第一單元 走進(jìn)編程 第一節(jié) 解決問(wèn)題的一般方法教學(xué)設(shè)計(jì)天津中學(xué)杜云第一單元 走進(jìn)編程 第一節(jié) 解決問(wèn)題的一般方法一、案例背景信息模塊：高中信息技術(shù)選修模塊：算法與程序設(shè)計(jì)年級(jí)：高中一年級(jí)所用教材版本：中國(guó)地圖出版社學(xué)時(shí)數(shù)：1學(xué)時(shí)二、教學(xué)設(shè)計(jì)（一）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)與技能：能夠分析哪些問(wèn)題是適合用計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題，并理解能利用計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題分為以下三類： （1）使用現(xiàn)有的工具軟件可以解決的問(wèn)題。 （2）現(xiàn)成的工具軟件解決不了，需要編寫程序并通過(guò)執(zhí)行若干個(gè)步驟才能解決的問(wèn)題。 （3）現(xiàn)成的工具軟件不能直接解決問(wèn)題，也需要編寫程序，但不能通過(guò)既定步驟解決的問(wèn)題。過(guò)程與方法：理解解決問(wèn)題的一般方法： （1）分析問(wèn)題 （2）確定方案 （3）設(shè)計(jì)步驟 （4）程序設(shè)計(jì)情感態(tài)度與價(jià)值觀：養(yǎng)成主動(dòng)學(xué)習(xí)和使用算法解決問(wèn)題的思想，同時(shí)激發(fā)學(xué)習(xí)算法與程序設(shè)計(jì)的興趣，樹立學(xué)習(xí)的信心。（二）內(nèi)容分析學(xué)習(xí)內(nèi)容：本套教材由信息技術(shù)基礎(chǔ)（必修模塊）和多媒體技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理技術(shù)、算法與程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用、人工智能模塊組成，其中人工智能模塊屬于開設(shè)在算法與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的后續(xù)模塊，多媒體技術(shù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理技術(shù)是作為一般信息技術(shù)應(yīng)用設(shè)置的、算法與程序設(shè)計(jì)是作為計(jì)算機(jī)應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)置的。本節(jié)的內(nèi)容是介紹利用算法解決問(wèn)題的一般方法，使學(xué)生們初步學(xué)會(huì)使用算法思想處理日常學(xué)習(xí)與生活中的問(wèn)題。學(xué)習(xí)重點(diǎn)：能夠從現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)、生活中分析哪些問(wèn)題適合利用計(jì)算機(jī)協(xié)助解決，并理解哪些問(wèn)題是需要編程解決的。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：激發(fā)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)算法與程序設(shè)計(jì)的興趣和信心。學(xué)習(xí)要求： （1）明確本課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，積極思考，勤于實(shí)踐。 （2）聯(lián)系所學(xué)知識(shí)和技能，解決實(shí)際問(wèn)題，提高自主學(xué)習(xí)能力。