移動(dòng)演示平臺(tái)開(kāi)發(fā)和串行認(rèn)知過(guò)程分析

何志毅， 郭 瀚， 王衛(wèi)東， 陳冬梅

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

幻燈演示在課堂教學(xué)中具有圖文信息輸出速度快和知識(shí)吞吐量大的特點(diǎn)，提高了教師授課的效率。不過(guò)長(zhǎng)期以來(lái)其優(yōu)缺點(diǎn)一直存在著爭(zhēng)議[1]。現(xiàn)在各種技術(shù)手段和教學(xué)方法不斷豐富和改善，逐漸彌補(bǔ)其在客觀上的不足，主要是信息量過(guò)大、不斷翻頁(yè)，造成學(xué)生難以像板書那樣跟隨老師的筆跡思考，而前頁(yè)的信息又無(wú)緩存無(wú)法前后聯(lián)系等缺點(diǎn)[2]。隨著大尺寸液晶屏的成本降低和觸摸屏技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了一體機(jī)和電子白板等各種教學(xué)產(chǎn)品，并被教師們合理地用于教學(xué)中[3]，以及無(wú)線投影儀的使用[4]都逐漸克服了過(guò)去單調(diào)PPT演示的缺點(diǎn)。

要把日益豐富的各種教學(xué)硬件設(shè)備合理充分地發(fā)揮其作用，需要建立一個(gè)智能化控制的互動(dòng)教學(xué)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(lái)看，它應(yīng)該具有以下四大基本特征：1)充分的多媒體教學(xué)手段。這是構(gòu)成智慧教室的技術(shù)基礎(chǔ)，包括硬件設(shè)備和軟件方法的靈活運(yùn)用；2)智能化。不僅是教師有播放幻燈演示用的計(jì)算機(jī)，每位學(xué)生也要具有智能化設(shè)備進(jìn)行信息的處理、交流和顯示；3)網(wǎng)絡(luò)化。師生手中的智能設(shè)備需要交流就應(yīng)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)互相連接起來(lái)，當(dāng)然在一個(gè)教室中采用無(wú)線局域網(wǎng)是最便捷的, 也包括各種多媒體設(shè)備都能夠在這個(gè)局域網(wǎng)中進(jìn)行信息傳輸；4)交互性。信息流不是教師-學(xué)生的單向傳輸，而是師生之間的雙向乃至學(xué)生之間的多向傳輸。由此可見(jiàn)，要是上課學(xué)生人手一臺(tái)計(jì)算機(jī)的話,成本也是很高的，尚不說(shuō)組網(wǎng)和軟件的開(kāi)銷。

早期試圖通過(guò)技術(shù)手段來(lái)解決多媒體教學(xué)所存在的問(wèn)題[2]，由于過(guò)去相關(guān)硬件設(shè)備技術(shù)條件的限制，直到近年來(lái)才形成一個(gè)功能較為豐富又切實(shí)可行的合理技術(shù)方案[8]。即利用現(xiàn)有的移動(dòng)智能設(shè)備與演示端PC進(jìn)行無(wú)線通信和可視化的控制，實(shí)現(xiàn)圖文傳輸以在兩端同步顯示幻燈界面，可在移動(dòng)終端進(jìn)行標(biāo)注畫圖和手寫，將教師從講臺(tái)和電腦的束縛解放出來(lái)充分地與學(xué)生近距離交流，且對(duì)PPT操作遠(yuǎn)比遙控激光筆甚至在本機(jī)操作的功能(如局部放大)豐富和方便。經(jīng)過(guò)反復(fù)教學(xué)實(shí)踐和反饋進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，在當(dāng)前建設(shè)智慧教室的發(fā)展趨勢(shì)下提供一個(gè)軟件技術(shù)方案，展示該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的教學(xué)效果。

