无线投屏技术在科学教育专业实验教学中的应用研究

卢鑫，王鑫，靳爱玲，毛海荣

（郑州师范学院化学化工学院，河南郑州 450044)

信息技术的快速发展带来了移动智能终端的快速普及。目前移动智能终端日趋便携化、集成化与小型化，此类移动终端具有便捷性与私密性的同时，也具有共享性较差、不利于展示分享的特点。近年来备受关注的无线投屏技术突破了移动终端在共享方面的局限，无线投屏技术是指通过无线网络连接，基于DLNA、Miracast、AirPlay等协议，使手机、平板、笔记本等智能移动终端设备与电视、投影等大屏显示设备实现屏幕共享和操作的一项技术[1]。无线投屏技术的基础为苹果iOS 系统开发的AirPlay 协议、Wi-Fi 联盟制定的Miracast标准和其他公司自行开发的App投屏软件。其中借助于AirPlay技术，苹果用户可将设备中的图片、音视频等文件通过镜像共享到支持AirPlay协议的设备上；根据Miracast协议，安卓系统手机间可同步传输音视频，并进行多屏互动，且该过程可在未安装任何软件的条件下进行；专用App投屏软件只需借助相应的客户端，将图片或音视频以URL形式推送到大屏上，输入投屏码或扫二维码，即可完成投屏[2]。

国家在《教育信息化十年发展规划》(2021—2030年）文件中强调整体性发展，利用现代教育技术提升教学质量，推动信息技术与高等教育深度融合，创新人才培养模式。在全球“互联网+”的时代背景下，传统课堂的板书已经成为一种辅助教学方式，而借助于PPT与新媒体技术、移动大数据融合技术的现代化教学模式已经成为主流。面对“更加信息化的00 后学生”，新型现代化教学模式不仅可以有效增加师生间互动交流的频次和深度，也使学习过程更加生动、活泼，且在保证完成教学任务的同时，更易达到寓教于乐的效果。

近年来，无线投屏技术迅速发展，已广泛应用于工作和家庭生活中，受到人们的喜爱并得到推广。而其在教育领域进行的应用，尚处于探索阶段，并未全面普及，若能将该技术熟练应用于课堂，必将会为师生带来便利，提高教学效果。

1 科学教育专业及其实验课程教学现状

科学教育专业是教育部设置的一门普通高等学校本科专业，属于教育学类，旨在培养具有良好的思想道德品质、相关专业知识和较强的教学能力，能在中小学从事“科学”或“综合实践活动”课程教学与研究工作，在教育科研部门、公共事业单位从事基础科学教学研究和科普教育与管理的复合型人才[3]。该专业学生主要学习物理、化学、生物、地理等自然科学的基本理论、基本知识，接受科学实验等方面的基本训练，掌握科学教育和科学普及等方面的基本能力[4]。在当前“双减”时代背景下，科学课程承担了中小学生科学素养和科学探究精神的养成的任务使命，着重培养和提高学生的思维能力、动手能力和探究能力。这就对科学教育专业师范生的自身科学实验探究与教学能力提出了更高的要求。如何能够使学生在科学实验课程中既能掌握相关科学理论知识，又能引导学生进行科学观察、思考与探索以提高其科学实验积极性、主动性与创造性，这已成为科学实验教学亟须关注的问题。

为提高科学实验课堂的学习效果，与其他传统自然科学学科不同，在科学教学研究方法中，不论是基于成果导向教育或目标导向教育OBE(Outcome Based Education)教学理念，还是基于问题式学习或项目式学习PBL(Problem/Project Based Learning) 理念的STEAM 教育都是当代推动着科学教育的创新发展模式，其主要以学生为主体，以项目为依托，利用新型的教育技术手段对传统的教学理念与方式进行改革，加深科学、工程、技术、数学与艺术学科之间的融合，致力于为国家培养未来的综合型人才。这种STEAM科学教育模式需要以学生为中心，要求学生自主发现问题，确定研究对象，选择合适的方法对项目进行探究。整个项目式教学过程从发现、分析问题到确定任务目标，从合作探究到完成作品的设计与制作，从项目展示到讨论评价等各个环节都将实现多学科知识与内容的有机融合。

