CN105667136B - 多功能交互式智能多媒体电子黑板 - Google Patents

Abstract

本发明一种多功能交互式智能多媒体电子黑板，将黑板设计为一大幅触屏系统，内置计算机通过黑板上压力和电特性的改变及电子粉笔受压信号来判断书写和绘画的轨迹，并通过判断黑板上压力与电特性改变及电子黑板擦的受压信号来擦除接触位置处已显示的结果，从而实现黑板板书的功能。通过外围设备接口，可将外围计算机多媒体信息显示在黑板任意位置；内置的绘图辅助程序可辅助教师手工绘出规则的几何图形；与此同时，黑板上的板书内容与教师的讲课录音同时动态保存于存储系统，学习者可随时学习已保存的多媒体板书教学视频。在继承黑板板书教学和当前多媒体教学优点的同时，合理规避了它们的缺点，从而大大改进丰富了黑板的作用。

Description

多功能交互式智能多媒体电子黑板

技术领域

本发明涉及一种多功能交互式智能多媒体电子黑板，利用现代触屏电子系统并设计其它辅助机械电子设备来改进传统教育和学术交流工具，属于教育和学术交流领域。

背景技术

当前的教育和学术交流主要采用多媒体教学和板书教学同时进行，而且目前国内的教学思潮有一种轻视教师的板书教学而纯粹采用多媒体教学的倾向，这种教学方法在数理学科的教学中被公认为具有一些重大缺陷。

多媒体教学，特别是纯粹PPT教学的主要缺陷如下：

一、幻灯片面积的大小比黑板太小，因此容纳的知识点很有限，同一个知识点甚至一个公式，一个幻灯片都无法放下。此时就需要切换到下一张幻灯片来延续上一张幻灯片的内容。这样一来，学生或听讲者对上一张幻灯片的内容就形成视觉空白，造成理解和记忆上的困难。

二、幻灯片的切换造成学生对于前面部分无法做到及时的衔接。有的听讲者思路敏捷，或许可以跟上幻灯片切换速度；但是大多数听讲者或学生思维并不能做到长时间的专注，于是造成学生对知识衔接的困难。而传统的板书教学，学生则可以主动看黑板上之前写下的内容，从而跟上教师的讲课速度。

三、幻灯片上数学公式的演化过程往往都比较快，从而造成学生视觉上的冲击和思维上的紧张，但是在传统的板书教学中，教师在黑板上拿粉笔演化公式和理论和学生自己在稿纸上的演算是两个相同的过程，因此有一个视觉记忆的缓冲时间。因此有一些国内外的数理学科的名师名家、老专家、老教授情愿不采用多媒体和PPT教学，而只采用传统的板书来进行理论的教学和传授。

然而，纯粹的板书教学也有其内在的一些缺陷：

一、当黑板上的内容写满后，黑板上的内容要不断擦掉。于是学生要再去看前面的东西，则无法得到实现。

二、教师在黑板上绘图非常困难而且手工绘图形成的图形不规则，而要在黑板上显示图形或物体的动态变化则是不可能的，只好用各种箭头来表示动态效果，非常不便，学生形成直观印象较难。

三、学生课后要回去看一看教师在课堂上的板书内容，则不得不大量记笔记，从而造成注意力的分散。

四、课堂上教室后排的学生可能无法看见板书的某些细节。

五、有的学生生病或休学回家，上课不方便，则不得不借助同学的笔记来看。

因此，板书教学和当前的多媒体教学各自都是有自己的优点和缺点的。这就促使需要发明一款新的多媒体教学设备来集成传统板书教学和多媒体教学的优点并合理规避它们缺点，从而为教师的课堂教育和学者的学术交流提供极大的便利和丰富。

触屏技术的特点是操作者利用手指或其它电子设备，比如数字笔，在屏幕上书写、点击、绘画的动作都会在计算机的程序中得到对应的处理，从而在屏幕上显示出操作者期望的结果。触屏技术目前在平板电脑、平板手机以及某些简单的手写产品中得到了应用，因此技术已经相对成熟。但是触屏技术应用于教育和学术交流方面的产品则尚未得到开发，到目前也并未看到相关的发明。

而教学和学术交流比起普通的触屏产品，有其特殊的需求：

1）教师板书的书法个性展示, 即黑板上要能显示出不同教师特有的书写习性；

2) 书写不同颜色的内容时，黑板上显示内容颜色的更换要方便；

3）绘制一些图形，比如辅助线，要采用虚线、点划线等，电子粉笔绘制出来的线型更换要方便及时；

4) 同样一个字母，字体上的差别反映了其数学或物理内涵上的差别，因此电子粉笔书更换字体要方便快捷；

5）教师发现某些地方写错，或某些地方没必要写，于是要擦掉。这些需求是传统板书教学的需求。

发明内容

针对以上的情况，本发明提出利用触屏技术为核心来开发多功能交互式智能多媒体电子黑板，从而可以让教师自由地在黑板上书写、绘图的同时，还可以自由地在黑板上指定区域显示出要显示的图片、视频等，从而教学和学术交流提供一个方便、丰富、便捷的平台。

本发明的技术解决方案是：

一种多功能交互式智能多媒体电子黑板，包括板书教学功能单元、书写擦除单元、图形辅助绘制单元、多媒体单元、外围多媒体信息指定显示单元、音效手感仿真单元、教学同步保存单元；

板书教学功能单元：通过电子粉笔发射的颜色切换信号、线型切换信号和字体切换信号来要求计算机系统调整在屏幕上书写的颜色、绘画的线型和书写的字体，内置的计算机系统通过屏幕上压力和电特性改变的位置与位置的变化以及电子粉笔发射的正在书写的信号来判断出书写与绘画所在的位置和轨迹，并将该位置或轨迹上的屏幕像素显示为已设置的颜色；

