（教育技术学专业论文）基于拼接大屏的教学资源展示系统设计与实现.pdf

基于拼接大屏的教学资源展示系统设计与实现 教育技术学专业 研究生张小翠指导教师黎明 摘要：伴随现代科技的不断进步，多媒体技术、通讯技术等都获得了长足 的发展，各种现代化教学设备也迅速在教育领域中被广泛应用起来，为现代教 育不断注入新鲜血液。因此，如何充分利用现代科技，尤其是计算机技术和多 媒体技术，将现代教学设备有效运用于教育教学中，为现代教育教学提供更优 质的硬件基础和物质条件，也是当前教育教学所弋注的重要问题。 而同时，随着2 0 l o 年上海世界博览会上大j ；? 显示的华丽亮相，超大屏、 高亮度、多色彩的显示效果得到了人们强烈认可和推崇，大屏拼接显示系统迅 速在各个领域广泛应用起来，基于拼接大屏的教学资源展示系统正是在这种环 境下应用而生。 本课题将通过大屏拼接显示方法来搭建大屏幕的教学资源展示系统，实现 在拼接大屏幕上简单灵活地展示各种教学资源，从而解决传统大屏投影教学中 “大屏不大 、信息资源少而单一等问题i 最终为大屏幕教学提供更为优质的 硬件基础。 本文的主要工作有以下三个方面： ( 1 ) 对大屏幕教学相关教育基础理论进行探究，对大屏幕教学的特点和 主要教学形式进行探讨，为系统设计与开发提供理论基础，为系统各个功能模 块的设计与开发提供理论指导。 ( 2 ) 对大屏拼接原理、r s 一2 3 2 串口通讯技术及其实现方法等能够实现大 屏拼接显示系统的相关原理及关键技术进行研究，制定用于大屏幕教学的拼接 显示方案，搭建系统整体框架。 ( 3 ) 设计并实现基于拼接大屏的教学资源展示系统。根据系统整体框架， 四川师范大学硕士论文 通过系统软件部分将多媒体资源进行存储、转换和显示，对大屏显示模式和展 示内容进行个性化预设，将包括多媒体资源以及计算机信号和视频信号在内的 多种资源进行综合展示。同时，通过r s 一2 3 2 串口通讯方式控制系统各硬件设 备按照要求协调有序的工作，最终实现将多种教学资源在拼接大屏幕上进行简 单灵活地综合展示。 关键词：大屏幕教学；大屏拼接；教学资源；r s 2 3 2 串口通信 四川师范大学硕士论文 d e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed i s p l a ys y s t e mo f t e a c h i n gm a t e r i a l s b a s e do np a t c h e dw i d es c r e e n m a j o r ：e d u c a t i o n a lt e c h n o l og ) r g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gx i a 0 c u i s u p e r v i s o r ：l im i n g a b s t r a c t ：a c c o m p a n i e db y 廿1 ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h e t e c l m 0 1 0 9 i e s o fm u l t i m e d i aa n dc o 舢m u n i c a t i o nb o t l lh a v eg o tc o n s i d e r a b l e p r o g r e s s ，a i l dv a r i o u sm o d e me q u i p m e n t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di i lm e f i e l do f e d u c a t i o n 1 1 1 u s ，h o wt ot a l ( eg o o du s eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o 职e s p e c i a l l ym e t e c l l l l o l o g i e so fc o m p u t e ra n dm u l t i m e d i a ，访o r d e rt 0t a k eu s eo fv a r i o u sm o d e m e q u i p m e n t sf o re d u c a t i o na n d1 1 1 s t m c t i o n ，h a sb e c o m et h ef o c u so f 砒e n t i o nm t 1 1 e f i e i do fe d u c a t i o n m e a n w h i l e ，w i mt h e 印p e 猢c eo fp a t c h e dw i d es c r e e ni n2 0 1os h a n g h a i w b r l de x p o ，m ed i s p l a yw i t hs u p e rw i d es c r e e n ，h i 曲b r i 曲t n e s sa n dm o r ec o l o r s h a sb e e nr e c o