以往科学实验课堂容易受到实验内容设计、实验条件、教学方式以及安全性等因素的限制，实验课程的开展多以“教师基础演示——学生进行拓展设计操作——最后展示”的形式进行。这种传统的实验课堂模式，一方面由于学生众多，演示环节会造成实验台前学生拥堵不利于全体学生观察学习，另一方面过程性展示环节不易共享讨论，从而影响科学实验教学效果。另外与其他自然学科实验不同，现代科学教育多以项目式STEAM 教育方式进行，实验课程教育理念除了突出科学性，更加重视设计性与创新性，因此科学实验课堂作品展示呈现百花齐放的特点，因此如何实现科学实验课堂资源高效、实时展示与共享讨论，是提高科学实验教学效果的关键。

2 无线投屏技术在科学教育实验教学的实践应用

2.1 无线投屏技术在教学实践应用现状

无线投屏技术是将在同一个无线网络环境中的智能移动端的资源，传送到计算机上的无线投屏软件上或者直接传送到投影设备上，实现资源共享。无线投屏技术可有效打破实验设备的空间局限性和电子资源的时间局限性，使实验课堂能够不受实验场地限制，实现智能移动终端设备控制与屏幕展示实时共享，从而将实验课堂教学过程情境和有效数字资源实时呈现出来，达到课堂教学重点突出和资源分享及时、交流互动顺畅的效果。

在已经报道的无线投屏技术融入教学过程的研究中，该技术主要作用为转静为动，通过增强学习内容的趣味性、生动性、可视性和直观性，帮助学生高效掌握知识点。其中研究对象范围较广，涵盖学前、小学、中学以及高等教育整个国家教育体系[5]。研究内容则包含了语文、英语、物理、化学、美术等多个学科的教学过程，大部分研究均是通过利用无线投屏技术进行教学情境创建，提高学生的真实感受，从而调动学生积极性，激发学生主动思考，提高学习效率[6]。对于实验类课程的主要研究为进行课堂实验演示与学生训练，提高实验课堂效率。

2.2 无线投屏技术在科学教育实验教学改革中的应用

本研究基于科学教育师范生实验课程特点，借助无线投屏技术，对科学教育师范生实验课堂的教师讲解演示、学生实操训练和作品展示与讨论三个主要过程，进行科学教育师范生实验教学改革研究。科学教育专业实验课程无线投屏系统如图1所示。

图1 无线投屏系统

在课程实践中，现阶段本课题科学教育专业实验课堂运用的无线投屏技术主要有两种模式：一种是智能移动终端—投影仪连接投屏法；另一种是智能移动终端—智慧黑板专用软件投屏法。其中第一种模式需要的硬件有智能移动终端（手机或平板）、投影仪和无线发生器，系统搭建只需将无线发生器与投影仪相连，投影仪通过无线发生器发出Wi-Fi 信号，手机或平板连接此Wi-Fi 信号后，可通过设备自带的投屏或镜像功能，实现手机或平板界面共享至投影仪。

另一种模式是通过郑州师范学院建立的智慧教室设备来实现的。郑州师范学院化学化工学院建有两个无线接入智慧教室，其中有86寸双屏纳米智慧黑板（包含智慧教学软件、智能交互与智能遥控功能）、学生学习终端专用平板、录播设备、追踪摄像机和移动桌椅等设备。该模式下实际系统搭建是利用软件同时打开智慧黑板和终端平板上的欧帝同屏软件，即可将学生学习终端专用平板（或教师学生的个人手机与电脑）和智慧黑板连接，此模式的连接方式是借助于软件直接将智慧教室的黑板与学生或教师的智能移动终端设备连接。在实际的课堂应用中，对比这两种投屏模式，能够发现智能移动终端—投影仪连接投屏法可以不受教室条件的限制，只需带有无线信号发射器的投影仪即可，但有时候会信号不稳定且投影效果较智慧黑板略差；而智能移动终端—智慧黑板专用软件投屏法虽然受限于智慧教室的硬件条件，但此种投屏技术信号连接更稳定，投屏效果更好。这两种投屏模式虽然各有优缺点，均能保障教学过程的顺利完成。

