系統設計了雙屏顯示內容互換功能，以便于教師在講授的過程中，根據實際進行主副屏內容相互切換，強化教學效果。

4 交互功能

“學習主要是通過學習者的參與行為實現的”，而投影儀、顯示器等展示型的數字化媒體卻無法有效吸引學生積極參與教學過程。因此，必須有一種新的、建立在為學生創設更多參與機會的認知技術和環境。而近年來便攜式個人無線網絡技術的發展就提供了這樣的支持，促使新的個人計算設備迅速進入數字化學習領域，成為新的數字化學具， 包括手機、筆記本電腦、平板式電腦( Tablet PC) 和掌上電腦 ( Personal Digital Assistant PDA) 等， 并在數字化學習領域引發了諸如移動學習、 泛在學習等新的學習變革[2]。本研究將無線通訊和無線網絡技術應用于多媒體課堂教學交互中，開發了在線測評和實時討論兩個功能模塊。

(1)在線測評功能模塊用于課堂隨時測評，包括試卷導入、編輯、點評、分析;學生信息查詢，成績走向分析等功能。

(2)實時討論功能模塊用于師生課堂群體性討論，教師可以選擇班級，設置主題，查看信息;學生可以使用手機、PDA、筆記本電腦等發送信息，提出問題，參與討論。所有交互的信息可以及時顯示在指定的屏幕上。考慮到移動工具的界面特點要求課程內容精煉簡潔[3] ，系統為手機和電腦用戶設計了不同的在線測評和實時討論界面，提高了用戶與媒體之間的交互性。

此外，基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統優良的交互性還體現在引入了手寫和屏幕觸摸技術，使教師在教學過程中不再受限于鼠標和鍵盤操作，擴大了活動范圍，有利于教師身體語言信息的傳遞和師生情感交流。

5 教學資源存儲和管理功能

系統開發了資源服務平臺，具有課件的上傳，下載，管理;新聞發布;互動學習社區等功能。此外，在教學過程中可以將講授內容記錄下來，除了傳送到資源服務平臺存儲起來作為學習資源外，更重要的是教師在課程結束時可以逐一回放重點強調的知識，進一步明確課程重點，強化學生的認知。同時，為了幫助學生課后復習，系統可以將教師課堂講授內容和注釋軌跡錄制下來，刻成光盤給學生帶回家溫習。

五 基于觸摸技術的LCD多屏組合多媒體教學系統的創新點

本系統使用軟件技術實現多屏幕組合顯示，真正達到立體化教學;使用多屏顯示技術，實現各種多媒體教學資源同步顯示;利用觸摸技術，師生可以在屏幕上方便地操作和書寫;利用無線網絡技術，實現課堂實時群發信息互動，引領教學上的革命，具有以下創新點:

1 使用LCD多屏幕組合顯示，更適合課堂知識呈現

硬件多屏組合技術已經很成熟了，但是采用計算機軟件技術進行多屏幕、多模式組合顯示是近年來隨著計算機技術發展才逐步得以研究推廣和應用。本研究中設計雙屏顯示，不僅可以增大知識展示屏幕，更重要的是將課堂教學中需要展示的知識分三個區域顯示，如圖2所示:

(1)知識綱要導航窗口

知識綱要導航窗口主要用于顯示導航條，將要講述的知識點與知識詳細描述內容、多媒體課件、動畫等連接起來，方便教師在課堂教學中根據需要順序點擊或隨機點擊播放。由于這部分需要展示的是文字，且字符不多，所以只需在屏幕開一個豎條區域即可。

(2)知識內容詳細描述窗口

知識的詳述內容較多，而我國市場的LCD平板電視其比例多為16:9。所以，該部分的展示窗口與知識綱要導航窗口位于同一屏幕，正常情況下，內容詳細描述窗口占屏幕的2/3，教師可根據需要通過拖拽操作設置兩邊窗口大小。系統在該屏幕里安裝了一個嵌入式紅外線觸摸裝置，實現觸摸操控、板書等功能。