g n i z e ds 廿- o n g l ya n dp r a i s e dh i g h l y ；s op a t c h e dw i d e - s c r e e nd i s p l a y s y s t e mb e g a nt ob eu s e du pr 印i d l yi f lv 撕o u sf i e l d s ，a n ds om ed i s p l a ys y s t e mo f t e a c h i n gm a t e r i a l sb a s e do np a t c h e dw i d es c r e e ni sj u s tb o m i 1 1t h i se n v i r o n m e n t t h et o p i cw i l lb u i l dad i s p l a ys y s t e mo ft e a c h i n gm a t e r i a l sw 池p a t c h e dw i d e s c r e e n ，t or e a l i z et h a t 、c a nd i s p l a ym et e a c h i n gm a t e r i a l so nt h ep a t c h e dw i d e s c r e e ns i m p l ya n dn e x i b l y ，i no r d e rt os o l v e 血ep r o b l e m si nt r a d i t i o n a lc o m p u t e r a s s i s t e d1 1 1 s t r u c t i o n ，s u c h 嬲m eb i gs c r e e nn o tb i g ”，“t h ek m d so fi n f o 衄a t i o n l i t t l ea n ds i n g l e ，a n ds o o n ，e v e n t l l a l l y t o p r o v i d eb e t t e rq u a l i 够h a r d w a r e f o u n d a t i o nf o rc o m p u t e ra s s i s t e d1 1 1 s t m c t i o n n em a i nw o r ko ft h i sp 印e rh a st h r e ea s p e c t sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t oe x p l o r et h er e l a t i v e f o u n d a t i o n a lt h e o r i e sa b o u tc mv i al a r g e l i i p r o j e c t e ds c r e e n ，a n d t od i s c u s sm ec h a r a c t e r i s t i c sa i l dm em a m m s t m c t i 。nm 。d e s ， mo r d e rt 0p r o v i d em e o r e t i c a lb a l s i s f o rd e s i 凹a n dd e v e l 。p m e n t ，a i l dt 。p r 。v i d e 吐1 e 。r e t i c a lg u i 出m c ef o rt i l ed e s i 印锄dd e v e l 。p m e n t0 f e a c h 旬n c t i o n a lm o d u l ei i l 血es y s t e m ( 2 ) 1 or e s e 豺c h 吐1 e r e l a t i v ep r 协c i p l e sa n dk e yt e c h n 。l o g i e sf o r p a t c h e d w i d e s c r e e nd i s p l a ys y s t e m ，s u c h a sm ep r i n c i p l e so fp a t c h i n gw i d es c r e 饥， c o n n 眦i c a t i o nt e c l u l o l o g yv i ar s 一2 3 2s e r i a lp o 鸭a j l d s oo n ，mo r d e rt 0m a k e 也e s c h e m ef o rp a t c h m gw i d es c r e e nf o r m s t m c t i o nt ob u i l dt l l e 丘锄e w 。