（三）學(xué)生分析高一學(xué)生對(duì)信息技術(shù)有著濃厚的學(xué)習(xí)興趣，但對(duì)算法的概念比較模糊，缺乏利用算法思想解決問(wèn)題的意識(shí)，引導(dǎo)他們利用算法解決問(wèn)題，是為以后的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（四）教學(xué)策略設(shè)計(jì)1教學(xué)方法設(shè)計(jì)引導(dǎo)啟發(fā)法教學(xué)導(dǎo)入是整個(gè)教學(xué)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)，很平淡的開場(chǎng)白不容易引起學(xué)生的興趣，因此教師在開始上課時(shí)就應(yīng)該集中學(xué)生的注意力。因此，本課在引入的環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了“新聞案例人機(jī)大戰(zhàn)”，通過(guò)這種方式馬上就抓住了學(xué)生的心。通過(guò)老師巧妙地引導(dǎo)和啟發(fā)，使學(xué)生很快進(jìn)入到本課的學(xué)習(xí)情境中。任務(wù)驅(qū)動(dòng)法本節(jié)課教師采取任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)、生活中的實(shí)際問(wèn)題布置多個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中理解利用算法解決問(wèn)題的好處。操作本身也是一種學(xué)習(xí)，在學(xué)生遇到困難時(shí)教師會(huì)適時(shí)地給出提示，根據(jù)提示學(xué)生再次通過(guò)思考、分析、修改錯(cuò)誤，最終使問(wèn)題得到解決，從而提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。在巡視過(guò)程中，老師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生大膽操作，并進(jìn)行具體的指導(dǎo)，多表?yè)P(yáng)他們的進(jìn)步，以增強(qiáng)其信心。演示法與實(shí)踐法多媒體網(wǎng)絡(luò)教室為上好信息技術(shù)課提供了硬件保證。教師可以很方便地應(yīng)用演示法，使學(xué)生能看到教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生更容易接受。本節(jié)課教師就充分利用這些設(shè)備并對(duì)一些程序進(jìn)行教學(xué)演示，收到了事半功倍的效果。另外，信息技術(shù)科學(xué)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。學(xué)生需要充足的上機(jī)實(shí)踐的時(shí)間和機(jī)會(huì)，讓他們每堂課必有所學(xué)，有所獲。2教師應(yīng)用信息技術(shù)的情況教學(xué)環(huán)境：機(jī)房、Lanstar、大屏幕、J2SE SDK三、教與學(xué)的實(shí)際過(guò)程描述1 教與學(xué)的過(guò)程描述教學(xué)階段教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程的觀察和考查引入l 新聞案例人機(jī)大戰(zhàn)1棋王首戰(zhàn)受挫2“深藍(lán)”戰(zhàn)績(jī)不俗3棋王冒險(xiǎn)出擊4平局帶來(lái)思考l 思考與討論別的國(guó)家開發(fā)的軟件，我們不但需要購(gòu)買這些軟件的使用權(quán)，而且每年都會(huì)花費(fèi)大量的人力物力組織各種培訓(xùn)去學(xué)習(xí)這些軟件的使用，他們不斷的推陳出新，我們不斷地、大量地投入。聆聽(tīng)并思考新聞案例給我們帶來(lái)的啟示。師生達(dá)成共鳴：如果能研發(fā)更多的、擁有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件，會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是非常有戰(zhàn)略意義的。而算法與程序設(shè)計(jì)是最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。學(xué)生是否很快進(jìn)入到本課的學(xué)習(xí)情境中。學(xué)生是否積極思考并主動(dòng)投入本課的學(xué)習(xí)過(guò)程。