無線投屏技術在科學教育專業實驗教學中的應用研究

盧鑫，王鑫，靳愛玲，毛海榮

（鄭州師范學院化學化工學院，河南鄭州 450044)

信息技術的快速發展帶來了移動智能終端的快速普及。目前移動智能終端日趨便攜化、集成化與小型化，此類移動終端具有便捷性與私密性的同時，也具有共享性較差、不利于展示分享的特點。近年來備受關注的無線投屏技術突破了移動終端在共享方面的局限，無線投屏技術是指通過無線網絡連接，基于DLNA、Miracast、AirPlay等協議，使手機、平板、筆記本等智能移動終端設備與電視、投影等大屏顯示設備實現屏幕共享和操作的一項技術[1]。無線投屏技術的基礎為蘋果iOS 系統開發的AirPlay 協議、Wi-Fi 聯盟制定的Miracast標準和其他公司自行開發的App投屏軟件。其中借助于AirPlay技術，蘋果用戶可將設備中的圖片、音視頻等文件通過鏡像共享到支持AirPlay協議的設備上；根據Miracast協議，安卓系統手機間可同步傳輸音視頻，并進行多屏互動，且該過程可在未安裝任何軟件的條件下進行；專用App投屏軟件只需借助相應的客戶端，將圖片或音視頻以URL形式推送到大屏上，輸入投屏碼或掃二維碼，即可完成投屏[2]。

國家在《教育信息化十年發展規劃》(2021—2030年）文件中強調整體性發展，利用現代教育技術提升教學質量，推動信息技術與高等教育深度融合，創新人才培養模式。在全球“互聯網+”的時代背景下，傳統課堂的板書已經成為一種輔助教學方式，而借助于PPT與新媒體技術、移動大數據融合技術的現代化教學模式已經成為主流。面對“更加信息化的00 后學生”，新型現代化教學模式不僅可以有效增加師生間互動交流的頻次和深度，也使學習過程更加生動、活潑，且在保證完成教學任務的同時，更易達到寓教于樂的效果。

近年來，無線投屏技術迅速發展，已廣泛應用于工作和家庭生活中，受到人們的喜愛并得到推廣。而其在教育領域進行的應用，尚處于探索階段，并未全面普及，若能將該技術熟練應用于課堂，必將會為師生帶來便利，提高教學效果。

1 科學教育專業及其實驗課程教學現狀

科學教育專業是教育部設置的一門普通高等學校本科專業，屬于教育學類，旨在培養具有良好的思想道德品質、相關專業知識和較強的教學能力，能在中小學從事“科學”或“綜合實踐活動”課程教學與研究工作，在教育科研部門、公共事業單位從事基礎科學教學研究和科普教育與管理的復合型人才[3]。該專業學生主要學習物理、化學、生物、地理等自然科學的基本理論、基本知識，接受科學實驗等方面的基本訓練，掌握科學教育和科學普及等方面的基本能力[4]。在當前“雙減”時代背景下，科學課程承擔了中小學生科學素養和科學探究精神的養成的任務使命，著重培養和提高學生的思維能力、動手能力和探究能力。這就對科學教育專業師范生的自身科學實驗探究與教學能力提出了更高的要求。如何能夠使學生在科學實驗課程中既能掌握相關科學理論知識，又能引導學生進行科學觀察、思考與探索以提高其科學實驗積極性、主動性與創造性，這已成為科學實驗教學亟須關注的問題。

為提高科學實驗課堂的學習效果，與其他傳統自然科學學科不同，在科學教學研究方法中，不論是基于成果導向教育或目標導向教育OBE(Outcome Based Education)教學理念，還是基于問題式學習或項目式學習PBL(Problem/Project Based Learning) 理念的STEAM 教育都是當代推動著科學教育的創新發展模式，其主要以學生為主體，以項目為依托，利用新型的教育技術手段對傳統的教學理念與方式進行改革，加深科學、工程、技術、數學與藝術學科之間的融合，致力于為國家培養未來的綜合型人才。這種STEAM科學教育模式需要以學生為中心，要求學生自主發現問題，確定研究對象，選擇合適的方法對項目進行探究。整個項目式教學過程從發現、分析問題到確定任務目標，從合作探究到完成作品的設計與制作，從項目展示到討論評價等各個環節都將實現多學科知識與內容的有機融合。

