移动演示平台开发和串行认知过程分析

何志毅， 郭 瀚， 王卫东， 陈冬梅

(桂林电子科技大学 信息与通信学院, 广西 桂林 541004)

幻灯演示在课堂教学中具有图文信息输出速度快和知识吞吐量大的特点，提高了教师授课的效率。不过长期以来其优缺点一直存在着争议[1]。现在各种技术手段和教学方法不断丰富和改善，逐渐弥补其在客观上的不足，主要是信息量过大、不断翻页，造成学生难以像板书那样跟随老师的笔迹思考，而前页的信息又无缓存无法前后联系等缺点[2]。随着大尺寸液晶屏的成本降低和触摸屏技术的应用，出现了一体机和电子白板等各种教学产品，并被教师们合理地用于教学中[3]，以及无线投影仪的使用[4]都逐渐克服了过去单调PPT演示的缺点。

要把日益丰富的各种教学硬件设备合理充分地发挥其作用，需要建立一个智能化控制的互动教学体制，由此逐渐形成智慧教室的概念。从这些概念到使用的情况[5-7]来看，它应该具有以下四大基本特征：1)充分的多媒体教学手段。这是构成智慧教室的技术基础，包括硬件设备和软件方法的灵活运用；2)智能化。不仅是教师有播放幻灯演示用的计算机，每位学生也要具有智能化设备进行信息的处理、交流和显示；3)网络化。师生手中的智能设备需要交流就应建立一个网络互相连接起来，当然在一个教室中采用无线局域网是最便捷的, 也包括各种多媒体设备都能够在这个局域网中进行信息传输；4)交互性。信息流不是教师-学生的单向传输，而是师生之间的双向乃至学生之间的多向传输。由此可见，要是上课学生人手一台计算机的话,成本也是很高的，尚不说组网和软件的开销。

早期试图通过技术手段来解决多媒体教学所存在的问题[2]，由于过去相关硬件设备技术条件的限制，直到近年来才形成一个功能较为丰富又切实可行的合理技术方案[8]。即利用现有的移动智能设备与演示端PC进行无线通信和可视化的控制，实现图文传输以在两端同步显示幻灯界面，可在移动终端进行标注画图和手写，将教师从讲台和电脑的束缚解放出来充分地与学生近距离交流，且对PPT操作远比遥控激光笔甚至在本机操作的功能(如局部放大)丰富和方便。经过反复教学实践和反馈进一步完善该系统，在当前建设智慧教室的发展趋势下提供一个软件技术方案，展示该系统实际应用的教学效果。

1 计算机幻灯演示中学习过程的心理学分析

智慧教室必须以足够丰富的多媒体教学手段为基础而建立起来，虽然关于多媒体技术对教学效果的改善早已经过教学实践验证并大量地报道。但相关理论依据的深入分析并不多见，为什么多媒体教学可以提高效率，同时又遭到很多学生的不满[1]，也遭到很多老教师的反感？并非完全是部分教师主观上的原因，如果结合认知心理学的理论来分析为什么多媒体能够有益于教学，也就可以知道客观上什么情况又不利于教学。从一般心理学角度来解释，注意力容易向有变化的目标转移。一般所了解计算机演示的优点在于，图文并茂并可插入动画和视频等丰富的内容和表现形式，这些特征可以吸引学生的注意，能否形成长时间的专注和兴趣、以及让学生满意地获取知识还是取决于教师对它合理的运用。

进一步分析幻灯演示与板书的区别，前者是一键显示，也不便于手写画图即兴发挥，后者的一笔一画虽然较慢，但可顺序地表现教师的思维过程。与计算机一样，认知心理学认为人的大脑信息输入和加工过程也可分为并行与串行2种方式[9-11]，对于形状图案这些形象信息可以并行地被视觉采集和进行识别记忆等处理，或来自不同感官的刺激都可独立地采集和处理，如并行地利用视觉和听觉采集信息可同时观看视频和听懂音频。多媒体教学就是利用了人类感知的可并行输入机能提高教学效率。但是单独对于语言信息的采集和理解，则是以时间顺序的串行方式为主。如果PPT页面一整屏地出现，学习者需要将字符排列的空间顺序转换为时序，由听课变成了“读课”，读屏幕实际上比读书本还难，因为走马灯似的幻灯翻页让“观众”无法像书本来样前后联系以扫描方式阅读。当然对于图形的观察和理解影响不大，因为它本来就可以通过视觉并行输入和处理，这时省去了现场画图的时间。也有的图需要按照工作原理过程逐步显示，这时可采用动画显示，则解决了大脑部分需要串行输入信息的需求。

2 新型教学多媒体技术应用

随着信息技术的发展，大量性价比的信息设备和模块产品使得多媒体教学方式真正多了起来，以下仅仅是常见的已经或正在走入教室的几种相关技术介绍。层出不穷可用于多媒体教学的技术产品越来越多地出现，在了解其基本技术原理才能合理地选择和运用。

