基于三屏顯示技術的多媒體教學支持系統研究與應用

黃東軍+楊穎華

摘 要：學習空間理論支持多屏顯示系統的應用。但目前多媒體教學系統大多是單屏顯示的，呈現內容局限于一個相對狹小的空間，無法同時顯示更多的教學內容，尤其在需要比較不同的教學內容時，教師不得不進行窗口或畫面切換，導致內容停留時間減少，增加觀察負擔；此外，要顯示學生計算機桌面圖像也很困難。我們設計實現了一個由三顯示屏構成的多媒體教學支持平臺，包括教師主屏、教學輔助信息屏、學生桌面顯示屏。由于系統能同時顯示多屏畫面，因此便于學生觀察比較，特別是能夠顯示一個或多個學生計算機桌面圖像，有利于開展互動式教學。實際應用表明，三屏系統能夠顯著改善教學過程，提高課堂注意力，激發學生參與教學的積極性，提升教學質量。

關鍵詞：學習空間；多媒體；教學支持平臺；三屏顯示系統；應用

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）04-0093-04

一、引言

從感知的視角看，傳統教學也是多媒體的，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、設備、模型等實物，為學生提供切身的學習體驗[1]。但是，現代數字媒體技術使這種場景得到了極大提升，數字化教學技術，集文字、聲音、圖像、視頻、動畫于一體，顯著提高了教學效率，教師可以借助各種數字媒體手段表現教學內容，為實現其教育思想和教學目標開辟了廣闊空間。

然而，目前大部分多媒體教學系統仍存在不足，比較突出的一點就是基于單一顯示屏幕，呈現空間狹小，缺乏互動功能，教師的主動性、學生的參與性難以充分發揮[2]。本文主要針對單屏顯示系統的缺陷展開研究。

二、設計思想

學習空間理論強調促進學生形成有效學習模式的四個方面[3]，包括物理學習環境設計、認知理論的理解、技術領域的創新、教學方法論的構建。僅就物理學習環境設計來看，教育技術專家和實踐者普遍認為[4][5]，在數字媒體與互聯網時代，學校需要重視以顯示系統為核心的創新性學習空間的建設[6][7]。研究人員指出，用于教學的顯示系統正從傳統的單一屏幕模式向多屏顯示模式發展，而交互功能的融合進一步提升了多屏顯示系統的作用[8]。

多屏顯示系統可以追溯到早期的四面升降黑板，這種黑板具有書寫內容停留時間長、便于對比與回顧、幫助形成更加清晰的講課與聽課思路、減少擦黑板時間等優點。

現代數字顯示技術所構建的多屏顯示系統，可以看成是多個滑動黑板以及視覺或藝術學科中使用的雙幻燈系統等傳統多屏顯示技術的新發展[9]。Seward等人的研究表明，由多信息界面圍繞的圓桌加上技術人員工作區，能夠把小組成員的表現意識提升到更高層次，“中層管理人員的思想和行動像高層管理者，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的實踐展現了多屏顯示學習空間的潛力和優勢。

鑒于上述觀察，我們研究了一種基于三屏顯示系統的教學支持平臺。該系統由教師主屏、輔助信息屏、學生桌面共享屏構成，旨在讓學生通過教師主屏獲取課堂講授的主體知識，通過輔助信息屏參閱相關資料，尤其通過桌面共享屏實現交流和分享。我們的目標是創建一種能夠顯著提高學生的課堂注意力、增強學習自主性和參與性、提升教學質量的學習環境。

三、系統設計與實現

1.系統硬件結構

圖1給出了系統結構。

該系統設計方案利用USB轉VGA顯示卡，搭建起以教師計算機為中心的三屏顯示系統。該方案實現成本低，軟件設計相對簡單，使用方便。缺點是對教師計算機要求較高，且必須擁有兩個以上的空閑USB接口，并支持多屏顯示。但隨著個人計算機性能的不斷提升，這個缺點容易克服。在本設計方案中，投影屏幕包括教師課件屏（第一屏）、輔助信息屏（第二屏）和學生桌面顯示屏（第三屏）。第一屏主要展示授課的主體內容。第二屏主要用于呈現與教學相關的輔助信息，如參考文獻、課堂習題、實驗結果等。第三屏旨在實現交流和分享，通過將任何一個或者若干個學生的桌面顯示出來，激發學生參與教學，這是本項目的特色。需要強調的是，這種應用模式特別適合諸如程序設計、軟件應用等實踐性較強的課程，教師通過顯示學生桌面的編程或軟件應用的情況，能夠有效調動學生的積極性和創造性。所以，三屏的配置在很大程度上與具體應用相關。實際上，本系統并不限制教師對三屏的安排，教師完全可以根據需要靈活地利用三個或其中部分屏幕。例如，三個屏幕全部用于顯示學生計算機桌面圖像。