以往科學實驗課堂容易受到實驗內容設計、實驗條件、教學方式以及安全性等因素的限制，實驗課程的開展多以“教師基礎演示——學生進行拓展設計操作——最后展示”的形式進行。這種傳統的實驗課堂模式，一方面由于學生眾多，演示環節會造成實驗臺前學生擁堵不利于全體學生觀察學習，另一方面過程性展示環節不易共享討論，從而影響科學實驗教學效果。另外與其他自然學科實驗不同，現代科學教育多以項目式STEAM 教育方式進行，實驗課程教育理念除了突出科學性，更加重視設計性與創新性，因此科學實驗課堂作品展示呈現百花齊放的特點，因此如何實現科學實驗課堂資源高效、實時展示與共享討論，是提高科學實驗教學效果的關鍵。

2 無線投屏技術在科學教育實驗教學的實踐應用

2.1 無線投屏技術在教學實踐應用現狀

無線投屏技術是將在同一個無線網絡環境中的智能移動端的資源，傳送到計算機上的無線投屏軟件上或者直接傳送到投影設備上，實現資源共享。無線投屏技術可有效打破實驗設備的空間局限性和電子資源的時間局限性，使實驗課堂能夠不受實驗場地限制，實現智能移動終端設備控制與屏幕展示實時共享，從而將實驗課堂教學過程情境和有效數字資源實時呈現出來，達到課堂教學重點突出和資源分享及時、交流互動順暢的效果。

在已經報道的無線投屏技術融入教學過程的研究中，該技術主要作用為轉靜為動，通過增強學習內容的趣味性、生動性、可視性和直觀性，幫助學生高效掌握知識點。其中研究對象范圍較廣，涵蓋學前、小學、中學以及高等教育整個國家教育體系[5]。研究內容則包含了語文、英語、物理、化學、美術等多個學科的教學過程，大部分研究均是通過利用無線投屏技術進行教學情境創建，提高學生的真實感受，從而調動學生積極性，激發學生主動思考，提高學習效率[6]。對于實驗類課程的主要研究為進行課堂實驗演示與學生訓練，提高實驗課堂效率。

2.2 無線投屏技術在科學教育實驗教學改革中的應用

本研究基于科學教育師范生實驗課程特點，借助無線投屏技術，對科學教育師范生實驗課堂的教師講解演示、學生實操訓練和作品展示與討論三個主要過程，進行科學教育師范生實驗教學改革研究。科學教育專業實驗課程無線投屏系統如圖1所示。

圖1 無線投屏系統

在課程實踐中，現階段本課題科學教育專業實驗課堂運用的無線投屏技術主要有兩種模式：一種是智能移動終端—投影儀連接投屏法；另一種是智能移動終端—智慧黑板專用軟件投屏法。其中第一種模式需要的硬件有智能移動終端（手機或平板）、投影儀和無線發生器，系統搭建只需將無線發生器與投影儀相連，投影儀通過無線發生器發出Wi-Fi 信號，手機或平板連接此Wi-Fi 信號后，可通過設備自帶的投屏或鏡像功能，實現手機或平板界面共享至投影儀。

另一種模式是通過鄭州師范學院建立的智慧教室設備來實現的。鄭州師范學院化學化工學院建有兩個無線接入智慧教室，其中有86寸雙屏納米智慧黑板（包含智慧教學軟件、智能交互與智能遙控功能）、學生學習終端專用平板、錄播設備、追蹤攝像機和移動桌椅等設備。該模式下實際系統搭建是利用軟件同時打開智慧黑板和終端平板上的歐帝同屏軟件，即可將學生學習終端專用平板（或教師學生的個人手機與電腦）和智慧黑板連接，此模式的連接方式是借助于軟件直接將智慧教室的黑板與學生或教師的智能移動終端設備連接。在實際的課堂應用中，對比這兩種投屏模式，能夠發現智能移動終端—投影儀連接投屏法可以不受教室條件的限制，只需帶有無線信號發射器的投影儀即可，但有時候會信號不穩定且投影效果較智慧黑板略差；而智能移動終端—智慧黑板專用軟件投屏法雖然受限于智慧教室的硬件條件，但此種投屏技術信號連接更穩定，投屏效果更好。這兩種投屏模式雖然各有優缺點，均能保障教學過程的順利完成。

