基于三屏显示技术的多媒体教学支持系统研究与应用

黄东军+杨颖华

摘 要：学习空间理论支持多屏显示系统的应用。但目前多媒体教学系统大多是单屏显示的，呈现内容局限于一个相对狭小的空间，无法同时显示更多的教学内容，尤其在需要比较不同的教学内容时，教师不得不进行窗口或画面切换，导致内容停留时间减少，增加观察负担；此外，要显示学生计算机桌面图像也很困难。我们设计实现了一个由三显示屏构成的多媒体教学支持平台，包括教师主屏、教学辅助信息屏、学生桌面显示屏。由于系统能同时显示多屏画面，因此便于学生观察比较，特别是能够显示一个或多个学生计算机桌面图像，有利于开展互动式教学。实际应用表明，三屏系统能够显著改善教学过程，提高课堂注意力，激发学生参与教学的积极性，提升教学质量。

关键词：学习空间；多媒体；教学支持平台；三屏显示系统；应用

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）04-0093-04

一、引言

从感知的视角看，传统教学也是多媒体的，教师通过声音传递听觉信息，采用粉笔和黑板传送视觉信息，借助挂图、设备、模型等实物，为学生提供切身的学习体验[1]。但是，现代数字媒体技术使这种场景得到了极大提升，数字化教学技术，集文字、声音、图像、视频、动画于一体，显著提高了教学效率，教师可以借助各种数字媒体手段表现教学内容，为实现其教育思想和教学目标开辟了广阔空间。

然而，目前大部分多媒体教学系统仍存在不足，比较突出的一点就是基于单一显示屏幕，呈现空间狭小，缺乏互动功能，教师的主动性、学生的参与性难以充分发挥[2]。本文主要针对单屏显示系统的缺陷展开研究。

二、设计思想

学习空间理论强调促进学生形成有效学习模式的四个方面[3]，包括物理学习环境设计、认知理论的理解、技术领域的创新、教学方法论的构建。仅就物理学习环境设计来看，教育技术专家和实践者普遍认为[4][5]，在数字媒体与互联网时代，学校需要重视以显示系统为核心的创新性学习空间的建设[6][7]。研究人员指出，用于教学的显示系统正从传统的单一屏幕模式向多屏显示模式发展，而交互功能的融合进一步提升了多屏显示系统的作用[8]。

多屏显示系统可以追溯到早期的四面升降黑板，这种黑板具有书写内容停留时间长、便于对比与回顾、帮助形成更加清晰的讲课与听课思路、减少擦黑板时间等优点。

现代数字显示技术所构建的多屏显示系统，可以看成是多个滑动黑板以及视觉或艺术学科中使用的双幻灯系统等传统多屏显示技术的新发展[9]。Seward等人的研究表明，由多信息界面围绕的圆桌加上技术人员工作区，能够把小组成员的表现意识提升到更高层次，“中层管理人员的思想和行动像高层管理者，而高层管理者的思维像董事一样”[10]。Seward将这样的空间称为the Pod。the Pod的实践展现了多屏显示学习空间的潜力和优势。

鉴于上述观察，我们研究了一种基于三屏显示系统的教学支持平台。该系统由教师主屏、辅助信息屏、学生桌面共享屏构成，旨在让学生通过教师主屏获取课堂讲授的主体知识，通过辅助信息屏参阅相关资料，尤其通过桌面共享屏实现交流和分享。我们的目标是创建一种能够显著提高学生的课堂注意力、增强学习自主性和参与性、提升教学质量的学习环境。

三、系统设计与实现

1.系统硬件结构

图1给出了系统结构。

该系统设计方案利用USB转VGA显示卡，搭建起以教师计算机为中心的三屏显示系统。该方案实现成本低，软件设计相对简单，使用方便。缺点是对教师计算机要求较高，且必须拥有两个以上的空闲USB接口，并支持多屏显示。但随着个人计算机性能的不断提升，这个缺点容易克服。在本设计方案中，投影屏幕包括教师课件屏（第一屏）、辅助信息屏（第二屏）和学生桌面显示屏（第三屏）。第一屏主要展示授课的主体内容。第二屏主要用于呈现与教学相关的辅助信息，如参考文献、课堂习题、实验结果等。第三屏旨在实现交流和分享，通过将任何一个或者若干个学生的桌面显示出来，激发学生参与教学，这是本项目的特色。需要强调的是，这种应用模式特别适合诸如程序设计、软件应用等实践性较强的课程，教师通过显示学生桌面的编程或软件应用的情况，能够有效调动学生的积极性和创造性。所以，三屏的配置在很大程度上与具体应用相关。实际上，本系统并不限制教师对三屏的安排，教师完全可以根据需要灵活地利用三个或其中部分屏幕。例如，三个屏幕全部用于显示学生计算机桌面图像。

2.软件设计与实现

软件设计是系统的核心和关键。在上述系统组织方式下，由于教师计算机直接连接到第一显示屏，因此，我们容易通过MS PowerPoint、Prize等演示软件实现授课内容的呈现。第二屏也容易通过独立演示软件或窗口实现内容呈现。

