關注信息科技學科實踐 | 初中信息科技科學原理教學初探—以《數據的傳輸過程》一課為例
學科實踐是本輪基礎教育課程改革所倡導的學習方式轉型。對于信息科技學科來說，學科實踐是信息科技教師必須堅持和踐行的一種理念。信息科技課程在走出“技能訓練”的泥潭之后，也要防止掉入“坐而論道”的陷阱。
本期專題特別邀請了多位一線名師針對信息科技學科實踐給出了多形態的具體的解決方案和實際案例。
自義務教育信息科技課程改革以來，原理教學逐漸成為課程教學的重點，但原理教學較為枯燥。因此，本文以《數據的傳輸過程》一課為例介紹了科學原理教學的基本教學方法，幫助學生形成概念理解，提升原理教學的有效性。
案例背景
《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將課程名稱從信息技術變為信息科技，課程內容從重視技術，走向“科”“技”并重，信息科技課程已逐步褪去工具色彩，與物理、化學、生物等科學類課程一樣，原理教學成為課程教學的重點。
信息科技的科學原理是信息科技領域中的基礎概念和核心原理，它汲取了相關學科中緊密關聯又相互交叉的關鍵知識，集中體現在數據、算法、網絡、信息處理、信息安全和人工智能六個邏輯關聯的主題上。
信息科技原理是指在信息科技實踐中，為實現應用目的，根據已有的科學原理和技術經驗，通過創造性思維和技術實驗所獲得的關于途徑、手段、方式和方法的理論規范。
在義務教育階段，信息科技課程原理主要包括簡單控制系統、互聯網、物聯網、人工智能等。在實際教學中，教師一般將信息科技原理簡化為信息科技背后的技術思想、設計和實現，通過實驗探究，讓學生深挖操作背后的原理和思維方法。
原理教學的內容比較抽象，對于此類內容，教師在教學中容易犯兩種錯誤：
一是以內容太難超出學生理解力為由，放棄了提供給學生積極探索和體驗知識的機會，讓學生的學習停留于無意義的淺層記憶；
二是忽視學生的經驗基礎和理解能力去盲目追求知識的系統性理解，從而導致學生的認知負荷太大，學習體驗差，學生失去興趣。
針對這種情況，筆者設計了《數據的傳輸過程》一課，在案例中，通過主問題分解策略，提升原理教學的有效性，培養學生的數字素養。
案例教學分析
1.教學內容分析
本節內容選自蘇科版《信息科技》七年級第四單元“互聯網中的數據傳輸”中的項目探索2《數據的傳輸過程》，本節內容以原理性知識為主，內容比較抽象，主要包括網絡協議、數據傳輸過程、計算機在網絡中的標識、數據分包發送等內容。
在對教材內容分析的基礎上，又補充了網絡傳輸中數據的“封裝”與“解封裝”的相關內容，補充的內容不涉及具體的封裝層次模型，僅讓學生知道原始數據被封裝，添加了與傳輸相關的重要信息。
2.學習目標
①知道互聯網在傳輸數據時要遵守一定的規則，即網絡協議，知道TCP/IP協議是互聯網通信中最基本的協議；
②能類比快遞，理解互聯網中數據傳輸過程需要在發送端封裝，在接收端解封裝；
③知道IP地址及其在互聯網數據傳輸中的作用；
④知道互聯網數據的分包發送過程，理解分包發送的好處；
⑤知道TCP協議及其保證互聯網數據可靠傳輸的作用；
⑥能積極主動向同學分享學習到的知識。
案例設計理念
如今的學生是數字時代的原著民，有熟練使用網絡工具傳輸數據（如發送信息、發送文件等）的經驗，但是對數據在網絡傳輸的過程中究竟經歷了什么，既缺乏認知經驗，又缺乏認知能力，更缺少主動探究的動力。結合原理教學的特點，教學中需要設計并利用好問題，驅動學生探究網絡中數據的傳輸過程。
在教學中，筆者通過主問題分解策略，引導學生從不同方面去思考數據在網絡傳輸過程中涉及的知識點。同時，運用類比、圖解、動畫、游戲模擬等多種手段，降低學生的認知負荷，幫助學生形成概念理解。
結合教材，筆者設計了主問題：數據在網絡傳輸過程中有哪些神奇經歷？通過對教材內容的整合，對主問題進行分解，共分解出5個子問題，每個子問題聚焦一個知識點，結合知識點的特點，采用不同的教學策略，具體如下表所示。
教學實施過程
1.問題導入，激起“數據傳輸”之惑
教學伊始，教師通過談話的形式，回顧日常生活中經常使用網絡工具互相發送信息、傳送文件的過程，拋出問題：這些數據在網絡中是如何傳輸的？數據在傳輸過程中會有哪些神奇經歷？學生在問題的驅動下，積極思考，形成困惑，激發解決問題的內驅力。
這樣就順利引出本節課堂內容，引導學生主動探究互聯網中的數據傳輸過程，進一步了解網絡、認識網絡，從而更好地使用網絡。
2.分解問題，梳理“傳輸數據”之要
圍繞剛剛拋出的主問題，通過類比引導的方法，引出系列子問題及猜想，但是不深入探究。
（1）類比引出系列問題一。道路上的車輛和行人都需要遵守交通規則，才能確保交通有序。那么，數據在網絡中傳輸是否需要遵守一定的規則呢？答案是肯定的——TCP/IP協議，是互聯網通信中最基本的協議。這里只需要引出協議即可，不必深入。