(3)PPT教案、多媒體課件和動畫顯示窗口

此窗口采用一個獨立屏幕。備課時如果在知識綱要導航條中鏈接了PPT教案、多媒體課件和動畫等，教學時點擊對應導航條，相應的課件就會在該屏幕播放，而文字解釋內容還將保留在知識內容詳細描述窗口中，便于學生整體把握知識結構。

此外，教師在授課過程中，可使用系統提供的放大工具將詳細解釋內容中比較重要的知識，放大并推送到該屏顯示;同時，對于網頁中的教學資源，教師也可以使用系統提供的截圖工具進行同樣的操作。

2 使用壽命長，教學環境影響少，有效保護學生視力。

由于LCD顯示器壽命長，有效顯示時間6萬小時以上，是投影機燈泡的40多倍，學校無需為每個學期燈泡更換費用發愁，大大降低了系統維護成本，避免了多媒體教學系統敢建設，不敢使用的困擾，有效促進了教學信息化的應用;此外，更重要的是，其顯示采用屏體自身發光成像技術，亮度好、清晰度高、無需遮光，保證了課室光照的自然環境，使學生視力得到有效保護，提高學生的健康水平。

3 真正實現立體化、多媒體教與學

多屏組合的多媒體系統不是純粹的硬件系統，它是一個軟、硬件結合的課堂教學工具，它不僅集知識綱要導航，電子板書、多媒體課件同步播放于一體，而且支持動態觀看、知識搜索，板書回答等。同時，還可以利用筆記本電腦等移動學習工具，通過無線網絡進行群體交流、在線測試、課堂練習等，是一個真正實現立體化、多媒體教與學的系統。

4 創立新一代多媒體教學模式

(1)使用多屏組合顯示技術，實現了電子教案與聲音，視頻，動畫等同步顯示，使學生既可以從整體上把握知識脈絡，又可以通過不同感官刺激學習。

(2)師生課堂群體性交互和交互信息實時顯示。個人無線網絡通訊技術的應用，使每個學生都有機會利用手機、筆記本電腦等在課堂教學中及時發表自己的想法和見解，實現真正意義上的師生群體性交互。而交互信息的實時顯示有利于教師全面掌握每個學生的情況，及時調整教學策略。

(3)傳統的優良教學技能得到發揚

系統使用紅外線屏幕觸摸技術，教師在課堂教學中根據教學需要隨時進行板書、注釋。此外，也可以根據需要請學生到屏幕前用板書作答，提高了教學過程的交互性。

(4)教學過程信息存儲和重播

教學過程自動記錄、存儲，形成優質的學習資源，方便學生課后溫習。

5 一體兩用

由于系統由多個顯示屏組成，因此需要一個“設計科學，既滿足多屏穩固結合，靈活使用，又要滿足傳統教學技能應用”的結構支撐機架。機架主要由合金屬材料組成，可以上下或左右自由活動，既可以保護顯示屏幕，也可以作為傳統教學白板(黑板)使用。

六 結束語

隨著教育信息化不斷推進，越來越多的教室會配置多媒體教學系統，其比例將逐年增大，以致多媒體教學系統最終發展成為課室必備的系統。而配置基于投影機的多媒體教學系統越多，維護成本就越重，阻礙了教育信息化的發展。與此同時，隨著顯示技術的發展，基于LCD、OLED等技術的大屏幕電視價格將會呈直線型下降，其取代投影機技術已是大勢所趨。因此，用發展的眼光、創新教育的思維開發出交互性強、滿足立體化教學需求的新一代多媒體教學系統，是適應現代教育發展的需要。

參考文獻

[1] 今年液晶電視均價預計下滑5%[EB/OL].

[2] 祝智庭，胡海明.全球人人電腦運動與學習革命新浪潮[J].中國電化教育，2007，(07):1-4.

[3] 顧小清，顧鳳佳.微型學習策略:設計移動學習[J].中國電化教育，2008，(03):17-21.