思維可視化與多屏交互環(huán)境

王瑞

編者按：“未來課堂”項目是華東師范大學“985工程”《教師教育創(chuàng)新基地和優(yōu)勢學科平臺建設》子項目“教師實踐創(chuàng)新的主陣地”研究內(nèi)容之一。該項目由華東師范大學張際平教授領銜，帶領強大的研究團隊，并與多家科技企業(yè)緊密合作，經(jīng)過兩年左右時間的研究，在課堂的理論研究、物理空間的設計、新技術(shù)新媒體的運用、多種互動形式的實現(xiàn)、學生座位的形態(tài)組合、教學平臺的設計開發(fā)、新型教學模式的創(chuàng)建及教學實踐的探索等方面均取得了很大成果，引起了社會各類教學機構(gòu)和部門的極大關(guān)注。本文為專欄系列文章的第十一篇。

思維可視化離不開視覺，更離不開交互。通過交互，可視化才能體現(xiàn)出更好的效果?，F(xiàn)代社會的交互已日益超越時空界限，形成以多種現(xiàn)代觸摸類技術(shù)為媒介的間接交互。比爾·蓋茨在2008年曾預測，未來五年人與電腦的交互方式將發(fā)生重大變革，現(xiàn)有的鼠標和鍵盤將被更為直觀和自然的技術(shù)所取代。觸摸、視覺和語音界面將變得更為重要。本文將從未來課堂建設中思維可視化研究的需要來討論多屏交互環(huán)境的概念、技術(shù)支撐、特點以及功能等。

多屏幕交互環(huán)境的相關(guān)概念

多屏幕交互的學習環(huán)境，顧名思義，是指安裝有多塊交互式電子白板，大型觸屏一體機電腦或其他可交互式屏幕設備組成的學習環(huán)境。在這個環(huán)境中，有多塊供教師的教學和學生的學習使用的交互式屏幕。這些屏幕主要有：為教師提供教學用的交互式屏幕，為學生提供促進小組合作學習使用的小組展示匯報的交互式屏幕，還有教師和學生使用的終端交互式屏幕。本文的研究以及教學設計，都是基于這些屏幕進行的，幾乎每一個教學環(huán)節(jié)都需要和這些屏幕進行交互。利用這些屏幕可以呈現(xiàn)教學內(nèi)容、創(chuàng)設教學情境、組織教學、進行課堂交互等活動。除此之外，還可以在終端運行思維可視化軟件，為學生進行發(fā)散式的思維提供工具支持。學生在進行學習以及小組討論時用這些屏幕無障礙、隨時隨地地表達并記錄自己的思想和靈感等。

未來課堂中多屏幕交互的學習環(huán)境，看似是一個新的研究命題，但是教育工作者對教學中采用多屏幕的探索和使用的歷史已非常悠久。

隨著技術(shù)的發(fā)展，交互式電子白板（包括其他屏幕交互技術(shù)）的引入，使得教學中的交互性越來越強，區(qū)別于黑板、投影的單一顯示功能，交互式電子白板和其他屏幕交互技術(shù)為人和計算機以及人與人之間的互動提供了強大的交互功能。課堂教學中有多種交互，教師與學習內(nèi)容的交互，學生與學習內(nèi)容的交互，學生與教師的交互，學生與學生的交互。交互式電子白板能夠保證教師在教學中采用多種形式呈現(xiàn)教學內(nèi)容，還可以利用課堂實時生成教學資源，方便快捷調(diào)用多媒體和各種網(wǎng)絡資源，保證了教師和學生以及教師和教學內(nèi)容的良好互動；學生在課堂中也能夠調(diào)用學習資源并利用交互式電子白板自帶的一些功能，創(chuàng)造性地生成自己的思維過程和學習成果，通過人機交互以及交互式電子白板的展示功能，來實現(xiàn)學生和學生之間的良性互動。多屏幕交互環(huán)境研究多是在國外進行的探索，雖然相關(guān)研究的文獻不是太多，但是一些在這一領域的先行者，或者設想，或者實踐，也做出了相當有價值的嘗試。