2.軟件設計與實現

軟件設計是系統的核心和關鍵。在上述系統組織方式下，由于教師計算機直接連接到第一顯示屏，因此，我們容易通過MS PowerPoint、Prize等演示軟件實現授課內容的呈現。第二屏也容易通過獨立演示軟件或窗口實現內容呈現。

關鍵是第三屏。第三屏的目標是呈現學生桌面圖像。從技術上看，達到這個目標有多種選擇。例如，利用Netmeeting、Office Live Meeting、QQ等及時通信工具中的桌面共享功能，教師能夠將學生計算機的桌面共享到教師主機。但是，這種技術路線有一些難以克服的缺點。首先，管理負擔較重，所有參與教學活動的計算機都要運行及時通信軟件，這要求教師有更多的計算機應用知識。其次，教師計算機運行應用共享之后，計算開銷會顯著增加，嚴重降低計算機效能。此外，這種方式也難以同時顯示多個用戶的桌面圖像。

針對上述問題，本文設計了一個輕量級的遠程桌面圖像傳送與顯示軟件。它分為兩個部分，一是運行在學生計算機上的圖像捕獲與發送程序（屬于C/S模式中的Server端），其主要功能是捕獲學生計算機的桌面圖像（序列），并通過Socket方式傳送到教師計算機上。第二部分是運行在教師計算機上的客戶端程序，其主要功能是接收遠程計算機傳送過來的圖像（序列），并將這些圖像顯示在投影屏幕上。該方案的系統結構如圖2所示。

上述解決方案的優點在于，學生桌面捕獲、圖像傳輸和教師端的接收與顯示，均通過單一功能程序實現，效率高。單一功能的專用系統，既不需要遠程桌面連接使用的賬號與認證，也沒有視頻會議、即時通信工具等系統的復雜性，同時，還能同時顯示多個學生的桌面，采用二分屏、三分屏、四分屏、甚至畫中畫等方式。

實現技術上，我們利用Windows環境下的GDI（Graphic Device Interface）所提供的SelectObject和BitBlt兩個函數實現屏幕捕獲。SelectObject是一個設備上下文函數（device context function），其功能是將一個對象選擇到特定的設備上下文（DC）中。BitBlt函數的功能是執行位塊傳輸，就是把特定設備內的一個矩形區域像素的顏色數據，傳送到目標設備上下文中，目標可以是一個窗口或內存區域。利用這樣一個組合，再結合位圖數據結構以及數據操作，即可以實現屏幕捕獲。

至于網絡傳輸，我們采用了Socket程序設計技術。一方面，學生計算機運行屏幕捕獲與傳輸服務器程序，該程序執行WinSock初始化、設置Socket地址與協議類型、解析服務器地址與端口信息、創建偵聽Socket、綁定偵聽Socket，最后將該Socket置于偵聽狀態即可完成網絡準備工作。一旦服務器偵聽到一個連接，則調用WinSock的accept函數接收該連接，之后就可以調用系統的send函數發送數據了。send函數有一個關鍵參數，即捕獲圖像在內存中的首地址指針，正是通過代入這個指針，send函數得以將圖像發送到網絡。

另一方面，教師計算機運行接收圖像數據的客戶端程序。客戶端功能主要包括服務器地址解析、Socket創建、連接服務器、接收并顯示圖像數據等部分。圖3是客戶端（教師計算機）接收到的遠程桌面圖像（序列）。

四、應用與評價

上述系統已經在本校計算機與通信實驗室得到應用。我們在實驗室搭建了一個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模顯示屏構成的平臺，如圖5所示。利用該系統，我們進行了《多媒體原理與系統設計》、《C語言程序設計》、《分布式系統》、《物聯網技術導論》等課程的教學，歷時2年多。

在兩年多的時間教學實踐中，我們對近600名學生進行了問卷調查。采取了“問題+選擇答案”的問卷模式，共有8個問題，如表1所示。

以下是調查統計結果與結論。

（1）三屏系統便于學生比較觀察教學內容

在被問到“三屏系統是否有助于學生對比查看教學內容”這個問題時，有62.3%的學生表示“很有效”，33%表示“有效”，兩者合計達到95%。這個結果與學生對“三屏系統是否有助于豐富課堂教學的信息類型”的評價結果非常一致，后者的“很有效”支持率為59.2%，“有效”的支持率為38.7%，總體有效的評價為97.9%。

上述調查結果符合系統設計目標。實際上，三屏系統的突出特點之一，就是為對比顯示差異化內容提供了方便。沒有內容上的差異化和對比性，三屏系統的優越性就不能充分體現出來。因此，為了更好地發揮三屏系統的優勢，教師應當盡可能在三個屏幕上顯示對比性強的內容。例如，我們在一次教學中，在三個屏幕上分別顯示出三個學生對同一問題的求解算法與運行效果，鮮明的對比給學生留下了深刻印象。

