实验探究在信息科技课程教学中的应用研究

陈继陈　骆莹莹

【摘 要】为破解信息科技课程科学原理探究和科技实践实施的难题，探索诸如网络通信原理、互联网协议等理论知识教学的方法，笔者在教学中精选器材，组织学生开展组网和通信原理探究的实验学习，充分发挥实验学习集实践、探究和思维训练于一体的独特价值，落实了“科”与“技”并重的新课程教学要求，有效提升学生核心素养。

【关键词】实验；探究；网络通信原理

【中图分类号】G434   【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2023）08-069-02

新颁布的义务教育课程标准（以下简称“新课标”）将中小学“信息技术”课程名称改为“信息科技”，并确定为独立的国家课程。新课标要求信息科技课程“科”与“技”并重，体现了其在国家科教发展面向未来育人战略中的重要作用。然而，在以往的教学中，由于信息科技原理的相关知识专业性强、概念模型较为抽象，学生大多理解困难，导致学习动机不足；同时，受时间、空间、器材和安全等因素制约，实践活动普遍开展不足。为探索破解课程科学原理探究和科技实践实施的难题，笔者选取新课标“互联网应用创新”模块，基于学校定制的课程项目化学习平台，选用功能齐全且小巧的器材，设计探究网络通信过程和工作原理的实验学习，落实新课标的要求，提升学生的核心素养。

项目概述

“互联网应用与创新”模块是七年级的学习内容。虽然网络就在学生的身边，但他们对互联网的认知还大多停留在“用”的经验层面，缺乏对互联网工作原理的理解，难以有效地开展数字化实践和应用，与新课标要求的“基于互联网协作和创新解决真实问题”尚有较大的距离。基于七年级学生的学情，我们将“互联网应用创新”模块设计为互联网应用与安全、网络通信原理探究、互联网协作与创新3个项目。其中，网络通信原理探究项目以组建简易网络并实现信息传输为主题，将开源硬件“行空板”作为终端硬件，开展全员参与的分组搭建网络，进行组网通信的实验学习。通过Python语言编写简易的模块化程序，仿真即时信息传输，锤炼学生的科学思维、探究精神。本文以“行空板组网传输信息”一课为例，具体分享通过实验探究促进学生学习关键知识、技能的教学实践。

教学目标

在前一节课中，学生们通过家庭局域网中常见的软硬件设备和行空板连接PC，认识并学习了IP地址的基础知识，知道了TCP/IP协议在网络通信中的重要地位。本课学生开展行空板组网的实验活动，探究网络信息传输的奥秘，为后续设计个性化的通信系统打下基础。结合学情和学习内容，本课确定了教学目标：一是信息意识，通过实验认识网络系统的基本构成及各部分的作用；二是数字化学习与创新，能够自主利用学习平台掌握行空板连接和MIND+编程操作过程；三是计算思维，理解网络通信中信息借助相关协议处理并实现准确、安全传输的原理、过程和方法；四是信息社会责任，有道德、负责任地运用网络通信原理解决生活中的实际问题。

教学过程

1.体验自制通信系统

教师展示由三台行空板组网的简易信息交互系统。学生使用两个收发端模拟生活中常见的社交软件通信。

2.实验搭建通信网络

实验目的：了解网络的构成及工作过程。

实验准备：器材（行空板3台、计算机、路由器、数据线）、传输程序范例、网络环境。

实验过程：首先是搭建实验环境。打开项目学习平台，按照实验手册为行空板供电，用数据线连接行空板与计算机。连接行空板至机房无线Wi-Fi，预设三台行空板的初始身份（服务器端、发送端、接收端）并获取各台行空板的IP地址，将3台设备按图1连接。

其次是编程实现通信。启动MIND+软件，分别打开发送端/接收端程序，连接发送端/接收端行空板IP地址。按照实验手册修改收发端程序中的服务器地址为：172.16.20.220（学生输入本组服务器IP地址），使其均连接本组服务器的行空板上。编程并分别在收发端运行相应的程序，观察并记录信息发送的结果。使用连接服务器行空板的PC，在浏览器中输入服务器地址：172.16.20.220：8080（各组输入本组服务器IP地址），同步多次运行收、发端程序，查看服务器信息更新的情况。互换收、发端身份，改变发送的信息内容再次运行相应程序，观察并记录信息发送的结果。断开路由器电源，运行收发程序，查看能否正常发送和接收信息。开启路由器，再次运行相应程序，查看信息的收发。

思考：编写的收发程序及服务器、路由器等在网络系统通信中的作用。

实验小结：网络系统由硬件和软件构成。服务器、用户终端通过网络设备（路由器、交换机）等硬件相互连接组网。用户借助终端设备，在信息收发程序的界面操作交互，信息数据则透过通信介质（如电磁波、电纜、光纤等）和网络设备，经服务器存储（或转发）进而完成信息数据的收发。

3.揭秘通信原理

各组在搭建的网络中再加入1台行空板作为接收端，重复上面的信息收发实验，观察新加入的设备能否收到信息。

学生上机实验观察、汇报，新加的设备可以收到信息。查看收发程序可以看到编程使用了MQTT指令，它是一种网络信息传输协议，以“发布/订阅模式”工作，即网络中订阅同一主题的客户端均能接收到服务器发送的信息。那么，为什么我们使用的即时通信软件和聊天软件可以点对点发送信息呢？因为每台终端都有唯一的IP地址，标明信息来自于谁、发送给谁。完成网络通信除了硬件系统，还有一套如TCP/IP的网络通信协议，确保了信息快速、准确、安全地传递。如上网输入网址中的HTTP，它是超文本传输协议，让检索的传输超文本（HTML文件、图文等）从互联网的服务器传送到本地浏览器查阅。

学生尝试通过命令窗口，使用“ping 学校网站的域名”，获取对应的IP地址，思考日常访问网站时使用域名还是IP地址。每个网站的域名与IP是关联对应的。DNS协议（域名解析系统）将域名和IP地址相互映射，这样用域名即可便捷访问互联的网站了。

网络可以看作四层模型，信息数据从发送端自顶向下由应用层、传输层、网络层到物理层，由相关协议的“保驾护航”逐层封装，经过通信介质再到接收端自底向上由物理层、网络层、传输层到应用层逐层解封，完成一个完整的信息通信传输。

教学反思

本课教学为学生创设了实验学习的情境和探究的过程，激发了学生主动动手搭建、动脑思考、动口讨论的学习热情，有效促进了原理性知识的建构和理解。通过实验学习，为信息科技课讲授、示范、训练等传统教学模式改变拓展了方向。运用实验教学，信息科技课程的科学原理和科技实践得以深度结合，为新课程教学设计打开了新的天空。大力地倡导并实施实验教学探索，必将带来面貌一新的信息科技课程教学局面。

当然，本课在信息社会责任的教学方面有待加强。同时还应注意到，开展实验教学要加强实验设计的科学论证，在器材选取、环境准备和过程简化中，首先要确保原理验证、探究和建构的科学性。信息科技实验涉及的软硬件多、过程复杂，所以应充分发挥项目化学习平台等数字化资源的优势，为学生自主学习操作技能和个性化指导等方面提供有力支持。还要建立实验教学的保障机制，服务实验教学的常态化实施。

编   辑：徐靖程