《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）明確提出：遴選科學原理與實踐應用并重的課程內容，從信息科技實踐應用出發(fā)，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)，提升學生知識遷移能力和思維水平，體現“科”與“技”并重^[1]。因此實驗教學必然成為培養(yǎng)學生信息科技核心素養(yǎng)的重要方法。虛擬仿真實驗的獨特優(yōu)勢，可以讓學生在高度仿真的虛擬環(huán)境中深入實踐，從而更直觀地理解和應用信息科技知識。這種方式不僅能夠突破傳統(tǒng)實驗教學的時空限制、提供更為豐富和靈活的實驗資源，還能夠有效降低實驗成本和風險，保障學生的安全。本文以“計算機如何接入小型網絡”為例，探討如何在信息科技教學中設計與開展虛擬仿真實驗。

一、信息科技教學中運用虛擬仿真實驗的價值分析

（一）提升課堂教學效率和效果

虛擬仿真技術可以模擬真實世界的各種場景和過程，使學生能夠在安全、可控的環(huán)境中實踐操作。這種教學方式不僅能激發(fā)學生的學習興趣，還能讓他們在實驗探索中加深對信息科技知識的理解和應用。同時，通過反復模擬和練習，學生可以更好地掌握相關技能，提高學習效率。

（二）節(jié)約信息科技實驗教學成本

傳統(tǒng)的實驗教學往往需要大量的實驗設備和材料，成本較高。而虛擬仿真技術可以在計算機上模擬實驗過程，避免了真實實驗所需的設備和材料，從而大大降低了教學成本。

（三）激發(fā)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力

虛擬仿真技術可以模擬真實的工程環(huán)境，為學生提供自主學習和實踐的機會，讓學生親歷收集數據、分析結果和提出解決方案等一系列過程，培養(yǎng)他們解決問題的能力和創(chuàng)造力。

（四）實現信息科技課程育人價值

在虛擬仿真實驗教學中，教師不僅要讓學生親手操作、感受科技的魅力，更要幫助他們學會數字時代的知識積累與創(chuàng)新方法，引導他們在使用信息科技解決問題的過程中遵守道德規(guī)范和科技倫理，培養(yǎng)他們正確的世界觀、人生觀、價值觀，讓他們在現實世界與數字世界中健康成長^[2]。

二、信息科技教學中虛擬仿真實驗的設計思路

（一）確定教學目標，引入實驗平臺

課標指出，信息科技教學旨在培養(yǎng)學生的數字素養(yǎng)與技能。確定教學目標時，教師要充分考慮課標對不同學段學生在信息意識、計算思維、數字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任等方面的要求，進而根據目標選擇合適的實驗教學平臺。合適的平臺應具備豐富的教學資源、直觀的操作界面和多樣化的交互方式，能將抽象的理論知識轉化為直觀可操作的實踐場景，以適應不同年齡段學生的學習特點，助力教學目標的達成。

（二）創(chuàng)建真實項目，激發(fā)學生興趣

課標倡導真實性學習，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力。在創(chuàng)建項目時，教師要充分考慮學生的興趣和需求，以解決實際問題為導向，讓項目具有挑戰(zhàn)性和吸引力。真實項目的實踐能夠培養(yǎng)學生綜合運用信息科技知識的能力，提升他們的團隊合作和溝通能力，增強他們解決復雜問題的信心和成就感，進而激發(fā)他們深入學習信息科技的熱情。

（三）構建實驗流程，發(fā)展學科素養(yǎng)

信息科技學科的實驗需將落實核心素養(yǎng)融入設計與實施過程中。實驗流程的設計應遵循課標倡導的學習方法和思維方式，引導學生逐步深入探究。教師應從明確實驗目的和問題出發(fā)，讓學生清楚知道實驗的方向和重點。通過規(guī)劃實驗步驟和方法，學生的邏輯思維和規(guī)劃能力得以發(fā)展；在實驗操作過程中，學生的嚴謹態(tài)度和實事求是精神得到培養(yǎng)。通過科學規(guī)范的實驗流程，教師可幫助學生逐步形成系統(tǒng)的信息科技思維，提高他們解決問題的能力，發(fā)展學科素養(yǎng)，為未來的學習和生活做好充分準備^[3]。

三、虛擬仿真實驗案例分析

“計算機如何接入小型網絡”這一實驗項目的主要目標是讓學生清晰地認識小型局域網的連接方式，為“小型網絡的搭建與配置”項目打基礎。本案例從實驗平臺選擇、實驗項目創(chuàng)建、實驗流程構建三個方面進行虛擬仿真實驗教學的設計。

