初中信息科技科學原理教學初探

摘要：自義務教育信息科技課程改革以來，原理教學逐漸成為課程教學的重點，但原理教學較為枯燥。因此，本文以《數據的傳輸過程》一課為例介紹了科學原理教學的基本教學方法，幫助學生形成概念理解，提升原理教學的有效性。

關鍵詞：初中；信息科技；科學原理

案例背景

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將課程名稱從信息技術變為信息科技，課程內容從重視技術，走向“科”“技”并重，信息科技課程已逐步褪去工具色彩，與物理、化學、生物等科學類課程一樣，原理教學成為課程教學的重點。信息科技的科學原理是信息科技領域中的基礎概念和核心原理，它汲取了相關學科中緊密關聯又相互交叉的關鍵知識，集中體現在數據、算法、網絡、信息處理、信息安全和人工智能六個邏輯關聯的主題上。信息科技原理是指在信息科技實踐中，為實現應用目的，根據已有的科學原理和技術經驗，通過創造性思維和技術實驗所獲得的關于途徑、手段、方式和方法的理論規范。在義務教育階段，信息科技課程原理主要包括簡單控制系統、互聯網、物聯網、人工智能等。在實際教學中，教師一般將信息科技原理簡化為信息科技背后的技術思想、設計和實現，通過實驗探究，讓學生深挖操作背后的原理和思維方法。

原理教學的內容比較抽象，對于此類內容，教師在教學中容易犯兩種錯誤：一是以內容太難超出學生理解力為由，放棄了提供給學生積極探索和體驗知識的機會，讓學生的學習停留于無意義的淺層記憶；二是忽視學生的經驗基礎和理解能力去盲目追求知識的系統性理解，從而導致學生的認知負荷太大，學習體驗差，學生失去興趣。

針對這種情況，筆者設計了《數據的傳輸過程》一課，在案例中，通過主問題分解策略，提升原理教學的有效性，培養學生的數字素養。

案例教學分析

1.教學內容分析

本節內容選自蘇科版《信息科技》七年級第四單元“互聯網中的數據傳輸”中的項目探索2《數據的傳輸過程》，本節內容以原理性知識為主，內容比較抽象，主要包括網絡協議、數據傳輸過程、計算機在網絡中的標識、數據分包發送等內容。在對教材內容分析的基礎上，又補充了網絡傳輸中數據的“封裝”與“解封裝”的相關內容，補充的內容不涉及具體的封裝層次模型，僅讓學生知道原始數據被封裝，添加了與傳輸相關的重要信息。

2.學習目標

①知道互聯網在傳輸數據時要遵守一定的規則，即網絡協議，知道TCP/IP協議是互聯網通信中最基本的協議；②能類比快遞，理解互聯網中數據傳輸過程需要在發送端封裝，在接收端解封裝；③知道IP地址及其在互聯網數據傳輸中的作用；④知道互聯網數據的分包發送過程，理解分包發送的好處；⑤知道TCP協議及其保證互聯網數據可靠傳輸的作用；⑥能積極主動向同學分享學習到的知識。

案例設計理念

如今的學生是數字時代的原著民，有熟練使用網絡工具傳輸數據（如發送信息、發送文件等）的經驗，但是對數據在網絡傳輸的過程中究竟經歷了什么，既缺乏認知經驗，又缺乏認知能力，更缺少主動探究的動力。結合原理教學的特點，教學中需要設計并利用好問題，驅動學生探究網絡中數據的傳輸過程。

在教學中，筆者通過主問題分解策略，引導學生從不同方面去思考數據在網絡傳輸過程中涉及的知識點。同時，運用類比、圖解、動畫、游戲模擬等多種手段，降低學生的認知負荷，幫助學生形成概念理解。

結合教材，筆者設計了主問題：數據在網絡傳輸過程中有哪些神奇經歷？通過對教材內容的整合，對主問題進行分解，共分解出5個子問題，每個子問題聚焦一個知識點，結合知識點的特點，采用不同的教學策略，具體如表1所示。

教學實施過程

1.問題導入，激起“數據傳輸”之惑

教學伊始，教師通過談話的形式，回顧日常生活中經常使用網絡工具互相發送信息、傳送文件的過程，拋出問題：這些數據在網絡中是如何傳輸的？數據在傳輸過程中會有哪些神奇經歷？學生在問題的驅動下，積極思考，形成困惑，激發解決問題的內驅力。

這樣就順利引出本節課堂內容，引導學生主動探究互聯網中的數據傳輸過程，進一步了解網絡、認識網絡，從而更好地使用網絡。

2.分解問題，梳理“傳輸數據”之要

圍繞剛剛拋出的主問題，通過類比引導的方法，引出系列子問題及猜想，但是不深入探究。

（1）類比引出系列問題一。道路上的車輛和行人都需要遵守交通規則，才能確保交通有序。那么，數據在網絡中傳輸是否需要遵守一定的規則呢？答案是肯定的——TCP/IP協議，是互聯網通信中最基本的協議。這里只需要引出協議即可，不必深入。

（2）類比引出系列問題二。一封信為什么能夠準確地送達收件人？——至少具備兩個條件：①收件人有唯一的地址；②信封上“寫上”了收件人的地址信息。那么，網絡中的數據為什么能夠尋找識別到目標主機呢？網絡中數據能夠識別到目標主機，不妨猜想以下兩點成立：①目標主機應該有一個唯一的識別標志——IP地址；②網絡中的數據，可能添加了“目標主機IP”信息。（為數據封裝鋪墊）

