無線投屏技術(shù)在科學(xué)教育專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

盧鑫，王鑫，靳愛玲，毛海榮

（鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南鄭州 450044)

信息技術(shù)的快速發(fā)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(guān)注的無線投屏技術(shù)突破了移動終端在共享方面的局限，無線投屏技術(shù)是指通過無線網(wǎng)絡(luò)連接，基于DLNA、Miracast、AirPlay等協(xié)議，使手機、平板、筆記本等智能移動終端設(shè)備與電視、投影等大屏顯示設(shè)備實現(xiàn)屏幕共享和操作的一項技術(shù)[1]。無線投屏技術(shù)的基礎(chǔ)為蘋果iOS 系統(tǒng)開發(fā)的AirPlay 協(xié)議、Wi-Fi 聯(lián)盟制定的Miracast標準和其他公司自行開發(fā)的App投屏軟件。其中借助于AirPlay技術(shù)，蘋果用戶可將設(shè)備中的圖片、音視頻等文件通過鏡像共享到支持AirPlay協(xié)議的設(shè)備上；根據(jù)Miracast協(xié)議，安卓系統(tǒng)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(yīng)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(fā)展規(guī)劃》(2021—2030年）文件中強調(diào)整體性發(fā)展，利用現(xiàn)代教育技術(shù)提升教學(xué)質(zhì)量，推動信息技術(shù)與高等教育深度融合，創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。在全球“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，傳統(tǒng)課堂的板書已經(jīng)成為一種輔助教學(xué)方式，而借助于PPT與新媒體技術(shù)、移動大數(shù)據(jù)融合技術(shù)的現(xiàn)代化教學(xué)模式已經(jīng)成為主流。面對“更加信息化的00 后學(xué)生”，新型現(xiàn)代化教學(xué)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(xué)習(xí)過程更加生動、活潑，且在保證完成教學(xué)任務(wù)的同時，更易達到寓教于樂的效果。

近年來，無線投屏技術(shù)迅速發(fā)展，已廣泛應(yīng)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(lǐng)域進行的應(yīng)用，尚處于探索階段，并未全面普及，若能將該技術(shù)熟練應(yīng)用于課堂，必將會為師生帶來便利，提高教學(xué)效果。

1 科學(xué)教育專業(yè)及其實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀

科學(xué)教育專業(yè)是教育部設(shè)置的一門普通高等學(xué)校本科專業(yè)，屬于教育學(xué)類，旨在培養(yǎng)具有良好的思想道德品質(zhì)、相關(guān)專業(yè)知識和較強的教學(xué)能力，能在中小學(xué)從事“科學(xué)”或“綜合實踐活動”課程教學(xué)與研究工作，在教育科研部門、公共事業(yè)單位從事基礎(chǔ)科學(xué)教學(xué)研究和科普教育與管理的復(fù)合型人才[3]。該專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)物理、化學(xué)、生物、地理等自然科學(xué)的基本理論、基本知識，接受科學(xué)實驗等方面的基本訓(xùn)練，掌握科學(xué)教育和科學(xué)普及等方面的基本能力[4]。在當(dāng)前“雙減”時代背景下，科學(xué)課程承擔(dān)了中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)探究精神的養(yǎng)成的任務(wù)使命，著重培養(yǎng)和提高學(xué)生的思維能力、動手能力和探究能力。這就對科學(xué)教育專業(yè)師范生的自身科學(xué)實驗探究與教學(xué)能力提出了更高的要求。如何能夠使學(xué)生在科學(xué)實驗課程中既能掌握相關(guān)科學(xué)理論知識，又能引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)觀察、思考與探索以提高其科學(xué)實驗積極性、主動性與創(chuàng)造性，這已成為科學(xué)實驗教學(xué)亟須關(guān)注的問題。

為提高科學(xué)實驗課堂的學(xué)習(xí)效果，與其他傳統(tǒng)自然科學(xué)學(xué)科不同，在科學(xué)教學(xué)研究方法中，不論是基于成果導(dǎo)向教育或目標導(dǎo)向教育OBE(Outcome Based Education)教學(xué)理念，還是基于問題式學(xué)習(xí)或項目式學(xué)習(xí)PBL(Problem/Project Based Learning) 理念的STEAM 教育都是當(dāng)代推動著科學(xué)教育的創(chuàng)新發(fā)展模式，其主要以學(xué)生為主體，以項目為依托，利用新型的教育技術(shù)手段對傳統(tǒng)的教學(xué)理念與方式進行改革，加深科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)與藝術(shù)學(xué)科之間的融合，致力于為國家培養(yǎng)未來的綜合型人才。這種STEAM科學(xué)教育模式需要以學(xué)生為中心，要求學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)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(xué)過程從發(fā)現(xiàn)、分析問題到確定任務(wù)目標，從合作探究到完成作品的設(shè)計與制作，從項目展示到討論評價等各個環(huán)節(jié)都將實現(xiàn)多學(xué)科知識與內(nèi)容的有機融合。

