基于關鍵能力培養的初中信息科技實驗教學的實踐研究

摘要：反映數字時代正確育人方向的信息科技課程，旨在培養科學精神和科技倫理，而培養未來數字公民的必備信息素養必須注重“科”“技”并重。本文依據義務教育信息科技實驗教學基本目錄及相關文獻，厘清實驗教學在初中信息科技教學中的價值定位，圍繞“互聯網基本原理與功能”模塊開展實驗教學設計與實施，明確了如何在信息科技實驗教學實踐中培養學生核心素養和關鍵能力，并提出了切實可行的教學建議。

關鍵詞：初中信息科技；實驗教學；關鍵能力

義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性特點，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中凸顯了科學原理與實踐應用并重，倡導真實性學習，鼓勵學生通過“做中學”“用中學”“創中學”，逐步培養信息科技核心素養與關鍵能力。

信息科技教學中實施實驗教學的價值

實驗教學的理論基礎可以追溯到認知心理學和建構主義學習理論，根據Taconis等人的研究，實驗教學方法超越了傳統的以講授為中心的教學模式，強調學生在復雜問題解決中的認知活動。他們指出，有效的科學問題解決不僅僅需要關注知識基礎，還要注重在問題解決的實踐中產生的一系列思維活動和能力養成。隨著新課標的頒布實施，義務教育信息科技實驗教學基本目錄應運而生，初中實驗教學基本目錄包含31個實驗活動。魏雄鷹將義務教育信息科技的實驗活動分為驗證性實驗、探究性實驗、創新應用性實驗和虛擬仿真實驗四種類型。

1.驗證性實驗

驗證性實驗是通過實踐驗證或證明特定的現象或理論，鞏固應用所學的理論知識，培養學生的實踐動手能力和辯證思維能力，如“物聯網實踐與探索”驗證物聯系統中的控制與反饋等。

2.探究性實驗

強調學生主動探索和發現知識的過程，可以自主設計實驗和進行實踐操作，發現問題、提出假設并進行實驗驗證，以達到對問題的深入理解。在“基本目錄”中，幾乎每個模塊都有大量的探究性實驗。根據初中生的特點和能力設計互聯網協議的原理探究活動，側重對互聯網背后本質的探索，并在實際操作中培養解決問題的能力和批判性思維。

3.創新應用性實驗

通常在單元學習或階段性學習后，對所學知識進行實際場景的應用，與新課標中的跨學科主題學習比較契合，旨在培養學生的創新思維，提升學生創造性解決實際問題的能力。例如，在“互聯網基本原理與功能”整個單元學習基礎上進行單元探究性實驗設計，如“家庭網絡工程師”，先是硬件搭建，然后進行網絡配置，最后進行網絡故障排除。

4.虛擬仿真實驗

采用模擬環境和計算機技術結合的方式進行真實場景模擬實驗的過程，在模擬仿真環境中突破了成本和安全等風險因素，尤其針對互聯網基本原理與功能中的互聯網協議和安全等，提供面向全體的高效實踐過程。

實驗教學是一種將學生置于真實或模擬的學習環境中，通過實踐活動促進知識理解、技能發展、科學探究和創新意識培養的教學活動。實驗具有突出的實踐性和探究性特點，學生通過“做中學”能夠將抽象的科學原理轉化為直觀的實踐活動，提升實踐操作能力與創新思維。這與信息科技課程目標不謀而合，因此，在信息科技課程教學中，學科實踐和實驗教學應納入教學實踐進行重點研究。

實驗設計與實施——以“互聯網基本原理與功能”模塊為例

本文的實驗項目選自七年級上冊“互聯網基本原理與功能”，在互聯網應用與創新模塊中，“互聯網基本原理與功能”直接指向學生計算思維的發展，包括通過各種方法、途徑理解互聯網如何傳輸復雜的遠程數據和通信等問題，逐步化簡為分解、編碼、傳輸和重新組合等一系列規則，能運用計算思維解決現實世界中的復雜問題。單元內容結構如下圖所示。

新課標在教學提示中，提倡利用現實世界中可理解、可類比的事物幫助學生理解，充分利用實驗室網絡器材、軟件模擬器及網絡分析器等營造盡量接近真實場景的各種網絡環境，為學生學習和探究創造條件。本單元通過虛擬仿真實驗教學探究互聯網連接、互聯網協議背后的原理，最終搭建完成一個模擬的小型互聯系統，并進行常見問題的排查和解決，屬于模擬仿真實驗。因此，筆者立足大單元設計，以家庭網和校園網為認知起點，展開實驗教學設計。通過創設真實的問題情境，結合實驗任務單和學習支架，引導學生通過觀察、推理、設計、操作、論證、調試、評價等體驗性活動，積極參與實驗探究，在解決實際實驗問題中提升關鍵能力。

1.實驗教學總體目標

通過真實拼圖傳輸和快遞游戲實驗理解規則（協議）的意義，推理互聯網數據傳輸的分層結構；通過模擬仿真實驗探究，理解常見的網絡協議TCP/IP協議的數據傳遞過程，保證數據的準確、完整和高效的原理；通過虛擬仿真實驗搭建小型無線互聯系統，形成搭建小型互聯系統的通用步驟，了解無線路由器基本的網絡參數設置，提高動手解決問題和幫助他人的意識以及網絡安全意識，讓網絡更好地服務于人類社會。