（2）三屏系統有助于開展互動式課堂教學

在評價“三屏系統是否有助于開展啟發式、開放式、互動式課堂教學”這個問題時，有36.7%的學生表示“有很大幫助”，53.1%表示“有幫助”，兩者合計達到89.8%。這個結果與學生對“三屏系統有助于激發學生參與教學的積極性”的評價結果非常一致，后者對“有很大幫助”的支持率為40.1%，“有幫助”的支持率為49%，總體有效的評價為89.1%。

很明顯，學生積極參與教學是互動式課堂教學的基本特征，所以，當學生認可三屏系統有助于學生參與教學的時候，就必然會認可系統有助于互動式教學的開展。這就是上述兩個調查指標的評價呈現一致性的原因。

與互動式教學密切相關的另一個重要因素是，課堂內是否為學生提供動手實踐的機會。教學中除了語言的交流以外，如果能為學生提供動手實踐的機會，將會進一步提升課堂教學的互動性。我們設計的三屏系統，有一個十分重要的特性，就是能夠同時顯示多個學生的計算機桌面。這就為學生表現自己的編程、設計、制作等能力，開展競爭性實踐活動，提供了舞臺。因此，在被問到“三屏系統在動手實踐教學過程方面是否有幫助”時，有55.1%的學生認為“有很大幫助”，認為“有幫助”的占38.8%，總體支持率達到93.9%。

我們注意到，上述三個調查項目的評價中，學生對“三屏系統在動手實踐教學過程上的優勢”的認可度高一點，這可能暗示學生更希望三屏系統用于動手實踐教學。實際上，我們目前的三屏系統正是安裝在實驗室的，采用系統進行的課堂教學均含有實踐內容，而進入實驗室之前，參與試驗的學生主要在傳統多媒體教室內上課。因此，在三屏系統支持下的教學與以往的課堂形成了強烈對比，從而強化了學生對系統優勢的認同和期待。

（3）三屏系統有助于提高學生的課堂注意力

在條件相同的情況下，學生注意力是否集中，對教學質量有決定性影響。然而，注意力是一個受多種因素影響的心理特征，除了學生個人的心理、身理上的原因以外，注意力還受環境和教學方式的制約。學習環境混亂、嘈雜必然會顯著降低注意力，而教學內容和方式不符合學生的認知特點，也容易導致學生注意力分散。

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

我們認為，之所以三屏系統能夠明顯提高學生的注意力，除了教學內容以外，主要原因是改善了教學方式和教學環境。在教學方式的改善方面，基于三屏系統的互動、比較、表現、競爭等教學方法的運用，因而有助于激發學習自主性，提高學生的注意力。

從機制上看，三屏系統具有更寬廣的視域（field of view），單位面積顯示的內容減少（需要教師自覺利用這一優點），已經講解的內容有更長的停留時間，因此，學生的認知心理負擔明顯降低。這一點也為調查所證實。在被問到“三屏系統是否看起來更輕松”時，77.6%的學生表示“確實更輕松”。

當然，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。但是，我們的另一項調查可以解釋其中的原因，在被問到“三屏系統是否會增加學生接收信息的負擔”時，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%，合計達到34.7%。這說明，盡管三屏系統改善了教學環境，但是總體上由于信息量加大、信息類型增多，學生接收信息的負擔會有所增加。顯然，在負擔加重的情況下，注意力會受到一定的影響。此外，在被問及“三屏系統是否會增加緊張感”時，盡管有55.1%的人表示“不明顯”，但還是有40.8%的學生表示“比單屏系統緊張”或“有點緊張”，4.1%表示“很緊張”，三者相加為44.9%，這個結果與對“接收負擔增加”的評價比較一致。

所以，三屏系統有助于提高學生的課堂注意力，但是，教師在利用系統的時候，需要適當控制教學信息量，以便在提高注意力和增加學習負擔之間確定一個平衡點。

五、結論

本文設計實現了一個由三個顯示屏構成的多媒體教學支持平臺，包括教師主屏、教學輔助信息屏和學生桌面顯示屏。系統的核心和關鍵是教學控制軟件，包括學生桌面捕獲與傳輸、教師計算機接收進程、顯示進程等。該系統不僅能同時顯示多屏畫面，便于學生觀察比較，而且具有顯示內容的靈活切換等功能。實際應用表明，三屏系統能夠顯著改善教學環境，有利于學生比較觀察教學內容，提高學生的課堂注意力，激發學生主動參與教學的積極性，最終顯著提高教學質量。

當然，在系統的應用中，教師需要有意識地控制顯示信息量。此外，系統要求安裝三個投影儀和三塊常規顯示屏，成本上是一個挑戰。盡管如此，考慮到該系統帶來的好處，我們認為整體效用仍然是較高的。

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（編輯：郭桂真）