以往科學(xué)實驗課堂容易受到實驗內(nèi)容設(shè)計、實驗條件、教學(xué)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(chǔ)演示——學(xué)生進行拓展設(shè)計操作——最后展示”的形式進行。這種傳統(tǒng)的實驗課堂模式，一方面由于學(xué)生眾多，演示環(huán)節(jié)會造成實驗臺前學(xué)生擁堵不利于全體學(xué)生觀察學(xué)習(xí)，另一方面過程性展示環(huán)節(jié)不易共享討論，從而影響科學(xué)實驗教學(xué)效果。另外與其他自然學(xué)科實驗不同，現(xiàn)代科學(xué)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(xué)性，更加重視設(shè)計性與創(chuàng)新性，因此科學(xué)實驗課堂作品展示呈現(xiàn)百花齊放的特點，因此如何實現(xiàn)科學(xué)實驗課堂資源高效、實時展示與共享討論，是提高科學(xué)實驗教學(xué)效果的關(guān)鍵。

2 無線投屏技術(shù)在科學(xué)教育實驗教學(xué)的實踐應(yīng)用

2.1 無線投屏技術(shù)在教學(xué)實踐應(yīng)用現(xiàn)狀

無線投屏技術(shù)是將在同一個無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)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(shè)備上，實現(xiàn)資源共享。無線投屏技術(shù)可有效打破實驗設(shè)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(xiàn)智能移動終端設(shè)備控制與屏幕展示實時共享，從而將實驗課堂教學(xué)過程情境和有效數(shù)字資源實時呈現(xiàn)出來，達到課堂教學(xué)重點突出和資源分享及時、交流互動順暢的效果。

在已經(jīng)報道的無線投屏技術(shù)融入教學(xué)過程的研究中，該技術(shù)主要作用為轉(zhuǎn)靜為動，通過增強學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性、生動性、可視性和直觀性，幫助學(xué)生高效掌握知識點。其中研究對象范圍較廣，涵蓋學(xué)前、小學(xué)、中學(xué)以及高等教育整個國家教育體系[5]。研究內(nèi)容則包含了語文、英語、物理、化學(xué)、美術(shù)等多個學(xué)科的教學(xué)過程，大部分研究均是通過利用無線投屏技術(shù)進行教學(xué)情境創(chuàng)建，提高學(xué)生的真實感受，從而調(diào)動學(xué)生積極性，激發(fā)學(xué)生主動思考，提高學(xué)習(xí)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(xué)生訓(xùn)練，提高實驗課堂效率。

2.2 無線投屏技術(shù)在科學(xué)教育實驗教學(xué)改革中的應(yīng)用

本研究基于科學(xué)教育師范生實驗課程特點，借助無線投屏技術(shù)，對科學(xué)教育師范生實驗課堂的教師講解演示、學(xué)生實操訓(xùn)練和作品展示與討論三個主要過程，進行科學(xué)教育師范生實驗教學(xué)改革研究?？茖W(xué)教育專業(yè)實驗課程無線投屏系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 無線投屏系統(tǒng)

在課程實踐中，現(xiàn)階段本課題科學(xué)教育專業(yè)實驗課堂運用的無線投屏技術(shù)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(fā)生器，系統(tǒng)搭建只需將無線發(fā)生器與投影儀相連，投影儀通過無線發(fā)生器發(fā)出Wi-Fi 信號，手機或平板連接此Wi-Fi 信號后，可通過設(shè)備自帶的投屏或鏡像功能，實現(xiàn)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(xué)院建立的智慧教室設(shè)備來實現(xiàn)的。鄭州師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)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(xué)軟件、智能交互與智能遙控功能）、學(xué)生學(xué)習(xí)終端專用平板、錄播設(shè)備、追蹤攝像機和移動桌椅等設(shè)備。該模式下實際系統(tǒng)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(xué)生學(xué)習(xí)終端專用平板（或教師學(xué)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(xué)生或教師的智能移動終端設(shè)備連接。在實際的課堂應(yīng)用中，對比這兩種投屏模式，能夠發(fā)現(xiàn)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(fā)射器的投影儀即可，但有時候會信號不穩(wěn)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(shù)信號連接更穩(wěn)定，投屏效果更好。這兩種投屏模式雖然各有優(yōu)缺點，均能保障教學(xué)過程的順利完成。