书写擦除单元：通过屏幕上压力和电特性改变的位置与位置的变化以及电子黑板擦发射的正在擦除的信号来判断出黑板擦擦除的位置和轨迹，来将已显示的内容擦除；

图形辅助绘制单元：对要绘画的不同几何图形，在黑板上显示绘画该图形时需要的辅助线，使用者根据辅助线在黑板上手工绘制出规则的几何图形；

多媒体单元：内置的计算机系统通过屏幕上压力和电特性的改变以及电子粉笔与黑板擦并未工作的信号，来判断出屏幕上进行的多媒体操作种类，并运行相应的程序对屏幕上内容进行手指的触屏编辑；

外围多媒体信息指定显示单元：通过接口与外围的计算机或多媒体设备连接，外围设备上多媒体信息，包括公式、图形或视频，显示在黑板上的任意指定位置；

音效手感仿真单元：根据屏幕上书写或绘画时的压力来调整音响发出电子粉笔与黑板碰撞和摩擦声音的大小，通过设计电子粉笔与黑板的摩擦系数来调整出合适的书写手感；

教学同步保存单元：动态保存教师的教学录音和屏幕上动态显示的数据，并将其保存于存储系统之中，并将教学录音和屏幕上的显示数据保存为视频文件。

进一步地，板书教学功能单元自由方便地调整在屏幕上书写的颜色、绘画的线型和书写的字体，具体为：电子粉笔与黑板屏幕的互相作用信号，包括接触压力或电信号，作为内置主机判断使用者是否书写以及书写位置的依据；而电子黑板擦与黑板屏幕的互相作用信号，包括接触压力或电信号，则作为内置主机判断使用者是否正在擦除以及擦除的位置的依据；而自由切换书写的颜色和字体以及绘画的线型是通过电子粉笔将颜色、字体和绘画线型的切换信号发送给内置主机，而内置主机根据这些切换信号重新设置显示参数，以备下一阶段使用者的书写、绘画的需求。

进一步地，外围多媒体信息指定显示单元的功能实现具体为：通过外围多媒体设备接口来连接外围的存储设备、语音设备、显示设备，将外围设备上的语音信息、图形、视频信息读入内存，继而将语音数据发送给音响设备，将图形、视频数据发送到黑板屏幕上任意指定的位置上并以可控的大小进行显示。

进一步地，实现使用者与黑板上信息进行交互操作，具体为：电子粉笔或电子黑板擦未动作时，内置计算机系统根据此信息以及屏幕上是否出现压力来判断出使用者正在进行屏幕的触屏操作，来启动触屏编辑程序，根据接触压力或电信号改变的位置、接触位置的个数及时间间隔和轨迹来判断操作者进行触屏操作的种类，并启动相应的触屏编辑程序来对使用者的操作对象进行相应的移动、缩放、旋转。

进一步地，图形辅助绘制单元具体为：使用者在黑板上绘制规则的几何图形，启动绘图辅助功能时，使用者选择一个或几个图形的样标之后，黑板上就会出现绘图的辅助工具，包括辅助线，借助这些辅助线，使用电子粉笔在黑板上绘出规则的几何图形。

进一步地，还包括多重黑板单元，该单元实现黑板的多重显示，具体为：通过黑板的交互式操作功能将黑板上已有的内容选择之后压缩到更小的区域，来腾出更多的空白区域用于书写，而当当前黑板被写满后，通过将当前黑板上的内容保存为硬盘文件，并在屏幕上切换出一块新的空白黑板来用于新的内容书写的，如果要将之前黑板上的内容切换出来，则将当前黑板上的内容保存到新的文件中并将硬盘上之前的文件显示到黑板屏幕上即可。

进一步地，包括防意外保护单元，具体为：含有预防主程序崩溃的运行监控程序及备用主程序，当原先主程序突然崩溃时监控程序立刻启用备用主程序接替原有的主程序进行工作；和/或外界突然停电时的备用可充电电源；和/或备用的传统黑板与传统投影白幕。

进一步地，音效手感仿真单元实现手感、音效仿真，具体为：使用者在黑板上书写的手感是通过设置电子粉笔与屏幕的摩擦系数和接触硬度来实现的，而书写时两者摩擦的声音特征在程序中预先录制和设置的，程序根据书写时屏幕上的压力和延续的时间驱动音响系统发出不同强度和长度的声音。

进一步地，教学同步保存单元的实现具体为：将黑板上的显示信息与教师的录音信息同步保存于内置的存储系统中；在存储的文件中，文件中存储下不同时间屏幕上不同位置处的显示信息，与此对应的则是在另一个文件中存储下不同时间教师的录音信息，与此同时计算机系统将这两个文件实时地转换成视频格式的板书教学文件。

进一步地，实现该多媒体电子黑板的装置具体为：包括触屏黑板、内置电源、内置主机、内置存储系统、外围设备接口、书写用的电子粉笔、擦除用的电子黑板擦以及用于主机与电子粉笔、电子黑板擦之间通信用的无线通信设备；电子粉笔上具有颜色切换、线型切换以及字体切换的功能按键以及书写状态传感器，电子黑板擦上具有擦除状态传感器；

电子粉笔上的切换按键触动相应的信号发射电路从而发射信号给无线通信设备，无线通信设备将此信号发射给内置主机，内置主机继而判断出电子笔的颜色请求或线型请求与字体请求，电子粉笔书写时将笔尖或笔尾的传感器激活并触发相应的信号发射器发射信号给无线通信设备，无线通信设备再将此信号转发给内置主机，主机继而判断出电子粉笔的书写行为；内置主机判断电子黑板擦的原理与判断电子粉笔的书写行为是一致的，电子黑板擦内也含有接触传感器与信号发射装置。

本发明的有益效果是：本发明保留了传统板书教学中教师书写和绘画的自由、方便而且信息连续完整的功能，还可以辅助教师进行精确的几何图形绘制，更主要的是使得教师可以在板书的任何位置插入外围多媒体设备中的被选择的公式、图片、视频等多媒体信息，从而规避了当前多媒体教学中PPT切换造成的学生视觉记忆空白以及显示信息不完整的缺点。本发明还可以使得教师的板书和整堂课的教学过程都被记录在系统中，可以方便学生课后复习以及病退者的自学，因此可以大大减少学生课堂记笔记的工作量从而提高他们的课堂效率。

