基于分组式教学的高清多媒体实验室建设与研究

杨晓 刘卫 马逢田

[摘要]重庆理工大学经济管理实验教学中心围绕分组式教学的特点和优势，采用先进的多媒体信息技术，突破传统模式和空间障碍，成功建设了分组式合班型高清多媒体实验室。该文阐述了其建设方案要点，对其中的成果和经验进行了分析和总结，对高校开展多媒体实验室具有一定的参考意义。

[关键词]分组式教学法；多媒体：信息技术；实验室建设

[中图分类号]G40-057[文献标识码]A[论文编号]1009-8097(2012)01-0059-05

重庆理工大学经济管理实验教学中心(以下简称经管中心)是由该校的工商、经贸、会计三个二级学院院属实验室于2006年合并而成。该中心经过5年多的建设与完善，现已成为重庆理工大学经济管理类专业唯一的实践教学基地。经管中心目前拥有各类房屋面积2000M2，资产总额400余万，建有金融实验室、财会实验室、沙盘实验室、物流实验室、综合设计实训室、创业孵化室等多个专业性功能实验室，取得了大量的教学科研成果，于2008年被评为重庆市市级实验教学示范中心(省部级)。

近年来，伴随着招生规模日益扩大，实验室作为培养创新人才的基地，面临着越来越大的压力。2011年，学校决定在经管中心新建设一个多媒体实验室，并为此专门拨出两间房屋作为建设用地，房屋的基本情况如下：

(1)两间房屋彼此相邻，中间由一面实体的墙壁完全隔开，学校明确规定，该墙壁不能拆除。

(2)两间房屋的结构完全一致，均为长方形(长17M，宽7M)，均能容纳一个45人以内的单班级开展实践教学活动。

一、基本建设目标

1.全力打造满足分组式教学需要的多媒体实验室环境。

随着大学生越来越严峻的就业形势，以及社会发展对高素质人才的迫切需求，高校教育越来越重视对大学生的创业创新能力、团队合作精神、协同竞争意识的培养和锻炼。广大的师生在实践教学环节开展了大量的改革与探索，其中分组式教学法是最引人关注的改革成果之一。分组式教学法，顾名思义，是改变传统的学生单一个体式的教学方法，将以往的由每个学生独立完成相同题目的实践方式，转变为将学生科学合理的分成多个小组，以小组为单位进行一个较为综合的作品设计，每个学生在小组中充分发挥自己的作用。分组式教学法改变了以往对学生全面培养的传统模式，强调大学教育从讲授知识向学习知识转化，强调发挥每个学生自己的独特优势，强调学生对实践环节的主动参与，所以取得了非常良好的效果，其应用范围也最为广泛。本次多媒体实验室建设的第一目标，就是采用先进的设备和软件，全力打造出满足分组式教学需要，能充分体现分组式教学法特点的多媒体实验室环境。

2.建设跨房间的合班教学多媒体实验室。

大学教育与小学、初中、高中教育的一个不同之处在于，大学教育中经常采用合班制的方式进行教学，即同一个教师同时给两个班级的学生授课。合班制教学方式由于在单位时间内授课的学生人数成倍增加，同时其教学效果也基本不受影响，所以，其对于授课任务非常繁重的大学教师而言，合班制的教学方式是其乐于采用也经常采用的一种教学方式。但从前面的建设场地介绍中可以看出，本次多媒体实验室建设场地为两个相邻的单班规模房间，房间之间有无法拆除的墙体，这一现实的情况对于合班的实践教学而言造成了几乎无法逾越的障碍。本次多媒体实验室建设的第二个目标，就是在既有的约束条件下，积极探索和大胆创新，尽一切努力突破这一物理障碍，实现两个房间的联合控制与协调管理，使多媒体实验室无论是单班还是合班均能灵活使用。

3.大力提升整个多媒体实验室的实用性和易用性。

多媒体技术是指把文字、声音、图像、动画等多种媒体的信息通过计算机进行处理，集成具有交互性系统的一种技术。其在实验室中实际使用所发挥的最终效果，与其提供的多媒体信息整合方案的实用性和易用性有着密切的联系。有鉴于此，本次多媒体实验室建设的第三个目标，就是专门针对多媒体实验室的实用性和易用性，进行深入的思考与分析，做出整体设计。为了有效地开展工作，我们进一步界定了这一目标的具体内涵，主要包括以下几个方面：

(1)高清晰度的视觉效果。包含两个方面的内容，其一是能提供显示高清数字信号的手段和方法，即显示画质达到1080P，分辨率达到l920×1080；其二是能提供对单一画面的太尺度高清晰显示的手段和方法。

