基于关键能力培养的初中信息科技实验教学的实践研究

摘要：反映数字时代正确育人方向的信息科技课程，旨在培养科学精神和科技伦理，而培养未来数字公民的必备信息素养必须注重“科”“技”并重。本文依据义务教育信息科技实验教学基本目录及相关文献，厘清实验教学在初中信息科技教学中的价值定位，围绕“互联网基本原理与功能”模块开展实验教学设计与实施，明确了如何在信息科技实验教学实践中培养学生核心素养和关键能力，并提出了切实可行的教学建议。

关键词：初中信息科技；实验教学；关键能力

义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性特点，《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中凸显了科学原理与实践应用并重，倡导真实性学习，鼓励学生通过“做中学”“用中学”“创中学”，逐步培养信息科技核心素养与关键能力。

信息科技教学中实施实验教学的价值

实验教学的理论基础可以追溯到认知心理学和建构主义学习理论，根据Taconis等人的研究，实验教学方法超越了传统的以讲授为中心的教学模式，强调学生在复杂问题解决中的认知活动。他们指出，有效的科学问题解决不仅仅需要关注知识基础，还要注重在问题解决的实践中产生的一系列思维活动和能力养成。随着新课标的颁布实施，义务教育信息科技实验教学基本目录应运而生，初中实验教学基本目录包含31个实验活动。魏雄鹰将义务教育信息科技的实验活动分为验证性实验、探究性实验、创新应用性实验和虚拟仿真实验四种类型。

1.验证性实验

验证性实验是通过实践验证或证明特定的现象或理论，巩固应用所学的理论知识，培养学生的实践动手能力和辩证思维能力，如“物联网实践与探索”验证物联系统中的控制与反馈等。

2.探究性实验

强调学生主动探索和发现知识的过程，可以自主设计实验和进行实践操作，发现问题、提出假设并进行实验验证，以达到对问题的深入理解。在“基本目录”中，几乎每个模块都有大量的探究性实验。根据初中生的特点和能力设计互联网协议的原理探究活动，侧重对互联网背后本质的探索，并在实际操作中培养解决问题的能力和批判性思维。

3.创新应用性实验

通常在单元学习或阶段性学习后，对所学知识进行实际场景的应用，与新课标中的跨学科主题学习比较契合，旨在培养学生的创新思维，提升学生创造性解决实际问题的能力。例如，在“互联网基本原理与功能”整个单元学习基础上进行单元探究性实验设计，如“家庭网络工程师”，先是硬件搭建，然后进行网络配置，最后进行网络故障排除。

4.虚拟仿真实验

采用模拟环境和计算机技术结合的方式进行真实场景模拟实验的过程，在模拟仿真环境中突破了成本和安全等风险因素，尤其针对互联网基本原理与功能中的互联网协议和安全等，提供面向全体的高效实践过程。

实验教学是一种将学生置于真实或模拟的学习环境中，通过实践活动促进知识理解、技能发展、科学探究和创新意识培养的教学活动。实验具有突出的实践性和探究性特点，学生通过“做中学”能够将抽象的科学原理转化为直观的实践活动，提升实践操作能力与创新思维。这与信息科技课程目标不谋而合，因此，在信息科技课程教学中，学科实践和实验教学应纳入教学实践进行重点研究。

实验设计与实施——以“互联网基本原理与功能”模块为例

本文的实验项目选自七年级上册“互联网基本原理与功能”，在互联网应用与创新模块中，“互联网基本原理与功能”直接指向学生计算思维的发展，包括通过各种方法、途径理解互联网如何传输复杂的远程数据和通信等问题，逐步化简为分解、编码、传输和重新组合等一系列规则，能运用计算思维解决现实世界中的复杂问题。单元内容结构如下图所示。

新课标在教学提示中，提倡利用现实世界中可理解、可类比的事物帮助学生理解，充分利用实验室网络器材、软件模拟器及网络分析器等营造尽量接近真实场景的各种网络环境，为学生学习和探究创造条件。本单元通过虚拟仿真实验教学探究互联网连接、互联网协议背后的原理，最终搭建完成一个模拟的小型互联系统，并进行常见问题的排查和解决，属于模拟仿真实验。因此，笔者立足大单元设计，以家庭网和校园网为认知起点，展开实验教学设计。通过创设真实的问题情境，结合实验任务单和学习支架，引导学生通过观察、推理、设计、操作、论证、调试、评价等体验性活动，积极参与实验探究，在解决实际实验问题中提升关键能力。

1.实验教学总体目标

通过真实拼图传输和快递游戏实验理解规则（协议）的意义，推理互联网数据传输的分层结构；通过模拟仿真实验探究，理解常见的网络协议TCP/IP协议的数据传递过程，保证数据的准确、完整和高效的原理；通过虚拟仿真实验搭建小型无线互联系统，形成搭建小型互联系统的通用步骤，了解无线路由器基本的网络参数设置，提高动手解决问题和帮助他人的意识以及网络安全意识，让网络更好地服务于人类社会。

2.实验重点和难点

重点：互联网数据传输TCP/IP协议和小型互联系统搭建。

难点：互联网数据传输TCP/IP协议和小型互联系统中网络参数设置。

3.实验内容

包括TCP/IP协议中数据的传输过程、小型网络系统搭建和IP地址配置等。

4.实验方法策略

采用分组合作的方式，借助实验设计手册和教师的指导，进行实践操作，并通过观察和分析实验结果来加深对互联网原理的理解。采用问题驱动、小组合作的学习模式，鼓励学生自主设计实验方案，通过搭建简易网络模型、模拟数据传输过程、分析传输效率与错误率等实践活动，培养学生的动手能力与问题解决能力。

