實驗探究在信息科技課程教學中的應用研究

陳繼陳　駱瑩瑩

【摘 要】為破解信息科技課程科學原理探究和科技實踐實施的難題，探索諸如網絡通信原理、互聯網協議等理論知識教學的方法，筆者在教學中精選器材，組織學生開展組網和通信原理探究的實驗學習，充分發揮實驗學習集實踐、探究和思維訓練于一體的獨特價值，落實了“科”與“技”并重的新課程教學要求，有效提升學生核心素養。

【關鍵詞】實驗；探究；網絡通信原理

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）08-069-02

新頒布的義務教育課程標準（以下簡稱“新課標”）將中小學“信息技術”課程名稱改為“信息科技”，并確定為獨立的國家課程。新課標要求信息科技課程“科”與“技”并重，體現了其在國家科教發展面向未來育人戰略中的重要作用。然而，在以往的教學中，由于信息科技原理的相關知識專業性強、概念模型較為抽象，學生大多理解困難，導致學習動機不足；同時，受時間、空間、器材和安全等因素制約，實踐活動普遍開展不足。為探索破解課程科學原理探究和科技實踐實施的難題，筆者選取新課標“互聯網應用創新”模塊，基于學校定制的課程項目化學習平臺，選用功能齊全且小巧的器材，設計探究網絡通信過程和工作原理的實驗學習，落實新課標的要求，提升學生的核心素養。

項目概述

“互聯網應用與創新”模塊是七年級的學習內容。雖然網絡就在學生的身邊，但他們對互聯網的認知還大多停留在“用”的經驗層面，缺乏對互聯網工作原理的理解，難以有效地開展數字化實踐和應用，與新課標要求的“基于互聯網協作和創新解決真實問題”尚有較大的距離。基于七年級學生的學情，我們將“互聯網應用創新”模塊設計為互聯網應用與安全、網絡通信原理探究、互聯網協作與創新3個項目。其中，網絡通信原理探究項目以組建簡易網絡并實現信息傳輸為主題，將開源硬件“行空板”作為終端硬件，開展全員參與的分組搭建網絡，進行組網通信的實驗學習。通過Python語言編寫簡易的模塊化程序，仿真即時信息傳輸，錘煉學生的科學思維、探究精神。本文以“行空板組網傳輸信息”一課為例，具體分享通過實驗探究促進學生學習關鍵知識、技能的教學實踐。

教學目標

在前一節課中，學生們通過家庭局域網中常見的軟硬件設備和行空板連接PC，認識并學習了IP地址的基礎知識，知道了TCP/IP協議在網絡通信中的重要地位。本課學生開展行空板組網的實驗活動，探究網絡信息傳輸的奧秘，為后續設計個性化的通信系統打下基礎。結合學情和學習內容，本課確定了教學目標：一是信息意識，通過實驗認識網絡系統的基本構成及各部分的作用；二是數字化學習與創新，能夠自主利用學習平臺掌握行空板連接和MIND+編程操作過程；三是計算思維，理解網絡通信中信息借助相關協議處理并實現準確、安全傳輸的原理、過程和方法；四是信息社會責任，有道德、負責任地運用網絡通信原理解決生活中的實際問題。

教學過程

1.體驗自制通信系統

教師展示由三臺行空板組網的簡易信息交互系統。學生使用兩個收發端模擬生活中常見的社交軟件通信。

2.實驗搭建通信網絡

實驗目的：了解網絡的構成及工作過程。

實驗準備：器材（行空板3臺、計算機、路由器、數據線）、傳輸程序范例、網絡環境。

實驗過程：首先是搭建實驗環境。打開項目學習平臺，按照實驗手冊為行空板供電，用數據線連接行空板與計算機。連接行空板至機房無線Wi-Fi，預設三臺行空板的初始身份（服務器端、發送端、接收端）并獲取各臺行空板的IP地址，將3臺設備按圖1連接。