（一）實驗教學目標

（1）了解IP地址、交換機和路由器的作用。學生能在實驗中嘗試解析原理，發(fā)展自主動手解決問題、掌握核心技術的意識。

（2）體驗網絡規(guī)劃搭建的一般過程。學生能依托在線學習平臺、小組交流，合作完成計算機網絡的數字化仿真搭建。

（3）嘗試構建機房網絡布局示意圖。學生能結合經驗發(fā)現問題，能反思和優(yōu)化解決方案，并用來解決其他問題，如規(guī)劃家庭網絡布局。

（4）學生能認識到互聯(lián)網應用與創(chuàng)新為生活帶來的便利，健康地使用網絡。

（二）實驗環(huán)境與資源

本實驗在信息科技網絡實驗室進行，學生在教師的引導下利用ITtools數字化教學平臺實現自主學習。根據實驗需要，教師在每臺電腦上安裝了仿真實驗環(huán)境，為每組準備了實驗手冊等資源，引導學生分組進行合作探究。

（三）實驗教學流程

本實驗項目強調學生主動探究和理解知識的過程。圍繞真實問題“數據是如何在計算機網絡中傳輸的”，筆者共設計了四個教學模塊，其中包括三個實驗活動，每個活動根據問題解決的進展逐步推進，從而培養(yǎng)學生發(fā)現問題、解決問題的能力，落實信息科技核心素養(yǎng)的培養(yǎng)（如圖1）。

（四）實驗教學過程

1.情境創(chuàng)設，提出問題

筆者一直使用ITtools數字化教學平臺開展教學活動。學生在平臺中獲取學習資料、提交學習作業(yè)、查看學習評價，比較熟悉該平臺和這種學習方式。學生對機房中的網絡結構、計算機如何與教學平臺服務器進行數據傳輸并不清楚。因此，課堂伊始，教師便提出問題：當我們訪問數字化教學平臺時，數據是如何在計算機網絡中傳輸的？

【設計意圖】教師通過創(chuàng)設情境并提出具體問題，引導學生關注機房網絡結構以及數據傳輸的過程，從而激發(fā)他們的學習興趣和探究欲望，為實驗的開展做好鋪墊。

2.問題分析，分類解決

教師引導學生對問題進行分析整理后，將其分解為兩個方面：多臺計算機是如何連接在一起的？數據如何傳輸？學生通過兩個實驗分別對這兩個問題進行探究。

實驗一：計算機的網絡連接

（1） 教師展示實驗機布局示意圖并提出問題：多臺計算機是如何連接在一起的？

（2）學生在小組內討論6臺實驗機的連接方式，繪圖并上傳至學習平臺的問答欄，選出推薦的班級網絡連接方式。

（3） 教師結合學生的實驗結果進行原理解析。學生據此協(xié)作優(yōu)化連接方式。

【設計意圖】本實驗的目的是讓學生理解網絡硬件如何實現多臺計算機之間的有效連接。依托在線學習平臺，學生合作探究多臺計算機連接的方案，體驗交換機的作用，掌握利用交換機建立星形網絡拓撲結構的基礎知識，進而優(yōu)化網絡設計。

實驗二：數據在網絡中的傳輸（認識IP地址）

（1）學生觀看學習平臺中的微視頻，了解計算機之間數據傳輸的原理。

（2）學生匯報學習成果，掌握計算機之間訪問的本質。

（3）教師給出目標服務器的IP地址，并演示查詢源IP地址的操作步驟。

（4）學生小組合作探究，完成源IP地址的查詢，并在實驗單上記錄查詢結果。

（5）教師引導學生討論IP地址與訪問成敗之間的規(guī)律，并結合學生的分析情況進行原理解析。

【設計意圖】本實驗旨在讓學生經歷“實驗驗證—剖析本質—探究規(guī)律”的過程。學生在循序漸進的活動中認識并理解計算機之間數據傳輸的原理，明白計算機之間通信的基礎。整個實驗設計注重學生的主動參與和體驗，力求通過互動式和參與式的學習方式，讓學生能夠在實踐中學習和思考，增強他們對計算機網絡基礎知識的理解和運用能力。

3.網絡搭建，項目實踐

實驗三：網絡搭建的實踐與探索

本次實驗的主要目標是使學生能夠在網絡仿真工具平臺（如圖2）搭建的仿真實驗環(huán)境中自主規(guī)劃和搭建網絡，進一步鞏固前兩次實驗的知識，提高網絡配置與故障排查的能力。學生通過實踐深入了解網絡連通的重要性，并掌握網絡搭建與測試的基本方法。

（1）網絡規(guī)劃。在教師的引導下，學生根據機房的實際情況，在仿真實驗環(huán)境中規(guī)劃網絡拓撲結構。這一過程中，學生需要考慮設備布局、鏈路連接等因素，以確保網絡的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）常用操作演示。教師通過演示的方式，向學生展示仿真實驗環(huán)境的常用操作，包括添加/刪除網線、添加/刪除設備、啟動/關閉設備、查看/修改配置等。教師將軟件的操作視頻上傳至教學平臺，供學生在實驗中觀看和學習。