1)电子白板和一体机。投影仪作为传统教学多媒体基础设备，不像板书那样幻灯翻页之间没有过渡和缓存，所以投影与黑板结合是一种常用的方法，不过这种组合用起来也经常有不便之处，因为它们分别需要弱光和强光照明环境。投影与电子白板相结合则是最佳组合。电子白板通过对手写电子笔的精确定位，一般利用短焦投影显示笔尖画线痕迹，可迅速擦除，书写可达到黑板的感觉和效果。另外随着大屏幕液晶屏性价比的迅速提高，带有触摸屏的教学一体机也可用于小型教室中取代投影仪，同时自带手写软件兼备电子白板功能[12]。

2)触摸屏。各种智能设备标配之一的触摸屏之所以操作方便，是因为用户输入与终端信息输出的显示空间位置重合，与传统的输入设备键盘鼠标和触控板相比完全是可视化操作，改善了人机交互界面。目前广泛应用的为电容屏，通过检测手指与触屏4个边角耦合电容的交流电流大小定位触碰点，支持轻触和多点触碰，使用方便；电磁屏依靠其行列电极作为天线接收电磁笔窄束发射的电磁信号，高分辨率的精准触碰定位适合于书写绘画；红外屏则应用到一体机和电子白板这样的大屏幕上。定位更精确的光电式电子白板，通过2个放置在触摸屏相邻边角上的线阵CCD[13]，连续不断地捕捉触摸表面上的触摸物体移动变化来准确定位。

3)智能移动设备。智能手机出现以前，PDA(个人数字助理)就已经用于课堂教学，从而智慧教室的概念就开始形成[5]。但这种设备普及率不高，智能手机和平板电脑普及使它们于教室课堂的条件完全成熟。它们的通信功能则可用于课堂中的交流和即时反馈，为什么面对面的课堂上还需要这些移动设备来交流？一是很多学生羞于口头提问；二是提问或反馈可以不中断教师讲解，教师可保存问题在课堂中选择一个适当的时间当堂解决，而不是到了考试的时候才知道问题很多[14]。

4)镜像同屏无线投影。将移动智能显示画面镜像无线传输到投影屏幕或一体机大屏幕上，不像遥控激光笔仅有的翻页作用，教师脱离了讲台束缚的同时还能在本机上全功能操作，可与学生面对面近距离地交流，如苹果公司的AirPlay无线模块可方便地将iPad的画面快速镜像到投影屏幕上[15]，微软公司也推出其Micracast产品将平板式的PC机与投影仪无线连接[4]。无线投影的另一种方法就是在安装Android系统的智能投影仪提供的同屏软件，与连接在同一无线路由器下的手持设备连接并同屏显示，当然比专用的无线模块速度稍慢。由于要不断地压缩和传输屏幕图像，同屏消耗较大的数据处理和传输资源。苹果公司设计了另外一款软件“Explain Everything”用于计算机演示，避免了同屏传输的资源消耗，需要将演示文稿转换为pdf文档。

3 移动交互式教学软件平台开发及应用

多媒体的教学手段也包括软件的运用，如各种CAD软件在电脑上实时运行和显示，科学仿真计算乃至虚拟现实的视觉环境，远比单一的幻灯演示丰富多彩并用起来得心应手。当然最基本和常用的软件平台还是PPT软件，如果各种多媒体软件能够互相嵌入，使用和切换起来就比较方便。另外还出于资金条件的考虑和多媒体硬件设备普及的困难，开发一套基于PPT演示的交互式无线教学软件平台，可兼备大部分新型多媒体设备的功能，也有这些设备所没有的如局部放大和滚动等特点，作为当前多媒体智慧教室建设的一个选择方案。

3.1 移动交互式演示

根据当前智慧教室发展方向之一交互性的需求，在原来利用安卓设备的单一PPT可视化无线控控制端的基础上[8]，进一步开发了在该平台的学生版App，使得学生在自己的手机或平板电脑等智能移动设备上安装该软件后，也能在同一个WLAN中与作为服务端连接投影仪的PC机连接，如图1所示，在教师的控制下进行通信，可以实时地匿名发送各自的问题显示到投影屏幕和教师主控端移动设备上，教师可以亲自解答，也可由课堂辅导教师或其他同学仍以文字信息回复这些问题而不中断授课。这样在以教师为中心和学生为中心的授课方式之间找到一个合适的平衡点，达到交互性的要求同时保持较高的授课效率。移动App基于安卓设备的开发，一是考虑安卓手机较低的价格和更高的使用普及率；二是随着方案的成熟与推广也可进一步考虑IOS移动设备上的应用开发。

