基于多媒体技术的三维教学系统设计与实现

姜燕，王晓

（湖北医药学院 公共管理学院 湖北 十堰 442000）

传统的教学模式，就是使用黑板、粉笔、教科书、挂图、模型、教具等教学介质，结合教师讲授的教学模式，这种教学模式中教师往往占有主导作用，而学生常常处于被动的接受知识状态，教学的效率并不高，但是随着计算机技术的发展，以多媒体技术为基础的教学手段在大学课堂教学中被广泛应用，越来越多的教师在教学中采用了多媒体等现代授课方式。利用这种计算机辅助教学的模式可以起到增大教学信息量、改善教学效果、活跃课堂气氛等作用。

计算机辅助教学（Computer Aided Instruction）简称 CAI[1]，它是各种教学活动与计算机技术相结合而产生的，主要是利用计算机技术辅助完成教师的部分工作，同时实现以对话的方式与学生进行互动、教学资源共享、教学进度安排、学生信息管理等功能。CAI为学生提供一个良好的个人化学习环境。综合应用多媒体、超文本、人工智能、网络通信和知识库等计算机技术，克服了传统教学情景方式上单一、片面的缺点。它的使用能有效地缩短学习时间、提高教学质量和教学效率，实现最优化的教学目标。

基于CAI的设计理思想，结合现有的多媒体技术，设计了“基于多媒体技术的三维教学系统”，该系统实现了教学环节师生互动、教学资源共享、教学内容更新、教学进度安排和学生信息管理等各智能模块的功能，对于教师而言，该系统是一种进行多类数据管理的多媒体辅助教学的智能系统，对于学生来说，该系统又是一种可以自主学习的辅导工具[2]。

1 主要功能模块设计及性能分析

基于多媒体技术的三维教学系统是一个集合多媒体教学资源，将课件开发融入其中的教学管理系统，教师可以根据教学需要，结合课程特点，进行课前课件编辑、整合以及个性化设置，综合运用多媒体技术进行教学设计和备课，同时还可以对后台教学资源库、习题库、学生信息库等多类数据进行灵活管理，为了体现以学生自我发展为中心的教学宗旨，该系统在课上和课下都能对学生的自主学习状态和学习进程进行有效管理，例如，学生自动考勤、课后答疑、自动提交作业和即时评价教学效果等。

本系统由电子笔、演示播放工具、多媒体网络采编工具和后台SQL数据库等主要部分构成。其结构示意图如图1所示。

图1 基于多媒体技术的三维教学系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the three-dimensional structure of teaching system based on Multimedia Technology

系统提供的客户端功能模块主要有E媒体介质模块、资源管理模块、课件编辑系统模块、备课系统模块、课堂教学演示模块五部分，其结构示意图如图2所示。

图2 客户端功能模块图Fig.2 The client function module diagram

1.1 资源管理模块

随着多媒体技术和计算机网络技术的发展。基于多媒体技术的三维教学系统有效地实现了不同环境下，不同类型资源的集成和共享，实现了资源管理的智能化。系统中资源管理模块将教学过程中的资源分为两大类，一类是教学数据资源，一类是学生数据资源。在因材施教的原则下，针对每个班级的学生个体，相对其教学进度和教学方法及教学内容不会完全相同。对数据的智能化管理就是充分考虑了学生自身的个性化发展，同时系统还考虑了教师同时教授两门以上不同的课程，或者带不同班级的情况，课程数据和学生数据的管理就显得尤其重要。系统启动初始化过程中和启动后这一功能可以在目录管理模块和学生管理模块中自动实现的。

系统对资源数据的智能化管理，还表现在不同类型数据的兼容性支持上面。该系统可以在统一环境中打开不同类型的数据。

1.2 课件编辑系统模块

系统中课件编辑系统是基于Intemet Explore为演示平台的课件编辑系统。系统基于网络实现了课件和教案的完整统一，主要可以实现课件编辑、课件列表、课堂测验、电子黑板、电子粉笔等功能。

1.3 备课系统模块

教师备课系统模块是基于学生需求而设计的，它实现了学生课堂接受信息和课外反馈信息的在线浏览功能，教师可以有针对性的根据学生在线反馈信息，对教学进度和教学内容进行调整安排，做到充分备课。这种功能的实现不仅改变了传统意义上的教师备课只是把教学大纲和教学内容写成教案，或是利用Powerpoint直接做成课件给学生播放的模式。

1.4 课堂教学模块

基于多媒体技术的三维教学系统是将课堂教学的三维化，教学策略的智能化，课件平台统一化三者融合在一起的智能化系统。其中课堂教学的三维化是指：一是把网络建在教室、把教室建在网上。教师可以在课堂教学的任一时刻，调阅网上的教学资源；或者把没来得及在课堂上讲的内容或者课堂中新出现的教学问题发送至网络课堂上，让学生继续学习和讨论[3]。二是把课件库搬到教室，利用多媒体技术形象的演示。三是把实验室搬到了教室，学科实验的动态模拟，让学生身临其境。

教学策略智能化：智能化的教学策略是教师在课堂教学中调控教学信息流的一个重要环节。教师可以根据学生的学习状态、课堂气氛和掌握知识的情况适时调整教学策略。目前，我们在该教学系统中为教师提供了自动设定教学策略的功能，如互动教学策略、情景教学策略、兴趣教学策略等。