多屏幕交互環(huán)境的硬件支撐

“未來課堂”的多塊屏幕構(gòu)成的硬件環(huán)境，各種軟件和技術(shù)等都是思維可視化研究得以進行的重要基礎。

1.網(wǎng)絡與多屏支撐

本文所指的多屏交互環(huán)境，是由多塊觸摸屏、交互式電子白板（配有短焦投影儀），裝有多塊顯卡的多媒體計算機構(gòu)建的可交互操作的學習環(huán)境。實現(xiàn)課堂無線局域網(wǎng)的無線路由器和實現(xiàn)多臺顯示屏顯示同樣內(nèi)容的VGA分頻器，還有可以無線上網(wǎng)的便攜式計算機。能夠與大屏幕電腦進行交互的移動終端，手持設備等（包括iPad），其他還包括學生自帶的便攜式計算機。網(wǎng)絡支撐主要是指無線網(wǎng)絡環(huán)境，它是多屏交互環(huán)境的信息來源與技術(shù)基礎。在多屏幕交互的環(huán)境中，提供無處不在的無線網(wǎng)絡接入的支持，能夠使學習者手中的移動設備或筆記本電腦之間進行無縫連接，還可以使移動設備或電腦與互聯(lián)網(wǎng)上的資源連接起來，方便獲取學習資源。無線網(wǎng)絡覆蓋了整個多屏交互的環(huán)境，學生和教師在這樣的環(huán)境中，通過無線路由器接入網(wǎng)絡。這個環(huán)境中配備了多個無線視頻路由器，所以，即使上網(wǎng)的設備數(shù)增多，負荷加重，也都能滿足師生上網(wǎng)速度的要求。多屏幕支撐主要包括教學者使用的幾臺多功能觸屏一體機、多媒體立屏以及交互式電子白板。將移動學習環(huán)境設置成多屏學習展示環(huán)境，其目的是為了支持教學者能夠利用各種交互式顯示屏進行多角度的教學展示，也是為每個學習小組提供一個進行合作、交流、展示的公共屏。多屏幕的環(huán)境是一種集成了多種媒體的學習環(huán)境，這里的多個顯示終端能夠很方便地組織小組協(xié)作學習的模式，能夠從多個方面和角度展示多媒體學習資源。同時，這些顯示設備，不僅具有顯示信息的功能，還可以使教師和學習者與屏幕之間進行互動。多媒體一體機和立屏一體機都是手觸屏，觸摸檢測部件和觸摸屏控制器共同構(gòu)成了觸摸屏的內(nèi)部機制；用戶觸摸的位置是從屏幕前面的觸摸檢測部件獲得，而后觸摸屏控制器接收這些觸摸的位置信息；觸摸屏控制器把這些位置信息轉(zhuǎn)成觸摸點的坐標，CPU獲得這些坐標并同時發(fā)送指令給觸摸屏控制器。從而能夠?qū)崿F(xiàn)人直接與屏幕互動的目的。而交互式電子白板系統(tǒng)是由電子感應白板和配套的白板軟件、電子計算機以及投影儀共同組成。使用這個系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)用專用的白板筆在屏幕上書寫內(nèi)容，進行標注、畫圖等，可以及時保存屏幕上的內(nèi)容。同時，還可以像操作電腦一樣，方便地打開網(wǎng)頁、操作軟件、訪問文件資料等。

2.手持終端支撐

從教學環(huán)境交互的要求來看，只有多屏顯示是不夠的，關(guān)鍵是如何把這些屏幕連接起來，并且使手持終端能夠控制這些屏幕，把手持終端上的內(nèi)容投到屏幕上，與屏幕進行交互，構(gòu)建一個方便流暢的談論協(xié)作的環(huán)境。實現(xiàn)人直接和屏幕進行交互的“人-機”交互模式和人通過移動終端，手持設備與教室中的大屏幕連接起來，通過對手中的設備進行操作，即可同時顯示在大屏幕上，進行交互操作的“人-機-機”的交互。手持終端操控的主要形式有平板電腦對多屏的控制和同步顯示平板電腦上的內(nèi)容。

平板電腦對多屏的操控，主要可以使用軟件Splashtop，它是APPStore里的一款移動設備遠程桌面控制的付費軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)移動設備遠程控制電腦或顯示屏。前提條件是：一臺已經(jīng)安裝Splashtop Rem 的iPad或平板電腦，在連接環(huán)境中的局域網(wǎng)內(nèi)有可用的無線網(wǎng)絡，被控制電腦也在局域網(wǎng)內(nèi)并且和WIFI處于同一條網(wǎng)絡線路；受控屏幕的電腦安裝有Splashtop Streamer PC端的軟件。當這些條件滿足后，接下來就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的連接?；静僮鳛椋涸陔娔X上安裝Splashtop后設定用戶密碼，在彈出的窗口中點擊“是”按鈕。軟件會跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)界面，會顯示你當前電腦的IP地址。iPad上進入Splashtop Rem，在主界面點擊左上角的“+”按鈕，給受控電腦起個名字，IP地址是電腦端顯示的那個，密碼也與電腦端設置的一樣。設置完畢并返回主界面后就可以對多屏進行操控了。如果要將手持終端的內(nèi)容直接顯示在多屏上，只需下載一個同步助手軟件就實現(xiàn)了同步顯示，十分方便實現(xiàn)同步演示或交流等。

多屏幕交互環(huán)境的軟件支撐

思維可視化是一種結(jié)合思維與可視功能組合的圖形思維支撐技術(shù)，它不僅為開發(fā)人的右腦潛能提供了一種高效的工具，也將人腦的思維過程通過可視的形式呈現(xiàn)出來。有關(guān)思維可視化的工具軟件目前有很多，如Imindmap、Mindmanager、Mindmapper、FreeMind、Xmind等。各款軟件都有自己的特點和性能。綜合了各方面因素，本文選擇Imindmap作為使用的思維可視化工具。Imindmap繪制思維可視化內(nèi)容的過程簡單快捷，只需新建一個Imindmap思維導圖并開始按照大腦中對知識的理解制作可視化導圖，或者打開一個現(xiàn)有的思維導圖，對其進行修改編輯、分享、交流等。在制作或修改導圖中，添加或修改中心節(jié)點的內(nèi)容必不可少。除此之外，還要注意對子節(jié)點的添加或修改，以及評論注釋的添加等。也要注意添加超鏈接。最后再對新建的或者修改的思維導圖進行全篇的整體的修飾和調(diào)整。