附图说明

图1是实施例的说明框图；

图2是实施例板书教学功能单元的说明示意图；

图3是实施例中防程序崩溃算法的说明示意图；

图4是实施例硬件实现的结构示意图；

图5是图4的左侧视图；

图6是实施例电子粉笔的外观设计图；

其中：1、黑板外框，2、书写显示区，3、黑/白板切换滑槽，4、黑/白板切换滑键，5、多重黑板切换键，6、内置主机，7、可充电备用电源，8、几何图形选择区，9、电子粉笔笔尖，10、颜色切换按键，11、线型切换按键，12、电子粉笔笔尾，13、电子粉笔，14、电子黑板擦，15、蓝牙通信设备，16、外围设备接口，17、辅助绘图起动键，18、备用投影白幕盒，19、黑板上下移动内滑轨，20、黑板上下移动滑轨外盒，21、备用传统黑板。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例要解决传统板书教学中黑板内容无法重复、绘图困难和手工绘图不规则以及无法显示图片、视频等多媒体信息的缺陷，同时要解决当前多媒体教学中幻灯片面积小、幻灯片切换快给学生造成的视觉记忆空白以至于不利于数理学科教学和学术交流的问题。

实施例通过将黑板设计成一个大幅的电子触屏系统，使用本实施例，教师可以在传统板书教学的同时，可以指定在黑板的任何位置上以尺寸可控的方式插入他要显示的图形和视频；实施例还可以辅助教师在黑板上手工绘制出规整的几何图形，并且图形的位置和形状可以由教师用手随意在黑板上移动；黑板上的内容可以被压缩到一个小区域从而腾出更多黑板空间，也可以被放大从而被教室后面的学生看清楚。板书的内容，课后可以得到保存从而可以重新播放。本发明规避板书教学和多媒体教学的缺点的同时集成并丰富了它们的优点，继而大大改进、便利和丰富黑板在教学和学术交流中的作用。

为了实现以上的目的，实施例提供一种多功能交互式智能多媒体电子黑板，如图1，包括板书教学功能单元、书写擦除单元、图形辅助绘制单元、多媒体单元、外围多媒体信息指定显示单元、音效手感仿真单元、教学同步保存单元。实施例产品的组成结构如图4所示。教学和学术交流工具比起普通的触屏产品，有其特殊的需求，实施例中通过以下方式得到实现：

1)教师板书的书法个性在电子黑板上的实现。通过板书教学功能单元，监测黑板或屏幕上的接触压力，通过对电子粉笔13与黑板或屏幕的接触压力与预设值的比较，来识别笔画的线型宽度；如果该点处的压力大，说明此处的笔画较粗，该点处附近要显示的像素就应该多；如果该点处的压力小，说明此处的笔画细，该接触点附近要显示的像素就少。从而可以反映出教师在书写时笔画粗细的变化。电子粉笔笔尖9形状也设计为特殊的形状，可以采用椭圆形切面倾斜设置，如果要书写较粗的笔画，粉笔可以向黑板多倾斜一些，如果要书写较细的笔画，粉笔就直立一些，电子粉笔13的形状设计参考图6，电子粉笔笔尾12的形状可以采用与电子粉笔笔尖9的形状相同。

2)书写不同颜色的内容的实现。通过电子笔上不同颜色的按键触发相应的信号发射器发送信号给内置主机6，主机的主程序根据信号来判断书写的颜色变换请求，并在程序中设置下一阶段屏幕像素显示的颜色值；要在黑板上写上蓝色的内容，就在电子粉笔13上按一下蓝色的按键。此时电子粉笔13发射一个信号给蓝牙设备。蓝牙设备是电子粉笔13和计算机主机的通信中介。蓝牙设备识别出这个信号是电子粉笔13更换颜色的信号，于是将这个信号传送给计算机主机。计算机主机的程序识别出电子粉笔13的颜色更换为蓝色了。于是当教师在黑板上再次书写时，计算机就将电子粉笔13与黑板的接触点附近的像素显示为蓝色。对于其它颜色也可如此。同理，通过不同颜色按键来触发并发送信号来实现下一步绘画时实线与虚线的切换请求；或通过笔尖、笔尾的掉头使用向内置主机6发送下一步书写时字体切换的请求。

3)实现绘制图形的一些辅助线时的特殊线型。比如要在黑板上画一条虚线，就在电子粉笔13另一端的线型按键上按一下虚线按键。此时电子粉笔13发射一个信号给蓝牙设备。蓝牙设备识别出这个信号是电子粉笔13更换线型的信号，于是将这个信号传递给计算机主机。计算机主机程序识别出这个信号是电子粉笔13更换线型的通知。于是当教师再次在黑板上绘图时，计算机就将电子粉笔13与黑板上划过的轨迹显示为虚线。对于其它线型，比如点划线等，也是如此如此。

4)在电子黑板上书写出不同的字体从而区别出同一字母的不同内涵。比如数学上用加粗的字母表示有方向的物理量，用常规粗细的字母表示没有方向的物理量。实现这一功能，可以通过以下技术途径。将电子粉笔13掉过头，改成用电子粉笔13的笔尾来书写。当笔尾接触屏幕的一瞬间，电子粉笔13内部的传感器感受到笔尾正受到压力，于是向蓝牙设备信号，蓝牙设备识别信号之后再转发给计算机主机，主机程序了解到电子粉笔13现在正在用笔尾来书写。于是当教师在黑板上写出一个字母或一个公式时，计算机就在字母的笔画上显示出更多的像素，从而让这个字母的笔画看起来更粗。

5)书写擦除单元实现某些多余或错误的内容在黑板上的擦除。此时教师拿起电子黑板檫14去擦黑板或者屏幕。当电子黑板檫14接触黑板的一瞬间，黑板擦内的传感器接受到压力，屏幕上也接受到压力以及接触位置电特性的改变。黑板擦此时向蓝牙设备发射一个信号，蓝牙设备识别出此时黑板擦的功能已被激活，于是将此信息发送给计算机主机，计算机主机识别出这个信号，并根据此时屏幕上监测到的接触点的位置，将这个位置极其附近微小区域内的像素全部显示为背景颜色，如黑色，此时原先显示的的内容就被擦掉了。