课件平台统一化：系统提供给用户一个利用不同开发工具制作的各类教学课件集成化平台，方便了课件资源的共享和交流。

1.5 其它功能模块

系统还配备了摄像设备，可以利用摄像机对课堂教学进行实时数据采集。除此之外，本系统还提供了课堂管理、考勤管理、题库管理等功能，其中学生管理功能、课件讲义管理功能、网上课堂等功能由服务器端实现。

2 关键技术与实现

系统由用户登录、课件管理、课件编辑、课件发布和课堂教学等结构组成。其信息管理的拓扑结构如图3所示。

图3 信息管理的拓扑结构图Fig.3 The topology information management

2.1 多媒体元素的开放管理

系统中多媒体元素是指课件中所包含的用于人感官的文字、图形、图像、动画、声音和视频信息，教师可以根据教学需要，分离或组合课件所包含的任一多媒体元素，或者增加若干相适应的元素，即实现了多媒体元素资源开放管理，更有利于个性化地因材施教。

2.2 多媒体资源的集成管理

系统在技术上实现了各类媒体素材的同步、数据库、非结构化数据与文本的智能互访技术[4]。根据管理内容的不同，采取了不同的数据处理方式，对文本素材使用对话框方式或视图方式进行管理，并以TXT文件、RTF类型文档存储，实现了课件的异构，可以面向不同的平台进行展示；对于图形、图像素材的处理，是按位图或矢量图的不同分别进行管理；对于音频和视频元素，用户在编辑课件时做出相应的标记，展示时系统可以自动调用播放器播放。

2.3 个性化编辑器的设计

系统设计了个性化的文本编辑器，在实现通常文本编辑器特性的同时，实现多类数据的智能化管理，其中包括试题库数据、学生库数据、章节表数据、检索数据、课堂日志数据、讲义教案数据等。个性化的文本编辑器使用Microsoft的ActiveX Data Obiects（ADO）技术，实现了通用数据的高速访问，构建了文本与数据库之间的桥梁。该编辑器与图形图像浏览器、音频、视频、动画播放器一起组成一个课件发布平台[5]。

根据课件的使用方式.对已做好的课件的管理分为章节表管理、索引管理和使用方式管理等部分。章节表管理给出课程的所有章节：索引管理可以对任一章节进行检索；使用方式管理分为“行出现式”和“整屏出现式”，行出现式模仿教师板书方式，符合教师和学生的思维方式，整屏出现式适合学生自学和教师浏览总结。本模块的核心技术是ADO、SQL技术[6-7]，以及网形图像的编码、音频、视频编码、解码技术等。

2.4 题库管理

系统第一次登录时，会根据用户输入的信息建立相应的的试题库。系统不仅可以在课件编辑和备课过程中编辑、增加、删除和修改题库中试题内容，而且还可以在课件演示过程中，随时点击相应按钮，所选文字的相关试题自动入库。这样一个完整的试题库就在教师讲授完一门课程之后建成了，不仅方便了期末的考试和考查，而且更有利于本学科的课程建设。

2.5 课堂管理

动态数据库编辑和数据采集技术是实现课堂管理功能的核心技术。课堂管理由课堂考勤、课堂日志、课堂提问和课堂分析等主要部分组成。利用条形码技术实现学生考勤的自动化，不论是课堂授课还是大型讲座或报告，只需在教室或入口处放置一台条形码识别仪，就可以实现此功能。如果不方便使用条形码技术，系统还可以采用教师日志查询的方式实时掌握学生动态，这种方式不仅方便了教师对学生的日常管理，而且做到了教学效果的实时反馈，加强了教师对教学过程的管理；课堂提问是基于试题库的检测方式，通过提问、抢答和游戏的形式对学生的学习效果进行有效的检测；课堂教学效果的综合评价是对教师课堂日志综合分析后形成，即课堂分析。

2.6 数据操作的智能管理

为了快速访问了数据库，系统中分别选用了ADO、ODBC、OLEDB、DAO等技术，实现了对数据的智能提取、智能检索和智能存储等功能[7]。同时提供了多类数据管理机制，可以方便的对数据进行管理，支持对话框、文档和视图方式对数据进行提取和展示。该系统通过动态模拟展示、课件编辑、查询、课堂教学管理、模拟操作、反馈练习、多媒体情景创设以及游戏等功能表现，来体现其具有支持大容量存储、高速传输、人机交互、超时空交流共享等特性。

3 结束语

基于多媒体技术的三维教学系统随着教育技术和计算机技术的发展，不断实践和改进。基本实现了其三维教学理念的模式，即多媒体教室、互联网和实验室三位一体的教学模式。系统把多媒体数据的集成提到了智能数据管理和智能集成领域[8]，是一种技术层面上的飞越。该系统不仅为不同类型的课件提供了一个集成化的平台，而且首次把学生管理做为多媒体教学[9]中“数据管理”的一部分提出并应用其中。当然系统还有很多不完善的地方，需要在今后的教学实践中反复推敲、不断改进，争取在高校中推广应用。

[1]王爱民.智能化CAI设计理论及其应用[J].计算机工程与应用，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，刘赟.基于多媒体三维教学系统的设计与研究[J].信息与电脑，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高级编程[M].崔洪斌，王爱民译.北京:清华大学出版社，2005.

[5]吉兰尼.Visual Basic.NET反射参考手册[M].王爱民，于冬梅译.北京:清华大学出版社，2003.

[6]赵蕾，李慧.基于网络的多媒体教学系统结构[J].中国高新技术企业，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]王爱民，栗青生.基于Web的智能化三维教学系统的设计与实现[J].中国教育信息化，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，师丹琳.基于网络的多媒体教学环境的构建与应用[J].现代电子技术，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.