實驗探究在信息科技課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

陳繼陳　駱瑩瑩

【摘 要】為破解信息科技課程科學(xué)原理探究和科技實踐實施的難題，探索諸如網(wǎng)絡(luò)通信原理、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等理論知識教學(xué)的方法，筆者在教學(xué)中精選器材，組織學(xué)生開展組網(wǎng)和通信原理探究的實驗學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮實驗學(xué)習(xí)集實踐、探究和思維訓(xùn)練于一體的獨特價值，落實了“科”與“技”并重的新課程教學(xué)要求，有效提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】實驗；探究；網(wǎng)絡(luò)通信原理

【中圖分類號】G434? ?【文獻標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2023）08-069-02

新頒布的義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱“新課標(biāo)”）將中小學(xué)“信息技術(shù)”課程名稱改為“信息科技”，并確定為獨立的國家課程。新課標(biāo)要求信息科技課程“科”與“技”并重，體現(xiàn)了其在國家科教發(fā)展面向未來育人戰(zhàn)略中的重要作用。然而，在以往的教學(xué)中，由于信息科技原理的相關(guān)知識專業(yè)性強、概念模型較為抽象，學(xué)生大多理解困難，導(dǎo)致學(xué)習(xí)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(xué)原理探究和科技實踐實施的難題，筆者選取新課標(biāo)“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新”模塊，基于學(xué)校定制的課程項目化學(xué)習(xí)平臺，選用功能齊全且小巧的器材，設(shè)計探究網(wǎng)絡(luò)通信過程和工作原理的實驗學(xué)習(xí)，落實新課標(biāo)的要求，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

項目概述

“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”模塊是七年級的學(xué)習(xí)內(nèi)容。雖然網(wǎng)絡(luò)就在學(xué)生的身邊，但他們對互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知還大多停留在“用”的經(jīng)驗層面，缺乏對互聯(lián)網(wǎng)工作原理的理解，難以有效地開展數(shù)字化實踐和應(yīng)用，與新課標(biāo)要求的“基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作和創(chuàng)新解決真實問題”尚有較大的距離。基于七年級學(xué)生的學(xué)情，我們將“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新”模塊設(shè)計為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與安全、網(wǎng)絡(luò)通信原理探究、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)作與創(chuàng)新3個項目。其中，網(wǎng)絡(luò)通信原理探究項目以組建簡易網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，進行組網(wǎng)通信的實驗學(xué)習(xí)。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(xué)生的科學(xué)思維、探究精神。本文以“行空板組網(wǎng)傳輸信息”一課為例，具體分享通過實驗探究促進學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)鍵知識、技能的教學(xué)實踐。

教學(xué)目標(biāo)

在前一節(jié)課中，學(xué)生們通過家庭局域網(wǎng)中常見的軟硬件設(shè)備和行空板連接PC，認(rèn)識并學(xué)習(xí)了IP地址的基礎(chǔ)知識，知道了TCP/IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)通信中的重要地位。本課學(xué)生開展行空板組網(wǎng)的實驗活動，探究網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膴W秘，為后續(xù)設(shè)計個性化的通信系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。結(jié)合學(xué)情和學(xué)習(xí)內(nèi)容，本課確定了教學(xué)目標(biāo)：一是信息意識，通過實驗認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本構(gòu)成及各部分的作用；二是數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，能夠自主利用學(xué)習(xí)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(wǎng)絡(luò)通信中信息借助相關(guān)協(xié)議處理并實現(xiàn)準(zhǔn)確、安全傳輸?shù)脑怼⑦^程和方法；四是信息社會責(zé)任，有道德、負(fù)責(zé)任地運用網(wǎng)絡(luò)通信原理解決生活中的實際問題。

教學(xué)過程

1.體驗自制通信系統(tǒng)

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

2.實驗搭建通信網(wǎng)絡(luò)

實驗?zāi)康模毫私饩W(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及工作過程。

實驗準(zhǔn)備：器材（行空板3臺、計算機、路由器、數(shù)據(jù)線）、傳輸程序范例、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

