基于多媒體技術的三維教學系統設計與實現

姜燕，王曉

（湖北醫藥學院 公共管理學院 湖北 十堰 442000）

傳統的教學模式，就是使用黑板、粉筆、教科書、掛圖、模型、教具等教學介質，結合教師講授的教學模式，這種教學模式中教師往往占有主導作用，而學生常常處于被動的接受知識狀態，教學的效率并不高，但是隨著計算機技術的發展，以多媒體技術為基礎的教學手段在大學課堂教學中被廣泛應用，越來越多的教師在教學中采用了多媒體等現代授課方式。利用這種計算機輔助教學的模式可以起到增大教學信息量、改善教學效果、活躍課堂氣氛等作用。

計算機輔助教學（Computer Aided Instruction）簡稱 CAI[1]，它是各種教學活動與計算機技術相結合而產生的，主要是利用計算機技術輔助完成教師的部分工作，同時實現以對話的方式與學生進行互動、教學資源共享、教學進度安排、學生信息管理等功能。CAI為學生提供一個良好的個人化學習環境。綜合應用多媒體、超文本、人工智能、網絡通信和知識庫等計算機技術，克服了傳統教學情景方式上單一、片面的缺點。它的使用能有效地縮短學習時間、提高教學質量和教學效率，實現最優化的教學目標。

基于CAI的設計理思想，結合現有的多媒體技術，設計了“基于多媒體技術的三維教學系統”，該系統實現了教學環節師生互動、教學資源共享、教學內容更新、教學進度安排和學生信息管理等各智能模塊的功能，對于教師而言，該系統是一種進行多類數據管理的多媒體輔助教學的智能系統，對于學生來說，該系統又是一種可以自主學習的輔導工具[2]。

1 主要功能模塊設計及性能分析

基于多媒體技術的三維教學系統是一個集合多媒體教學資源，將課件開發融入其中的教學管理系統，教師可以根據教學需要，結合課程特點，進行課前課件編輯、整合以及個性化設置，綜合運用多媒體技術進行教學設計和備課，同時還可以對后臺教學資源庫、習題庫、學生信息庫等多類數據進行靈活管理，為了體現以學生自我發展為中心的教學宗旨，該系統在課上和課下都能對學生的自主學習狀態和學習進程進行有效管理，例如，學生自動考勤、課后答疑、自動提交作業和即時評價教學效果等。

本系統由電子筆、演示播放工具、多媒體網絡采編工具和后臺SQL數據庫等主要部分構成。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 基于多媒體技術的三維教學系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the three-dimensional structure of teaching system based on Multimedia Technology

系統提供的客戶端功能模塊主要有E媒體介質模塊、資源管理模塊、課件編輯系統模塊、備課系統模塊、課堂教學演示模塊五部分，其結構示意圖如圖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

隨著多媒體技術和計算機網絡技術的發展。基于多媒體技術的三維教學系統有效地實現了不同環境下，不同類型資源的集成和共享，實現了資源管理的智能化。系統中資源管理模塊將教學過程中的資源分為兩大類，一類是教學數據資源，一類是學生數據資源。在因材施教的原則下，針對每個班級的學生個體，相對其教學進度和教學方法及教學內容不會完全相同。對數據的智能化管理就是充分考慮了學生自身的個性化發展，同時系統還考慮了教師同時教授兩門以上不同的課程，或者帶不同班級的情況，課程數據和學生數據的管理就顯得尤其重要。系統啟動初始化過程中和啟動后這一功能可以在目錄管理模塊和學生管理模塊中自動實現的。

系統對資源數據的智能化管理，還表現在不同類型數據的兼容性支持上面。該系統可以在統一環境中打開不同類型的數據。

1.2 課件編輯系統模塊

系統中課件編輯系統是基于Intemet Explore為演示平臺的課件編輯系統。系統基于網絡實現了課件和教案的完整統一，主要可以實現課件編輯、課件列表、課堂測驗、電子黑板、電子粉筆等功能。

1.3 備課系統模塊

教師備課系統模塊是基于學生需求而設計的，它實現了學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學生在線反饋信息，對教學進度和教學內容進行調整安排，做到充分備課。這種功能的實現不僅改變了傳統意義上的教師備課只是把教學大綱和教學內容寫成教案，或是利用Powerpoint直接做成課件給學生播放的模式。

1.4 課堂教學模塊

基于多媒體技術的三維教學系統是將課堂教學的三維化，教學策略的智能化，課件平臺統一化三者融合在一起的智能化系統。其中課堂教學的三維化是指：一是把網絡建在教室、把教室建在網上。教師可以在課堂教學的任一時刻，調閱網上的教學資源；或者把沒來得及在課堂上講的內容或者課堂中新出現的教學問題發送至網絡課堂上，讓學生繼續學習和討論[3]。二是把課件庫搬到教室，利用多媒體技術形象的演示。三是把實驗室搬到了教室，學科實驗的動態模擬，讓學生身臨其境。

教學策略智能化：智能化的教學策略是教師在課堂教學中調控教學信息流的一個重要環節。教師可以根據學生的學習狀態、課堂氣氛和掌握知識的情況適時調整教學策略。目前，我們在該教學系統中為教師提供了自動設定教學策略的功能，如互動教學策略、情景教學策略、興趣教學策略等。

課件平臺統一化：系統提供給用戶一個利用不同開發工具制作的各類教學課件集成化平臺，方便了課件資源的共享和交流。

1.5 其它功能模塊

系統還配備了攝像設備，可以利用攝像機對課堂教學進行實時數據采集。除此之外，本系統還提供了課堂管理、考勤管理、題庫管理等功能，其中學生管理功能、課件講義管理功能、網上課堂等功能由服務器端實現。

