虚拟仿真实验在信息科技教学中的设计与实践

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）明确提出：遴选科学原理与实践应用并重的课程内容，从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生知识迁移能力和思维水平，体现“科”与“技”并重^[1]。因此实验教学必然成为培养学生信息科技核心素养的重要方法。虚拟仿真实验的独特优势，可以让学生在高度仿真的虚拟环境中深入实践，从而更直观地理解和应用信息科技知识。这种方式不仅能够突破传统实验教学的时空限制、提供更为丰富和灵活的实验资源，还能够有效降低实验成本和风险，保障学生的安全。本文以“计算机如何接入小型网络”为例，探讨如何在信息科技教学中设计与开展虚拟仿真实验。

一、信息科技教学中运用虚拟仿真实验的价值分析

（一）提升课堂教学效率和效果

虚拟仿真技术可以模拟真实世界的各种场景和过程，使学生能够在安全、可控的环境中实践操作。这种教学方式不仅能激发学生的学习兴趣，还能让他们在实验探索中加深对信息科技知识的理解和应用。同时，通过反复模拟和练习，学生可以更好地掌握相关技能，提高学习效率。

（二）节约信息科技实验教学成本

传统的实验教学往往需要大量的实验设备和材料，成本较高。而虚拟仿真技术可以在计算机上模拟实验过程，避免了真实实验所需的设备和材料，从而大大降低了教学成本。

（三）激发学生创新思维和创造力

虚拟仿真技术可以模拟真实的工程环境，为学生提供自主学习和实践的机会，让学生亲历收集数据、分析结果和提出解决方案等一系列过程，培养他们解决问题的能力和创造力。

（四）实现信息科技课程育人价值

在虚拟仿真实验教学中，教师不仅要让学生亲手操作、感受科技的魅力，更要帮助他们学会数字时代的知识积累与创新方法，引导他们在使用信息科技解决问题的过程中遵守道德规范和科技伦理，培养他们正确的世界观、人生观、价值观，让他们在现实世界与数字世界中健康成长^[2]。

二、信息科技教学中虚拟仿真实验的设计思路

（一）确定教学目标，引入实验平台

课标指出，信息科技教学旨在培养学生的数字素养与技能。确定教学目标时，教师要充分考虑课标对不同学段学生在信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等方面的要求，进而根据目标选择合适的实验教学平台。合适的平台应具备丰富的教学资源、直观的操作界面和多样化的交互方式，能将抽象的理论知识转化为直观可操作的实践场景，以适应不同年龄段学生的学习特点，助力教学目标的达成。

（二）创建真实项目，激发学生兴趣

课标倡导真实性学习，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构知识，提升问题解决能力。在创建项目时，教师要充分考虑学生的兴趣和需求，以解决实际问题为导向，让项目具有挑战性和吸引力。真实项目的实践能够培养学生综合运用信息科技知识的能力，提升他们的团队合作和沟通能力，增强他们解决复杂问题的信心和成就感，进而激发他们深入学习信息科技的热情。

（三）构建实验流程，发展学科素养

信息科技学科的实验需将落实核心素养融入设计与实施过程中。实验流程的设计应遵循课标倡导的学习方法和思维方式，引导学生逐步深入探究。教师应从明确实验目的和问题出发，让学生清楚知道实验的方向和重点。通过规划实验步骤和方法，学生的逻辑思维和规划能力得以发展；在实验操作过程中，学生的严谨态度和实事求是精神得到培养。通过科学规范的实验流程，教师可帮助学生逐步形成系统的信息科技思维，提高他们解决问题的能力，发展学科素养，为未来的学习和生活做好充分准备^[3]。

三、虚拟仿真实验案例分析

“计算机如何接入小型网络”这一实验项目的主要目标是让学生清晰地认识小型局域网的连接方式，为“小型网络的搭建与配置”项目打基础。本案例从实验平台选择、实验项目创建、实验流程构建三个方面进行虚拟仿真实验教学的设计。