(2)高保真度的声音效果。无论是人还是计算机发出的声音，均能通过音响系统，在整个房间内清晰的传播。

(3)高效率化的师生交互。主要包括教师和学生之间的图像交互、声音交互和资源交互三个方面。

(4)高自由度的操控使用。包含两个方面的内容，其一是将多媒体实验室的主要设备进行集成，采用良好的人机交互界面，使实验室的使用方便快捷；其二是采用成熟的无线通讯技术，实现部分设备的移动化。

二、基本建设方案

1.采用液晶拼接系统，构造分组式作品演示高清液晶显示墙。

DID液晶拼接系统，主要包括DID(Digital InformationDisplay)液晶显示屏、液晶显示屏拼接器及控制软件、VGA矩阵以及液晶墙拼接支架等。利用DID液晶拼接系统，我们可以将多块高清液晶显示屏组合起来，形成一个较大的液晶显示墙，其可以实现以下的功能：

(1)独立显示多个画面。每块液晶显示屏均可以独立显示一个画面。

(2)整体显示一个画面。所有的液晶显示屏组合成为一个整体，显示一个画面。

(3)组合显示多个画面。将全部液晶显示屏组合后，重新进行划分，形成M×N个独立的显示画面。

(4)高清画质显示。每块DID液晶显示屏的拼接器均带有HDMl高清数字信号接口，可以完美的显示高清画质。

采用这套液晶显示墙，我们可以将分组实验中多个小组的作品在同一时间、同一个平面上进行高清画质的展示，非常便于教师和学生进行一对一、一对多、多对多的对比、分析和点评，使分组式教学的实际效果有质的飞跃。

2.采用投影机和画框幕布，构造单一作品大尺度高清晰显示面。

尽管液晶显示墙能够完美的演绎高清画质，但其昂贵的价格对建设资金提出了很高的要求，而且其尺寸越大，价格还将成倍的增长。经过精确预算，我们无法建设120寸幅面的液晶显示墙，而对于单班实验室而言，120寸是显示单一作品最理想的大小。为实现这一功能，我们采用高亮度的投影机和120寸画框式幕布相组合，以投影的方式来展示单一作品。其与液晶显示墙相互补充，分别从大尺度画面和高清画质两个关键点入手，共同构建多媒体实验室视频系统主要的硬件解决方案。

3.采用音响系统和无线信息技术，进一步提升实验室的实用性和易用性。

在视频系统的问题基本解决之后，我们将注意力转移到如何进一步提高多媒体的效果，突显其实用性、易用性方面。为此，我们设计了以下的解决方案：

(1)高保真的声音效果。我们采用目前国内较为先进的

音响系统来确保实验室的声音效果(包括计算机的发声和人的发声)，主要设备有高保真的功放、音箱和调音台等。

(2)无线便捷的交互方式。包括三个方面，首先是采用无线接收器和无线话筒等设备，实现教师和学生的发言以无线的方式进行传输，完全不受空间和线路的约束：其次是采用无线手写等电子设备，实现教师的板书自由便捷，不受空间限制；最后，我们还采用多媒体网络软件，实现教师计算机与学生计算机之间资源发布、信息交互、课堂控制等功能。

4.采用中控系统，实现中央控制和灵活使用。

本次多媒体实验室建设后，将增添大量的电子设备，某些设备的操作和使用较为复杂。如果我们不能在较短的时间内让广大的授课教师掌握并灵活使用，必将会大大降低教师使用多媒体实验室的意愿和兴趣。为解决这一问题，我们采用触摸式可编程中控系统，将主要的设备智能化集成：所有的操作均在后台完成，包括各种设备的控制信号传输、VGA矩阵和液晶拼接器的联动等；前台则采用液晶触摸屏提供一个简单、友好的人机交互界面，使授课教师无需太多培训就能轻松掌握多媒体实验室的使用。

三、主要实施方案

本次多媒体实验室建设方案具体实施中，最为关键且难度最大的是视频系统，其要求要在保持高清画质的前提下，突破房间之间的物理障碍，实现跨房间视频信号联合控制与协调管理。这在几乎没有任何成熟经验可以借鉴的现实情况下，无疑是一种突破创新和自我挑战。以下，我们将主要阐述视频系统的实施细节。

1.视频系统设备配置与线路结构

经管中心与来自企业界的资深高级工程师深入分析、反复思考，最后采用了一个简单、方便、又较为经济的视频系统实施方案，其系统拓扑如图1所示。

(1)主要设备。两个房间各安装一套2*3的液晶显示墙，其采用的每块液晶显示屏均为40寸窄边DID液晶显示屏，除带VGA信号接口外，还带两个HDMl高清接口；两个房间各安装一套投影系统，由3500流明的工业级投影机和l20寸大尺寸画框式幕布组成；两个房间共用一个l6进16出的VGA矩阵；每个房间有学生用计算机42台，分成7个小组：每个房间有教师用计算机1台，该计算机可同时输出VGA和HDMl两种信号；两个房间的所有计算机使用4个24口的高速网络交换机连接，形成局域网络。