任務(wù)一l 任務(wù)：文檔nba.doc中提供了部分NBA球員的相關(guān)數(shù)據(jù)，請(qǐng)找出身高前十名的隊(duì)員l 數(shù)據(jù)引自：l 目的：幫助學(xué)生理解有些問(wèn)題是可以利用現(xiàn)成的工具軟件解決的。學(xué)生根據(jù)以往知識(shí)的積累，自主實(shí)踐完成任務(wù)一。學(xué)生完成情況：基本上能完成，方法多樣，導(dǎo)入到Excel、Word中進(jìn)行排序等不同的方法。任務(wù)二l 繪制如下圖形l 繪制如下圖形（該圖形由4個(gè)圖形1旋轉(zhuǎn)方向，并用等邊長(zhǎng)的線段連接起來(lái)）l 要求：可以利用任意方法。學(xué)生根據(jù)以往知識(shí)的積累，自主實(shí)踐完成任務(wù)一。學(xué)生完成情況：學(xué)生利用畫圖、photoshop、firework等繪圖軟件繪制，也有用Word表格實(shí)現(xiàn)的，方法多樣化，學(xué)生進(jìn)行信息處理問(wèn)題的方法是多種多樣的。任務(wù)三l 提出問(wèn)題：如果我要求大家繪制如下圖形，大家打算使用什么方法呢？l 目的：引出有些問(wèn)題可以利用計(jì)算機(jī)解決，但是不能利用現(xiàn)成的工具軟件實(shí)現(xiàn)，需要編程實(shí)現(xiàn)。這些問(wèn)題就是本模塊要解決的問(wèn)題。學(xué)生的反應(yīng)：放棄，沒(méi)有辦法去畫。學(xué)生急于知道解決問(wèn)題的辦法， 觀察學(xué)生在解決這個(gè)問(wèn)題時(shí)是否積極思考，并力圖求得解決問(wèn)題的策略。演示程序l 演示利用Java實(shí)現(xiàn)的Hilbert程序，輸入不同的數(shù)字，快速地實(shí)現(xiàn)。展示該程序，并說(shuō)明該程序并不難，利用簡(jiǎn)單的遞歸方法就可以實(shí)踐，所有的學(xué)生在本學(xué)期末也可以實(shí)現(xiàn)。l Hilbert變換曲線是電子商務(wù)中的數(shù)字簽名等領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。觀察教師演示程序，并對(duì)所要學(xué)習(xí)的知識(shí)建立初步的模型。通過(guò)程序的演示，幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)信心。歸納總結(jié)l 能利用計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題分為以下三類：（1） 使用現(xiàn)有的工具軟件可以解決的問(wèn)題。（2）現(xiàn)成的工具軟件解決不了，需要編寫程序并通過(guò)執(zhí)行若干個(gè)步驟才能解決的問(wèn)題。（3）現(xiàn)成的工具軟件不能直接解決問(wèn)題，也需要編寫程序，但不能通過(guò)既定步驟解決的問(wèn)題第三類問(wèn)題如博弈、專家系統(tǒng)等，需要利用人工智能技術(shù)，不是本選修模塊能解決的問(wèn)題。l 本選修模塊解決的問(wèn)題界定在：能利用計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題利用現(xiàn)成的工具軟件解決不了算法符合下列原則Ø 有窮性：在執(zhí)行有限步之后必須終止。Ø 確定性：所給出的每一計(jì)算步驟必須是精確定義的。Ø 可行性： 要執(zhí)行的每一計(jì)算步驟都可在有限時(shí)間內(nèi)完成。Ø 有輸入：一般有0個(gè)或多個(gè)輸入信息，它是算法所需的初始數(shù)據(jù)。Ø 有輸出 ：一般應(yīng)具有0個(gè)或多個(gè)輸出信息，它是算法對(duì)輸入信息的運(yùn)算結(jié)果通過(guò)和教師一起歸納總結(jié)，掌握解決問(wèn)題的基本方法。了解算法的基本特征。學(xué)生是否積極參與歸納總結(jié)，并得出相應(yīng)的結(jié)論。學(xué)生練習(xí)（1）找出實(shí)際學(xué)習(xí)和生活中適合利用計(jì)算機(jī)解決而利用現(xiàn)成的工具軟件無(wú)法解決的問(wèn)題，列出解決問(wèn)題的方案及具體實(shí)施步驟。（2）注冊(cè)電子檔案袋（3）下載一個(gè)流程圖制作軟件，安裝試用，選擇好的上傳到電子檔案袋中，以備下一節(jié)課使用。