其次是編程實現通信。啟動MIND+軟件，分別打開發送端/接收端程序，連接發送端/接收端行空板IP地址。按照實驗手冊修改收發端程序中的服務器地址為：172.16.20.220（學生輸入本組服務器IP地址），使其均連接本組服務器的行空板上。編程并分別在收發端運行相應的程序，觀察并記錄信息發送的結果。使用連接服務器行空板的PC，在瀏覽器中輸入服務器地址：172.16.20.220：8080（各組輸入本組服務器IP地址），同步多次運行收、發端程序，查看服務器信息更新的情況。互換收、發端身份，改變發送的信息內容再次運行相應程序，觀察并記錄信息發送的結果。斷開路由器電源，運行收發程序，查看能否正常發送和接收信息。開啟路由器，再次運行相應程序，查看信息的收發。

思考：編寫的收發程序及服務器、路由器等在網絡系統通信中的作用。

實驗小結：網絡系統由硬件和軟件構成。服務器、用戶終端通過網絡設備（路由器、交換機）等硬件相互連接組網。用戶借助終端設備，在信息收發程序的界面操作交互，信息數據則透過通信介質（如電磁波、電纜、光纖等）和網絡設備，經服務器存儲（或轉發）進而完成信息數據的收發。

3.揭秘通信原理

各組在搭建的網絡中再加入1臺行空板作為接收端，重復上面的信息收發實驗，觀察新加入的設備能否收到信息。

學生上機實驗觀察、匯報，新加的設備可以收到信息。查看收發程序可以看到編程使用了MQTT指令，它是一種網絡信息傳輸協議，以“發布/訂閱模式”工作，即網絡中訂閱同一主題的客戶端均能接收到服務器發送的信息。那么，為什么我們使用的即時通信軟件和聊天軟件可以點對點發送信息呢？因為每臺終端都有唯一的IP地址，標明信息來自于誰、發送給誰。完成網絡通信除了硬件系統，還有一套如TCP/IP的網絡通信協議，確保了信息快速、準確、安全地傳遞。如上網輸入網址中的HTTP，它是超文本傳輸協議，讓檢索的傳輸超文本（HTML文件、圖文等）從互聯網的服務器傳送到本地瀏覽器查閱。

學生嘗試通過命令窗口，使用“ping 學校網站的域名”，獲取對應的IP地址，思考日常訪問網站時使用域名還是IP地址。每個網站的域名與IP是關聯對應的。DNS協議（域名解析系統）將域名和IP地址相互映射，這樣用域名即可便捷訪問互聯的網站了。

網絡可以看作四層模型，信息數據從發送端自頂向下由應用層、傳輸層、網絡層到物理層，由相關協議的“保駕護航”逐層封裝，經過通信介質再到接收端自底向上由物理層、網絡層、傳輸層到應用層逐層解封，完成一個完整的信息通信傳輸。

教學反思

本課教學為學生創設了實驗學習的情境和探究的過程，激發了學生主動動手搭建、動腦思考、動口討論的學習熱情，有效促進了原理性知識的建構和理解。通過實驗學習，為信息科技課講授、示范、訓練等傳統教學模式改變拓展了方向。運用實驗教學，信息科技課程的科學原理和科技實踐得以深度結合，為新課程教學設計打開了新的天空。大力地倡導并實施實驗教學探索，必將帶來面貌一新的信息科技課程教學局面。

當然，本課在信息社會責任的教學方面有待加強。同時還應注意到，開展實驗教學要加強實驗設計的科學論證，在器材選取、環境準備和過程簡化中，首先要確保原理驗證、探究和建構的科學性。信息科技實驗涉及的軟硬件多、過程復雜，所以應充分發揮項目化學習平臺等數字化資源的優勢，為學生自主學習操作技能和個性化指導等方面提供有力支持。還要建立實驗教學的保障機制，服務實驗教學的常態化實施。

編? ?輯：徐靖程