这个网络交互平台还解决了幻灯演示翻页前页内容不能缓存的问题，幻灯页面可以图片的形式发送到每个客户端移动设备并显示出来，学生版软件可以在自己的屏幕上看到幻灯页面，可以选择跟随教师的翻页进度同步显示，也可选择独自浏览，这样把每个学生现有的设备资源。不过是否防止学生借此机会在课堂上玩手机，一方面课堂的交互性增强也会改善学生的自觉性，另一方面由于教师在移动控制中也便于近距离观察，再一方面学生是否认真听课与能不能玩手机也没有必然的关系，也不能因噎废食。由于幻灯页面以图片形式保存在学生的手机中，课后学生还可离线浏览复习，随时随地充分利用碎片时间，把手机变为学习工具。

图1 交互式计算机演示平台示意图

对于课堂上在教室中近距离的通信，采用无线局域网(WLAN)连接是最有效和最可靠的方法。一般需要连接几十到上个百客户端，用一个普通无线路由器连接到十个终端的时候，操作时响应就变得迟滞不稳定了，采用容量较大的无线AP后就解决了这一问题。低成本的无线路由器连接几个终端可用于小班辅导，无需几个师生挤到一个电脑屏幕上还不能全看清楚。

3.2 移动展台的多种运用方法

实物视频展台也是非常有效的多媒体教学手段之一，它利用摄像头采集到的视频图像实时显示到大屏幕中，在课堂上可以清晰地展示小尺寸实物、批注书本和作业[16]，使教室中所有学生无论远近都可观看清晰，例如做演示实验就不需要围观都能看到，大大增强了授课的生动性。很多教室的多媒体讲台还配有专用的展示台，但往往积满灰尘，并不经常用甚至根本没有过，这是因为软硬件操作起来比较麻烦。在PPT无线控制的安卓程序中嵌入一个视频预览界面，打开安卓设备的摄像头后，触碰视频预览范围即可拍照进行压缩处理，直接把高分辨率jpeg图像传送到连接投影仪的PC机，并将幻灯片切换到图片全屏显示，设置自动对焦和自动闪光灯，可选择单次拍摄和持续连拍(约每秒钟采集和传送1张图片)。如图2所示是对学生课堂练习拍照后无线传到大屏幕上显示、并马上在触摸屏上批注点评的现场。

图2 移动图像展台的实时显示

这种现场拍照-实时传输与显示的移动展台还可拓展到更多的应用。如前所述，计算机幻灯演示的缺点之一就是不能像板书一笔一划、逐字逐句地把重点内容写出来，这种过程非常适合认知心理学所认为需要串行输入的知识传授，这些就是那些难以用形象的图示，而只能用语言和字符表达的抽象知识，语言就是一种以时序来表示的串行信号[9,11]。如果PPT幻灯演示能同时具备书写功能，这一缺点就能得到克服。为此可在控制端的安卓设备触摸屏上手写然后映射到投影屏幕上[8]，并采用了特别适合于触屏书写的电磁触摸屏和电磁笔，可以写出简单的字句和公式、画图等，不过在触屏上的书法还是不能像板书那样流畅自然和美观。有了本系统的移动展台，可在纸上书写的同时连续拍照传到PC机在大屏幕上连续显示，这样接近于连续的板书过程，在纸上写肯定比在黑板或白板上写还方便，如图3所示。

图3 连拍下的纸上书写显示

如果经常采用PPT的动画功能可以清晰地演示一个过程，这对于学习者的理解是有帮助的。这样将二维的幻灯图片也分解成较小信息单位、逐个弹出图文区块的显示方式，似乎也符合串行认知心理过程[9]，但依旧不能完全取代板书。如果这种方式运用不好反而像是在挤牙膏，同样也不好接受。问题出自它与板书的区别在于信息源的不同，虽然板书也是逐字写逐笔画，但信息源自教师的大脑，也很容易适应学生的大脑接受；而幻灯演示的动画即使也是逐字显示，原始信息来自屏幕，很容易未经教师大脑加工直接通过教师口头机械地转发给学生，所以有时候也难于理解。利用以上自行开发的移动智能设备与投影计算机无线连接方案，在触摸屏上方便地做一些标识绘图，或利用移动视频展台将手写图文实时显示在屏幕上，则兼备了投影显示的高效和板书易于理解与接受的优点，无需师生注意力在投影屏幕和黑板间频繁转移。

4 结束语

在当前多媒体智慧教室的建设和发展趋势下，日益丰富的各种新型多媒体技术进入到教室中，这些技术和相关设备具备各自特有的功能和优越性能。提供了一种PPT幻灯演示和Wi-Fi环境下的智能化软件平台，可以在安卓移动设备上通过无线连接对PC机上的PPT运行进行可视化的智能控制，同时学生利用手头的安卓移动设备亦可接入WLAN，同步显示或异步浏览幻灯图片，实时提问反馈疑难信息到教师的PC机和控制端。在理论上解释了认知过程对板书的需要，它符合学习者对语言所表达知识的串行输入/输出的信息感知规律。本系统也具有拍照并实时传输和显示图像的移动展台功能，是一个高性价比、涵盖多种多媒体教学手段的智慧教室软件解决方案。