（一）实验教学目标

（1）了解IP地址、交换机和路由器的作用。学生能在实验中尝试解析原理，发展自主动手解决问题、掌握核心技术的意识。

（2）体验网络规划搭建的一般过程。学生能依托在线学习平台、小组交流，合作完成计算机网络的数字化仿真搭建。

（3）尝试构建机房网络布局示意图。学生能结合经验发现问题，能反思和优化解决方案，并用来解决其他问题，如规划家庭网络布局。

（4）学生能认识到互联网应用与创新为生活带来的便利，健康地使用网络。

（二）实验环境与资源

本实验在信息科技网络实验室进行，学生在教师的引导下利用ITtools数字化教学平台实现自主学习。根据实验需要，教师在每台电脑上安装了仿真实验环境，为每组准备了实验手册等资源，引导学生分组进行合作探究。

（三）实验教学流程

本实验项目强调学生主动探究和理解知识的过程。围绕真实问题“数据是如何在计算机网络中传输的”，笔者共设计了四个教学模块，其中包括三个实验活动，每个活动根据问题解决的进展逐步推进，从而培养学生发现问题、解决问题的能力，落实信息科技核心素养的培养（如图1）。

（四）实验教学过程

1.情境创设，提出问题

笔者一直使用ITtools数字化教学平台开展教学活动。学生在平台中获取学习资料、提交学习作业、查看学习评价，比较熟悉该平台和这种学习方式。学生对机房中的网络结构、计算机如何与教学平台服务器进行数据传输并不清楚。因此，课堂伊始，教师便提出问题：当我们访问数字化教学平台时，数据是如何在计算机网络中传输的？

【设计意图】教师通过创设情境并提出具体问题，引导学生关注机房网络结构以及数据传输的过程，从而激发他们的学习兴趣和探究欲望，为实验的开展做好铺垫。

2.问题分析，分类解决

教师引导学生对问题进行分析整理后，将其分解为两个方面：多台计算机是如何连接在一起的？数据如何传输？学生通过两个实验分别对这两个问题进行探究。

实验一：计算机的网络连接

（1） 教师展示实验机布局示意图并提出问题：多台计算机是如何连接在一起的？

（2）学生在小组内讨论6台实验机的连接方式，绘图并上传至学习平台的问答栏，选出推荐的班级网络连接方式。

（3） 教师结合学生的实验结果进行原理解析。学生据此协作优化连接方式。

【设计意图】本实验的目的是让学生理解网络硬件如何实现多台计算机之间的有效连接。依托在线学习平台，学生合作探究多台计算机连接的方案，体验交换机的作用，掌握利用交换机建立星形网络拓扑结构的基础知识，进而优化网络设计。

实验二：数据在网络中的传输（认识IP地址）

（1）学生观看学习平台中的微视频，了解计算机之间数据传输的原理。

（2）学生汇报学习成果，掌握计算机之间访问的本质。

（3）教师给出目标服务器的IP地址，并演示查询源IP地址的操作步骤。

（4）学生小组合作探究，完成源IP地址的查询，并在实验单上记录查询结果。

（5）教师引导学生讨论IP地址与访问成败之间的规律，并结合学生的分析情况进行原理解析。

【设计意图】本实验旨在让学生经历“实验验证—剖析本质—探究规律”的过程。学生在循序渐进的活动中认识并理解计算机之间数据传输的原理，明白计算机之间通信的基础。整个实验设计注重学生的主动参与和体验，力求通过互动式和参与式的学习方式，让学生能够在实践中学习和思考，增强他们对计算机网络基础知识的理解和运用能力。

3.网络搭建，项目实践

实验三：网络搭建的实践与探索

本次实验的主要目标是使学生能够在网络仿真工具平台（如图2）搭建的仿真实验环境中自主规划和搭建网络，进一步巩固前两次实验的知识，提高网络配置与故障排查的能力。学生通过实践深入了解网络连通的重要性，并掌握网络搭建与测试的基本方法。

（1）网络规划。在教师的引导下，学生根据机房的实际情况，在仿真实验环境中规划网络拓扑结构。这一过程中，学生需要考虑设备布局、链路连接等因素，以确保网络的稳定性和可靠性。