2.實驗重點和難點

重點：互聯網數據傳輸TCP/IP協議和小型互聯系統搭建。

難點：互聯網數據傳輸TCP/IP協議和小型互聯系統中網絡參數設置。

3.實驗內容

包括TCP/IP協議中數據的傳輸過程、小型網絡系統搭建和IP地址配置等。

4.實驗方法策略

采用分組合作的方式，借助實驗設計手冊和教師的指導，進行實踐操作，并通過觀察和分析實驗結果來加深對互聯網原理的理解。采用問題驅動、小組合作的學習模式，鼓勵學生自主設計實驗方案，通過搭建簡易網絡模型、模擬數據傳輸過程、分析傳輸效率與錯誤率等實踐活動，培養學生的動手能力與問題解決能力。

5.實驗實施過程

（1）真實游戲情境，引發真實問題

拼圖傳輸游戲：從A經過3個中間傳遞人到B，重組并展示揭秘。提問：①實現拼圖傳輸游戲，傳輸前需明確什么？學生觀察思考規則的意義。②共同遵守哪些規則，才能協調配合完成傳輸？學生進一步提取規則，明確發送和接收者，并經過中間的連接設備形成傳輸路徑。③若在南京的發送者將手工拼圖傳輸給上海的接收者，如何實現順利傳輸？基于拼圖傳輸和快遞傳輸，學生推理出分層傳輸體系。④互聯網中數據傳輸過程是怎樣的呢？

創設真實情境，學生觀察初步形成傳輸問題鏈，理解傳輸規則和協議的重要性，為后續的模擬實驗進行鋪墊。層層問題鏈遷移和推理到互聯網中數據的傳輸與拼圖傳輸、快遞傳輸類似的特征是分層。

（2）虛擬仿真實驗，深化傳輸過程和系統搭建

在實驗前，分發實驗任務單和實驗輔助視頻，向學生介紹虛擬仿真軟件。學生課前3人為一組，每組一張實驗任務單，根據虛擬仿真實驗操作指南進行實踐，并將數據填寫在實驗學習單上，每項任務都及時反饋。

實驗任務一：參照學件提示，查看本機IP地址、同學的IP地址，比較異同完成實驗數據表（如表1）。

實驗小結：

①IP地址包括" " " 和" " "兩部分。

②同一網絡中IP地址具有

特性。

實驗任務二：Socket數據傳輸測試，模擬仿真實驗操作，并完成填空。

①打開Socket Tool V4.exe應用程序。

②選擇TCP Client，輸入左邊同學的IP地址10.209.200.30，建立連接。

③取消十六進制格式，輸入消息“hello，我是[你的姓名]”，點擊發送數據。

實驗任務三：打開“best trace”，選擇路由跟蹤，輸入常用網址，嘗試查看IP協議訪問的路由選擇路徑（如表2）。

實驗任務四：根據Route實驗手冊進行小型互聯系統搭建，完成實驗記錄。

步驟一：硬件連接。

網線的一端連接Internet，另一端連接無線路由器的" " " 。

（A.WAN口" "B.LAN口）

臺式機（筆記本電腦）通過網線連接在無線路由器的" " " 。

（A.WAN口" "B.LAN口）

步驟二：網絡設置。

①進入設置頁面。

②IP地址設置。

③設置" " " 和" " " 。

拓展：排除常見網絡故障的通用方案（如下頁表3）。

（3）實驗總結梳理，建構學習邏輯框架

通過學生的操作過程、實驗學習單以及實驗成果的綜合評價，評估學生的學習效果。以小組為單位進行完整的作品展示總結，包括回顧虛擬仿真實驗操作演示和學習單展示，小組內部和小組之間開展自評和互評，教師評選出優秀小組。

實驗效果分析

本文以《互聯網基本原理與功能》的教學為例，立足網絡硬件連接，開展數據傳輸和小型互聯系統搭建實驗，將這些復雜問題進行逐層分解、編碼、傳輸和重組并綜合運用，幫助學生在解決問題中培養計算思維，并將所學進行綜合應用，既激發了探究網絡問題的興趣，也體現了學以致用的特點。通過實驗教學，學生在實踐操作中逐步培養了科學探究精神，學會了用科學的思維和方法解決問題。同時，學生在團隊合作中學會了尊重他人、溝通協調，培養了良好的科技倫理素養。此外，實驗教學還提高了學生的信息素養，使他們能夠更有效地利用信息技術解決問題和創新發展。

實踐是檢驗真理的唯一標準，信息科技課程主要研究以數字形式表達信息以及應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現。而實驗能夠很好地體現信息科技的魅力，培養學生的科學原理探究意識，鍛煉學生的思維方法以及問題處理和工程實現能力。

結束語

信息科技實驗教學之路才剛剛開始，在“科學探究和創新意識”關鍵能力的發展中，要求規范和明晰實驗教學的流程與模式，設計科學的探究活動以及評價指標。為了更好地發揮實驗教學在培養學生核心素養和關鍵能力中的優勢，筆者提出如下建議：①加強信息科技實驗教學的頂層設計，明確目標和內容，確保實驗教學的科學性和系統性。②提升教師的實驗教學能力，加強教師的培訓和交流，使教師能夠更好地指導學生進行實驗操作。③鼓勵學生參與跨學科實驗設計和創新活動，激發學生的創新精神和實踐能力。

當前，雖然實驗教學在初中信息科技教育中嶄露頭角，但仍然存在很多未知的問題。一線教師應深入探索實驗教學的新模式和新方法，既要關注其他學科實驗教學的成熟案例，也要積極開辟信息科技實驗教學新路徑，為培養數字時代具有科學精神和科技倫理的未來數字公民積極求索。

參考文獻：

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