1 計(jì)算機(jī)幻燈演示中學(xué)習(xí)過(guò)程的心理學(xué)分析

智慧教室必須以足夠豐富的多媒體教學(xué)手段為基礎(chǔ)而建立起來(lái)，雖然關(guān)于多媒體技術(shù)對(duì)教學(xué)效果的改善早已經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證并大量地報(bào)道。但相關(guān)理論依據(jù)的深入分析并不多見(jiàn)，為什么多媒體教學(xué)可以提高效率，同時(shí)又遭到很多學(xué)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(jié)合認(rèn)知心理學(xué)的理論來(lái)分析為什么多媒體能夠有益于教學(xué)，也就可以知道客觀上什么情況又不利于教學(xué)。從一般心理學(xué)角度來(lái)解釋，注意力容易向有變化的目標(biāo)轉(zhuǎn)移。一般所了解計(jì)算機(jī)演示的優(yōu)點(diǎn)在于，圖文并茂并可插入動(dòng)畫和視頻等豐富的內(nèi)容和表現(xiàn)形式，這些特征可以吸引學(xué)生的注意，能否形成長(zhǎng)時(shí)間的專注和興趣、以及讓學(xué)生滿意地獲取知識(shí)還是取決于教師對(duì)它合理的運(yùn)用。

進(jìn)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(xiàn)教師的思維過(guò)程。與計(jì)算機(jī)一樣，認(rèn)知心理學(xué)認(rèn)為人的大腦信息輸入和加工過(guò)程也可分為并行與串行2種方式[9-11]，對(duì)于形狀圖案這些形象信息可以并行地被視覺(jué)采集和進(jìn)行識(shí)別記憶等處理，或來(lái)自不同感官的刺激都可獨(dú)立地采集和處理，如并行地利用視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)采集信息可同時(shí)觀看視頻和聽(tīng)懂音頻。多媒體教學(xué)就是利用了人類感知的可并行輸入機(jī)能提高教學(xué)效率。但是單獨(dú)對(duì)于語(yǔ)言信息的采集和理解，則是以時(shí)間順序的串行方式為主。如果PPT頁(yè)面一整屏地出現(xiàn)，學(xué)習(xí)者需要將字符排列的空間順序轉(zhuǎn)換為時(shí)序，由聽(tīng)課變成了“讀課”，讀屏幕實(shí)際上比讀書本還難，因?yàn)樽唏R燈似的幻燈翻頁(yè)讓“觀眾”無(wú)法像書本來(lái)樣前后聯(lián)系以掃描方式閱讀。當(dāng)然對(duì)于圖形的觀察和理解影響不大，因?yàn)樗緛?lái)就可以通過(guò)視覺(jué)并行輸入和處理，這時(shí)省去了現(xiàn)場(chǎng)畫圖的時(shí)間。也有的圖需要按照工作原理過(guò)程逐步顯示，這時(shí)可采用動(dòng)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(xué)多媒體技術(shù)應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大量性價(jià)比的信息設(shè)備和模塊產(chǎn)品使得多媒體教學(xué)方式真正多了起來(lái)，以下僅僅是常見(jiàn)的已經(jīng)或正在走入教室的幾種相關(guān)技術(shù)介紹。層出不窮可用于多媒體教學(xué)的技術(shù)產(chǎn)品越來(lái)越多地出現(xiàn)，在了解其基本技術(shù)原理才能合理地選擇和運(yùn)用。