通过以上途径实现上述5个功能之后，传统板书的功能在本发明对应的产品里就得到了完全的实现和保留了；此时电子黑板已经可以完全应付当前国内外板书教学的任何需求。但是传统板书的多媒体功能却并没有得到开发，因此下面具体说明本发明对应的产品的多媒体教学功能。

6)外围多媒体信息指定显示单元实现在黑板上显示图片或者任何内容，并且改变图片的显示大小或者移动、旋转图片。教师将其外接的计算机，插到外围设备接口16。教师打开其外接计算机上的任何文件。利用外围计算机的鼠标在其外围计算机的屏幕上框选出这张图片或者选择某部分内容。此时外围设备接口16监视到外围计算机的屏幕上被框选出的内容，并将这部分内容传送到电子黑板内置主机6的内存中。此时教师，用电子粉笔13或者手指在屏幕的任意位置点击一下，内置主机6识别出这个屏幕上的位置，于是将内存中存储的外围设备上显示的图片或者内容传送到黑板指定点处，并显示为默认大小。此时教师用手指摁住黑板上显示的图片的一角进行拖拉，图片就被放大或缩小了；教师也可以摁住图片的其它指定锚点，进行拖拉，此时图片跟着教师的手指在黑板上移动并移动到指定的位置上去。如果要让图片旋转，教师只要用一只手的手指摁住图片上的一点并且这只手指不能移动，再用另一只手的手指摁住图片的另一点进行旋转运动，于是图片就绕着这个固定的手指进行旋转了。在这过程中，计算机实时监视屏幕上的图片哪些点被摁住，哪些与手指的接触点在移动，从而实现这个交互的过程。

7)图形辅助绘制单元实现几何图形的辅助绘制功能。传统板书要绘制图形时，如果没有工具，教师绘制的图形就会很不规则。本发明对应的智能电子黑板能够实现教师手动绘制图形时获得规则的几何图形。此时在智能黑板的书写显示区2的一侧设置一小长条区域被设置为几何图形选择区8，如图4。教师只要按一下辅助绘图起动键17，如图4，此时几何图形区域被高亮显示，内置主机6的辅助功能被起动。此时教师点击选择区内任何一个图形，主机就了解教师要绘制的图形是什么，并且起动对应的辅助绘制算法。比如绘制一条直线，教师首先在几何图形选择区8中用手或者电子粉笔13点击直线的图形；然后在屏幕上其它位置任意点击两个不重合的位置，此时计算机主机就了解到要绘制一条过这两点的直线或线段，于是程序中计算出过这两点的直线上其它点的方位以及与这些点临近的像素，并将这条直线以较暗的颜色显示在黑板上。借助于这条辅助的直线，教师沿这条直线的某点处开始滑动电子粉笔13到另一个位置，计算机就将直线上电子粉笔13经过的那些像素高亮显示出来，辅助直线从屏幕上消失，于是屏幕上只剩下教师要画的那条线段。同理，比如教师要画一个圆弧，教师只要点击几何图形选择区8内的圆弧图形。然后再用电子粉笔13在黑板上的任意位置点击三个不同位置的点，程序自动计算出经过这3个点的圆。教师只要拿着电子粉笔13在这个以暗颜色显示的辅助圆上滑动，就可以绘制出想要的圆弧，如果滑动一周，就说明教师画了一个正圆。同样的道理，这种方法也适用于其它图形。针对不同的图形，教师需要了解一些对应的简单操作即可，而且这些图形的辅助绘制和它们的工具制图方法其实很类似的。当然，教师也可以直接拿工具直接在屏幕上绘图。比如要画一个圆弧，教师只要把电子粉笔13插在圆规的一脚上，固定圆规的另一只脚转动圆规，电子粉笔13就在屏幕上画出一个圆弧。要画一个直线，拿一个三角板直接放在黑板上，然后拿电子粉笔13沿着三角板的一边滑动，即可画出直线。内置主机6只要监测到任何不由电子粉笔13引起的屏幕上的压力或电特性的改变，电子黑板上的像素都不做任何显示。所以当三角板压在黑板上时，虽然主程序也监测到屏幕上有压力，但是电子笔并没有发任何书写行为信号给内置主机6，所以内置主机6不会要求屏幕上显示任何东西。教师可以用手指选择绘制好的任何图形，拖动和转动到任何位置，而这都可以通过内置主机6中主程序监视屏幕上的压力及其方位来得到响应。比如教师用手指点击一条已经绘制好的直线，主程序就检测到这个点击位置附近的像素附属于哪个几何体，从而判定出该直线，监视手指在屏幕上的移动，教师可以移动和转动这条直线。

8)在黑板的指定位置上插入视频。教师在外围的计算机上选择一个视频文件，智能电子黑板的内置主机6监测到外围设备的接口上传送过来这个视频文件并把它读取到内存中。教师用手在黑板上任意位置处点击，视频就在此处以标准大小显示。教师用手拖动视频边框，就可以改变视频的尺寸。教师用手指拖动视频的窗口，就可以移动视频到另一个位置。

通过以上技术方案，以上的7)、8)、9)功能大大保留了现代多媒体教学的图片视频显示功能，而且还进一步发展了教师在传统板书教学中的辅助绘图功能。教师还可以拖动黑板上任何的图形移动转动到任何位置，这些功能也是现代多媒体教学不具备的。