(2)VGA矩阵信号输入端连接方式。教师用计算机的VGA信号使用VGA视频分配器输入矩阵；每组学生计算机中有一台固定的计算机，其使用显卡自带的两路输出中的一路VGA信号接入矩阵，该计算机的两路VGA信号在显卡的控制软件里配置成复制模式。

(3)VGA矩阵信号输出端连接方式。将矩阵的16个输出信号中的12个分别连接到两个房间的12块液晶显示屏的VGA输入接口；将矩阵的2个输出信号分别连接到两个房间的投影机输入接口。

(4)高清信号连接方式。两个实验室的每台教师用计算机均通过一个1分2的HDMI分配器和2个1分10的HDMI分配器与两个教室的每块液晶显示屏的HDMI输入接口连接。

由此可见，两个实验室的教师机上的HDMI高清视频信号直接连接到液晶显示墙上的每块液晶显示屏上，而所有的VGA信号则通过矩阵的方式连接起来，这就为各种信号之间的发送、传输、接收、显示铺平了道路。但是，物理上信号的连通距离正式的使用尚有一段距离，我们还必须进行以下的工作。

2.安装拼接控制软件进行视频信号的管理

通过对两台教师用计算机安装液晶拼接控制软件，实现对视频信号的管理。

(1)信号归类整理。对每个教室的视频信号的输入端和视频信号的输出端进行归类编号，我们必须确保每个编号清晰明确，让使用者通过编号能够非常容易地确定其对应设备。

(2)信号的控制。主要有两个方面内容，首先是控制各个输出设备选择和接收某个输入信号；其次是控制液晶显示墙如何显示接收的信息，如单独显示，或者整体显示等。

3.改进拼接控制软件实现跨房间合班控制

由于液晶显示墙在实验室单／合班灵活配置方面处于空白状态，所以，目前市面已有的拼接控制软件均不能完全满足要求，我们必须进行必要的二次开发改进软件的功能。

(1)单／合班实验室信号切换控制。前面已经对各个信号端进行了科学的编号，现在的改进是实现对这个编号的管理，即在得到授权的情况下，使用者可以控制使用两个房间内全部输入输出信号；而在未经授权的情况下，使用者只能控制使用其所在房间内的输入输出信号，另一间房间的信号则无法使用。

(2)两个房间同时作为单班使用下的矩阵控制。当两个教师分别进入两个房间进行授课时，尽管前面的单／合班实验室信号切换控制已经将输入输出视频信号分开管理，但仍然存在一个严重的问题，那就是现有的VGA矩阵同一时间只能由一台计算机控制，故在传统模式下，就只能一个教师使用，而另一个教师是无法同时使用的。我们的改进是当该软件启动时自动进行侦测，一旦发现VGA矩阵的串口控制链路已经被另外一台计算机的控制软件控制的情况下，将能通过网络连接到已经控制VGA矩阵的计算机，通过调用该计算机上的矩阵服务端软件来实现对自己房间内的视频信号进行控制和管理。尽管这时候两台教师用计算机都在使用其中一台的控制软件对VGA矩阵进行视频信号的切换，但由于有前面的信号授权管理，所以，其相互之间完全不受影响，而且在实际使用过程中使用者也完全感受不出来。

(3)定制设备完成矩阵自动管理。前面的阐述中我们知道，VGA矩阵同一时间只能由一台计算机进行控制。根据拟定的设计方案，要完成单／合班灵活配置，就必须实现能够自动判断哪台教师用计算机首先通电启动，同时立即将矩阵交由该计算机控制与管理。这里我们采用了硬件的方式来进行解决，单独设计和定制了一个矩阵控制信号切换器和液晶拼接器的控制信号切换器，该切换器能够自动侦测两台教师用计算机中某一台是否率先通电启动，如果发现其中一台已经启动，则立即将矩阵的控制权切换到该计算机上，另外一台计算机则通过TCP／IP链路连接到此计算机的矩阵控制服务端对矩阵分配给本机的视频信号进行切换。

4.单／合班实践教学具体情况推演

完成前面的三个步骤后，实现了最关键的跨房间合班控制与协调管理问题，能够全面的满足单／合班多媒体室实验室实践教学的需要。

(1)单班开展实践教学情况。由于只有一个班级开展实践教学，所以只使用一间房间，只有一台教师用计算机会启动，矩阵切换器将VGA矩阵交由该计算机控制，该教室的拼接器控制信号也默认接在该计算机上，在没有授权的情况下，该教师只能对本实验室内的视频信号进行切换控制。

(2)两个单班同时开展实践教学情况。当两个单班同时开展实践教学的时候，矩阵切换器会将VGA矩阵的控制权交给先启动的那个教师用计算机，另一个房间的教师用计算机则将通过网络共享控制矩阵的教师用计算机的矩阵控制服务端软件，从而实现两台计算机同时控制使用VGA矩阵分配给