关键是第三屏。第三屏的目标是呈现学生桌面图像。从技术上看，达到这个目标有多种选择。例如，利用Netmeeting、Office Live Meeting、QQ等及时通信工具中的桌面共享功能，教师能够将学生计算机的桌面共享到教师主机。但是，这种技术路线有一些难以克服的缺点。首先，管理负担较重，所有参与教学活动的计算机都要运行及时通信软件，这要求教师有更多的计算机应用知识。其次，教师计算机运行应用共享之后，计算开销会显著增加，严重降低计算机效能。此外，这种方式也难以同时显示多个用户的桌面图像。

针对上述问题，本文设计了一个轻量级的远程桌面图像传送与显示软件。它分为两个部分，一是运行在学生计算机上的图像捕获与发送程序（属于C/S模式中的Server端），其主要功能是捕获学生计算机的桌面图像（序列），并通过Socket方式传送到教师计算机上。第二部分是运行在教师计算机上的客戶端程序，其主要功能是接收远程计算机传送过来的图像（序列），并将这些图像显示在投影屏幕上。该方案的系统结构如图2所示。

上述解决方案的优点在于，学生桌面捕获、图像传输和教师端的接收与显示，均通过单一功能程序实现，效率高。单一功能的专用系统，既不需要远程桌面连接使用的账号与认证，也没有视频会议、即时通信工具等系统的复杂性，同时，还能同时显示多个学生的桌面，采用二分屏、三分屏、四分屏、甚至画中画等方式。

实现技术上，我们利用Windows环境下的GDI（Graphic Device Interface）所提供的SelectObject和BitBlt两个函数实现屏幕捕获。SelectObject是一个设备上下文函数（device context function），其功能是将一个对象选择到特定的设备上下文（DC）中。BitBlt函数的功能是执行位块传输，就是把特定设备内的一个矩形区域像素的颜色数据，传送到目标设备上下文中，目标可以是一个窗口或内存区域。利用这样一个组合，再结合位图数据结构以及数据操作，即可以实现屏幕捕获。

至于网络传输，我们采用了Socket程序设计技术。一方面，学生计算机运行屏幕捕获与传输服务器程序，该程序执行WinSock初始化、设置Socket地址与协议类型、解析服务器地址与端口信息、创建侦听Socket、绑定侦听Socket，最后将该Socket置于侦听状态即可完成网络准备工作。一旦服务器侦听到一个连接，则调用WinSock的accept函数接收该连接，之后就可以调用系统的send函数发送数据了。send函数有一个关键参数，即捕获图像在内存中的首地址指针，正是通过代入这个指针，send函数得以将图像发送到网络。

另一方面，教师计算机运行接收图像数据的客户端程序。客户端功能主要包括服务器地址解析、Socket创建、连接服务器、接收并显示图像数据等部分。图3是客户端（教师计算机）接收到的远程桌面图像（序列）。

四、应用与评价

上述系统已经在本校计算机与通信实验室得到应用。我们在实验室搭建了一个由短焦距高清投影仪、三块拼接在一起且有一定夹角的大规模显示屏构成的平台，如图5所示。利用该系统，我们进行了《多媒体原理与系统设计》、《C语言程序设计》、《分布式系统》、《物联网技术导论》等课程的教学，历时2年多。

在两年多的时间教学实践中，我们对近600名学生进行了问卷调查。采取了“问题+选择答案”的问卷模式，共有8个问题，如表1所示。

以下是调查统计结果与结论。

（1）三屏系统便于学生比较观察教学内容

在被问到“三屏系统是否有助于学生对比查看教学内容”这个问题时，有62.3%的学生表示“很有效”，33%表示“有效”，两者合计达到95%。这个结果与学生对“三屏系统是否有助于丰富课堂教学的信息类型”的评价结果非常一致，后者的“很有效”支持率为59.2%，“有效”的支持率为38.7%，总体有效的评价为97.9%。

上述调查结果符合系统设计目标。实际上，三屏系统的突出特点之一，就是为对比显示差异化内容提供了方便。没有内容上的差异化和对比性，三屏系统的优越性就不能充分体现出来。因此，为了更好地发挥三屏系统的优势，教师应当尽可能在三个屏幕上显示对比性强的内容。例如，我们在一次教学中，在三个屏幕上分别显示出三个学生对同一问题的求解算法与运行效果，鲜明的对比给学生留下了深刻印象。

（2）三屏系统有助于开展互动式课堂教学

在评价“三屏系统是否有助于开展启发式、开放式、互动式课堂教学”这个问题时，有36.7%的学生表示“有很大帮助”，53.1%表示“有帮助”，两者合计达到89.8%。这个结果与学生对“三屏系统有助于激发学生参与教学的积极性”的评价结果非常一致，后者对“有很大帮助”的支持率为40.1%，“有帮助”的支持率为49%，总体有效的评价为89.1%。