r kf o j 也e ( 3 ) t or e a l i z em ed i s p l a ys y s t e mo ft e a c h i l l gm a t e r i a l s b a s e do np a t c h e d w i d es c r e e n a c c o r d i i 培t om e 丘锄e w o r k o fm i ss y s t e m ，t os t o r e ，t r a l l s t o ma n d d i s p l a yt 1 1 em u l t i m e d i ar e s o u r c e s ，a n dp r e s e tv a r i o u sm o d e s o fd i s p l a y i i l g a tt h e s 锄et i m e ，t oc o n t r 0 1a i l dh a m o n 汰e a c h d e v i c et 0w o r kh a n n o n i o u s l ya n do r d e r l y b vc o m n l u n i c a t i o nt e c h n o l o g yv i ar s 一2 3 2 s 嘶a lp o r t ，c o n s e q u e n t l y ，w e c a i l d i s p l a yv 撕e t ) ，o f r e s o u r c e sc o m p r e h e n s i v e l y0 nm ep a t c h e d w l d es c r e e n k e y w 。r d s ：c m v i al 孵p r o j e 砌s c r e e n ；p a t c h e d 晰d es c r e e n ；t e a c h 堍 m a t e r i a l s ；c o m m u n i c a t i o nv i a r s 一2 3 2s e r i a lp o r t l v 四川师范大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 现代科技不断发展，这不仅改变着人们的生活和工作，也影响着教育教学 的许多方面。一方面，伴随着现代科技在教育领域的广泛应用，教育教学方式 和手段也越来越丰富和多样。除过传统意义上的学校教育、课堂教学之外，大 众教育、职业教育、部门培训、学术讲座以及网络教育、多媒体投影教学等教 育思想和教育手段也被广泛应用和重视起来。另一方面，随着计算机的广泛 普及和多媒体技术的迅速发展，教育研究范围不断扩大。除过对教育理论和实 践方面的探索研究之外，如何结合现代科技，将计算机技术和多媒体技术有效 运用于现代教学中，为现代教育教学提供更优质的硬件基础和条件，也是现代 教育技术研究工作者所关注的重要问题。 运用大屏幕投影辅助教学，也常被称为“多媒体教学 、“多媒体投影教学 或者“大屏幕教学 等，这里我们姑且将其称作“大屏幕教学”。大屏幕教学， 作为当前多媒体辅助教学的主要方式之一，通常是指运用多媒体计算机和系列 投影显示设备来辅助教学的常用手段旧1 。大屏幕教学方式有效实现了将个人计 算机屏幕上的图像信息动态地、同步地展示到了大屏幕投影显示设备上，并结 合系列音箱设备，将图、文、声、像以及动画等多种形式的教学资源统一地展 现给学习者，营造了看、听、说、想的多感官学习环境和学习氛围，使知识内 容的表达更加丰富生动、形象逼真，极大地优化了教师对知识内容的展现与表 达，促进了学习者对知识信息的获取和理解过程。 然而，在具体的应用过程中，大屏幕教学也存在一些不容忽视的问题：( 1 ) “大屏幕不大 。传统的大屏幕教学采用单屏投影显示方式，大屏幕显示尺寸 较多为6 0 英寸左右，而采用投影机+ 幕布的方式虽然可以通过不断增大投影幕 布的方法来扩大显示屏幕，但单屏的显示方式却势必造成投影屏幕愈大则显示 效果愈差的问题，严重影响学习者知识获取的过程，对于人们不断提高的视觉 要求也越来越无法适应和满足，同时也局限了显示屏幕的尺寸无法向更大屏 幕、超大屏幕的方向继续发展。虽然这对于学校小班授课形式的教育教学没有 多大影响，但是对于高校、企业等单位在教育、培训、讲座等这种集特定的多 数人进行面对面知识信息交流的过程却带来了很大影响。( 2 ) 信息资源少而单 四川师范大学硕士论文 一。目前，大屏幕教学主要依托多媒体计算机进行同步投影显示，因而教学资 源也主要是依托多媒体计算机上一系列教学课件来进行展示，虽然这些教学课 件基本已集成文本文字、图形图像、音视频以及动画等多种形式的多媒体素材 资源h 钉，但却忽略了实时的、动态的计算机信号和视频信号资源。尽管一些 大屏幕投影显控系统支持计算机信号和视频信号，但却始终处于二者选其一的 尴尬境地，无法对各种信息资源进行有效组织和综合展示。 要克服目前这种多媒体计算机+ 系列投影显示设备的大屏幕教学方式所存 在的问题，可从以下几个方面着手：一方面，尽可能地减少每次参与教育培 训的人员，保证在场所有学习者都能够接收到高质量的视觉信息一这种方案适 用于中小学的小班制教学。当然这样处理的结果势必需要增加教育培训的次 数才能够满足不同机构的相关需求，与此同时造也会成大量的时间、精力和人 力的浪费，并且这种分批次的教学效果相对来说也不能发挥集体讨论、交流、 裁决等优势；而另一方面就是从硬件方面着手，利用现代科学技术创建真正大 屏幕、高质量显示效果的综合展示平台。前一种解决方案应当视具体环境来决 定，实质上也并没有解决当前大屏幕教学存在的实质性问题。而后一种解决方 案对于科学技术快速发展的现代社会来讲，不失为一种一劳永逸的解决方案。 