5.实验实施过程

（1）真实游戏情境，引发真实问题

拼图传输游戏：从A经过3个中间传递人到B，重组并展示揭秘。提问：①实现拼图传输游戏，传输前需明确什么？学生观察思考规则的意义。②共同遵守哪些规则，才能协调配合完成传输？学生进一步提取规则，明确发送和接收者，并经过中间的连接设备形成传输路径。③若在南京的发送者将手工拼图传输给上海的接收者，如何实现顺利传输？基于拼图传输和快递传输，学生推理出分层传输体系。④互联网中数据传输过程是怎样的呢？

创设真实情境，学生观察初步形成传输问题链，理解传输规则和协议的重要性，为后续的模拟实验进行铺垫。层层问题链迁移和推理到互联网中数据的传输与拼图传输、快递传输类似的特征是分层。

（2）虚拟仿真实验，深化传输过程和系统搭建

在实验前，分发实验任务单和实验辅助视频，向学生介绍虚拟仿真软件。学生课前3人为一组，每组一张实验任务单，根据虚拟仿真实验操作指南进行实践，并将数据填写在实验学习单上，每项任务都及时反馈。

实验任务一：参照学件提示，查看本机IP地址、同学的IP地址，比较异同完成实验数据表（如表1）。

实验小结：

①IP地址包括      和     两部分。

②同一网络中IP地址具有

特性。

实验任务二：Socket数据传输测试，模拟仿真实验操作，并完成填空。

①打开Socket Tool V4.exe应用程序。

②选择TCP Client，输入左边同学的IP地址10.209.200.30，建立连接。

③取消十六进制格式，输入消息“hello，我是[你的姓名]”，点击发送数据。

实验任务三：打开“best trace”，选择路由跟踪，输入常用网址，尝试查看IP协议访问的路由选择路径（如表2）。

实验任务四：根据Route实验手册进行小型互联系统搭建，完成实验记录。

步骤一：硬件连接。

网线的一端连接Internet，另一端连接无线路由器的      。

（A.WAN口   B.LAN口）

台式机（笔记本电脑）通过网线连接在无线路由器的      。

（A.WAN口   B.LAN口）

步骤二：网络设置。

①进入设置页面。

②IP地址设置。

③设置      和      。

拓展：排除常见网络故障的通用方案（如下页表3）。

（3）实验总结梳理，建构学习逻辑框架

通过学生的操作过程、实验学习单以及实验成果的综合评价，评估学生的学习效果。以小组为单位进行完整的作品展示总结，包括回顾虚拟仿真实验操作演示和学习单展示，小组内部和小组之间开展自评和互评，教师评选出优秀小组。

实验效果分析

本文以《互联网基本原理与功能》的教学为例，立足网络硬件连接，开展数据传输和小型互联系统搭建实验，将这些复杂问题进行逐层分解、编码、传输和重组并综合运用，帮助学生在解决问题中培养计算思维，并将所学进行综合应用，既激发了探究网络问题的兴趣，也体现了学以致用的特点。通过实验教学，学生在实践操作中逐步培养了科学探究精神，学会了用科学的思维和方法解决问题。同时，学生在团队合作中学会了尊重他人、沟通协调，培养了良好的科技伦理素养。此外，实验教学还提高了学生的信息素养，使他们能够更有效地利用信息技术解决问题和创新发展。

实践是检验真理的唯一标准，信息科技课程主要研究以数字形式表达信息以及应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。而实验能够很好地体现信息科技的魅力，培养学生的科学原理探究意识，锻炼学生的思维方法以及问题处理和工程实现能力。

结束语

信息科技实验教学之路才刚刚开始，在“科学探究和创新意识”关键能力的发展中，要求规范和明晰实验教学的流程与模式，设计科学的探究活动以及评价指标。为了更好地发挥实验教学在培养学生核心素养和关键能力中的优势，笔者提出如下建议：①加强信息科技实验教学的顶层设计，明确目标和内容，确保实验教学的科学性和系统性。②提升教师的实验教学能力，加强教师的培训和交流，使教师能够更好地指导学生进行实验操作。③鼓励学生参与跨学科实验设计和创新活动，激发学生的创新精神和实践能力。

当前，虽然实验教学在初中信息科技教育中崭露头角，但仍然存在很多未知的问题。一线教师应深入探索实验教学的新模式和新方法，既要关注其他学科实验教学的成熟案例，也要积极开辟信息科技实验教学新路径，为培养数字时代具有科学精神和科技伦理的未来数字公民积极求索。

参考文献：

[1]Taconis R， Ferguson‐Hessler M G M， Broekkamp H. Teaching science problem solving： An overview of experimental work[J].Journal of Research in Science Teaching： The Official Journal of the National Association for Research in Science Teaching，2001，38（04）：442-468.

[2]魏雄鹰.加强信息科技实验教学 发挥信息科技育人价值[J].教育与装备研究，2024，40（02）：12-15.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[4]柳军才，郑锋华.指向计算思维发展的信息科技实验教学设计——以“足球追踪”实验项目学习为例[J].中国信息技术教育，2024（05）：9-13.