下面的一些功能及其技术实现方案更是传统板书教学和现代多媒体教学工具不具备的。

9)板书区域压缩和放大。当本发明中的黑板上的空间已经逐渐被板书和各种内容占满之后，教师可以用手指选择一个区域的空白左上角，然后滑动到这个区域的空白右下角。内置计算机中的主程序判断出手指移动的两个端点和之间的轨迹，从而判定出教师选择了由这个对角线确定的矩形内的所有内容。于是主程序将这部分内容的黑色背景减弱为灰色，表示这块区域内的内容被选中了。教师再用手指点击这个灰色背景内的区域，这个区域的左上角的位置不变，这个区域的内容和空间尺寸就按照程序内确定的比例收缩到其左上角上去。于是黑板上就腾出了一大块新的空间，教师可以在这块新的空间上继续板书教学。如果教师要回去讨论刚才被压缩区域内的内容，只要用手指双击刚才被压缩的区域，这个区域的内容就弹出来并放大到原先大小，而且还是以灰色背景进行显示。

10) 教学同步保存单元实现板书和教学录音的动态保存。当教师在黑板上书写板书时，内置主机6因为不断监控黑板上的一切，所以内置主机6可以把黑板上的任何信息动态保存到硬盘上去。也就是当教师在黑板上擦写、绘图以及其它比如移动旋转图形、视频行为时，内置主机6将屏幕上像素变化以及教师同时的讲课声的信息都保存到硬盘里。课后，听课者可以将这个讲课文件拷贝回自己的电脑上用视频文件播放即可。这个技术省略了视频课程的录像工作，也是当前多媒体教学工具无法做到的，因为当前的多媒体教学无法和板书教学有机结合起来。

11) 多重黑板功能。传统的板书教学，特别是理工科教学，往往需要很大面积的黑板，于是发明了多重黑板。一面黑板写完之后，教师需要拉下另一面黑板，并在上面进行板书，但是教室墙面的面积有限，所以大多数教学黑板只有两重。本发明可以实现多重黑板的功能。当智能黑板的当前黑板被写完之后，教师只要向上拉动黑板边框上多重黑板切换键5，如附图4，此时当前黑板上的内容被保存到内存和硬盘文件中，整面黑板上的东西被全部擦除。如果教师要调入上一版面的黑板，只要将多重黑板切换键5向下拉动黑板边框的切换键，于是当前黑板上的内容被存入内存或硬盘，主程序从内存或硬盘中调入上一版面黑板上的内容。这个切换键可以设置数个档位，从而切换到不同的档位，对应档位的黑板的版面内容就被调入到屏幕上。

对实施例功能的实现进行一个总体的描述。

如图2，通过监测黑板或屏幕上的接触压力和电特性，同时判定电子粉笔13与电子黑板檫14的行为进行书写识别；具体为：

检测到黑板屏幕压力或电特性改变，根据电子粉笔13发送的是否受压或是否书写信号来识别是否为电子粉笔13与屏幕发生接触：在识别为电子粉笔13受压时，继而判断是否为笔尖受压，如果是，以笔尖字体显示；如果不是以笔尾字体显示；

如识别结果不是电子粉笔13受压，判断是否为黑板檫受压，如果是，檫除接触位置的显示；如果不是，则说明屏幕上的受压由手指操作产生，于是计算机进行手指的触屏编辑操作；

监测黑板或屏幕上的接触压力和电特性，检测到黑板屏幕压力或电特性未改变时，内置程序则判断电子粉笔13是否正在颜色切换，如果是，主程序设置下次像素显示颜色；如果不是电子笔颜色切换，判断电子笔是否在进行线型切换，如果是，主程序设置下次绘图线型；如果否，主程序再扫描外围多媒体设备上是否有数据输入，如果是，读入内存等待显示，如果否，保存板书和教学文件。

电子黑板的外在结构包含外框，外框上安装了诸多的元器件，如内置的计算机主机、备用电源还有书写与显示的功能区或屏幕。教师手上拿着电子粉笔13，在默认情况下，显示功能区的背景颜色为黑色，当教师用电子笔接触黑板时，黑板屏幕上接受到压力和电特性的改变并传送接触的点的位置、压力数据到主机，主机向显示功能区的屏幕发出指令让这个接触点及其附近微小区域内的像素显示为白色或其它已设置的颜色。当教师在黑板上移动电子粉笔13，写字时，计算机实时监测到黑板上接触点的位置和压力值，并让对应点附近的像素显示为已设置的颜色值。如此，就在黑板上显示出来教师书写的内容。这个功能，也是触屏系统的主要原理。

为使用方便和教学安全而进行的功能设计及其实现方案：

电子粉笔13颜色和线型切换键不会因为被无意识碰到从而导致电子粉笔13颜色和线型切换。针对这个功能，可以进行如下的技术方案设计。将颜色切换按键10和线型切换按键11设计成沿着笔面上下滑动的按键，并且滑动这个按键需要一定的力量。如此一来，如果无意识地碰到这个按键，因为按键没有滑动到位，所以电子粉笔13上的按键不会触发相应的信号发射装置，从而内置主机6内事先设置的颜色和线型值都不会变化，画出的颜色和线型都不会发生改变。除此之外，按键被按动到位之后，随后会及时弹复到原始位置。这就类似于一些自动多色彩的圆珠笔切换功能键一样。

音效手感仿真单元实现板书音效和手感的设计。当教师用电子粉笔13在黑板上写字时，内置主机6驱动音响发出类似于传统粉笔在黑板上的撞击声和摩擦声。这可以通过以下方式实现。先将传统粉笔写字时撞击到黑板的声音录制下来，将传统粉笔写字时与传统黑板摩擦的声音也录制下来。然后输入到程序的数据库中。当教师的电子粉笔13接触到黑板的一瞬间，内置主机6从数据库中读出撞击声的数据并驱动音响，如果电子粉笔13接触到黑板的一瞬间，接触压力大，内置主机6就驱动音响发出相对更响的撞击声。当教师用电子粉笔13在黑板上移动进行写字绘图时，内置主机6从数据库中调出数据，并驱动音响设备发出摩擦声。电子粉笔13与黑板间的压力越大，那么音响发出的摩擦声也被内置主机6驱动地更大。当教师切换多重黑板时，内置主机6也可以驱动音响发出传统的多重黑板切换时的滑轮以及多重黑板移动到位时的碰撞声。电子粉笔13与黑板屏幕的摩擦系数的大小应该设计为接近于传统粉笔与传统黑板摩擦时摩擦系数的大小，这样教师的板书手感与传统板书的手感接近；可以通过选择材料并将黑板的表面和电子的粉笔表面进行一定的粗糙化，来达到这个效果；但是这种粗糙化显然是肉眼无法分辨的，所以不会影响黑板上的显示效果。