本课题将通过大屏拼接显示方法来搭建基于拼接大屏的教学资源展示系 统，实现在拼接大屏幕上简单灵活地展示各种教学资源，从而为大屏幕教学提 供更优质的硬件基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大屏幕教学研究现状分析 大屏幕教学是在多媒体计算机辅助教育的基础上，结合投影显示技术而发 展起来的一种多媒体辅助教育的重要方式1 。自世界上首台计算机a n 认c 在 美国诞生之后，随着计算机的广泛普及，大屏幕教学便伴随着计算机辅助教育 逐渐进入教育领域h 1 。 大屏幕教学的发展经历了从情境认知理论到建构主义学习理论，从以教为 主的思想到教学双主的思想，从直观演示教学到引导一发现教学，其理论已相 当成熟。如今，大屏幕教学伴随着现代显示技术和多媒体技术的不断发展已经 2 四川师范大学硕士论文 被广泛应用起来，研究的重点已逐渐转向了大屏幕教学具体实践、多媒体课件 设计与制作、教学系统设计与开发以及新技术、新设备的引入等众多方面。 ( 1 ) 大屏幕教学实践现状 大屏幕教学在综合多媒体计算机强大功能的基础上，更以其显示屏幕大、 面向对象多等优势广泛应用于教育领域。但同时，在将大屏幕教学方式应用于 实际教育教学活动中时，也存在一些不容忽视的问题，例如：教学过程缺乏互 动，教师和学生之间、学生与学生之间交流和沟通少，教师沦为教学内容的灌 输者隋3 ，同时高质量的显示画面和丰富多样的教学资源使教师忽视了教学情境 和教学活动的创设，教学过程沦为单纯的教学资源演示过程；大屏幕教学过程 中多媒体计算机应该只是一种教学辅助工具，而教学课件只是知识信息的载 体，教师才是真正的教学过程中的主导者，但在实际教学过程中，却往往出现 多媒体计算机取代了教师、课件展示过程取代了教育教学过程等现象，忽视了 教师在教学过程中的主导作用阳1 0 3 ；大屏幕教学综合各种多媒体教学资源，集 视听于一体，营造了积极的学习氛围，但往往过分强调课件展示的各种特效和 效果n 肌别，忽视了多媒体计算机和系列显示终端都只是大屏幕教学过程中的辅 助工具，弱化了知识本身；大屏幕教学虽然具有极大优势，但并不是任何教学 内容都适合展示，例如，语义分析、数学公式推导等n 甜，而随着现代教育技术 的不断推进，许多教师盲目追求现代教育教学手段，忽略了学科本身所具有的 特征，忽视了教学内容的特点和对教学资源的合理选用n 引。 除此之外，作为以硬件为重要依托的现代教学方式，大屏幕教学在硬件方 面也存在一些不容忽视的问题： 首先，“大屏幕不大 。目前大屏幕教学主要采用的显示设备有c r t 、l c d 、 d l p 背投电视或投影机+ 大屏幕布，除了部分中小学校仍然使用背投电视以外， 各高等教育部门、培训机构以及企业单位基本采用投影机+ 投影幕布的方式， 而无论采用哪种显示设备，基本都是传统的单屏显示方式，显示屏幕的尺寸也 就是单台显示设备屏幕大小。但目前大屏幕背投电视的显示尺寸基本为6 0 英 寸左右，较大的背投电视机屏幕也不过8 0 英寸左右，远远不及黑板大小，而 同时，采用投影机+ 大屏幕布的方式虽然可以通过不断增大幕布的方法来扩大 显示屏幕，但单屏的显示方式却势必造成投影屏幕愈大则显示效果愈差的问 四川师范大学硕士论文 题，不仅严重影响教育教学组织安排，而且对于人们不断提高的视觉要求也越 来越无法适应和满足。 其次，信息资源少而单一。目前，大屏幕教学主要依托多媒体计算机进行 同步投影显示，因而教学资源也主要是依托多媒体计算机上一系列教学课件来 进行展示，虽然这些教学课件基本已集成文本文字、图形图像、音视频以及动 画等多种形式的多媒体素材资源，但却忽略了实时的、动态的计算机信号和视 频信号资源。尽管一些大屏幕投影显控系统支持计算机信号和视频信号，但却 始终处于二者选其一的尴尬境地，无法对各种信息资源进行综合展示。 综上所述，大屏幕教学具体实践中仍然存在不少问题，需要结合现代科技， 引入更优质的硬件设备，从而改善大屏幕教学所存在的硬件缺陷。而同时，在 将现代科技和系列设备引入实际教学中时，要综合考虑大屏幕教学实践具体问 题，从而更好地发挥大屏幕教学的优势。 ( 2 ) 多媒体课件制作工具研究现状 在大屏幕教学被广泛应用于各种教育实践的同时，教育研究中心以及相关 公司不断推出各种课件制作工具或教育软件，为以教学课件软件为依托的大 屏幕教学提供强有力的支撑n 副。较为常用的当属微软公司在上世纪9 0 年代推 出的m i c r o s o f tp o w e r p o i n t ，它是一款专门用于制作展示幻灯片的软件，且 操作简单、容易上手，但它在交互制作方面较为繁琐，对素材的组织管理较为 混乱，尤其是音视频文件路径一旦更改将导致无法正常显示n 朗。 随后，m a c r o m e d i a 公司于1 9 9 1 年1 0 月正式推出a u t h o rw a r e ，它有 着强大的创作能力、简介的用户界面及良好的可扩展性，具有丰富的交互方式， 同时还具有大量的系统变量函数、跨平台的体系结构和标准的应用程序接口 等，一度被誉为“多媒体大师”n 7 1 。但其动画制作比较困难，且打包后的文件 较大，不利于广大一线教师使用和传播。