2 關鍵技術與實現

系統由用戶登錄、課件管理、課件編輯、課件發布和課堂教學等結構組成。其信息管理的拓撲結構如圖3所示。

圖3 信息管理的拓撲結構圖Fig.3 The topology information management

2.1 多媒體元素的開放管理

系統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、動畫、聲音和視頻信息，教師可以根據教學需要，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的元素，即實現了多媒體元素資源開放管理，更有利于個性化地因材施教。

2.2 多媒體資源的集成管理

系統在技術上實現了各類媒體素材的同步、數據庫、非結構化數據與文本的智能互訪技術[4]。根據管理內容的不同，采取了不同的數據處理方式，對文本素材使用對話框方式或視圖方式進行管理，并以TXT文件、RTF類型文檔存儲，實現了課件的異構，可以面向不同的平臺進行展示；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行管理；對于音頻和視頻元素，用戶在編輯課件時做出相應的標記，展示時系統可以自動調用播放器播放。

2.3 個性化編輯器的設計

系統設計了個性化的文本編輯器，在實現通常文本編輯器特性的同時，實現多類數據的智能化管理，其中包括試題庫數據、學生庫數據、章節表數據、檢索數據、課堂日志數據、講義教案數據等。個性化的文本編輯器使用Microsoft的ActiveX Data Obiects（ADO）技術，實現了通用數據的高速訪問，構建了文本與數據庫之間的橋梁。該編輯器與圖形圖像瀏覽器、音頻、視頻、動畫播放器一起組成一個課件發布平臺[5]。

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

2.4 題庫管理

系統第一次登錄時，會根據用戶輸入的信息建立相應的的試題庫。系統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容，而且還可以在課件演示過程中，隨時點擊相應按鈕，所選文字的相關試題自動入庫。這樣一個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，而且更有利于本學科的課程建設。

2.5 課堂管理

動態數據庫編輯和數據采集技術是實現課堂管理功能的核心技術。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。利用條形碼技術實現學生考勤的自動化，不論是課堂授課還是大型講座或報告，只需在教室或入口處放置一臺條形碼識別儀，就可以實現此功能。如果不方便使用條形碼技術，系統還可以采用教師日志查詢的方式實時掌握學生動態，這種方式不僅方便了教師對學生的日常管理，而且做到了教學效果的實時反饋，加強了教師對教學過程的管理；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生的學習效果進行有效的檢測；課堂教學效果的綜合評價是對教師課堂日志綜合分析后形成，即課堂分析。

2.6 數據操作的智能管理

為了快速訪問了數據庫，系統中分別選用了ADO、ODBC、OLEDB、DAO等技術，實現了對數據的智能提取、智能檢索和智能存儲等功能[7]。同時提供了多類數據管理機制，可以方便的對數據進行管理，支持對話框、文檔和視圖方式對數據進行提取和展示。該系統通過動態模擬展示、課件編輯、查詢、課堂教學管理、模擬操作、反饋練習、多媒體情景創設以及游戲等功能表現，來體現其具有支持大容量存儲、高速傳輸、人機交互、超時空交流共享等特性。

3 結束語

基于多媒體技術的三維教學系統隨著教育技術和計算機技術的發展，不斷實踐和改進。基本實現了其三維教學理念的模式，即多媒體教室、互聯網和實驗室三位一體的教學模式。系統把多媒體數據的集成提到了智能數據管理和智能集成領域[8]，是一種技術層面上的飛越。該系統不僅為不同類型的課件提供了一個集成化的平臺，而且首次把學生管理做為多媒體教學[9]中“數據管理”的一部分提出并應用其中。當然系統還有很多不完善的地方，需要在今后的教學實踐中反復推敲、不斷改進，爭取在高校中推廣應用。

[1]王愛民.智能化CAI設計理論及其應用[J].計算機工程與應用，1998（4）:45-48.WANG Ai-min.Intelligent design theory and its application CAI[J].Computer Engineering and Applications，1998（4）:45-48.

[2]姜燕，王少兵，劉赟.基于多媒體三維教學系統的設計與研究[J].信息與電腦，2009（12）:64-66.JIANG Yan，WANG Shao-bing，LIU Yun.The research and design of multimedia teaching system based on 3D[J].China Computer&Communication，2009（12）:64-66.

[3]RichardsonT，Stafford-Faser Q，Wood K R，et a1.Virtual Network computing[J].IEEE Intemet Computing，1998，2（1）:33-38.

[4]RichardMonson-Haefel著.J2EE Web srvices高級編程[M].崔洪斌，王愛民譯.北京:清華大學出版社，2005.

[5]吉蘭尼.Visual Basic.NET反射參考手冊[M].王愛民，于冬梅譯.北京:清華大學出版社，2003.

[6]趙蕾，李慧.基于網絡的多媒體教學系統結構[J].中國高新技術企業，2008，（4）:122，124.ZHAO Lei，LI Hui.The multimedia teaching system based on Network[J].China High Technology Enterprises，2008，（4）:122-124.

[7]Rajeev R，Seshadri S，Bohannor P.Improvmg Predictability of Transaction execution tines iin real-time databases[J].Real-Times Systems，2000，19（3）:283-302.

[8]王愛民，栗青生.基于Web的智能化三維教學系統的設計與實現[J].中國教育信息化，2007（11）:44-47.WANG Ai-min，LI Qing-sheng.Design and implementation of 3D intelligent teaching system based on Web[J].The Chinese Journal of ICT in Education，2007（11）:44-47.

[9]李珺，師丹琳.基于網絡的多媒體教學環境的構建與應用[J].現代電子技術，2011（18）:105-109.LI Jun,SHI Dan-lin.Construction and application of webbased multimedia teaching environment[J].Modern Electronics Technique，2011（18）:105-109.