學(xué)生積極思考，可以和伙伴進(jìn)行討論，得出解決問(wèn)題的方案和步驟。利用檔案袋記錄學(xué)習(xí)過(guò)程。 學(xué)生檔案袋資料是否齊全，是否積極主動(dòng)參與活動(dòng)。開始上課教學(xué)導(dǎo)入講述新聞案例人機(jī)大戰(zhàn)，同時(shí)為下面的內(nèi)容作鋪墊。實(shí)例分析學(xué)生完成任務(wù)一、二、三，需求解決問(wèn)題的方法程序演示教師演示程序，得到利用程序解決問(wèn)題的方法。歸納總結(jié)師生共同歸納總結(jié)解決問(wèn)題的方法和實(shí)施步驟教學(xué)結(jié)束學(xué)生練習(xí)通過(guò)電子學(xué)習(xí)檔案袋記錄學(xué)習(xí)過(guò)程。2關(guān)鍵環(huán)節(jié)提煉四、教學(xué)反思1、任務(wù)一給出的數(shù)據(jù)是Word表格，絕大部分同學(xué)是利用Word表格的排序功能直接實(shí)現(xiàn)，給出的環(huán)境束縛了學(xué)生的思維。如果將原始數(shù)據(jù)改為.txt文件就比較好了。2、由任務(wù)二應(yīng)該引出解決問(wèn)題的步驟，分析問(wèn)題、確定方案、設(shè)計(jì)步驟、程序設(shè)計(jì)，這樣會(huì)非常流暢。五、教學(xué)資源和參考資料教學(xué)資源：1.文檔nba.doc（數(shù)據(jù)引自： 2.教學(xué)演示文稿 3.演示程序：hilbertjava 4.電子學(xué)習(xí)檔案袋參考資料：中華網(wǎng)-體育頻道：人腦勝不了電腦？媒體稱人機(jī)大戰(zhàn)引人深思l 新聞案例人機(jī)大戰(zhàn)1棋王首戰(zhàn)受挫1997年，世界排名第一的棋王卡斯帕羅夫，在首度人機(jī)大戰(zhàn)中，以一盤之差惜敗于IBM公司專門設(shè)計(jì)用來(lái)戰(zhàn)勝他的電腦“深藍(lán)”。盡管當(dāng)時(shí)媒體認(rèn)為失利原因是卡斯帕羅夫沒(méi)有發(fā)揮出最佳狀態(tài)，但是他自己承認(rèn)是情緒不穩(wěn)定導(dǎo)致了最終失敗?？ㄋ古亮_夫回憶道，“在比賽開始階段我就承受了巨大的心理壓力，到最后一盤棋時(shí)，我甚至根本無(wú)法專注于棋盤之上?！笨ㄋ古亮_夫的壓力顯然來(lái)自于這場(chǎng)空前的人類與電腦智力比拼事件本身。此后，IBM公司又拒絕了這位沮喪的棋王重賽的要求，并且毀掉了“深藍(lán)”。在人腦與電腦首度對(duì)決中的失利，在此后的一段時(shí)期內(nèi)或多或少也影響了卡斯帕羅夫的情緒。2“深藍(lán)”戰(zhàn)績(jī)不俗6年后，卡斯帕羅夫終于有機(jī)會(huì)來(lái)報(bào)這一箭之仇了。此次比賽是國(guó)際象棋聯(lián)合會(huì)批準(zhǔn)的首次“人機(jī)比賽”。與第一個(gè)對(duì)手“深藍(lán)”不同，卡斯帕羅夫的第二個(gè)對(duì)手“深藍(lán)二世”不是一臺(tái)昂貴的每秒能運(yùn)算2億步的超級(jí)計(jì)算機(jī)，而是一套可以在普通計(jì)算機(jī)上使用的弈棋程序。它是由兩名以色列電腦專家設(shè)計(jì)的，運(yùn)算速度為每秒鐘三百萬(wàn)步。兩年來(lái)，“深藍(lán)二世”可謂戰(zhàn)績(jī)不俗，在與人類的多次交手中還未嘗敗績(jī)，并且一直持有官方的國(guó)際象棋電腦冠軍頭銜，與卡斯帕羅夫可謂棋逢對(duì)手。“小深藍(lán)”曾獲得2001、2002連續(xù)兩年電腦世界大賽冠軍，2000年8月還曾參加過(guò)由多名超一流棋手參賽的多特蒙德超級(jí)大賽，取得了50%的勝率。這場(chǎng)較量是人機(jī)大戰(zhàn)的關(guān)鍵一役，是證明人類比機(jī)器更強(qiáng)的最好時(shí)機(jī)。1月26日傍晚時(shí)分，當(dāng)無(wú)數(shù)的美國(guó)人爭(zhēng)相擁擠在電視機(jī)前為美國(guó)職業(yè)橄欖球“超級(jí)碗”比賽瘋狂吶喊時(shí)，400多名國(guó)際象棋愛(ài)好者靜靜地圍坐在紐約競(jìng)技俱樂(lè)部的大廳里，目不轉(zhuǎn)睛地盯著眼前的大屏幕，因?yàn)橐粓?chǎng)國(guó)際象棋“人機(jī)大戰(zhàn)”正在這里緊張進(jìn)行，即39歲的世界棋王卡斯帕羅夫和電腦“深藍(lán)二世”的較量。