系統(tǒng)搭建完成之后，在科學(xué)教育實驗課堂上，無線投屏技術(shù)在實驗教學(xué)情境中主要應(yīng)用于教師講解演示、學(xué)生實操過程、作品展示與討論三個環(huán)節(jié)。首先，在教師講解演示環(huán)節(jié)，針對實驗?zāi)康?、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(lián)系生活實際拓展知識更加便捷，介紹科學(xué)問題更加生動，便于學(xué)生理解，可有效增大課堂容量。而針對設(shè)備操作與演示部分，教師持移動終端智能設(shè)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(xué)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(shè)備演示學(xué)生簇擁在設(shè)備前影響其他同學(xué)觀看的情況，也有利于向?qū)W生展示操作細節(jié)與注意事項，避免后期學(xué)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(xué)生復(fù)習(xí)；其次，在學(xué)生實操環(huán)節(jié)，教師主要進行監(jiān)督和個別指導(dǎo)工作，此時可采用投屏對各學(xué)生小組操作狀態(tài)進行記錄共享，如操作的手勢、搭建好的裝置、產(chǎn)品的狀態(tài)、注意的事項等，同時對于各學(xué)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(xué)生取優(yōu)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(xué)生工程思維；最后，在作品展示與討論環(huán)節(jié)，科學(xué)實驗尤其是基于項目的主題式STEAM 科學(xué)實驗課堂，科學(xué)作品強調(diào)創(chuàng)新性，故而每個學(xué)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(huán)節(jié)，可提前錄制好演示視頻或者現(xiàn)場演示，通過投屏保障所有同學(xué)能夠同步看到作品展示效果，實現(xiàn)作品討論完成互評。

3 無線投屏技術(shù)在科學(xué)教育實驗課程的應(yīng)用評價

為了解傳統(tǒng)實驗課堂和無線投屏課堂的反饋情況，本研究對STEAM 項目設(shè)計與實踐實驗課程班級50名同學(xué)進行調(diào)研，并對結(jié)果進行統(tǒng)計分析。針對傳統(tǒng)科學(xué)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(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 傳統(tǒng)課堂學(xué)生進行科學(xué)實驗時常見問題

從調(diào)研結(jié)果可知，與本研究前期分析情況大體一致，在傳統(tǒng)的科學(xué)教育專業(yè)實驗課堂上，各小組反映較多的問題是對儀器操作不規(guī)范且操作方法不熟練，設(shè)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(jié)底，客觀原因為設(shè)備較少，難以保證在課堂上學(xué)生熟練實操；主觀方面主要問題在于學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)備操作時效率低，導(dǎo)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(xué)生會看不清一些儀器的操作細節(jié)，對于陌生的接觸少的設(shè)備，在課堂上沒有擁有較好的操作體驗，這對于學(xué)生學(xué)習(xí)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(shù)后，學(xué)生反映對自己在實驗課堂操作學(xué)習(xí)過程中幫助最大的環(huán)節(jié)，調(diào)研結(jié)果如表2所示。

表2 無線投屏技術(shù)對實驗學(xué)習(xí)最有效的環(huán)節(jié)

從調(diào)研反饋結(jié)果可知，無線投屏技術(shù)對各小組幫助最大的環(huán)節(jié)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(jié)果可以看出，在教師演示方面，在沒有親身操作設(shè)備的情況下，通過教師投屏的演示，能夠保證全體學(xué)生的觀看，該過程更直觀，細節(jié)教育更到位，學(xué)習(xí)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(shè)備可以隨時進行細節(jié)拍攝，通過無線投屏連接投影儀將細節(jié)放大，可以很好地發(fā)現(xiàn)不容易觀察到的細節(jié)問題，同時方便教師進行錯誤共享與糾正，能避免學(xué)生實操犯同樣錯誤，對學(xué)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(yōu)缺點，教師進行建議性指導(dǎo)點評，有助于全體學(xué)生共同學(xué)習(xí)進步。另外，從教師角度觀察實驗課堂情況，可以發(fā)現(xiàn)與往屆的學(xué)生實驗課堂情況相比，新模式下學(xué)習(xí)的學(xué)生在其他實驗課堂或活動中對科學(xué)教育專業(yè)設(shè)備的利用率高出許多，課堂效率也提高較多。

總之，針對科學(xué)教育專業(yè)學(xué)科實驗課程特點，無線投屏技術(shù)的融入，有助于提高實驗教學(xué)效果，實現(xiàn)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(jié)束語

針對科學(xué)教育專業(yè)實驗特點，無線投屏技術(shù)融入科學(xué)實驗教學(xué)過程中，不僅有利于共享實驗各環(huán)節(jié)操作與細節(jié)展示，從而有助于學(xué)生實操水平的提高，還有利于進行實驗工藝過程性記錄監(jiān)控，提高學(xué)生工程思維能力。同時該技術(shù)能提高作品展示與互評效率，增強科學(xué)教育實驗教學(xué)效果。無線投屏技術(shù)在現(xiàn)代教育教學(xué)的應(yīng)用豐富了現(xiàn)代課堂教學(xué)手段，通過將智能移動終端與傳統(tǒng)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(xué)生在實驗課堂上的主導(dǎo)地位，有利于推動實驗教學(xué)模式的變革。