很明显，学生积极参与教学是互动式课堂教学的基本特征，所以，当学生认可三屏系统有助于学生参与教学的时候，就必然会认可系统有助于互动式教学的开展。这就是上述两个调查指标的评价呈现一致性的原因。

与互动式教学密切相关的另一个重要因素是，课堂内是否为学生提供动手实践的机会。教学中除了语言的交流以外，如果能为学生提供动手实践的机会，将会进一步提升课堂教学的互动性。我们设计的三屏系统，有一个十分重要的特性，就是能够同时显示多个学生的计算机桌面。这就为学生表现自己的编程、设计、制作等能力，开展竞争性实践活动，提供了舞台。因此，在被问到“三屏系统在动手实践教学过程方面是否有帮助”时，有55.1%的学生认为“有很大帮助”，认为“有帮助”的占38.8%，总体支持率达到93.9%。

我们注意到，上述三个调查项目的评价中，学生对“三屏系统在动手实践教学过程上的优势”的认可度高一点，这可能暗示学生更希望三屏系统用于动手实践教学。实际上，我们目前的三屏系统正是安装在实验室的，采用系统进行的课堂教学均含有实践内容，而进入实验室之前，参与试验的学生主要在传统多媒体教室内上课。因此，在三屏系统支持下的教学与以往的课堂形成了强烈对比，从而强化了学生对系统优势的认同和期待。

（3）三屏系统有助于提高学生的课堂注意力

在条件相同的情况下，学生注意力是否集中，对教学质量有决定性影响。然而，注意力是一个受多种因素影响的心理特征，除了学生个人的心理、身理上的原因以外，注意力还受环境和教学方式的制约。学习环境混乱、嘈杂必然会显著降低注意力，而教学内容和方式不符合学生的认知特点，也容易导致学生注意力分散。

在被问到“三屏系统是否提高了你的课堂注意力”时，28.6%的学生表示“提高明显”，61.2%的学生表示“有提高”，两者相加为89.8%。

我们认为，之所以三屏系统能够明显提高学生的注意力，除了教学内容以外，主要原因是改善了教学方式和教学環境。在教学方式的改善方面，基于三屏系统的互动、比较、表现、竞争等教学方法的运用，因而有助于激发学习自主性，提高学生的注意力。

从机制上看，三屏系统具有更宽广的视域（field of view），单位面积显示的内容减少（需要教师自觉利用这一优点），已经讲解的内容有更长的停留时间，因此，学生的认知心理负担明显降低。这一点也为调查所证实。在被问到“三屏系统是否看起来更轻松”时，77.6%的学生表示“确实更轻松”。

当然，77.6%的比例似乎还不足以与89.8%的注意力提高率成正相关。但是，我们的另一项调查可以解释其中的原因，在被问到“三屏系统是否会增加学生接收信息的负担”时，尽管有65.3%的人表示不明显，但表示“有增加”的为30.6%，表示“增加很多”的为4.1%，合计达到34.7%。这说明，尽管三屏系统改善了教学环境，但是总体上由于信息量加大、信息类型增多，学生接收信息的负担会有所增加。显然，在负担加重的情况下，注意力会受到一定的影响。此外，在被问及“三屏系统是否会增加紧张感”时，尽管有55.1%的人表示“不明显”，但还是有40.8%的学生表示“比单屏系统紧张”或“有点紧张”，4.1%表示“很紧张”，三者相加为44.9%，这个结果与对“接收负担增加”的评价比较一致。

所以，三屏系统有助于提高学生的课堂注意力，但是，教师在利用系统的时候，需要适当控制教学信息量，以便在提高注意力和增加学习负担之间确定一个平衡点。

五、结论

本文设计实现了一个由三个显示屏构成的多媒体教学支持平台，包括教师主屏、教学辅助信息屏和学生桌面显示屏。系统的核心和关键是教学控制软件，包括学生桌面捕获与传输、教师计算机接收进程、显示进程等。该系统不仅能同时显示多屏画面，便于学生观察比较，而且具有显示内容的灵活切换等功能。实际应用表明，三屏系统能够显著改善教学环境，有利于学生比较观察教学内容，提高学生的课堂注意力，激发学生主动参与教学的积极性，最终显著提高教学质量。

当然，在系统的应用中，教师需要有意识地控制显示信息量。此外，系统要求安装三个投影仪和三块常规显示屏，成本上是一个挑战。尽管如此，考虑到该系统带来的好处，我们认为整体效用仍然是较高的。

参考文献：

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[9]李颖敏，唐志敏. DSDM：一种基于机群系统的多屏显示接口[J]. 计算机研究与发展，2002，39（6）：756-762

[10]Seward， R.R.， Diaper， D. & Sanger C.. The Pod： a Purpose-built Environment to Support Group Working [A].D. Diaper， C. Sanger（Eds.）、CSCW in Practice： an Introduction and Case Studies[C]. Berlin： Springer-Verlag，1993.151-161.

（编辑：郭桂真）