之后，m a c r o m e d i a 公司分别于1 9 9 6 年和1 9 9 7 年陆续推出了f l a s h 和d r e a 唧e a v e r 用于互联网上传播和使用， 但因其制作较为繁琐，目前只限于专业人士进行网站制作和开发设计而用。 d i r e c t o r 是m a c r o m e d i a 公司所推出的一款用来制作高端交互式内容 以及应用程序的多媒体开发制作工具，其不仅具有直观易用的操作界面， 而且还集成了自己的l i n g o 语言，具有很强的编程能力n8 1 ，可以创建包含 4 四川师范大学硕士论文 高品质图像、数字视频、音频、动画、文本以及f l a s h 文件的多媒体程 序。除此之外，还有北大方正电子有限公司研究开发的方正奥斯、武汉 凡高软件公司出品的课件大师等众多课件制作工具。 上世纪末，黎加厚教授提出“积件”思想，将构成课件的基本教学 元件按照某一知识点或教学单元的教学策略进行编排，形成具备具体教 学功能的多媒体课件n 引，为灵活组织多媒体素材资源提供了新的思路。 ( 3 ) 大屏幕教学系统研究现状 伴随科技和财力的不断累积，基于全方位展示的多媒体教室系统、电 子白板系统、多媒体一体机辅助系统以及多功能厅等系统平台也逐渐发展 和应用起来心们。这些系统平台不断集成多媒体计算机、投影显示设备、数 字视频展示台以及音箱设备等新型教学设备，教学辅助功能日益完善和 增强，成为当前各国现代化教学研究的重点之一。 综上所述，大屏幕教学伴随着多媒体辅助教育的发展而不断发展，不 仅大屏幕教学相关理论已颇为成熟，而且多媒体制作工具也百花齐放，国 家也不断向教育领域投入更多的财力和物力，构建现代化的教学环境，为 现代教育提供更优质的物质基础。 1 2 2 大屏幕显示系统发展现状分析 大屏幕投影显示作为显示技术发展的一个重要方向，经历了c i 盯、l e d 、 l c d 、p d p 以及d l p 等不同发展阶段，在显示效果方面得到了巨大提升，并 相应出现了一系列大屏幕显示系统。从早期到现在，大屏幕显示系统可概括为： 单屏大屏显示系统、电视墙大屏显示系统以及大屏拼接显示系统心扣。 较早使用的大屏幕显示系统基本都是单屏的，即整个显示屏幕整体作为一 个屏幕显示。主要是通过一台显示设备来进行显示，同时只支持一路信号( 计 算机信号或r g b 信号) 输入，其结构示意图如图1 1 所示，目前很多学校和 单位使用的就是这种大屏显示系统。 四川师范大学硕士论文 图1 1 单屏大屏幕显示系统结构图 电视墙大屏显示系统可同时显示输出多路信号，通过视频矩阵切换器和 i b 矩阵切换器在控制器的作用下将某一信号配送到指定显示器上来进行显 示，可同时显示视频信号和计算机信号，但一台输出设备只能对应一种信号源， 其结构示意图如图1 2 所示，目前主要应用于安防系统。 图卜2 电视墙大屏幕显示系统结构图 所谓“大屏幕拼接显示”，主要是将多个投影显示单元拼接组成m 木n 矩 阵结构的一种大屏幕显示方案。大屏拼接显示系统有效拼接多个投影显示屏幕 进行综合显示，不仅有效集成多路信号资源，并根据需要对画面进行分屏显示 和开窗显示等多样显示，而且可通过级联方式不断提高显示屏幕的尺寸和显示 效果，具有很强的扩展性，成为目前大屏幕显示系统发展的一个新阶段。 6 四川师范大学硕士论文 图卜3 大屏幕拼接显示系统结构图 我们通常所说的大屏幕拼接显示系统主要是指根据大屏幕拼接显示方案， 通过系列硬件设备和控制系统共同搭建的具有多路输入的综合显示平台。主流 的大屏幕拼接显示系统主要有：c r t 大屏幕拼接显示系统、l c d 大屏幕拼接 显示系统、p d p 大屏幕拼接显示系统以及d l p 大屏幕显示系统等乜朝。 c r t 大屏拼接显示系统主要采用多个c r t 投影机拼接组成。其体积较为 庞大，安装操作比较复杂，而且属于早期模拟技术，无法适应现代社会数字化 要求，因此，早已退出了主流的大屏拼接显示市场。 p d p 大屏拼接显示系统则是采用等离子显示屏( 一般简称p d p ) 作为显 示单元。p d p 显示技术主要是利用惰性气体放电发光原理来进行显示，在对 比度和亮度方面都有较大提高，且大屏幕拼接安装与调试都较为简单。但p d p 显示分辨率较低，且系统拼接显示缝隙大，因此主要运于家用大屏幕电视设备 以及小面积的平板演示设备方面。 l c d 大屏拼接显示系统以l c d 液晶板为基本显示单元，多个l c d 显示 屏幕拼接显示使得显示分辨率成倍提高，显示画面清晰且细致。但系统拼接缝 隙一般在2 0 m m 左右，会影响多屏拼接显示效果，但是l c d 维护费用较低， 使用寿命较长，仍然是目前市场是较为主流之一。 ， d l p 大屏拼接显示也叫d l p 背投拼接显示，其基本显示单元是d l p 投影 机。d l p 大屏拼接显示在色彩度、亮度、分辨率上表现较好，尤其是拼缝小， 四川师范大学硕士论文 可以实现无缝拼接的良好显示效果晗钔。除此之外，它采用全数字技术，可直接 接驳数字信号，广泛应用于监控中心、会议中心以及教育培训等大屏幕显示的 各领域。 综上所述，随着大屏幕投影显示技术的发展和提高，大屏幕显示系统的显 示效果和功能也不断增强和提高。其中，d l p 大屏拼接显示系统更是以其强 大优势引领大屏幕显示。相信，伴随着系统软件功能的增强，未来的大屏幕显 示系统的发展也将不断朝着多功能化、多用途化、自动化等方向发展乜引。 