基于分組式教學(xué)的高清多媒體實(shí)驗(yàn)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(jì)管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心圍繞分組式教學(xué)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，采用先進(jìn)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(shí)驗(yàn)室。該文闡述了其建設(shè)方案要點(diǎn)，對(duì)其中的成果和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，對(duì)高校開展多媒體實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)

[中圖分類號(hào)]G40-057[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[論文編號(hào)]1009-8097(2012)01-0059-05

重慶理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(以下簡(jiǎn)稱經(jīng)管中心)是由該校的工商、經(jīng)貿(mào)、會(huì)計(jì)三個(gè)二級(jí)學(xué)院院屬實(shí)驗(yàn)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(jì)管理類專業(yè)唯一的實(shí)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(shí)驗(yàn)室、財(cái)會(huì)實(shí)驗(yàn)室、沙盤實(shí)驗(yàn)室、物流實(shí)驗(yàn)室、綜合設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)室、創(chuàng)業(yè)孵化室等多個(gè)專業(yè)性功能實(shí)驗(yàn)室，取得了大量的教學(xué)科研成果，于2008年被評(píng)為重慶市市級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(省部級(jí))。

近年來，伴隨著招生規(guī)模日益擴(kuò)大，實(shí)驗(yàn)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(gè)多媒體實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)45人以內(nèi)的單班級(jí)開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)。

一、基本建設(shè)目標(biāo)

1.全力打造滿足分組式教學(xué)需要的多媒體實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

隨著大學(xué)生越來越嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)，以及社會(huì)發(fā)展對(duì)高素質(zhì)人才的迫切需求，高校教育越來越重視對(duì)大學(xué)生的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作精神、協(xié)同競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的培養(yǎng)和鍛煉。廣大的師生在實(shí)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(gè)體式的教學(xué)方法，將以往的由每個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成相同題目的實(shí)踐方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生科學(xué)合理的分成多個(gè)小組，以小組為單位進(jìn)行一個(gè)較為綜合的作品設(shè)計(jì)，每個(gè)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(duì)學(xué)生全面培養(yǎng)的傳統(tǒng)模式，強(qiáng)調(diào)大學(xué)教育從講授知識(shí)向?qū)W習(xí)知識(shí)轉(zhuǎn)化，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮每個(gè)學(xué)生自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)的主動(dòng)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(shí)驗(yàn)室建設(shè)的第一目標(biāo)，就是采用先進(jìn)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(diǎn)的多媒體實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

2.建設(shè)跨房間的合班教學(xué)多媒體實(shí)驗(yàn)室。

大學(xué)教育與小學(xué)、初中、高中教育的一個(gè)不同之處在于，大學(xué)教育中經(jīng)常采用合班制的方式進(jìn)行教學(xué)，即同一個(gè)教師同時(shí)給兩個(gè)班級(jí)的學(xué)生授課。合班制教學(xué)方式由于在單位時(shí)間內(nèi)授課的學(xué)生人數(shù)成倍增加，同時(shí)其教學(xué)效果也基本不受影響，所以，其對(duì)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(chǎng)地介紹中可以看出，本次多媒體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)場(chǎng)地為兩個(gè)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(shí)的情況對(duì)于合班的實(shí)踐教學(xué)而言造成了幾乎無法逾越的障礙。本次多媒體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的第二個(gè)目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)兩個(gè)房間的聯(lián)合控制與協(xié)調(diào)管理，使多媒體實(shí)驗(yàn)室無論是單班還是合班均能靈活使用。

3.大力提升整個(gè)多媒體實(shí)驗(yàn)室的實(shí)用性和易用性。

多媒體技術(shù)是指把文字、聲音、圖像、動(dòng)畫等多種媒體的信息通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，集成具有交互性系統(tǒng)的一種技術(shù)。其在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)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(shí)用性和易用性有著密切的聯(lián)系。有鑒于此，本次多媒體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的第三個(gè)目標(biāo)，就是專門針對(duì)多媒體實(shí)驗(yàn)室的實(shí)用性和易用性，進(jìn)行深入的思考與分析，做出整體設(shè)計(jì)。為了有效地開展工作，我們進(jìn)一步界定了這一目標(biāo)的具體內(nèi)涵，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)高清晰度的視覺效果。包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，其一是能提供顯示高清數(shù)字信號(hào)的手段和方法，即顯示畫質(zhì)達(dá)到1080P，分辨率達(dá)到l920×1080；其二是能提供對(duì)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(jì)算機(jī)發(fā)出的聲音，均能通過音響系統(tǒng)，在整個(gè)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(gè)方面。

(4)高自由度的操控使用。包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，其一是將多媒體實(shí)驗(yàn)室的主要設(shè)備進(jìn)行集成，采用良好的人機(jī)交互界面，使實(shí)驗(yàn)室的使用方便快捷；其二是采用成熟的無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的移動(dòng)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(gè)較大的液晶顯示墻，其可以實(shí)現(xiàn)以下的功能：

