关注信息科技学科实践 | 初中信息科技科学原理教学初探—以《数据的传输过程》一课为例

学科实践是本轮基础教育课程改革所倡导的学习方式转型。对于信息科技学科来说，学科实践是信息科技教师必须坚持和践行的一种理念。信息科技课程在走出“技能训练”的泥潭之后，也要防止掉入“坐而论道”的陷阱。

本期专题特别邀请了多位一线名师针对信息科技学科实践给出了多形态的具体的解决方案和实际案例。

自义务教育信息科技课程改革以来，原理教学逐渐成为课程教学的重点，但原理教学较为枯燥。因此，本文以《数据的传输过程》一课为例介绍了科学原理教学的基本教学方法，帮助学生形成概念理解，提升原理教学的有效性。

案例背景

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将课程名称从信息技术变为信息科技，课程内容从重视技术，走向“科”“技”并重，信息科技课程已逐步褪去工具色彩，与物理、化学、生物等科学类课程一样，原理教学成为课程教学的重点。

信息科技的科学原理是信息科技领域中的基础概念和核心原理，它汲取了相关学科中紧密关联又相互交叉的关键知识，集中体现在数据、算法、网络、信息处理、信息安全和人工智能六个逻辑关联的主题上。

信息科技原理是指在信息科技实践中，为实现应用目的，根据已有的科学原理和技术经验，通过创造性思维和技术实验所获得的关于途径、手段、方式和方法的理论规范。

在义务教育阶段，信息科技课程原理主要包括简单控制系统、互联网、物联网、人工智能等。在实际教学中，教师一般将信息科技原理简化为信息科技背后的技术思想、设计和实现，通过实验探究，让学生深挖操作背后的原理和思维方法。

原理教学的内容比较抽象，对于此类内容，教师在教学中容易犯两种错误：

一是以内容太难超出学生理解力为由，放弃了提供给学生积极探索和体验知识的机会，让学生的学习停留于无意义的浅层记忆；

二是忽视学生的经验基础和理解能力去盲目追求知识的系统性理解，从而导致学生的认知负荷太大，学习体验差，学生失去兴趣。

针对这种情况，笔者设计了《数据的传输过程》一课，在案例中，通过主问题分解策略，提升原理教学的有效性，培养学生的数字素养。

案例教学分析

1.教学内容分析

本节内容选自苏科版《信息科技》七年级第四单元“互联网中的数据传输”中的项目探索2《数据的传输过程》，本节内容以原理性知识为主，内容比较抽象，主要包括网络协议、数据传输过程、计算机在网络中的标识、数据分包发送等内容。

在对教材内容分析的基础上，又补充了网络传输中数据的“封装”与“解封装”的相关内容，补充的内容不涉及具体的封装层次模型，仅让学生知道原始数据被封装，添加了与传输相关的重要信息。

2.学习目标

①知道互联网在传输数据时要遵守一定的规则，即网络协议，知道TCP/IP协议是互联网通信中最基本的协议；

②能类比快递，理解互联网中数据传输过程需要在发送端封装，在接收端解封装；

③知道IP地址及其在互联网数据传输中的作用；

④知道互联网数据的分包发送过程，理解分包发送的好处；

⑤知道TCP协议及其保证互联网数据可靠传输的作用；

⑥能积极主动向同学分享学习到的知识。

案例设计理念

如今的学生是数字时代的原著民，有熟练使用网络工具传输数据（如发送信息、发送文件等）的经验，但是对数据在网络传输的过程中究竟经历了什么，既缺乏认知经验，又缺乏认知能力，更缺少主动探究的动力。结合原理教学的特点，教学中需要设计并利用好问题，驱动学生探究网络中数据的传输过程。

在教学中，笔者通过主问题分解策略，引导学生从不同方面去思考数据在网络传输过程中涉及的知识点。同时，运用类比、图解、动画、游戏模拟等多种手段，降低学生的认知负荷，帮助学生形成概念理解。

结合教材，笔者设计了主问题：数据在网络传输过程中有哪些神奇经历？通过对教材内容的整合，对主问题进行分解，共分解出5个子问题，每个子问题聚焦一个知识点，结合知识点的特点，采用不同的教学策略，具体如下表所示。

教学实施过程

1.问题导入，激起“数据传输”之惑

教学伊始，教师通过谈话的形式，回顾日常生活中经常使用网络工具互相发送信息、传送文件的过程，抛出问题：这些数据在网络中是如何传输的？数据在传输过程中会有哪些神奇经历？学生在问题的驱动下，积极思考，形成困惑，激发解决问题的内驱力。

这样就顺利引出本节课堂内容，引导学生主动探究互联网中的数据传输过程，进一步了解网络、认识网络，从而更好地使用网络。

2.分解问题，梳理“传输数据”之要

围绕刚刚抛出的主问题，通过类比引导的方法，引出系列子问题及猜想，但是不深入探究。

（1）类比引出系列问题一。道路上的车辆和行人都需要遵守交通规则，才能确保交通有序。那么，数据在网络中传输是否需要遵守一定的规则呢？答案是肯定的——TCP/IP协议，是互联网通信中最基本的协议。这里只需要引出协议即可，不必深入。

（2）类比引出系列问题二。一封信为什么能够准确地送达收件人？——至少具备两个条件：①收件人有唯一的地址；②信封上“写上”了收件人的地址信息。那么，网络中的数据为什么能够寻找识别到目标主机呢？网络中数据能够识别到目标主机，不妨猜想以下两点成立：①目标主机应该有一个唯一的识别标志——IP地址；②网络中的数据，可能添加了“目标主机IP”信息。（为数据封装铺垫）