實驗過程：首先是搭建實驗環(huán)境。打開項目學(xué)習(xí)平臺，按照實驗手冊為行空板供電，用數(shù)據(jù)線連接行空板與計算機。連接行空板至機房無線Wi-Fi，預(yù)設(shè)三臺行空板的初始身份（服務(wù)器端、發(fā)送端、接收端）并獲取各臺行空板的IP地址，將3臺設(shè)備按圖1連接。

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

思考：編寫的收發(fā)程序及服務(wù)器、路由器等在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信中的作用。

實驗小結(jié)：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成。服務(wù)器、用戶終端通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機）等硬件相互連接組網(wǎng)。用戶借助終端設(shè)備，在信息收發(fā)程序的界面操作交互，信息數(shù)據(jù)則透過通信介質(zhì)（如電磁波、電纜、光纖等）和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，經(jīng)服務(wù)器存儲（或轉(zhuǎn)發(fā)）進而完成信息數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3.揭秘通信原理

各組在搭建的網(wǎng)絡(luò)中再加入1臺行空板作為接收端，重復(fù)上面的信息收發(fā)實驗，觀察新加入的設(shè)備能否收到信息。

學(xué)生上機實驗觀察、匯報，新加的設(shè)備可以收到信息。查看收發(fā)程序可以看到編程使用了MQTT指令，它是一種網(wǎng)絡(luò)信息傳輸協(xié)議，以“發(fā)布/訂閱模式”工作，即網(wǎng)絡(luò)中訂閱同一主題的客戶端均能接收到服務(wù)器發(fā)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(fā)送信息呢？因為每臺終端都有唯一的IP地址，標(biāo)明信息來自于誰、發(fā)送給誰。完成網(wǎng)絡(luò)通信除了硬件系統(tǒng)，還有一套如TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，確保了信息快速、準(zhǔn)確、安全地傳遞。如上網(wǎng)輸入網(wǎng)址中的HTTP，它是超文本傳輸協(xié)議，讓檢索的傳輸超文本（HTML文件、圖文等）從互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器傳送到本地瀏覽器查閱。

學(xué)生嘗試通過命令窗口，使用“ping 學(xué)校網(wǎng)站的域名”，獲取對應(yīng)的IP地址，思考日常訪問網(wǎng)站時使用域名還是IP地址。每個網(wǎng)站的域名與IP是關(guān)聯(lián)對應(yīng)的。DNS協(xié)議（域名解析系統(tǒng)）將域名和IP地址相互映射，這樣用域名即可便捷訪問互聯(lián)的網(wǎng)站了。

網(wǎng)絡(luò)可以看作四層模型，信息數(shù)據(jù)從發(fā)送端自頂向下由應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層到物理層，由相關(guān)協(xié)議的“保駕護航”逐層封裝，經(jīng)過通信介質(zhì)再到接收端自底向上由物理層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層到應(yīng)用層逐層解封，完成一個完整的信息通信傳輸。

教學(xué)反思

本課教學(xué)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了實驗學(xué)習(xí)的情境和探究的過程，激發(fā)了學(xué)生主動動手搭建、動腦思考、動口討論的學(xué)習(xí)熱情，有效促進了原理性知識的建構(gòu)和理解。通過實驗學(xué)習(xí)，為信息科技課講授、示范、訓(xùn)練等傳統(tǒng)教學(xué)模式改變拓展了方向。運用實驗教學(xué)，信息科技課程的科學(xué)原理和科技實踐得以深度結(jié)合，為新課程教學(xué)設(shè)計打開了新的天空。大力地倡導(dǎo)并實施實驗教學(xué)探索，必將帶來面貌一新的信息科技課程教學(xué)局面。

當(dāng)然，本課在信息社會責(zé)任的教學(xué)方面有待加強。同時還應(yīng)注意到，開展實驗教學(xué)要加強實驗設(shè)計的科學(xué)論證，在器材選取、環(huán)境準(zhǔn)備和過程簡化中，首先要確保原理驗證、探究和建構(gòu)的科學(xué)性。信息科技實驗涉及的軟硬件多、過程復(fù)雜，所以應(yīng)充分發(fā)揮項目化學(xué)習(xí)平臺等數(shù)字化資源的優(yōu)勢，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)操作技能和個性化指導(dǎo)等方面提供有力支持。還要建立實驗教學(xué)的保障機制，服務(wù)實驗教學(xué)的常態(tài)化實施。

編? ?輯：徐靖程