1)電子白板和一體機(jī)。投影儀作為傳統(tǒng)教學(xué)多媒體基礎(chǔ)設(shè)備，不像板書那樣幻燈翻頁(yè)之間沒(méi)有過(guò)渡和緩存，所以投影與黑板結(jié)合是一種常用的方法，不過(guò)這種組合用起來(lái)也經(jīng)常有不便之處，因?yàn)樗鼈兎謩e需要弱光和強(qiáng)光照明環(huán)境。投影與電子白板相結(jié)合則是最佳組合。電子白板通過(guò)對(duì)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(dá)到黑板的感覺(jué)和效果。另外隨著大屏幕液晶屏性價(jià)比的迅速提高，帶有觸摸屏的教學(xué)一體機(jī)也可用于小型教室中取代投影儀，同時(shí)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(shè)備標(biāo)配之一的觸摸屏之所以操作方便，是因?yàn)橛脩糨斎肱c終端信息輸出的顯示空間位置重合，與傳統(tǒng)的輸入設(shè)備鍵盤鼠標(biāo)和觸控板相比完全是可視化操作，改善了人機(jī)交互界面。目前廣泛應(yīng)用的為電容屏，通過(guò)檢測(cè)手指與觸屏4個(gè)邊角耦合電容的交流電流大小定位觸碰點(diǎn)，支持輕觸和多點(diǎn)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(hào)，高分辨率的精準(zhǔn)觸碰定位適合于書寫繪畫；紅外屏則應(yīng)用到一體機(jī)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(guò)2個(gè)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(dòng)變化來(lái)準(zhǔn)確定位。

3)智能移動(dòng)設(shè)備。智能手機(jī)出現(xiàn)以前，PDA(個(gè)人數(shù)字助理)就已經(jīng)用于課堂教學(xué)，從而智慧教室的概念就開(kāi)始形成[5]。但這種設(shè)備普及率不高，智能手機(jī)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(shí)反饋，為什么面對(duì)面的課堂上還需要這些移動(dòng)設(shè)備來(lái)交流？一是很多學(xué)生羞于口頭提問(wèn)；二是提問(wèn)或反饋可以不中斷教師講解，教師可保存問(wèn)題在課堂中選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間當(dāng)堂解決，而不是到了考試的時(shí)候才知道問(wèn)題很多[14]。

4)鏡像同屏無(wú)線投影。將移動(dòng)智能顯示畫面鏡像無(wú)線傳輸?shù)酵队捌聊换蛞惑w機(jī)大屏幕上，不像遙控激光筆僅有的翻頁(yè)作用，教師脫離了講臺(tái)束縛的同時(shí)還能在本機(jī)上全功能操作，可與學(xué)生面對(duì)面近距離地交流，如蘋果公司的AirPlay無(wú)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(chǎn)品將平板式的PC機(jī)與投影儀無(wú)線連接[4]。無(wú)線投影的另一種方法就是在安裝Android系統(tǒng)的智能投影儀提供的同屏軟件，與連接在同一無(wú)線路由器下的手持設(shè)備連接并同屏顯示，當(dāng)然比專用的無(wú)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(shù)據(jù)處理和傳輸資源。蘋果公司設(shè)計(jì)了另外一款軟件“Explain Everything”用于計(jì)算機(jī)演示，避免了同屏傳輸?shù)馁Y源消耗，需要將演示文稿轉(zhuǎn)換為pdf文檔。

3 移動(dòng)交互式教學(xué)軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

多媒體的教學(xué)手段也包括軟件的運(yùn)用，如各種CAD軟件在電腦上實(shí)時(shí)運(yùn)行和顯示，科學(xué)仿真計(jì)算乃至虛擬現(xiàn)實(shí)的視覺(jué)環(huán)境，遠(yuǎn)比單一的幻燈演示豐富多彩并用起來(lái)得心應(yīng)手。當(dāng)然最基本和常用的軟件平臺(tái)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(lái)就比較方便。另外還出于資金條件的考慮和多媒體硬件設(shè)備普及的困難，開(kāi)發(fā)一套基于PPT演示的交互式無(wú)線教學(xué)軟件平臺(tái)，可兼?zhèn)浯蟛糠中滦投嗝襟w設(shè)備的功能，也有這些設(shè)備所沒(méi)有的如局部放大和滾動(dòng)等特點(diǎn)，作為當(dāng)前多媒體智慧教室建設(shè)的一個(gè)選擇方案。