系統搭建完成之后，在科學教育實驗課堂上，無線投屏技術在實驗教學情境中主要應用于教師講解演示、學生實操過程、作品展示與討論三個環節。首先，在教師講解演示環節，針對實驗目的、實驗原理等抽象理論講解部分，可以用視頻或圖片的形式通過投屏進行形象具體的展示，聯系生活實際拓展知識更加便捷，介紹科學問題更加生動，便于學生理解，可有效增大課堂容量。而針對設備操作與演示部分，教師持移動終端智能設備（手機或平板）投屏講授，教師操作演示時可借助云臺支架或由一名學生幫忙拍攝，拍攝的視頻同步投屏至教室黑板，這樣不僅可以改善以往教師設備演示學生簇擁在設備前影響其他同學觀看的情況，也有利于向學生展示操作細節與注意事項，避免后期學生操作犯錯。講授過程中平板可以選擇錄像模式，這樣既達到投屏目的，又保存了演示電子視頻資料，可供學生復習；其次，在學生實操環節，教師主要進行監督和個別指導工作，此時可采用投屏對各學生小組操作狀態進行記錄共享，如操作的手勢、搭建好的裝置、產品的狀態、注意的事項等，同時對于各學生小組共性的問題或意料之外的操作也可及時共享展示講解，從而使學生取優去劣，實驗更加完善，另外實驗工藝過程性記錄也有利于提高學生工程思維；最后，在作品展示與討論環節，科學實驗尤其是基于項目的主題式STEAM 科學實驗課堂，科學作品強調創新性，故而每個學生小組完成的作品都各不相同且各具特色，在作品分享展示評價環節，可提前錄制好演示視頻或者現場演示，通過投屏保障所有同學能夠同步看到作品展示效果，實現作品討論完成互評。

3 無線投屏技術在科學教育實驗課程的應用評價

為了解傳統實驗課堂和無線投屏課堂的反饋情況，本研究對STEAM 項目設計與實踐實驗課程班級50名同學進行調研，并對結果進行統計分析。針對傳統科學教育實驗課堂中遇到的困難與問題，反映最多的五項問題統計結果如表1所示。

表1 傳統課堂學生進行科學實驗時常見問題

從調研結果可知，與本研究前期分析情況大體一致，在傳統的科學教育專業實驗課堂上，各小組反映較多的問題是對儀器操作不規范且操作方法不熟練，設備不夠用，教師演示過程看不清楚和制作時間緊張等。由這五個問題分析可知，歸根結底，客觀原因為設備較少，難以保證在課堂上學生熟練實操；主觀方面主要問題在于學生學習設備操作時效率低，導致操作慢，作品制作時間緊張等。這是實驗課堂普遍存在的問題。由于空間限制，有不少學生會看不清一些儀器的操作細節，對于陌生的接觸少的設備，在課堂上沒有擁有較好的操作體驗，這對于學生學習知識、理解實驗以及實際操作是非常不利的。

針對使用無線投屏技術后，學生反映對自己在實驗課堂操作學習過程中幫助最大的環節，調研結果如表2所示。

表2 無線投屏技術對實驗學習最有效的環節

從調研反饋結果可知，無線投屏技術對各小組幫助最大的環節是投屏教師演示過程，其次是投屏糾錯，然后是展示討論。從該結果可以看出，在教師演示方面，在沒有親身操作設備的情況下，通過教師投屏的演示，能夠保證全體學生的觀看，該過程更直觀，細節教育更到位，學習效果更好。在教師投屏糾錯方面，新模式下我們用終端智能設備可以隨時進行細節拍攝，通過無線投屏連接投影儀將細節放大，可以很好地發現不容易觀察到的細節問題，同時方便教師進行錯誤共享與糾正，能避免學生實操犯同樣錯誤，對學生操作有很大幫助。在作品展示投屏方面，各小組通過投屏展示，在能確保高效完成自評互評的同時，小組間互相溝通交流，提出作品優缺點，教師進行建議性指導點評，有助于全體學生共同學習進步。另外，從教師角度觀察實驗課堂情況，可以發現與往屆的學生實驗課堂情況相比，新模式下學習的學生在其他實驗課堂或活動中對科學教育專業設備的利用率高出許多，課堂效率也提高較多。

總之，針對科學教育專業學科實驗課程特點，無線投屏技術的融入，有助于提高實驗教學效果，實現實驗課堂過程性展示，增強作品共享展示效果，提高作品互評效率。

4 結束語

針對科學教育專業實驗特點，無線投屏技術融入科學實驗教學過程中，不僅有利于共享實驗各環節操作與細節展示，從而有助于學生實操水平的提高，還有利于進行實驗工藝過程性記錄監控，提高學生工程思維能力。同時該技術能提高作品展示與互評效率，增強科學教育實驗教學效果。無線投屏技術在現代教育教學的應用豐富了現代課堂教學手段，通過將智能移動終端與傳統黑板的高效連接，不僅為教師提供更加便利的操作展示方式，也提高了學生在實驗課堂上的主導地位，有利于推動實驗教學模式的變革。