防意外保护单元在停电、防系统崩溃时满足常规多媒体教学的功能，如图3。防意外保护单元采用防程序崩溃算法，具体为：监控主程序一监察工作主程序一的状态，若工作主程序一崩溃，监控主程序一接替工作主程序一执行相应功能而成为工作主程序二，而原先崩溃的工作主程一被清除并在CPU1中调入新的监控主程序二来监察工作主程序二的状态。

假如外界突然停电，此时智能黑板的系统若无电力就不能工作。因此在电子黑板的外框中内置了可充电备用电源7。有时候内置主机6的一套系统因为可能不清楚的原因而崩溃。为了应对这种情况，系统的内置主机6里设置了两套主程序，其中一个主程序驻留在内存里，只监控另一个工作主程序的运行。如果被监控的主程序出现崩溃，那么处于监控状态的主程序立即从硬盘里调入之前已经保存到硬盘上的教学文件，于此同时将黑板清空，并将调入的教学文件显示到黑板上。如果两套主程序都崩溃或者备用电源的电力也被耗尽，此时可以采用传统的板书教学。通过采用黑板上下移动内滑轨19的形式，挂两块黑板，即多媒体黑板与备用传统黑板21，黑板上下移动内滑轨19设在黑板上下移动滑轨外盒20内，在触屏黑板系统崩溃还可以将触屏黑板向黑板上下移动内滑轨19上面滑动，将备用传统黑板21降下实现教学，教师直接拿传统的粉笔在备用传统黑板21上书写即可，如图5。如果有电力，但是智能电子黑板系统出故障而无法使用，此时可以滑动黑/白板切换滑槽3中的黑/白板切换滑键4，如图4，使得使用电子黑板的黑色屏幕显示为白色背景，再起动外围独立的投影仪和计算机来进行投影教学；如果连切换键和切换功能也被损坏，则可通过备用投影白幕盒18使用备用投影白幕，如图4，和外围的独立投影仪和计算机，从而满足当前教学中常见的多媒体功能。也就是说无论发生什么不利情形，本发明都能够最起码地保留当前多媒体教学的所有功能。

实施例的智能多媒体黑板系统的硬件功能设计说明如下：

一、内置计算机的主程序功能分解及各模块算法，包括工作主程序和监视主程序。

工作主程序：实现与无线网卡通信、与外围设备接口16上的嵌入式系统通信、与黑板功能区或者屏幕系统的通信、与存储设备的通信等。

1) 与无线网卡通信。蓝牙设备发送信号到主机的无线网卡，主程序获得无线网卡上的蓝牙设备信号，并判定电子粉笔13与电子黑板檫14的行为。这样一来，主机不需要与蓝牙设备频繁交换信息，从而可以节约内存和CPU时间。

2) 与外围设备接口16上的嵌入式系统通信。外围设备接口16上具有一个嵌入式的微机系统，该系统独立判断外围设备是否接入这个接口并判断是什么设备接入这个接口。如果有设备接入这个接口，这个微机系统判断出这个设备的性质和需要交换的数据类型，图片还是文字，读取还是输入等，然后该微机系统与智能电子黑板的内置主机6建立通信。这样一来，主机只要和该微机系统建立通信即可，而不需要时时刻刻监视各个接口的状态，从而也可以节约CPU时间。

3）与黑板功能区或者屏幕系统的通信。黑板的功能区或者显示屏幕也有一个独立的嵌入式微机系统，该系统不断监视屏幕上各个点上的压力信息。教师在讲课的间隙里，屏幕上的内容很多时候是不变的，因此内置主机6扫描屏幕的工作就交给了这个嵌入式微机系统。一旦屏幕上的压力状态有变，这个微机系统立刻将判断出这个点的位置还有压力的大小并发送给主机的主程序。主程序获得这个信息，并检查电子粉笔13或电子黑板檫14的行为，如果电子粉笔13有行为，主机通知该嵌入式系统将压力状态有变的像素显示出来；如果黑板擦有行为，主机就通知该嵌入式系统将该像素显示为背景颜色，从而擦去了显示的内容。其它的绘图、以及移动、旋转调整图片或视频尺寸的行为，都交给主程序的高速CPU来判断。如果粉笔和粉笔擦都没行为，但是屏幕上的压力位置处于移动，主程序就可以判断出是教师的手指在操作，从而进行相应的响应。屏幕的嵌入式系统还监视辅助绘图按键上的状态的变化，如果教师起动这个按键，嵌入式系统就将屏幕右边的几何图形选择区8域高亮显示并在其内部显示出图形列表；教师选定一个图形，嵌入式系统就告知主程序要绘制什么图形，主程序就开始将该图形的辅助绘制程序导入到嵌入式系统内，嵌入式系统就开始在屏幕上显示出辅助绘图的辅助线等。嵌入式多重黑板功能也是如此实现。教师拉动多重黑板切换按键，嵌入式系统获得切换键上的信号，从而将当前黑板上的内容存入内存或硬盘中并调入上一黑板的内容或者切换到空白黑板上去。如此一来，主程序只获得嵌入式系统的状态信息，如果嵌入式系统的状态并未传送过来任何状态改变的信息，主程序的CPU就可以节约大量的时间。

4）与存储设备的通信。存储设备也有一个嵌入式系统。主机内的主程序，在CPU的间隙里不断将屏幕上嵌入式系统发送过来的信息存储入硬盘，与此同时也将麦克风上传来的教师的声音数据也存储到硬盘里。存储设备的嵌入式系统不断将主机发送过来的数据转换成视频文件。由于生成视频需要大量的运算，因此将视频生成工作放在主机里会损耗大量内存和CPU时间，所以主机只负责向存储系统发送数据而不负责生成教学的视频文件。

