實(shí)驗(yàn)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(shí)踐實(shí)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(shí)教學(xué)的方法，筆者在教學(xué)中精選器材，組織學(xué)生開(kāi)展組網(wǎng)和通信原理探究的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)集實(shí)踐、探究和思維訓(xùn)練于一體的獨(dú)特價(jià)值，落實(shí)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(shí)驗(yàn)；探究；網(wǎng)絡(luò)通信原理

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）08-069-02

新頒布的義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新課標(biāo)”）將中小學(xué)“信息技術(shù)”課程名稱(chēng)改為“信息科技”，并確定為獨(dú)立的國(guó)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(guó)家科教發(fā)展面向未來(lái)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(shí)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、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(dòng)機(jī)不足；同時(shí)，受時(shí)間、空間、器材和安全等因素制約，實(shí)踐活動(dòng)普遍開(kāi)展不足。為探索破解課程科學(xué)原理探究和科技實(shí)踐實(shí)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(xiàng)目化學(xué)習(xí)平臺(tái)，選用功能齊全且小巧的器材，設(shè)計(jì)探究網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程和工作原理的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，落實(shí)新課標(biāo)的要求，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

項(xiàng)目概述

“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”模塊是七年級(jí)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(duì)互聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)知還大多停留在“用”的經(jīng)驗(yàn)層面，缺乏對(duì)互聯(lián)網(wǎng)工作原理的理解，難以有效地開(kāi)展數(shù)字化實(shí)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(shí)問(wèn)題”尚有較大的距離?；谄吣昙?jí)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(jì)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(gè)項(xiàng)目。其中，網(wǎng)絡(luò)通信原理探究項(xiàng)目以組建簡(jiǎn)易網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)信息傳輸為主題，將開(kāi)源硬件“行空板”作為終端硬件，開(kāi)展全員參與的分組搭建網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行組網(wǎng)通信的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。通過(guò)Python語(yǔ)言編寫(xiě)簡(jiǎn)易的模塊化程序，仿真即時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)探究促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)鍵知識(shí)、技能的教學(xué)實(shí)踐。

教學(xué)目標(biāo)

在前一節(jié)課中，學(xué)生們通過(guò)家庭局域網(wǎng)中常見(jiàn)的軟硬件設(shè)備和行空板連接PC，認(rèn)識(shí)并學(xué)習(xí)了IP地址的基礎(chǔ)知識(shí)，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(kāi)展行空板組網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，探究網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膴W秘，為后續(xù)設(shè)計(jì)個(gè)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(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)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(tái)掌握行空板連接和MIND+編程操作過(guò)程；三是計(jì)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、安全傳輸?shù)脑?、過(guò)程和方法；四是信息社會(huì)責(zé)任，有道德、負(fù)責(zé)任地運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信原理解決生活中的實(shí)際問(wèn)題。

教學(xué)過(guò)程

1.體驗(yàn)自制通信系統(tǒng)

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

2.實(shí)驗(yàn)搭建通信網(wǎng)絡(luò)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饩W(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及工作過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：器材（行空板3臺(tái)、計(jì)算機(jī)、路由器、數(shù)據(jù)線）、傳輸程序范例、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先是搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境。打開(kāi)項(xiàng)目學(xué)習(xí)平臺(tái)，按照實(shí)驗(yàn)手冊(cè)為行空板供電，用數(shù)據(jù)線連接行空板與計(jì)算機(jī)。連接行空板至機(jī)房無(wú)線Wi-Fi，預(yù)設(shè)三臺(tái)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(tái)行空板的IP地址，將3臺(tái)設(shè)備按圖1連接。

其次是編程實(shí)現(xiàn)通信。啟動(dòng)MIND+軟件，分別打開(kāi)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(shí)驗(yàn)手冊(cè)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(yùn)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(yùn)行收、發(fā)端程序，查看服務(wù)器信息更新的情況?；Q收、發(fā)端身份，改變發(fā)送的信息內(nèi)容再次運(yùn)行相應(yīng)程序，觀察并記錄信息發(fā)送的結(jié)果。斷開(kāi)路由器電源，運(yùn)行收發(fā)程序，查看能否正常發(fā)送和接收信息。開(kāi)啟路由器，再次運(yùn)行相應(yīng)程序，查看信息的收發(fā)。

思考：編寫(xiě)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(shí)驗(yàn)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(hù)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)）等硬件相互連接組網(wǎng)。用戶(hù)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(guò)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(chǔ)（或轉(zhuǎn)發(fā)）進(jìn)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(tái)行空板作為接收端，重復(fù)上面的信息收發(fā)實(shí)驗(yàn)，觀察新加入的設(shè)備能否收到信息。

學(xué)生上機(jī)實(shí)驗(yàn)觀察、匯報(bào)，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(hù)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(shí)通信軟件和聊天軟件可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送信息呢？因?yàn)槊颗_(tái)終端都有唯一的IP地址，標(biāo)明信息來(lái)自于誰(shuí)、發(fā)送給誰(shuí)。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(guò)命令窗口，使用“ping 學(xué)校網(wǎng)站的域名”，獲取對(duì)應(yīng)的IP地址，思考日常訪問(wèn)網(wǎng)站時(shí)使用域名還是IP地址。每個(gè)網(wǎng)站的域名與IP是關(guān)聯(lián)對(duì)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(wèn)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(hù)航”逐層封裝，經(jīng)過(guò)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(gè)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(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的情境和探究的過(guò)程，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)動(dòng)手搭建、動(dòng)腦思考、動(dòng)口討論的學(xué)習(xí)熱情，有效促進(jìn)了原理性知識(shí)的建構(gòu)和理解。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(yùn)用實(shí)驗(yàn)教學(xué)，信息科技課程的科學(xué)原理和科技實(shí)踐得以深度結(jié)合，為新課程教學(xué)設(shè)計(jì)打開(kāi)了新的天空。大力地倡導(dǎo)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，必將帶來(lái)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(huì)責(zé)任的教學(xué)方面有待加強(qiáng)。同時(shí)還應(yīng)注意到，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)論證，在器材選取、環(huán)境準(zhǔn)備和過(guò)程簡(jiǎn)化中，首先要確保原理驗(yàn)證、探究和建構(gòu)的科學(xué)性。信息科技實(shí)驗(yàn)涉及的軟硬件多、過(guò)程復(fù)雜，所以應(yīng)充分發(fā)揮項(xiàng)目化學(xué)習(xí)平臺(tái)等數(shù)字化資源的優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)操作技能和個(gè)性化指導(dǎo)等方面提供有力支持。還要建立實(shí)驗(yàn)教學(xué)的保障機(jī)制，服務(wù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常態(tài)化實(shí)施。

編? ?輯：徐靖程