（2）常用操作演示。教师通过演示的方式，向学生展示仿真实验环境的常用操作，包括添加/删除网线、添加/删除设备、启动/关闭设备、查看/修改配置等。教师将软件的操作视频上传至教学平台，供学生在实验中观看和学习。

（3）网络搭建与配置。学生在网络仿真工具平台中搭建网络，根据规划好的网络拓扑结构，添加相应的设备和链路。然后，学生配置服务器及实验机的IP地址，确保网络中的设备相互通信。搭建完成后，学生需要将成果截图上传到教学平台，以便教师查看和评价。

（4）网络访问测试。教师首先演示如何使用ping命令进行服务器访问测试，并详细解释ping命令的原理和用途。然后，学生分小组合作，对实验机进行ping命令访问测试，记录实验结果并填写在实验手册上。通过测试，学生可以验证网络的连通性，并学习如何根据测试结果排除故障。

（5）教师评价与反馈。教师根据学生的实践成果和实验结果进行评价。对学生在网络搭建和配置的正确性、网络访问测试的结果以及实验手册的填写情况等方面进行综合评估。同时，教师还需关注学生的实验态度和团队协作情况，给予相应的反馈和建议。

【设计意图】在仿真实验环境中，学生进行网络规划、设备配置、访问测试等全流程操作。在实验过程中，学生不仅要掌握网络搭建的基本步骤，还应学会如何运用网络测试工具排查故障。通过这样的实践训练，学生能够加深对网络原理的理解，提升解决实际问题的能力。在仿真实验环境中，学生还可以反复实验，不断试错。这既保证了学生探索的空间，又能避免真实场景中服务器的配置被乱改等情况，保障教学活动的正常开展。

4.总结交流，迁移应用

（1）学生小组内讨论，回顾整个项目流程中的知识点，包括网络连接的原理、IP地址的作用以及网络搭建的实践过程，整理成总结报告。

（2）每组选派一名代表，在全班范围内分享本组的总结报告，包括项目过程中发现的问题、解决问题的方法、学到的知识等。

（3）教师提出一个真实场景中的网络应用问题，例如：如何实现不同教学楼之间的网络互联，以便学生能够随时随地访问学习资源？

（4）学生小组内讨论，分享解决方案，教师给予指导和点评，引导学生思考更多应用场景和解决方案。

【设计意图】本环节旨在让学生将所学知识应用到实际场景中，培养他们解决实际问题的能力。通过提出真实场景中的网络应用问题，教师引导学生运用所学知识进行方案设计和问题解决，帮助他们将理论与实践相结合，提高综合运用能力。

四、总结与反思

（一）虚拟仿真实验赋能课堂教学

虚拟仿真实验既解决了实验设备不足的问题，更为学生提供了一个高度逼真的网络实验环境。在实验中，教师引导学生进行网络的规划搭建、测试优化，学生设计的网络结构及联通测试能在平台中直观呈现，有利于他们加深对相关知识的理解。虚拟仿真实验的灵活性和可重复性特点，也使得学生能够根据自己的学习节奏反复实验，进一步加深理解并巩固知识。

（二）设计实验手册规范实验流程

实验手册在实验教学中扮演着举足轻重的角色，能引导学生按照科学方法进行实验操作，提高实验效率。本实验中，教师通过实验手册中的步骤说明、记录表格、分析示例等资料，帮助学生深入理解实验内容，并逐步养成良好的观察记录，认真思考的习惯。同时，实验手册的规范化设计使得教师能够更有效地组织和管理教学过程，提高实验教学效果。

（三）深度学习促进学科思维提升

教师通过围绕驱动性问题设计三个实验活动来推进教学。学生在教师的引导下深度思考，逐步理清问题的解决步骤。在实验中学生深度实践，体验知识的形成过程，从而加深对知识背后原理和方法的理解，逐步构建自己的知识体系，并将所学知识应用到实际生活中去。在这样的学习过程中，学生的学科思维得以提升。

参考文献

[1] 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.

[2] 周忠林.聚焦“科技并重”信息科技研学课堂的样态建构[J].中国信息技术教育，2023（21）：24-27.

[3] 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（5）：9-13.

（作者系浙江省衢州市柯城区教学研究室教研员）

责任编辑：李媛