一種可視化教學(xué)展示系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于信息技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域，具體是設(shè)及一種可視化教學(xué)展示系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的普及應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助多媒體課堂教學(xué)該一新的教學(xué)模式在教學(xué) 界引起了越來越多的關(guān)注。教師使用PPT、WI^S等軟件制作電子課件進(jìn)行講授（W下簡(jiǎn)稱多 媒體教學(xué)）。由于多媒體教學(xué)形象生動(dòng)、信息量大、展示形式多樣，深受教師喜愛。但在多 媒體教學(xué)實(shí)際應(yīng)用過程中，卻暴露出了它較于傳統(tǒng)板書教學(xué)的弊端；如教師長(zhǎng)期站在電腦 邊，和學(xué)生眼神肢體交流甚少；講授內(nèi)容事先固定，難W隨機(jī)調(diào)整因材施教；上課速度過快 學(xué)生難W消化，面對(duì)繁雜內(nèi)容抓不住重點(diǎn)導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不佳，尤其是在數(shù)學(xué)、物理等需要大 量推導(dǎo)的基礎(chǔ)學(xué)科中，傳統(tǒng)板書的教學(xué)效果讓多媒體教學(xué)望塵莫及。因此，多媒體教學(xué)和傳 統(tǒng)板書教學(xué)的合理搭配是實(shí)現(xiàn)高效課堂的有效途徑。但是多媒體教學(xué)時(shí)課件內(nèi)容不易調(diào)整 更改，傳統(tǒng)板書教學(xué)使用粉筆易引起教師職業(yè)病-咽炎，并且伴隨著效率低下的問題。但是 若同時(shí)使用該兩種上課方式，就要不停地在粉筆和激光筆之間切換，該只是從形式上實(shí)現(xiàn) 了兩者的結(jié)合，并沒有從根源上克服兩者的弊端，效果不佳。
[0003] 經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，為了改善現(xiàn)有課堂效果，已有專利文獻(xiàn)對(duì)課堂教具的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行 了優(yōu)化設(shè)計(jì)。專利文獻(xiàn)CN 203386390U公開了一種多媒體教學(xué)手寫裝置，該多媒體教學(xué) 手寫裝置包括幕布、投影機(jī)、VGA視頻線、教師電腦、存儲(chǔ)裝置、手寫板等。專利文獻(xiàn)CN 102737526A公開了一種由書寫模塊、主動(dòng)顯示模塊和圖形轉(zhuǎn)換模塊組成的多媒體教學(xué)系 統(tǒng)。專利文獻(xiàn)CN 202306850U公開了一種電子手寫教學(xué)儀器，其包括依次相連接的可擦寫 觸寫屏、處理器及投影儀，還包括可在上述可擦寫觸寫屏上書寫的觸寫筆和可供上述投影 儀投影而實(shí)現(xiàn)顯示的投影幕。上述=個(gè)技術(shù)的核屯、都是手寫板，通過將在手寫板上書寫的 內(nèi)容傳輸給計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)在投影屏上進(jìn)行書寫和更改。手寫板必須通過USB實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī) 之間的連接，該就將授課老師限定在講臺(tái)范圍，并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)投影屏內(nèi)容的遠(yuǎn)距離修改。