在Imindmap中，可以根據(jù)工具欄中的說明，很快新建一張思維可視化導圖的初始頁面，或者打開已經(jīng)存在的思維導圖文件。同時，還有內(nèi)置的不同風格的許多模板，用戶可以根據(jù)自己的喜好和需要進行選擇。同時，該軟件還可以讓用戶自定義模板，用戶可以把自己制作的比較好的思維導圖保存為模板，下次使用時就直接點擊，只編輯內(nèi)容就可以了。進入文件之后，可以雙擊中心議題對其修改，如果是新文件，則會對默認的中心節(jié)點進行修改。此后，選中中心節(jié)點，通過拖動出分支，單擊這個分支，就可以在分支上直接輸入內(nèi)容，這樣一個子節(jié)點就添加好了。子節(jié)點添加好之后，可以根據(jù)需要建立思維導圖的外部資源鏈接。當所有的教學資源都添加到了思維導圖上之后，還需要進行整體的調(diào)整和修改，包括每一層節(jié)點的顏色設置、字體設置、間距調(diào)整等，使得整個思維導圖更加美觀、更具可讀性。

另外，Imindmap還具有如下特點：①用戶界面直觀、友好，上手容易，很容易就可以制作出美觀漂亮的思維導圖。②可以與Microsoft Office無縫連接，還可以方便地把制好的思維導圖轉(zhuǎn)化成圖片、網(wǎng)頁、PDF文件、XPS文件等格式。③與其他外界文件鏈接簡單容易，可以把視頻、音頻、圖片等各種文件以超鏈接的形式插入到制作的思維導圖中。④演示功能強大、靈活，可以輕松地把一大張思維導圖拆成許多小張，也可以把零星的導圖組合成一大張。除此之外，還可以伴隨著演講過程任意伸展每一個關(guān)鍵分支。

多屏幕交互環(huán)境的特點

1.桌椅和屏幕的自由組合

多屏交互環(huán)境按照移動學習的理念，配合可移動的node學習椅和便攜學習終端（平板電腦、iPad等）以及無處不在的無線網(wǎng)絡環(huán)境，四個小組合作屏（觸摸桌）也設置成可移動，立屏一體機配有移動架，可隨意移動，為學習者提供了一個全方位無障礙交流的學習環(huán)境。

2.無線設備的自由移動

在這個環(huán)境中，擁有大量的移動學習設備。這樣一個學習環(huán)境首先應該簡潔、人性化、易于使用，因此在該環(huán)境下的大量設備之間的連接和通信必然需要借助無線的連接和傳輸，包括平板電腦與展示屏、平板電腦與投影儀、平板電腦與Internet、一體機與Internet等，另外借助網(wǎng)絡存儲服務等也需要網(wǎng)絡。無處不在的網(wǎng)絡支持可以實現(xiàn)在多屏交互的學習環(huán)境中多數(shù)設備之間的無縫連接，并且更好地實現(xiàn)各設備、各屏幕以及設備與屏幕之間的互動，形成一個交互自然的學習環(huán)境。

3.交互屏幕與其他系統(tǒng)的混合搭配

（1）平板電腦和觸控一體機

每個小組成員的平板電腦與小組公共的觸控一體機構(gòu)成小組學習的多屏交互環(huán)境，同組的學生能夠及時通過無線網(wǎng)絡與同組的其他同學進行交流，并且靈活方便地在小組公共屏中向同組同學展示自己的學習進展，由于觸控一體機顯示屏為多觸點屏，可以針對某一主題在觸控一體機進行合作并完成任務。

（2）多臺觸控屏構(gòu)成多屏聯(lián)動

其一是教師使用的雙屏顯示系統(tǒng)：由一臺觸控一體機與一臺液晶顯示屏構(gòu)成，可以使用Smart Meeting Pro或PowerPoint的插件Multi-Slides構(gòu)成多屏顯示。液晶顯示屏可以作為觸控一體機的擴展屏存在，也可以兩臺顯示屏獨立顯示，通過無線視頻路由調(diào)用學生平板電腦內(nèi)容。其二是學生使用的雙屏顯示系統(tǒng)：由一臺觸控一體機與一臺液晶顯示屏構(gòu)成。

（3）多塊交互電子白板構(gòu)成公共顯示系統(tǒng)

根據(jù)教室的大小，尤其是大教室，可以在兩側(cè)分別布置2～4塊顯示屏，構(gòu)成多屏顯示系統(tǒng)，通過無線投影儀展示學生作品。多個屏可以顯示相同內(nèi)容，可以分別顯示多位學生提供的信息，也可以顯示教師提供的信息成為整個教室的公共顯示系統(tǒng)，為作品展示和交流提供平臺。