1 3 论文主要工作 ( 1 ) 对大屏幕教学现状进行分析，对大屏幕教学相关教育基础理论进行 探讨，并结合大屏幕教学的特点以及大屏幕教学主要形式，为系统设计与开发 提供理论基础，为系统各个功能模块的设计与开发提供理论指导。 ( 2 ) 对大屏拼接原理、r s 一2 3 2 串口通讯技术及其实现方法等能够实现大 屏拼接显示系统的相关原理及关键技术进行研究和分析，制定用于大屏幕教学 的拼接显示方案，搭建系统整体框架。 ( 3 ) 设计并实现基于拼接大屏的教学资源展示系统。根据系统整体框架， 通过系统软件部分将多媒体资源进行存储、转换和显示，对大屏显示模式和展 示内容进行个性化预设，将包括多媒体资源以及计算机信号和视频信号在内的 多种资源进行综合展示。同时，通过r s 一2 3 2 串口通讯方式控制系统统各硬件 设备按照要求协调有序的工作，从而将多种教学资源在拼接大屏幕上进行简单 灵活地综合展示。 1 4 论文组织结构 本文共分为以下六个部分，各部分主要内容如下： 第一章：绪论。这一章主要阐述课题的研究背景和研究意义，同时，从大 屏幕教学研究现状和大屏幕显示系统发展现状两方面出发，分析国内外在大屏 幕教学理论、实践以及大屏幕教学系统等方面的研究现状，提出本文要研究的 主要工作，并将文章大体脉络和结构予以简要说明。 第二章：系统设计与开发的理论基础与指导原则。首先，简要阐述大屏幕 四川师范大学硕士论文 教学相关基础理论，包括建构主义学习观、教育传播理论以及“先行组织者 教学策略。同时，对大屏幕教学进行简要概述，总结大屏幕教学的主要特点， 并对大屏幕教学主要形式进行研究探讨，明确系统设计与开发的理论基础和指 导原则。 第三章：大屏拼接的系统原理及关键技术。对系统实现的相关原理和关键 技术进行研究，包括d l p 大屏拼接原理、m o d b u s 通讯协议以及r s 2 3 2 串口 通讯技术。同时，对i 峪2 3 2 串口通讯实现方法进行探讨和分析，明确系统实 现的技术思路。 第四章：系统总体架构与设计。构建系统整体框架，搭建系统硬件架构， 对系统软件部分进行总体设计，对系统软件主要功能模块和数据库部分进行详 细设计和说明。 第五章：系统关键模块的实现。依据系统总体架构与设计，明确系统开发 与运行所需的软硬件环境，对系统关键模块的具体实现过程和实现方法做详细 介绍，并通过核心代码和系列图示予以展示说明。 第六章：总结与展望。概括了本文完成的主要工作以及所存在的不足，并 对未来大屏幕显示系统进行展望，指出了下一步研究的方向。 9 四川师范大学硕士论文 第二章系统设计与开发的理论基础与指导原则 基于拼接大屏的教学资源展示系统旨在利用当前主流显示技术一d l p 大 屏拼接显示技术，构造大屏幕的教学资源展示平台。因此，在系统进行设计与 开发之前，应当以与大屏幕教学相关的基础理论为指导，明确系统设计与开发 过程中所应遵循的理论基础和指导原则。 2 1 大屏幕教学理论基础 2 1 1 建构主义学习观 根据“建构主义学习理论 的观点，学习活动是学习者在以虬隋境、“协 作 、“会话 以及“资源”为基本要素的学习环境中，主动对知识信息进行意 义建构的过程，是学习者新旧知识之间双向作用的过程，是学习者与其所在教 学环境之间互动的过程乜6 1 。 建构主义学习观强调学习者的主体地位和学生学习的能动作用，认为学习 者是整个教与学活动过程中的中心，是教学活动中的主体，教师则是学生意义 建构的支持者和引导者。 建构主义学习观同时也强调学习情境和学习资源的重要作用，主张教师应 尽可能创设各种有利的教学情境和教学活动，为学生提供丰富、真实的教学资 源，引导和帮助学习者进行学习。 ，基于建构主义学习理论的观点，借助于现代教学设备开展的大屏幕教学活 动应尽可能提供集图、文、声、像以及动画等多种形式的教学资源，并通过教 学过程中师生之间、生生之间的协作、交流等具体教学活动，很好地将“情境、 “协作”、“会话”以及“资源 这些基本要素融入到具体教学过程当中，为学 习者获取知识和意义建构提供良好的环境和氛围。 2 1 2 教育传播理论 教育传播旨在将教育信息进行结构化和符号化，是教师按照一定教学目 标，借助各种传播媒体，像特定的教学对象传播知识、培养技能的传播过程。 大屏幕教学是典型的一对多的教育传播活动。根据“香农韦弗 模式以及“贝 罗模式”，影响和决定教育传播效果的因素有教育者、教学对象、教学资源以 四川师范大学硕士论文 及传播通道多个方面，教育传播活动不仅仅是一个单向的信息传递过程，更是 一个存在干扰的双向传播过程。在具体的教学过程中，必须从多方考虑选择最 有效的传播方式，而且要适当的注意不同干扰因素以及学习者的反馈信息。 图2 1 香农韦弗传播模式图 2 1 3 先行组织者教学策略 “先行组织者 教学策略是奥苏贝尔根据“有意义学习观点 而提出的。 有意义学习观认为在教学过程中获得的主要是间接知识，强调知识的有意义接 受。“先行组织者 作为新旧知识之间的桥梁，是有意义学习的引导性材料。 依据“先行组织者 教学策略，可将教学过程概括为：完成先行组织者一 呈现学习任务和材料一扩充与完善认知结构。而在完成“先行组织者”过程 中，可依据这些引导性材料之间的关系综合运用“渐进分化 、“逐级归纳 以 及“整合协调”等策略去构建知识点之间的联系。