系统搭建完成之后，在科学教育实验课堂上，无线投屏技术在实验教学情境中主要应用于教师讲解演示、学生实操过程、作品展示与讨论三个环节。首先，在教师讲解演示环节，针对实验目的、实验原理等抽象理论讲解部分，可以用视频或图片的形式通过投屏进行形象具体的展示，联系生活实际拓展知识更加便捷，介绍科学问题更加生动，便于学生理解，可有效增大课堂容量。而针对设备操作与演示部分，教师持移动终端智能设备（手机或平板）投屏讲授，教师操作演示时可借助云台支架或由一名学生帮忙拍摄，拍摄的视频同步投屏至教室黑板，这样不仅可以改善以往教师设备演示学生簇拥在设备前影响其他同学观看的情况，也有利于向学生展示操作细节与注意事项，避免后期学生操作犯错。讲授过程中平板可以选择录像模式，这样既达到投屏目的，又保存了演示电子视频资料，可供学生复习；其次，在学生实操环节，教师主要进行监督和个别指导工作，此时可采用投屏对各学生小组操作状态进行记录共享，如操作的手势、搭建好的装置、产品的状态、注意的事项等，同时对于各学生小组共性的问题或意料之外的操作也可及时共享展示讲解，从而使学生取优去劣，实验更加完善，另外实验工艺过程性记录也有利于提高学生工程思维；最后，在作品展示与讨论环节，科学实验尤其是基于项目的主题式STEAM 科学实验课堂，科学作品强调创新性，故而每个学生小组完成的作品都各不相同且各具特色，在作品分享展示评价环节，可提前录制好演示视频或者现场演示，通过投屏保障所有同学能够同步看到作品展示效果，实现作品讨论完成互评。

3 无线投屏技术在科学教育实验课程的应用评价

为了解传统实验课堂和无线投屏课堂的反馈情况，本研究对STEAM 项目设计与实践实验课程班级50名同学进行调研，并对结果进行统计分析。针对传统科学教育实验课堂中遇到的困难与问题，反映最多的五项问题统计结果如表1所示。

表1 传统课堂学生进行科学实验时常见问题

从调研结果可知，与本研究前期分析情况大体一致，在传统的科学教育专业实验课堂上，各小组反映较多的问题是对仪器操作不规范且操作方法不熟练，设备不够用，教师演示过程看不清楚和制作时间紧张等。由这五个问题分析可知，归根结底，客观原因为设备较少，难以保证在课堂上学生熟练实操；主观方面主要问题在于学生学习设备操作时效率低，导致操作慢，作品制作时间紧张等。这是实验课堂普遍存在的问题。由于空间限制，有不少学生会看不清一些仪器的操作细节，对于陌生的接触少的设备，在课堂上没有拥有较好的操作体验，这对于学生学习知识、理解实验以及实际操作是非常不利的。

针对使用无线投屏技术后，学生反映对自己在实验课堂操作学习过程中帮助最大的环节，调研结果如表2所示。

表2 无线投屏技术对实验学习最有效的环节

从调研反馈结果可知，无线投屏技术对各小组帮助最大的环节是投屏教师演示过程，其次是投屏纠错，然后是展示讨论。从该结果可以看出，在教师演示方面，在没有亲身操作设备的情况下，通过教师投屏的演示，能够保证全体学生的观看，该过程更直观，细节教育更到位，学习效果更好。在教师投屏纠错方面，新模式下我们用终端智能设备可以随时进行细节拍摄，通过无线投屏连接投影仪将细节放大，可以很好地发现不容易观察到的细节问题，同时方便教师进行错误共享与纠正，能避免学生实操犯同样错误，对学生操作有很大帮助。在作品展示投屏方面，各小组通过投屏展示，在能确保高效完成自评互评的同时，小组间互相沟通交流，提出作品优缺点，教师进行建议性指导点评，有助于全体学生共同学习进步。另外，从教师角度观察实验课堂情况，可以发现与往届的学生实验课堂情况相比，新模式下学习的学生在其他实验课堂或活动中对科学教育专业设备的利用率高出许多，课堂效率也提高较多。

总之，针对科学教育专业学科实验课程特点，无线投屏技术的融入，有助于提高实验教学效果，实现实验课堂过程性展示，增强作品共享展示效果，提高作品互评效率。

4 结束语

针对科学教育专业实验特点，无线投屏技术融入科学实验教学过程中，不仅有利于共享实验各环节操作与细节展示，从而有助于学生实操水平的提高，还有利于进行实验工艺过程性记录监控，提高学生工程思维能力。同时该技术能提高作品展示与互评效率，增强科学教育实验教学效果。无线投屏技术在现代教育教学的应用丰富了现代课堂教学手段，通过将智能移动终端与传统黑板的高效连接，不仅为教师提供更加便利的操作展示方式，也提高了学生在实验课堂上的主导地位，有利于推动实验教学模式的变革。