(1)獨(dú)立顯示多個(gè)畫面。每塊液晶顯示屏均可以獨(dú)立顯示一個(gè)畫面。

(2)整體顯示一個(gè)畫面。所有的液晶顯示屏組合成為一個(gè)整體，顯示一個(gè)畫面。

(3)組合顯示多個(gè)畫面。將全部液晶顯示屏組合后，重新進(jìn)行劃分，形成M×N個(gè)獨(dú)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(hào)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(shí)驗(yàn)中多個(gè)小組的作品在同一時(shí)間、同一個(gè)平面上進(jìn)行高清畫質(zhì)的展示，非常便于教師和學(xué)生進(jìn)行一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)多的對(duì)比、分析和點(diǎn)評(píng)，使分組式教學(xué)的實(shí)際效果有質(zhì)的飛躍。

2.采用投影機(jī)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(jià)格對(duì)建設(shè)資金提出了很高的要求，而且其尺寸越大，價(jià)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(duì)于單班實(shí)驗(yàn)室而言，120寸是顯示單一作品最理想的大小。為實(shí)現(xiàn)這一功能，我們采用高亮度的投影機(jī)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(bǔ)充，分別從大尺度畫面和高清畫質(zhì)兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)入手，共同構(gòu)建多媒體實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)室的實(shí)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(jìn)一步提高多媒體的效果，突顯其實(shí)用性、易用性方面。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)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(jìn)的

音響系統(tǒng)來確保實(shí)驗(yàn)室的聲音效果(包括計(jì)算機(jī)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(tái)等。

(2)無線便捷的交互方式。包括三個(gè)方面，首先是采用無線接收器和無線話筒等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生的發(fā)言以無線的方式進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)教師計(jì)算機(jī)與學(xué)生計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)中央控制和靈活使用。

本次多媒體實(shí)驗(yàn)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(shí)間內(nèi)讓廣大的授課教師掌握并靈活使用，必將會(huì)大大降低教師使用多媒體實(shí)驗(yàn)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(tái)完成，包括各種設(shè)備的控制信號(hào)傳輸、VGA矩陣和液晶拼接器的聯(lián)動(dòng)等；前臺(tái)則采用液晶觸摸屏提供一個(gè)簡(jiǎn)單、友好的人機(jī)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(shí)驗(yàn)室的使用。

三、主要實(shí)施方案

本次多媒體實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案具體實(shí)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(shí)現(xiàn)跨房間視頻信號(hào)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(yàn)可以借鑒的現(xiàn)實(shí)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(shí)施細(xì)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(jí)工程師深入分析、反復(fù)思考，最后采用了一個(gè)簡(jiǎn)單、方便、又較為經(jīng)濟(jì)的視頻系統(tǒng)實(shí)施方案，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

(1)主要設(shè)備。兩個(gè)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(hào)接口外，還帶兩個(gè)HDMl高清接口；兩個(gè)房間各安裝一套投影系統(tǒng)，由3500流明的工業(yè)級(jí)投影機(jī)和l20寸大尺寸畫框式幕布組成；兩個(gè)房間共用一個(gè)l6進(jìn)16出的VGA矩陣；每個(gè)房間有學(xué)生用計(jì)算機(jī)42臺(tái)，分成7個(gè)小組：每個(gè)房間有教師用計(jì)算機(jī)1臺(tái)，該計(jì)算機(jī)可同時(shí)輸出VGA和HDMl兩種信號(hào)；兩個(gè)房間的所有計(jì)算機(jī)使用4個(gè)24口的高速網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，形成局域網(wǎng)絡(luò)。

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

(3)VGA矩陣信號(hào)輸出端連接方式。將矩陣的16個(gè)輸出信號(hào)中的12個(gè)分別連接到兩個(gè)房間的12塊液晶顯示屏的VGA輸入接口；將矩陣的2個(gè)輸出信號(hào)分別連接到兩個(gè)房間的投影機(jī)輸入接口。

(4)高清信號(hào)連接方式。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的每臺(tái)教師用計(jì)算機(jī)均通過一個(gè)1分2的HDMI分配器和2個(gè)1分10的HDMI分配器與兩個(gè)教室的每塊液晶顯示屏的HDMI輸入接口連接。

由此可見，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的教師機(jī)上的HDMI高清視頻信號(hào)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(hào)則通過矩陣的方式連接起來，這就為各種信號(hào)之間的發(fā)送、傳輸、接收、顯示鋪平了道路。但是，物理上信號(hào)的連通距離正式的使用尚有一段距離，我們還必須進(jìn)行以下的工作。

2.安裝拼接控制軟件進(jìn)行視頻信號(hào)的管理

通過對(duì)兩臺(tái)教師用計(jì)算機(jī)安裝液晶拼接控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的管理。