利用大屏幕辅助教学可有效 地综合多媒体教学资源，将不同形式的教学信息呈现给学习者，是“先行组织 者 教学策略的重要应用。 2 2 大屏幕教学概述 大屏幕教学通常被称为“大屏幕投影教学 或“多媒体投影教学 ，是运 用多媒体计算机和系列投影显示终端辅助教育教学活动的常用手段，是当前多 媒体辅助教学的主要方式之一。大屏幕教学方式将图、文、声、像以及动画等 不同教学资源统一地展现给学习者，营造了看、听、说、想多感官学习环境和 学习氛围，使知识内容的表达更加丰富生动、形象逼真，有效促进教师表达和 展现知识内容以及学生获取和理解知识的过程。 四川师范大学硕士论文 2 2 1 大屏幕教学特点 利用大屏幕进行教学作为现代计算机辅助教育的主要教学手段，其主要优 势在于将静态的、固化的文字信息、图形图像信息结合动态的声音、视频、动 画信息进行全方位的、情境化的综合展示。其主要特点表现如下： ( 1 ) 显示效果好。大屏幕教学显示终端多为c r t 、p d p 、l c d 以及d l p 等 投影显示设备，显示色彩丰富，显示屏幕较大，显示效果真实而自然。 ( 2 ) 面向对象多。大屏幕教学突出特点在于将多媒体计算机上的教学资 源在大屏幕上进行统一展示。因而，其受众范围广泛，可同时面向多数对象。 ( 3 ) 资源丰富多样。常用大屏幕显示设备通过控制台计算机进行内容显 示，因而多媒体计算机所能显示的多媒体资源( 包括多种格式的文字、图形图 像、音频、视频以及动画) 均可在大屏幕上进行显示。同时，一些大屏幕系统 展台也支持外接单路视频信号和计算机信号的显示，显示资源更加丰富多样。 ( 4 ) 简单灵活。大屏幕教学以教学软件或教学课件为基础，主要通过系 列课件的组织和展示为主，显示手段根据教学软件功能灵活变化。另一方面， 大屏幕教学主要通过控制计算机进行教学演示，因而整个操作过程如同在计算 机上一样简单方便。 ( 5 ) 应用广泛。除过传统的学校教育与课堂教学，这种利用计算机大屏 幕的教学方式己广泛应用于学术讲座、企业培训、报告、会议等。 2 2 2 大屏幕教学主要形式 大屏幕教学是在多媒体技术、投影显示技术的基础上形成的一种现代教学 方式，是多媒体计算机辅助教育的重要应用。大屏幕教学通过多媒体计算机和 系列显示终端，集声、像、图、文、动画等多种形式的教学资源于一体，是创 设真实有效学习情境的理想教学方式。 2 2 2 1 直观演示教学 直观演示教学目的在于将教学内容中较抽象的知识和原理通过系列工具 或者多媒体直观形象地进行展示。大屏幕教学具有资源丰富多样和良好的显示 效果的特点，为直观演示教学活动提供了必要的环境。 1 2 四川师范大学硕士论文 直观演示教学主要采用以教学资源演示为主，以教师讲授为辅的形式， 教师可根据教学内容的难易和知识点的抽象程度对教学过程进行组织和安排。 直观演示型的大屏幕教学方式中，教学资源主要是以系列教学软件而编制的教 学课件为载体进行展示，包含了声、像、图、文、动画多种形式。直观演示型 的大屏幕教学模式一般包含以下几个具体步骤：提出主题一说明目标一教学演 示一强化练习，主要适用于演示事物发展过程、展示原理推导和分析的过程、 自动演播式的内容展现等。在直观演示型的大屏幕教学中教师是知识信息的整 理加工者，是教学资源的组织者，是学生进行知识获取与意义建构的帮助者， 而学生则是知识信息的接受者和意义加工者7 1 。 2 2 2 2 讲授式教学 讲授式教学历来是课堂教学中教师最常采用的方式，而结合大屏幕演示 的讲授式教学也是目前大屏幕教学中应用最为普遍的一种教学方式。这种教学 方式区别于直观演示教学，它以教师讲授为主，结合教学资源和知识信息的演 示来辅助教师开展教学活动。 讲授式的大屏幕教学方式充分将教师语言( 包括口头语言、肢体语言等) 和丰富多样的教学资源有效结合，改变了传统课堂教师“满堂灌 的状况。在 教师讲授过程中，适当运用直观形象的教学资源，不仅可以充分调动学习者的 学习兴趣，而且能够有效帮助学习者意义建构，从而更加容易地获取和巩固知 ；口 l 矿、o 讲授式的大屏幕教学方式可根据教学目标、教学内容以及教学对象等因 素灵活组织和安排教学活动，适用于情景教学、声画配合的语言教学等教学活 动。在讲授式的大屏幕教学是典型的以“教 为中心的教学方式，在整个教学 活动中，教师不仅仅是教学资源的整理加工者，而且也是教学活动的设计者和 组织者，更是知识信息的主要传播者，在教学过程中起主导作用。 2 2 2 3 引导一发现式教学 引导一发现式教学以“先行组织者”教学策略为基础，教师自行组织和编 制引导性材料，并通过系列大屏幕教学设备，配合课堂讲解、示范和讨论等教 四川师范大学硕士论文 学活动引导学生发现问题，帮助其解决问题。在实际教学活动中，教师是引导 性材料的编制者，是学生发现问题过程中的引导者，是学生最终解决问题的助 手，在教学过程中起主导作用。 引导一发现型大屏幕教学方式不仅可以通过系列大屏幕教学设备集多种资 源形式与展示方式于一体灵活展示引导性材料，更好地帮助学习者建立新旧知 识之间的联系，引导其主动发现问题，而且还可以通过系列情境活动的创设来 模拟真实的解决实际问题的环境，从而培养和提高学生发现并解决实际问题的 能力。 2 3 系统设计与开发的指导原则 ( 1 ) 课程适应性原则。