[0004] 電子粉筆技術(shù)常用在改善課堂環(huán)境，減小課堂粉塵污染，該一類技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) 在與高效、精確定位。專利文獻(xiàn)CN 20216701抓公開了一種網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)教學(xué)互動(dòng)超聲波 手寫輸入裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)板書教學(xué)模式的改進(jìn)，避免了課堂粉塵污染，但是該技術(shù)并沒 有有效的利用多媒體教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，并沒有實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的融合傳統(tǒng)板書和多媒體教學(xué)的功 能。技術(shù)方面，該技術(shù)利用安裝在待書寫板面上的兩個(gè)超聲波接收頭，應(yīng)用平面兩點(diǎn)式超聲 波定位獲取電子粉筆的位置信息，該種測(cè)距方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但同時(shí)也伴隨著干擾大，精度低 的不足。另外，電子教學(xué)屏也是一種對(duì)課堂教具的優(yōu)化設(shè)計(jì)。專利文獻(xiàn)CN20184544抓公開 了一種電子教學(xué)黑板，具體設(shè)及一種文教用具，它包括大屏幕顯示器、計(jì)算機(jī)主機(jī)、鍵盤和 鼠標(biāo)，所述大屏幕顯示器懸掛在教室的正前方，大屏幕顯示器的信號(hào)輸入端與計(jì)算機(jī)主機(jī) 的顯示信號(hào)輸出端相連，鍵盤的信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)主機(jī)的鍵盤信號(hào)輸入端相連，鼠標(biāo)的 信號(hào)輸出端與計(jì)算機(jī)主機(jī)的鼠標(biāo)信號(hào)輸入端相連。電子黑板上可W觸控書寫，該技術(shù)實(shí)現(xiàn) 了多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)板書教學(xué)的融合。該技術(shù)利用電子觸控技術(shù)實(shí)現(xiàn)書寫，實(shí)現(xiàn)成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種可視化教學(xué)展示系統(tǒng)，融合多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)板書教學(xué)的優(yōu) 點(diǎn)，提高課堂教學(xué)效率，同時(shí)消除課堂粉塵污染。
[0006] 一種可視化教學(xué)展示系統(tǒng)，包括投影儀、用于接收投影儀圖像信號(hào)的投影屏、用于 對(duì)投影屏輸入圖像信息的計(jì)算機(jī)，還包括：
[0007] 教學(xué)筆，帶有激光發(fā)射端和超聲波發(fā)射端，分別用于發(fā)射激光信號(hào)和超聲波信 號(hào)；
[000引攝像頭，采集投影屏上來自激光發(fā)射端的光點(diǎn)信號(hào)，并將采集的光點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)化為 光點(diǎn)圖像；
[0009] 至少=個(gè)超聲波接收器，接收所述超聲波信號(hào)，得到至少=個(gè)不同的接收時(shí)間信 號(hào)；
[0010] 計(jì)算巧片，根據(jù)接收的時(shí)間信號(hào)計(jì)算得到教學(xué)筆位置坐標(biāo)信息；
[0011] 所述計(jì)算機(jī)接收所述的光點(diǎn)圖像或教學(xué)筆位置坐標(biāo)信息，并對(duì)光點(diǎn)圖像進(jìn)行處 理，得到光點(diǎn)坐標(biāo)信息；根據(jù)光點(diǎn)坐標(biāo)信息或教學(xué)筆位置坐標(biāo)信息調(diào)用內(nèi)置的畫圖功能，生 成相應(yīng)的光點(diǎn)坐標(biāo)圖像或教學(xué)筆位置坐標(biāo)圖像，并將光點(diǎn)坐標(biāo)圖像或教學(xué)筆位置坐標(biāo)圖像 輸出至所述投影儀。
[0012] 作為優(yōu)選，所述超聲波接收器為=個(gè)，=個(gè)超聲波接收器等間距線性安裝。所述= 個(gè)超聲波接收器均安裝在一待書寫板面上，該待書寫板面安裝在教室內(nèi)。待書寫板面即可 W是投影屏，也可W是普通的黑板。為獲得教學(xué)筆位置坐標(biāo)，所述計(jì)算巧片通過內(nèi)置的非同 步式幾何解算測(cè)距算法計(jì)算得到教學(xué)筆位置坐標(biāo)信息。采用非同步式幾何解算測(cè)距算法， 提高了定位精確度，保證手寫過程中更有真實(shí)感。本發(fā)明中，所述計(jì)算巧片為ATMegal28單 片機(jī)巧片。ATMegal28單片機(jī)巧片采用非同步幾何解算測(cè)距原理獲得教學(xué)筆位置坐標(biāo)。