监视主程序：为了防止工作主程序突然崩溃。监视主程序在主机的另一个CPU中运行，并且不断读取工作主程序的工作是否正常的信号。如果工作中的主程序突然崩溃，那么它向监视主程序抛出一个异常。监视主程序获得这个异常之后，立刻将原先CPU中的主程序清除并对内存进行清零，然后读取硬盘上之前已经保存下来的教学文件，并发送给屏幕上的嵌入式系统，从而教学工作得到正常连续进行。

二、蓝牙设备与电子粉笔13、电子黑板檫14的通信

蓝牙设备内也有一个嵌入式的操作系统，这个系统不断监视电子粉笔13和电子黑板檫14发过来的状态信息。当电子粉笔13上的颜色切换按键10按动，电子粉笔13向蓝牙设备发送一个信号，这个信号包含了电子粉笔13切换后的颜色。蓝牙设备内的嵌入式系统判断出这个信号的内容，并将它发送给智能黑板的内置主机6的无线网卡，而由无线网卡将这个信号传达给主机的主程序。从而节约了主机大量的CPU时间。

三、外围设备接口16功能实现

外围设备接口16是一个嵌入式系统。该系统包含了接口扫描、设备性质判断，数据类型判断等功能模块。比如USB接口可以插入移动手机、平板电脑灯，此时该接口上的嵌入式系统判断出这个设备的类型和这个设备发送数据的格式等，并将这个设备的数据发送到主机的数据端口。

四、电子黑板显示功能区的功能实现模块

1) 与主机通信的功能模块：接受主机指令和数据，发送屏幕压力状态以及各压力点的方位。

2) 与外围机械设备的通信：扫描多重黑板切换键5以及辅助绘图功能键的状态。

3) 与显示设备的通信：扫描黑板或屏幕上的各点的压力状态。

4) 整理数据形成数据结构: 将接触点的位置、压力大小、接触位置移动速度、轨迹发送给主机。

五、 电子粉笔13和电子黑板檫14的机械电子结构设计方法

电子粉笔13和电子黑板檫14是微小的单片机控制系统

1) 颜色切换或线型切换的滑动按键机械：滑动按键滑动到位之后，手指拿开，按键由弹簧弹复到原位。

2) 信号发射装置：滑动按键切换到位，接通对应该按键的电路，该电路接通信号发射器，发射一个特定频率的信号，该信号被蓝牙设备捕获。

3) 电子粉笔13书写行为判断：电子粉笔笔尖99或笔尾与黑板接触一瞬间，其笔尖或笔尾上的压力传感器接受到压力变化，发射一个电脉冲信号给单片机；单片机判断出电子笔的笔尖还是笔尾在工作，并驱动信号发射装置发射一个信号给蓝牙设备，蓝牙设备捕获电子笔的工作状态从而通知主机。主机据此判断屏幕上的压力是由电子笔还是由手指或黑板擦造成的，如果是由电子笔造成的，则屏幕处于书写状态；如果不是由电子笔和电子黑板檫14造成的，屏幕上的图形或区域则处于被手指进行移动、旋转、拉伸、缩小或放大的编辑状态。

4) 电子黑板檫14的压力传感器：电子黑板檫14与黑板接触的一瞬间，压力传感器立刻感受到黑板擦上的压力变化，电子黑板檫14内部的单片机系统驱动信号发射装置发射一个信号给蓝牙设备，蓝牙设备内的嵌入式系统判断出电子黑板檫14的处于工作行为，于是通知主机，主机对屏幕上相应位置处的像素显示进行擦除。

5) 附加功能：可以在电子粉笔13上设置字体控制键，切换不同的字体按键，就可以发射信号通知主机，显示字体时以新的字体方式显示。

实施例中的材料和硬件可选择如下：

实施例的多功能交互式智能电子黑板可以采用以下材料和硬件来得到实现，如图4、图5、图6。

黑板外框1：高强度的木质材料、金属、塑料材质皆可。

黑板的功能显示区或屏幕：高强度、耐磨屏，尺寸与黑板大小相同，可定制。

电子粉笔13：尺寸略大于粉笔。压力传感器：市场上常见的任何传感器即可。外壳采用金属或高强度塑料。内部操作系统采用主流单片机的编程实现。信号发射器，采用市场上已有的微小的信号发射器。按键的回复机械：弹簧。

电子黑板檫14：尺寸与传统黑板擦相同。压力传感器采用市场上常见传感器，以一定的分布和点阵形式布置在黑板擦的底部的。外壳采用高强度塑料或者金属。

蓝牙设备：购买市场上常见的嵌入式微机，并采用相应的计算机语言进行系统编程。蓝牙通信设备购买市场上已有的设备。外壳采用金属。

外围设备接口16设备：购买市场上常见的嵌入式微机，并采用相应的计算机语言进行系统编程。

存储系统设备：购买市场上常见的嵌入式微机，并采用相应的计算机语言进行系统编程。购买常见的可快速读写的大容量硬盘。

工作主机：CPU：3核或以上，主频2.0~3.0GHz; 内存4G以上。

操作系统：可以采用主流的触屏操作系统。

Claims (7)

1.一种多功能交互式智能多媒体电子黑板，其特征在于：包括板书教学功能单元、书写擦除单元、图形辅助绘制单元、多媒体单元、外围多媒体信息指定显示单元、音效手感仿真单元、教学同步保存单元、多重黑板单元和防意外保护单元；

板书教学单元：通过电子粉笔发射的颜色切换信号、线型切换信号和字体切换信号来要求计算机系统调整在屏幕上书写的颜色、绘画的线型和书写的字体，内置的计算机系统通过屏幕上压力和电特性改变的位置与位置的变化以及电子粉笔发射的正在书写的信号来判断出书写与绘画所在的位置和轨迹，并将该位置或轨迹上的屏幕像素显示为已设置的颜色；