基于大屏拼接的教学资源展示系统是大屏幕教学 的辅助工具，是为大屏幕教学服务的，因而系统设计必须满足课程设计的需要， 适应多种不同的教学策略。 ( 2 ) 简单实用原则。基于大屏拼接的教学资源展示系统是为大屏幕教学 过程服务的，其直接用户为教师，因此，系统设计与开发必须遵循简单实用原 则，既考虑到运用大屏幕展开教学活动所需功能，又要考虑到系统操作应尽可 能简单灵活啤1 。 ( 3 ) 综合化原则。作为辅助教学的系统展示工具，综合化原则主要包括 两方面：一方面要综合各种教学资源，既包括各种类型的多媒体素材文件，又 综合实时、动态的视频信号、计算机信号和网络信号；另一方面是多种教学资 源展示方式的综合，不仅能够按照教学课件的方式进行教学内容的展示，而且 能够将教学资源之间、教学课件和其他教学资源之间有机、灵活地综合展示。 当然，在系统设计与开发过程中不能忽视软件设计的基本原则，主要有以 下几点：a 可靠性原则，即系统软件通过测试运行无故障发生或者能够排除故 障，系统软件可靠性是软件设计最基本的原则；b 可扩展性原则，对于基于大 屏拼接的教学资源展示系统不仅要求在软件功能上可以增加和扩展，而且在硬 件设备上也可以实现更新和扩展，从而不断更新和完善系统软件；c 效率性原 则，系统软件的效率主要指系统程序执行时间以及所占内存容量两方面，作为 辅助教学的系统展示工具，系统软件的效率高低严重影响教育教学过程。除此 1 4 四川师范大学硕士论文 之外，可移植性原则、标准性原则、节约原则以及可维护性原则也是系统设计 与开发过程中要遵循的原则。 四川师范大学硕士论文 第三章大屏拼接的系统原理及关键技术 3 1d l p 大屏拼接原理 3 1 1d l p 投影显示原理 d l p ( d i g i t a ll i 曲tp r o c e s s i o n ) ，即数字光处理，其技术核心是美国 t i 公司l a r r yh o r n b e c k 博士研究发明的光学半导体芯片d 佃( d i g i t a l m i c r o m i r r o rd e v i c e ) 1 。d m d 芯片是由成千上万运动镜面组成的数码微镜组 器件，每个微反射镜片可将到达的光线分两个方向反射出去，当接收到后端电 路传送的控制信号时，调控片上的每个微镜片就相应地发生转动，如果微镜片 倾斜+ 1 2 度，那么反射到微镜片上的光线会投射进入投影机的投射透镜，若相 反，微镜片倾斜一1 2 度，那么微镜片将反射到其上面的光线背离投影机的投射 透镜，通过将光线投射和背离投射透镜的方法从而最终实现投影成像啪3 。d l p 数字光处理技术主要是通过u h p ( u 1t r ah i g hp e r f o r m a n c e ) 灯泡发射出的 冷光源经过色轮被分成r 、g 、b 三色后投射到d 佃芯片，再经过投射镜头最终 投影到屏幕上来进行显示，其工作过程大致如图3 一l 所示。 图3 1d l p 投影显示过程 1 6 四川师范大学硕士论文 d 彻作为d l p 技术的核心器件不仅通过了所有的标准半导体合格测试，而 且经过了模拟实际环境下的各种障碍测试，各方面性能稳定可靠。同时，作为 反射器件的d 如，不仅光效率超过了6 0 ，显示效率明显优于l c d 显示，而且 整个d 如镜片阵列保持了像素尺寸和间隔上的均匀性，再加上逐行扫描，使得 d l p 的投影显示效果真实而自然。另外，d l p 技术在d 佃器件的基础上以电流 为代表的电子字符形式作为输入，而输出的则是光学字符形式，图像处理全数 字化而且稳定可靠，实现了数字化信息的可视化，是目前主流的显示技术，一 般大屏拼接显示系统都采用这种d l p 投影机作为大屏显示单元。 3 1 2d l p 大屏拼接原理 d l p 大屏拼接显示也叫d l p 背投拼接显示，是将多个d l p 投影显示模块拼 接组成一个m 木n 矩阵的显示结构，从而形成能够实现整体显示效果的大屏幕。 d l p 大屏拼接显示方法有效集成了多个单独的d l p 大屏，因而其显示屏幕可突 破单台d l p 显示屏幕的尺寸，并且无限扩展、不断突破。与此同时，拼接显示 屏幕的分辨率也会随着拼接数量的增加而成倍提高。比如，一个d l p 单屏分辨 率为1 0 2 4 术7 6 8 ，而将其按照4 术2 矩阵拼接显示，则分辨率为：( 4 芈1 0 2 4 ) 水 ( 2 木7 6 8 ) ，即4 0 9 6 木1 5 3 6 。另一方面，d l p 投影单元中d 佃芯片上的像素镜片 面积大、间隔缝隙小而又矩阵均匀分布，因而显示画面均匀细致，可以实现无 缝拼接的良好显示效果。除此之外，它采用全数字技术，可直接接驳数字信号， 广泛应用于各种会议中心、工业调度、监测中心等大屏显示的各领域。 3 2m o d b u s 协议 m o d b u s 协议是m o d i c o n 公司开发的一种工业通讯和分布式控制系统协议， 处于0 s i 网络模型的第七层，属于应用层协议。m o d b u s 协议定义了可编程控 制器能够识别和使用的信息的公共格式，规定了设备之间如何发送请求、识别 并响应请求以及侦测错误和记录错误别。m o d b u s 协议采用命令应答式的通讯 方式，属于主一从网络结构，是一个请求一应答协议，它允许一台主机和多个 从机通讯，即主机可对各