3.1 移動(dòng)交互式演示

根據(jù)當(dāng)前智慧教室發(fā)展方向之一交互性的需求，在原來(lái)利用安卓設(shè)備的單一PPT可視化無(wú)線控控制端的基礎(chǔ)上[8]，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了在該平臺(tái)的學(xué)生版App，使得學(xué)生在自己的手機(jī)或平板電腦等智能移動(dòng)設(shè)備上安裝該軟件后，也能在同一個(gè)WLAN中與作為服務(wù)端連接投影儀的PC機(jī)連接，如圖1所示，在教師的控制下進(jìn)行通信，可以實(shí)時(shí)地匿名發(fā)送各自的問(wèn)題顯示到投影屏幕和教師主控端移動(dòng)設(shè)備上，教師可以親自解答，也可由課堂輔導(dǎo)教師或其他同學(xué)仍以文字信息回復(fù)這些問(wèn)題而不中斷授課。這樣在以教師為中心和學(xué)生為中心的授課方式之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，達(dá)到交互性的要求同時(shí)保持較高的授課效率。移動(dòng)App基于安卓設(shè)備的開(kāi)發(fā)，一是考慮安卓手機(jī)較低的價(jià)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(jìn)一步考慮IOS移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)交互平臺(tái)還解決了幻燈演示翻頁(yè)前頁(yè)內(nèi)容不能緩存的問(wèn)題，幻燈頁(yè)面可以圖片的形式發(fā)送到每個(gè)客戶端移動(dòng)設(shè)備并顯示出來(lái)，學(xué)生版軟件可以在自己的屏幕上看到幻燈頁(yè)面，可以選擇跟隨教師的翻頁(yè)進(jìn)度同步顯示，也可選擇獨(dú)自瀏覽，這樣把每個(gè)學(xué)生現(xiàn)有的設(shè)備資源。不過(guò)是否防止學(xué)生借此機(jī)會(huì)在課堂上玩手機(jī)，一方面課堂的交互性增強(qiáng)也會(huì)改善學(xué)生的自覺(jué)性，另一方面由于教師在移動(dòng)控制中也便于近距離觀察，再一方面學(xué)生是否認(rèn)真聽(tīng)課與能不能玩手機(jī)也沒(méi)有必然的關(guān)系，也不能因噎廢食。由于幻燈頁(yè)面以圖片形式保存在學(xué)生的手機(jī)中，課后學(xué)生還可離線瀏覽復(fù)習(xí)，隨時(shí)隨地充分利用碎片時(shí)間，把手機(jī)變?yōu)閷W(xué)習(xí)工具。

圖1 交互式計(jì)算機(jī)演示平臺(tái)示意圖

對(duì)于課堂上在教室中近距離的通信，采用無(wú)線局域網(wǎng)(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(gè)百客戶端，用一個(gè)普通無(wú)線路由器連接到十個(gè)終端的時(shí)候，操作時(shí)響應(yīng)就變得遲滯不穩(wěn)定了，采用容量較大的無(wú)線AP后就解決了這一問(wèn)題。低成本的無(wú)線路由器連接幾個(gè)終端可用于小班輔導(dǎo)，無(wú)需幾個(gè)師生擠到一個(gè)電腦屏幕上還不能全看清楚。

3.2 移動(dòng)展臺(tái)的多種運(yùn)用方法

實(shí)物視頻展臺(tái)也是非常有效的多媒體教學(xué)手段之一，它利用攝像頭采集到的視頻圖像實(shí)時(shí)顯示到大屏幕中，在課堂上可以清晰地展示小尺寸實(shí)物、批注書本和作業(yè)[16]，使教室中所有學(xué)生無(wú)論遠(yuǎn)近都可觀看清晰，例如做演示實(shí)驗(yàn)就不需要圍觀都能看到，大大增強(qiáng)了授課的生動(dòng)性。很多教室的多媒體講臺(tái)還配有專用的展示臺(tái)，但往往積滿灰塵，并不經(jīng)常用甚至根本沒(méi)有過(guò)，這是因?yàn)檐浻布僮髌饋?lái)比較麻煩。在PPT無(wú)線控制的安卓程序中嵌入一個(gè)視頻預(yù)覽界面，打開(kāi)安卓設(shè)備的攝像頭后，觸碰視頻預(yù)覽范圍即可拍照進(jìn)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(jī)，并將幻燈片切換到圖片全屏顯示，設(shè)置自動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)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(duì)學(xué)生課堂練習(xí)拍照后無(wú)線傳到大屏幕上顯示、并馬上在觸摸屏上批注點(diǎn)評(píng)的現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 移動(dòng)圖像展臺(tái)的實(shí)時(shí)顯示