（3）直接引出系列問題三、系列問題四。通過網絡傳輸的文件大小不一，網絡的路徑也復雜多樣，如何讓數據在網絡中更加高效地傳輸呢？如何保證數據正確可靠地傳輸呢？科學家們經過努力也攻克了這些難題，我們將逐步探究其中的奧秘。

3.類比分析，理解“數據封裝”之由

如同快遞運輸，網絡中的數據的確添加了重要信息（我們稱為數據的頭部），才得以傳輸。在發送端增加頭部信息的過程，叫數據的封裝，在接收端將封裝信息去掉的過程，叫數據的解封裝。學生觀察圖1（圖片來源于網絡），對比快遞運輸過程，描述數據傳輸的過程。

思考后小組討論，解答以下問題：①運輸中的快遞，包裝上需要填寫哪些內容？②網絡中傳輸的數據為什么要“封裝”？③你認為網絡中傳輸的數據至少還需要“封裝”哪些內容？

4.動畫演示，解析“分組發送”之效

通過網絡傳輸的文件大小不一，網絡的路徑也復雜多樣，如何讓數據在網絡中更加高效地傳輸呢？科學家們發明了“分組發送”的數據傳輸方式，提高了數據傳輸的效率。學生帶著“數據的分組發送為什么能夠提高傳輸效率”這一問題，在觀看視頻《數據的分包與發送》，在觀看完視頻之后，能夠結合視頻內容，以一張圖片的傳輸為例，描述數據分組發送的過程。通過小組討論，小組代表回答數據的分組發送為什么能夠提高傳輸效率。教師在點評時，主要看是否包含以下要點：將大小不一的文件劃分為等長的相對較小的數據包，有利于更加充分利用空閑的通信線路。

5.游戲互動，體驗“可靠傳輸”之道

數據包傳輸過程中如果發生丟失或者出錯，就可能造成嚴重的損失。TCP協議為數據可靠傳輸提供了保證，它是如何做到的呢？此環節指導學生進行角色扮演，重現數據可靠傳輸過程。課前，教師提前找兩位學生，分別扮演信息的發送方A和接收方B，模擬數據包在互聯網通信過程中的發送過程和接收過程，具體過程如表2所示。

根據游戲模擬的過程，學生整理數據包丟失情況下，發送方和接收方的通信過程。結合角色扮演過程，學生能夠舉一反三，列舉生活中“可靠傳輸”的案例，如接打電話的過程等。

6.分組交流，分享“數據傳輸”之妙

以“數據的網絡之旅”為主線，結合教師提供的課程資源，從不同場所描述數據的神奇經歷，然后在全班分享。角度1：數據在發送端經歷了什么？角度2：數據在網絡中經歷了什么？角度3：數據在接收端經歷了什么？根據課堂學習內容，學生手繪圖文小報，描述數據的經歷，實現對知識的整理與加工，并進行分享交流。

案例教學反思

本節課主要是原理性知識教學，包括TCP/IP協議、數據的封裝與解封裝以及數據的分包發送等，內容難度較高且不利于學生理解。針對這樣的學習內容，如果直接講解，學生肯定會喪失興趣，所以，筆者根據教學實踐提出以下幾種應對策略。

1.注重問題設計

問題是思維的開始，層層遞進的問題串能促進學生深入思考和探索問題，提升學生的思維品質，學生解決一個優質問題的收獲要遠遠超過解決大量低價值問題。本節課的主問題是“數據在網絡傳輸過程中有哪些神奇經歷”，圍繞這個主問題，筆者設計了一系列子問題，并將其融入一定的教學活動中，學生在解決問題的過程中，形成能力，提升素養。本節課的教學流程如圖2所示。

2.降低認知負荷

針對原理知識抽象、難懂的特點，綜合運用分解、類比、圖示、動畫演示、游戲模擬等多種手段，強化學習體驗，降低認知負荷，促進知識形成。在本設計中，主要有六個環節，不同環節中運用了不同的教學手段。例如，在協議的引導部分，學生肯定會思考協議是什么、為什么要有協議。教師可以從紅綠燈這種日常生活中常見的規則入手，進行類比，和生活中的交通規則一樣，網絡傳輸中也有要遵循的規則，只不過在網絡傳輸中稱之為協議。同樣地，對于數據的封裝與解封裝，以快遞物流的運輸作類比，幫助學生建構知識，理解其奧秘。再如數據的分包與發送過程，江蘇省義務教育信息科技教材在配套的數字資源中，提供了一個非常直觀、形象的動畫。通過帶領學生觀看動畫，讓其直觀地感受數據的分包與發送過程，在有了這樣的直觀了解后，提出關鍵問題“數據的分包發送為什么能夠提高傳輸效率”，激發學生積極思考，直指問題的核心。

3.促進整體性認知

科學原理往往不是孤立的，而是相互關聯、相互作用的。在教學中，關注學生的整體認知，可以幫助學生將不同的原理知識聯系起來，形成一個系統的知識網絡。有了整體認知，就能夠幫助學生加深對原理的理解，進而能更好地記憶和應用這些原理。在對本節課的主問題“數據在傳輸過程中有哪些神奇經歷”的分解、分析的基礎上提出系列子問題，引出相關知識點，幫助學生初步形成零散的知識點與大問題之間關系的整體認知。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]段勇，王震.義教課標視閾下融合技術的信息科技原理教學——以跨學科項目“智慧家居的構建和實現”為例[J].中小學數字化教學，2023（07）：45-49.

本文系2021年度第14期江蘇省中小學教學研究立項課題“指向計算思維培養的初中信息技術教學問題設計策略的研究”（課題編號：2021JY14-L304）的研究成果之一。