（3）直接引出系列问题三、系列问题四。通过网络传输的文件大小不一，网络的路径也复杂多样，如何让数据在网络中更加高效地传输呢？如何保证数据正确可靠地传输呢？科学家们经过努力也攻克了这些难题，我们将逐步探究其中的奥秘。

3.类比分析，理解“数据封装”之由

如同快递运输，网络中的数据的确添加了重要信息（我们称为数据的头部），才得以传输。在发送端增加头部信息的过程，叫数据的封装，在接收端将封装信息去掉的过程，叫数据的解封装。学生观察下图（图片来源于网络），对比快递运输过程，描述数据传输的过程。

思考后小组讨论，解答以下问题：

①运输中的快递，包装上需要填写哪些内容？

②网络中传输的数据为什么要“封装”？

③你认为网络中传输的数据至少还需要“封装”哪些内容？

4.动画演示，解析“分组发送”之效

通过网络传输的文件大小不一，网络的路径也复杂多样，如何让数据在网络中更加高效地传输呢？

科学家们发明了“分组发送”的数据传输方式，提高了数据传输的效率。

学生带着“数据的分组发送为什么能够提高传输效率”这一问题，在观看视频《数据的分包与发送》，在观看完视频之后，能够结合视频内容，以一张图片的传输为例，描述数据分组发送的过程。

通过小组讨论，小组代表回答数据的分组发送为什么能够提高传输效率。教师在点评时，主要看是否包含以下要点：将大小不一的文件划分为等长的相对较小的数据包，有利于更加充分利用空闲的通信线路。

5.游戏互动，体验“可靠传输”之道

数据包传输过程中如果发生丢失或者出错，就可能造成严重的损失。TCP协议为数据可靠传输提供了保证，它是如何做到的呢？此环节指导学生进行角色扮演，重现数据可靠传输过程。课前，教师提前找两位学生，分别扮演信息的发送方A和接收方B，模拟数据包在互联网通信过程中的发送过程和接收过程，具体过程如下表所示。

根据游戏模拟的过程，学生整理数据包丢失情况下，发送方和接收方的通信过程。结合角色扮演过程，学生能够举一反三，列举生活中“可靠传输”的案例，如接打电话的过程等。

6.分组交流，分享“数据传输”之妙

以“数据的网络之旅”为主线，结合教师提供的课程资源，从不同场所描述数据的神奇经历，然后在全班分享。

角度1：数据在发送端经历了什么？

角度2：数据在网络中经历了什么？

角度3：数据在接收端经历了什么？

根据课堂学习内容，学生手绘图文小报，描述数据的经历，实现对知识的整理与加工，并进行分享交流。

案例教学反思

本节课主要是原理性知识教学，包括TCP/IP协议、数据的封装与解封装以及数据的分包发送等，内容难度较高且不利于学生理解。针对这样的学习内容，如果直接讲解，学生肯定会丧失兴趣，所以，笔者根据教学实践提出以下几种应对策略。

1.注重问题设计

问题是思维的开始，层层递进的问题串能促进学生深入思考和探索问题，提升学生的思维品质，学生解决一个优质问题的收获要远远超过解决大量低价值问题。

本节课的主问题是“数据在网络传输过程中有哪些神奇经历”，围绕这个主问题，笔者设计了一系列子问题，并将其融入一定的教学活动中，学生在解决问题的过程中，形成能力，提升素养。本节课的教学流程如下图所示。

2.降低认知负荷

针对原理知识抽象、难懂的特点，综合运用分解、类比、图示、动画演示、游戏模拟等多种手段，强化学习体验，降低认知负荷，促进知识形成。

在本设计中，主要有六个环节，不同环节中运用了不同的教学手段。例如，在协议的引导部分，学生肯定会思考协议是什么、为什么要有协议。

教师可以从红绿灯这种日常生活中常见的规则入手，进行类比，和生活中的交通规则一样，网络传输中也有要遵循的规则，只不过在网络传输中称之为协议。

同样地，对于数据的封装与解封装，以快递物流的运输作类比，帮助学生建构知识，理解其奥秘。

再如数据的分包与发送过程，江苏省义务教育信息科技教材在配套的数字资源中，提供了一个非常直观、形象的动画。通过带领学生观看动画，让其直观地感受数据的分包与发送过程，在有了这样的直观了解后，提出关键问题“数据的分包发送为什么能够提高传输效率”，激发学生积极思考，直指问题的核心。

3.促进整体性认知

科学原理往往不是孤立的，而是相互关联、相互作用的。在教学中，关注学生的整体认知，可以帮助学生将不同的原理知识联系起来，形成一个系统的知识网络。 有了整体认知，就能够帮助学生加深对原理的理解，进而能更好地记忆和应用这些原理。

在对本节课的主问题“数据在传输过程中有哪些神奇经历”的分解、分析的基础上提出系列子问题，引出相关知识点，帮助学生初步形成零散的知识点与大问题之间关系的整体认知。

本文作者：

王芳 陈仕洪

江苏省淮阴中学教育集团清浦开明中学

文章刊登于《中国信息技术教育》2024年第09期

引用请注明参考文献：

王芳，陈仕洪.初中信息科技科学原理教学初探—以《数据的传输过程》一课为例[J].中国信息技术教育，2024（09）：5-8.

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