书写擦除单元：通过屏幕上压力和电特性改变的位置与位置的变化以及电子黑板擦发射的正在擦除的信号来判断出黑板擦擦除的位置和轨迹，来将已显示的内容擦除；

图形辅助绘制单元：对要绘画的不同几何图形，在黑板上显示绘画该图形时需要的辅助线，使用者根据辅助线在黑板上手工绘制出规则的几何图形；

多媒体单元：内置的计算机系统通过屏幕上压力和电特性的改变以及电子粉笔与黑板擦并未工作的信号，来判断出屏幕上进行的多媒体操作种类，并运行相应的程序对屏幕上内容进行手指的触屏编辑；

外围多媒体信息指定显示单元：通过接口与外围的计算机或多媒体设备连接，外围设备上多媒体信息，包括公式、图形或视频，显示在黑板上的任意指定位置；

音效手感仿真单元：根据屏幕上书写或绘画时的压力来调整音响发出电子粉笔与黑板碰撞和摩擦声音的大小，通过设计电子粉笔与黑板的摩擦系数来调整出合适的书写手感；音效手感仿真单元实现手感、音效仿真，具体为：使用者在黑板上书写的手感是通过设置电子粉笔与屏幕的摩擦系数和接触硬度来实现的，而书写时两者摩擦的声音特征在程序中预先录制和设置的，程序根据书写时屏幕上的压力和延续的时间驱动音响系统发出不同强度和长度的声音；

教学同步保存单元：动态保存教师的教学录音和屏幕上动态显示的数据，并将其保存于存储系统之中，并将教学录音和屏幕上的显示数据保存为视频文件；

多重黑板单元实现黑板的多重显示，具体为：通过黑板的交互式操作功能将黑板上已有的内容选择之后压缩到更小的区域，来腾出更多的空白区域用于书写，而当当前黑板被写满后，通过将当前黑板上的内容保存为硬盘文件，并在屏幕上切换出一块新的空白黑板来用于新的内容书写的，如果要将之前黑板上的内容切换出来，则将当前黑板上的内容保存到新的文件中并将硬盘上之前的文件显示到黑板屏幕上即可；

防意外保护单元具体为：含有预防主程序崩溃的运行监控程序及备用主程序，当原先主程序突然崩溃时监控程序立刻启用备用主程序接替原有的主程序进行工作；和/或外界突然停电时的备用可充电电源；和/或备用的传统黑板与传统投影白幕。

2.根据权利要求1所述的多功能交互式智能多媒体电子黑板，其特征在于，板书教学功能单元调整在屏幕上书写的颜色、绘画的线型和书写的字体，具体为：电子粉笔与黑板屏幕的互相作用信号，包括接触压力或电信号，作为内置主机判断使用者是否书写以及书写位置的依据；而电子黑板擦与黑板屏幕的互相作用信号，包括接触压力或电信号，则作为内置主机判断使用者是否正在擦除以及擦除的位置的依据；而自由切换书写的颜色和字体以及绘画的线型是通过电子粉笔将颜色、字体和绘画线型的切换信号发送给内置主机，而内置主机根据这些切换信号重新设置显示参数，以备下一阶段使用者的书写、绘画的需求。

3.根据权利要求2所述的多功能交互式智能多媒体电子黑板，其特征在于，外围多媒体信息指定显示单元的功能实现具体为：通过外围多媒体设备接口来连接外围的存储设备、语音设备、显示设备，将外围设备上的语音信息、图形、视频信息读入内存，继而将语音数据发送给音响设备，将图形、视频数据发送到黑板屏幕上任意指定的位置上并以可控的大小进行显示。

4.根据权利要求3所述的多功能交互式智能多媒体电子黑板，其特征在于，实现使用者与黑板上信息进行交互操作，具体为：电子粉笔或电子黑板擦未动作时，内置计算机系统根据此信息以及屏幕上是否出现压力来判断出使用者正在进行屏幕的触屏操作，来启动触屏编辑程序，根据接触压力或电信号改变的位置、接触位置的个数及时间间隔和轨迹来判断操作者进行触屏操作的种类，并启动相应的触屏编辑程序来对使用者的操作对象进行相应的移动、缩放、旋转。

5.根据权利要求1-4任一项所述的多功能交互式智能多媒体电子黑板，其特征在于，图形辅助绘制单元具体为：使用者在黑板上绘制规则的几何图形，启动绘图辅助功能时，使用者选择一个或几个图形的样标之后，黑板上就会出现绘图的辅助工具，包括辅助线，借助这些辅助线，使用电子粉笔在黑板上绘出规则的几何图形。

6.根据权利要求1-4任一项所述的多功能交互式智能多媒体电子黑板，其特征在于，教学同步保存单元的实现具体为：将黑板上的显示信息与教师的录音信息同步保存于内置的存储系统中；在存储的文件中，文件中存储下不同时间屏幕上不同位置处的显示信息，与此对应的则是在另一个文件中存储下不同时间教师的录音信息，与此同时计算机系统将这两个文件实时地转换成视频格式的板书教学文件。

7.根据权利要求1-4任一项所述的多功能交互式智能多媒体电子黑板，其特征在于，实现该多媒体电子黑板的装置具体为：包括触屏黑板、内置电源、内置主机、内置存储系统、外围设备接口、书写用的电子粉笔、擦除用的电子黑板擦以及用于主机与电子粉笔、电子黑板擦之间通信用的无线通信设备；电子粉笔上具有颜色切换、线型切换以及字体切换的功能按键以及书写状态传感器，电子黑板擦上具有擦除状态传感器；

电子粉笔上的切换按键触动相应的信号发射电路从而发射信号给无线通信设备，无线通信设备将此信号发射给内置主机，内置主机继而判断出电子笔的颜色请求或线型请求与字体请求，电子粉笔书写时将笔尖或笔尾的传感器激活并触发相应的信号发射器发射信号给无线通信设备，无线通信设备再将此信号转发给内置主机，主机继而判断出电子粉笔的书写行为；内置主机判断电子黑板擦的原理与判断电子粉笔的书写行为是一致的，电子黑板擦内也含有接触传感器与信号发射装置。