（3）網絡搭建與配置。學生在網絡仿真工具平臺中搭建網絡，根據規(guī)劃好的網絡拓撲結構，添加相應的設備和鏈路。然后，學生配置服務器及實驗機的IP地址，確保網絡中的設備相互通信。搭建完成后，學生需要將成果截圖上傳到教學平臺，以便教師查看和評價。

（4）網絡訪問測試。教師首先演示如何使用ping命令進行服務器訪問測試，并詳細解釋ping命令的原理和用途。然后，學生分小組合作，對實驗機進行ping命令訪問測試，記錄實驗結果并填寫在實驗手冊上。通過測試，學生可以驗證網絡的連通性，并學習如何根據測試結果排除故障。

（5）教師評價與反饋。教師根據學生的實踐成果和實驗結果進行評價。對學生在網絡搭建和配置的正確性、網絡訪問測試的結果以及實驗手冊的填寫情況等方面進行綜合評估。同時，教師還需關注學生的實驗態(tài)度和團隊協(xié)作情況，給予相應的反饋和建議。

【設計意圖】在仿真實驗環(huán)境中，學生進行網絡規(guī)劃、設備配置、訪問測試等全流程操作。在實驗過程中，學生不僅要掌握網絡搭建的基本步驟，還應學會如何運用網絡測試工具排查故障。通過這樣的實踐訓練，學生能夠加深對網絡原理的理解，提升解決實際問題的能力。在仿真實驗環(huán)境中，學生還可以反復實驗，不斷試錯。這既保證了學生探索的空間，又能避免真實場景中服務器的配置被亂改等情況，保障教學活動的正常開展。

4.總結交流，遷移應用

（1）學生小組內討論，回顧整個項目流程中的知識點，包括網絡連接的原理、IP地址的作用以及網絡搭建的實踐過程，整理成總結報告。

（2）每組選派一名代表，在全班范圍內分享本組的總結報告，包括項目過程中發(fā)現的問題、解決問題的方法、學到的知識等。

（3）教師提出一個真實場景中的網絡應用問題，例如：如何實現不同教學樓之間的網絡互聯(lián)，以便學生能夠隨時隨地訪問學習資源？

（4）學生小組內討論，分享解決方案，教師給予指導和點評，引導學生思考更多應用場景和解決方案。

【設計意圖】本環(huán)節(jié)旨在讓學生將所學知識應用到實際場景中，培養(yǎng)他們解決實際問題的能力。通過提出真實場景中的網絡應用問題，教師引導學生運用所學知識進行方案設計和問題解決，幫助他們將理論與實踐相結合，提高綜合運用能力。

四、總結與反思

（一）虛擬仿真實驗賦能課堂教學

虛擬仿真實驗既解決了實驗設備不足的問題，更為學生提供了一個高度逼真的網絡實驗環(huán)境。在實驗中，教師引導學生進行網絡的規(guī)劃搭建、測試優(yōu)化，學生設計的網絡結構及聯(lián)通測試能在平臺中直觀呈現，有利于他們加深對相關知識的理解。虛擬仿真實驗的靈活性和可重復性特點，也使得學生能夠根據自己的學習節(jié)奏反復實驗，進一步加深理解并鞏固知識。

（二）設計實驗手冊規(guī)范實驗流程

實驗手冊在實驗教學中扮演著舉足輕重的角色，能引導學生按照科學方法進行實驗操作，提高實驗效率。本實驗中，教師通過實驗手冊中的步驟說明、記錄表格、分析示例等資料，幫助學生深入理解實驗內容，并逐步養(yǎng)成良好的觀察記錄，認真思考的習慣。同時，實驗手冊的規(guī)范化設計使得教師能夠更有效地組織和管理教學過程，提高實驗教學效果。

（三）深度學習促進學科思維提升

教師通過圍繞驅動性問題設計三個實驗活動來推進教學。學生在教師的引導下深度思考，逐步理清問題的解決步驟。在實驗中學生深度實踐，體驗知識的形成過程，從而加深對知識背后原理和方法的理解，逐步構建自己的知識體系，并將所學知識應用到實際生活中去。在這樣的學習過程中，學生的學科思維得以提升。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 周忠林.聚焦“科技并重”信息科技研學課堂的樣態(tài)建構[J].中國信息技術教育，2023（21）：24-27.

[3] 柳軍才，鄭鋒華.指向計算思維發(fā)展的信息科技實驗教學設計：以“足球追蹤”實驗項目學習為例[J].中國信息技術教育，2024（5）：9-13.

（作者系浙江省衢州市柯城區(qū)教學研究室教研員）

責任編輯：李媛