[0013] 本發(fā)明中，所述計(jì)算巧片通過通訊模塊將教學(xué)筆位置坐標(biāo)信息傳輸至計(jì)算機(jī)；所 述通訊模塊為APC220串口通訊模塊；所述計(jì)算巧片為ATMegal28單片機(jī)巧片；APC220串口 通訊模塊WWiFi的形式實(shí)現(xiàn)所述ATMegal28單片機(jī)巧片與所述計(jì)算機(jī)之間的通訊。
[0014] 為實(shí)現(xiàn)所述教學(xué)筆的長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航，作為優(yōu)選，所述教學(xué)筆所耗電能由內(nèi)置的太陽 能電池板和限壓充電電路供應(yīng)。采用充電電池作為教學(xué)筆的動(dòng)力，采用太陽能板及充電限 壓電路對(duì)充電電池充電達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航，所述充電限壓電路具有防止電池過沖和反沖W達(dá) 到保護(hù)電池的作用。
[0015] 為便于攝像頭的安裝和數(shù)據(jù)采集，作為優(yōu)選，所述攝像頭拍攝的圖像信號(hào)通過無 線WiFi的形式傳遞到計(jì)算機(jī)。為消除室內(nèi)光源對(duì)激光光點(diǎn)的干擾，作為優(yōu)選，采用波長(zhǎng)為 720nm的濾鏡對(duì)無線攝像頭進(jìn)行濾光除噪。本發(fā)明通過無線攝像頭提取投影屏上的光點(diǎn)信 息實(shí)現(xiàn)對(duì)投影內(nèi)容的遠(yuǎn)距離更改，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的功能和原理都存在明顯不同。
[0016] 為均勻發(fā)射超聲波信號(hào)，作為優(yōu)選，所述教學(xué)筆超聲波發(fā)射端底部為45°的錐面 結(jié)構(gòu)，通過該錐面結(jié)構(gòu)將超聲波信號(hào)均勻發(fā)散到各個(gè)方向。
[0017] 為獲得光點(diǎn)位置坐標(biāo)，作為優(yōu)選，所述計(jì)算機(jī)對(duì)光點(diǎn)圖像進(jìn)行處理時(shí)采用闊值處 理原理和模板匹配原理并用算法。
[0018] 作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述闊值處理原理和模板匹配原理并用算法包括如下步驟：
[0019] (1)預(yù)先采集帶有對(duì)應(yīng)激光光點(diǎn)的樣本圖片，并作為模板圖片保存；
[0020] (2)根據(jù)設(shè)定的顏色RGB值和服V值，對(duì)攝像頭輸入的光點(diǎn)圖像做二值化處理，具 體步驟為：
[0021] (2-1)讀取攝像頭輸入的光點(diǎn)圖像；
[0022] (3-2)判斷是否存在已經(jīng)記錄的光點(diǎn)坐標(biāo)信息；
[002引如果存在，則光點(diǎn)圖像中，位于該已經(jīng)記錄的光點(diǎn)坐標(biāo)周邊的像素點(diǎn)，并根據(jù)設(shè)定 的顏色RGB值和HSV值，對(duì)掃描的圖像進(jìn)行二值化處理；
[0024] 如果不存在，則逐個(gè)光點(diǎn)圖像中的所有像素點(diǎn)，并根據(jù)設(shè)定的顏色RGB值和服V 值，對(duì)掃描的圖像進(jìn)行二值化處理；
[0025] (3)利用模板匹配算法和模板圖片對(duì)二值化處理的圖像進(jìn)行處理，得到光點(diǎn)坐標(biāo) 信息，具體步驟為：
[0026] (3-1)根據(jù)像素之間距離大小，對(duì)二值化處理后的圖像的進(jìn)行區(qū)域劃分；比如，當(dāng) 兩個(gè)像素點(diǎn)之間的距離滿足要求時(shí)，則認(rèn)為該兩個(gè)像素點(diǎn)屬于一個(gè)區(qū)域，依次逐個(gè)判斷即 可；
[0027] (3-2)根據(jù)區(qū)域大小去除干擾點(diǎn)；<