（2）類比引出系列問題二。一封信為什么能夠準確地送達收件人？——至少具備兩個條件：①收件人有唯一的地址；②信封上“寫上”了收件人的地址信息。那么，網絡中的數據為什么能夠尋找識別到目標主機呢？網絡中數據能夠識別到目標主機，不妨猜想以下兩點成立：①目標主機應該有一個唯一的識別標志——IP地址；②網絡中的數據，可能添加了“目標主機IP”信息。（為數據封裝鋪墊）
（3）直接引出系列問題三、系列問題四。通過網絡傳輸的文件大小不一，網絡的路徑也復雜多樣，如何讓數據在網絡中更加高效地傳輸呢？如何保證數據正確可靠地傳輸呢？科學家們經過努力也攻克了這些難題，我們將逐步探究其中的奧秘。
3.類比分析，理解“數據封裝”之由
如同快遞運輸，網絡中的數據的確添加了重要信息（我們稱為數據的頭部），才得以傳輸。在發送端增加頭部信息的過程，叫數據的封裝，在接收端將封裝信息去掉的過程，叫數據的解封裝。學生觀察下圖（圖片來源于網絡），對比快遞運輸過程，描述數據傳輸的過程。
思考后小組討論，解答以下問題：
①運輸中的快遞，包裝上需要填寫哪些內容？
②網絡中傳輸的數據為什么要“封裝”？
③你認為網絡中傳輸的數據至少還需要“封裝”哪些內容？
4.動畫演示，解析“分組發送”之效
通過網絡傳輸的文件大小不一，網絡的路徑也復雜多樣，如何讓數據在網絡中更加高效地傳輸呢？
科學家們發明了“分組發送”的數據傳輸方式，提高了數據傳輸的效率。
學生帶著“數據的分組發送為什么能夠提高傳輸效率”這一問題，在觀看視頻《數據的分包與發送》，在觀看完視頻之后，能夠結合視頻內容，以一張圖片的傳輸為例，描述數據分組發送的過程。
通過小組討論，小組代表回答數據的分組發送為什么能夠提高傳輸效率。教師在點評時，主要看是否包含以下要點：將大小不一的文件劃分為等長的相對較小的數據包，有利于更加充分利用空閑的通信線路。
5.游戲互動，體驗“可靠傳輸”之道
數據包傳輸過程中如果發生丟失或者出錯，就可能造成嚴重的損失。TCP協議為數據可靠傳輸提供了保證，它是如何做到的呢？此環節指導學生進行角色扮演，重現數據可靠傳輸過程。課前，教師提前找兩位學生，分別扮演信息的發送方A和接收方B，模擬數據包在互聯網通信過程中的發送過程和接收過程，具體過程如下表所示。
根據游戲模擬的過程，學生整理數據包丟失情況下，發送方和接收方的通信過程。結合角色扮演過程，學生能夠舉一反三，列舉生活中“可靠傳輸”的案例，如接打電話的過程等。
6.分組交流，分享“數據傳輸”之妙
以“數據的網絡之旅”為主線，結合教師提供的課程資源，從不同場所描述數據的神奇經歷，然后在全班分享。
角度1：數據在發送端經歷了什么？
角度2：數據在網絡中經歷了什么？
角度3：數據在接收端經歷了什么？
根據課堂學習內容，學生手繪圖文小報，描述數據的經歷，實現對知識的整理與加工，并進行分享交流。
案例教學反思
本節課主要是原理性知識教學，包括TCP/IP協議、數據的封裝與解封裝以及數據的分包發送等，內容難度較高且不利于學生理解。針對這樣的學習內容，如果直接講解，學生肯定會喪失興趣，所以，筆者根據教學實踐提出以下幾種應對策略。
1.注重問題設計
問題是思維的開始，層層遞進的問題串能促進學生深入思考和探索問題，提升學生的思維品質，學生解決一個優質問題的收獲要遠遠超過解決大量低價值問題。
本節課的主問題是“數據在網絡傳輸過程中有哪些神奇經歷”，圍繞這個主問題，筆者設計了一系列子問題，并將其融入一定的教學活動中，學生在解決問題的過程中，形成能力，提升素養。本節課的教學流程如下圖所示。
2.降低認知負荷
針對原理知識抽象、難懂的特點，綜合運用分解、類比、圖示、動畫演示、游戲模擬等多種手段，強化學習體驗，降低認知負荷，促進知識形成。
在本設計中，主要有六個環節，不同環節中運用了不同的教學手段。例如，在協議的引導部分，學生肯定會思考協議是什么、為什么要有協議。
教師可以從紅綠燈這種日常生活中常見的規則入手，進行類比，和生活中的交通規則一樣，網絡傳輸中也有要遵循的規則，只不過在網絡傳輸中稱之為協議。
同樣地，對于數據的封裝與解封裝，以快遞物流的運輸作類比，幫助學生建構知識，理解其奧秘。
再如數據的分包與發送過程，江蘇省義務教育信息科技教材在配套的數字資源中，提供了一個非常直觀、形象的動畫。通過帶領學生觀看動畫，讓其直觀地感受數據的分包與發送過程，在有了這樣的直觀了解后，提出關鍵問題“數據的分包發送為什么能夠提高傳輸效率”，激發學生積極思考，直指問題的核心。
3.促進整體性認知
科學原理往往不是孤立的，而是相互關聯、相互作用的。在教學中，關注學生的整體認知，可以幫助學生將不同的原理知識聯系起來，形成一個系統的知識網絡。有了整體認知，就能夠幫助學生加深對原理的理解，進而能更好地記憶和應用這些原理。
在對本節課的主問題“數據在傳輸過程中有哪些神奇經歷”的分解、分析的基礎上提出系列子問題，引出相關知識點，幫助學生初步形成零散的知識點與大問題之間關系的整體認知。