這種現(xiàn)場(chǎng)拍照-實(shí)時(shí)傳輸與顯示的移動(dòng)展臺(tái)還可拓展到更多的應(yīng)用。如前所述，計(jì)算機(jī)幻燈演示的缺點(diǎn)之一就是不能像板書一筆一劃、逐字逐句地把重點(diǎn)內(nèi)容寫出來(lái)，這種過(guò)程非常適合認(rèn)知心理學(xué)所認(rèn)為需要串行輸入的知識(shí)傳授，這些就是那些難以用形象的圖示，而只能用語(yǔ)言和字符表達(dá)的抽象知識(shí)，語(yǔ)言就是一種以時(shí)序來(lái)表示的串行信號(hào)[9,11]。如果PPT幻燈演示能同時(shí)具備書寫功能，這一缺點(diǎn)就能得到克服。為此可在控制端的安卓設(shè)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?xí)鴮懙碾姶庞|摸屏和電磁筆，可以寫出簡(jiǎn)單的字句和公式、畫圖等，不過(guò)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(tǒng)的移動(dòng)展臺(tái)，可在紙上書寫的同時(shí)連續(xù)拍照傳到PC機(jī)在大屏幕上連續(xù)顯示，這樣接近于連續(xù)的板書過(guò)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(jīng)常采用PPT的動(dòng)畫功能可以清晰地演示一個(gè)過(guò)程，這對(duì)于學(xué)習(xí)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(gè)彈出圖文區(qū)塊的顯示方式，似乎也符合串行認(rèn)知心理過(guò)程[9]，但依舊不能完全取代板書。如果這種方式運(yùn)用不好反而像是在擠牙膏，同樣也不好接受。問(wèn)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(yīng)學(xué)生的大腦接受；而幻燈演示的動(dòng)畫即使也是逐字顯示，原始信息來(lái)自屏幕，很容易未經(jīng)教師大腦加工直接通過(guò)教師口頭機(jī)械地轉(zhuǎn)發(fā)給學(xué)生，所以有時(shí)候也難于理解。利用以上自行開(kāi)發(fā)的移動(dòng)智能設(shè)備與投影計(jì)算機(jī)無(wú)線連接方案，在觸摸屏上方便地做一些標(biāo)識(shí)繪圖，或利用移動(dòng)視頻展臺(tái)將手寫圖文實(shí)時(shí)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(diǎn)，無(wú)需師生注意力在投影屏幕和黑板間頻繁轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前多媒體智慧教室的建設(shè)和發(fā)展趨勢(shì)下，日益豐富的各種新型多媒體技術(shù)進(jìn)入到教室中，這些技術(shù)和相關(guān)設(shè)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(tái)，可以在安卓移動(dòng)設(shè)備上通過(guò)無(wú)線連接對(duì)PC機(jī)上的PPT運(yùn)行進(jìn)行可視化的智能控制，同時(shí)學(xué)生利用手頭的安卓移動(dòng)設(shè)備亦可接入WLAN，同步顯示或異步瀏覽幻燈圖片，實(shí)時(shí)提問(wèn)反饋疑難信息到教師的PC機(jī)和控制端。在理論上解釋了認(rèn)知過(guò)程對(duì)板書的需要，它符合學(xué)習(xí)者對(duì)語(yǔ)言所表達(dá)知識(shí)的串行輸入/輸出的信息感知規(guī)律。本系統(tǒng)也具有拍照并實(shí)時(shí)傳輸和顯示圖像的移動(dòng)展臺(tái)功能，是一個(gè)高性價(jià)比、涵蓋多種多媒體教學(xué)手段的智慧教室軟件解決方案。