(1)信號(hào)歸類整理。對(duì)每個(gè)教室的視頻信號(hào)的輸入端和視頻信號(hào)的輸出端進(jìn)行歸類編號(hào)，我們必須確保每個(gè)編號(hào)清晰明確，讓使用者通過編號(hào)能夠非常容易地確定其對(duì)應(yīng)設(shè)備。

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

3.改進(jìn)拼接控制軟件實(shí)現(xiàn)跨房間合班控制

由于液晶顯示墻在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行必要的二次開發(fā)改進(jìn)軟件的功能。

(1)單／合班實(shí)驗(yàn)室信號(hào)切換控制。前面已經(jīng)對(duì)各個(gè)信號(hào)端進(jìn)行了科學(xué)的編號(hào)，現(xiàn)在的改進(jìn)是實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)編號(hào)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(gè)房間內(nèi)全部輸入輸出信號(hào)；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(hào)，另一間房間的信號(hào)則無法使用。

(2)兩個(gè)房間同時(shí)作為單班使用下的矩陣控制。當(dāng)兩個(gè)教師分別進(jìn)入兩個(gè)房間進(jìn)行授課時(shí)，盡管前面的單／合班實(shí)驗(yàn)室信號(hào)切換控制已經(jīng)將輸入輸出視頻信號(hào)分開管理，但仍然存在一個(gè)嚴(yán)重的問題，那就是現(xiàn)有的VGA矩陣同一時(shí)間只能由一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，故在傳統(tǒng)模式下，就只能一個(gè)教師使用，而另一個(gè)教師是無法同時(shí)使用的。我們的改進(jìn)是當(dāng)該軟件啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)進(jìn)行偵測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)VGA矩陣的串口控制鏈路已經(jīng)被另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)，通過調(diào)用該計(jì)算機(jī)上的矩陣服務(wù)端軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)自己房間內(nèi)的視頻信號(hào)進(jìn)行控制和管理。盡管這時(shí)候兩臺(tái)教師用計(jì)算機(jī)都在使用其中一臺(tái)的控制軟件對(duì)VGA矩陣進(jìn)行視頻信號(hào)的切換，但由于有前面的信號(hào)授權(quán)管理，所以，其相互之間完全不受影響，而且在實(shí)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(dòng)管理。前面的闡述中我們知道，VGA矩陣同一時(shí)間只能由一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)方案，要完成單／合班靈活配置，就必須實(shí)現(xiàn)能夠自動(dòng)判斷哪臺(tái)教師用計(jì)算機(jī)首先通電啟動(dòng)，同時(shí)立即將矩陣交由該計(jì)算機(jī)控制與管理。這里我們采用了硬件的方式來進(jìn)行解決，單獨(dú)設(shè)計(jì)和定制了一個(gè)矩陣控制信號(hào)切換器和液晶拼接器的控制信號(hào)切換器，該切換器能夠自動(dòng)偵測(cè)兩臺(tái)教師用計(jì)算機(jī)中某一臺(tái)是否率先通電啟動(dòng)，如果發(fā)現(xiàn)其中一臺(tái)已經(jīng)啟動(dòng)，則立即將矩陣的控制權(quán)切換到該計(jì)算機(jī)上，另外一臺(tái)計(jì)算機(jī)則通過TCP／IP鏈路連接到此計(jì)算機(jī)的矩陣控制服務(wù)端對(duì)矩陣分配給本機(jī)的視頻信號(hào)進(jìn)行切換。

4.單／合班實(shí)踐教學(xué)具體情況推演

完成前面的三個(gè)步驟后，實(shí)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(shí)驗(yàn)室實(shí)踐教學(xué)的需要。

(1)單班開展實(shí)踐教學(xué)情況。由于只有一個(gè)班級(jí)開展實(shí)踐教學(xué)，所以只使用一間房間，只有一臺(tái)教師用計(jì)算機(jī)會(huì)啟動(dòng)，矩陣切換器將VGA矩陣交由該計(jì)算機(jī)控制，該教室的拼接器控制信號(hào)也默認(rèn)接在該計(jì)算機(jī)上，在沒有授權(quán)的情況下，該教師只能對(duì)本實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的視頻信號(hào)進(jìn)行切換控制。

(2)兩個(gè)單班同時(shí)開展實(shí)踐教學(xué)情況。當(dāng)兩個(gè)單班同時(shí)開展實(shí)踐教學(xué)的時(shí)候，矩陣切換器會(huì)將VGA矩陣的控制權(quán)交給先啟動(dòng)的那個(gè)教師用計(jì)算機(jī)，另一個(gè)房間的教師用計(jì)算機(jī)則將通過網(wǎng)絡(luò)共享控制矩陣的教師用計(jì)算機(jī)的矩陣控制服務(wù)端軟件，從而實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制使用VGA矩陣分配給