3棋王冒險(xiǎn)出擊卡斯帕羅夫執(zhí)白棋先行。對(duì)陣一開始，他就放棄了6年前與“深藍(lán)”比賽時(shí)采取的小心謹(jǐn)慎的“反電腦”戰(zhàn)術(shù)，嘗試了一些打破常規(guī)的冒險(xiǎn)招數(shù)。鋌而走險(xiǎn)使他占得了先機(jī)，“深藍(lán)二世”似乎被這種有反常理的下法弄糊涂了，在下第9步時(shí)竟然“苦思冥想”了足足25分鐘才落子?？ㄋ古亮_夫的冒險(xiǎn)戰(zhàn)術(shù)最終得到了回報(bào)，在經(jīng)過(guò)4個(gè)小時(shí)、總共27步棋的斗智斗勇以后，“深藍(lán)二世”終于向這位棋王俯首稱臣。當(dāng)這位充滿個(gè)人魅力的國(guó)際象棋大師贏得勝利，走出比賽室與棋迷們見(jiàn)面時(shí)，長(zhǎng)舒了一口氣。對(duì)于卡斯帕羅夫來(lái)說(shuō)，首盤獲勝無(wú)疑是一場(chǎng)甜蜜的勝利。不過(guò)，本場(chǎng)人機(jī)大戰(zhàn)將持續(xù)13天，卡斯帕羅夫和“深藍(lán)二世”一共要進(jìn)行6場(chǎng)較量，世界棋王笑得有點(diǎn)過(guò)早了?！吧钏{(lán)二世”的設(shè)計(jì)者阿米爾和布辛斯基表示，他們并沒(méi)有將設(shè)計(jì)重點(diǎn)完全放在增強(qiáng)運(yùn)算能力上，而是賦予“深藍(lán)二世”以更多的人工智能，從而使它擁有更接近于人類的判斷能力。它能在比賽進(jìn)程中不斷進(jìn)行自我修正和完善，尋找出最有力的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)。也正因?yàn)槿绱耍吧钏{(lán)二世”才會(huì)在下到第9步棋時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)棋盤上的復(fù)雜局面作如此長(zhǎng)時(shí)間的“思考”。美國(guó)一些國(guó)際象棋大師認(rèn)為，卡斯帕羅夫開局時(shí)有悖自身棋風(fēng)的下法是他在第一場(chǎng)較量中旗開得勝的關(guān)鍵所在，這也許也是他最終戰(zhàn)勝“深藍(lán)二世”，為人類挽回一點(diǎn)面子的法寶。第2局開局后，依然是卡斯帕羅夫占上風(fēng)，可惜他在關(guān)鍵階段被“深藍(lán)二世”抓住了失誤，守成和棋。此局之后，正當(dāng)卡斯帕羅夫養(yǎng)精蓄銳備戰(zhàn)時(shí)，兩位程序設(shè)計(jì)師對(duì)程序再一次進(jìn)行了補(bǔ)充與完善，有力地保證了電腦棋手在比賽后半程越戰(zhàn)越強(qiáng)。“深藍(lán)二世”在奪得第三局勝利后，雙方在接下來(lái)的三局比賽中均戰(zhàn)成平手。“人機(jī)大戰(zhàn)”最終以握手言和收?qǐng)觥?平局帶來(lái)思考人腦勝不了電腦？這給人們帶來(lái)了更深層次的思考。下棋是人腦發(fā)明出的最精致、最復(fù)雜的游戲，標(biāo)志著人腦的最高境界，棋類比賽是人腦的奧林匹克運(yùn)動(dòng)，如果電腦在這場(chǎng)比賽中獲勝，所帶來(lái)的不僅僅是競(jìng)技體育的名譽(yù)歸屬，更多的是機(jī)器與人類之間關(guān)系的深層次思考。不過(guò)，樂(lè)觀的人們也看到，人機(jī)大戰(zhàn)是一場(chǎng)雙贏的游戲。1997年“深藍(lán)”擊敗小卡一戰(zhàn)成名后，IBM在將其轉(zhuǎn)為商用的過(guò)程中大獲其利，令人看到了“人機(jī)大戰(zhàn)”中蘊(yùn)涵的巨大商機(jī)，國(guó)際棋聯(lián)自然不會(huì)放過(guò)“分一杯羹”的機(jī)會(huì)。國(guó)際棋聯(lián)在此次“人機(jī)大戰(zhàn)”中不僅為比賽籌集了高達(dá)百萬(wàn)美元的巨額獎(jiǎng)金，而且允許小卡以國(guó)際棋聯(lián)代表的名義去對(duì)抗電腦世界冠軍。賽后，國(guó)際象棋聯(lián)合會(huì)將向卡斯帕羅夫支付50萬(wàn)美元的出場(chǎng)費(fèi)。所以，相信隨著象棋電腦的不斷升級(jí)，“人機(jī)大戰(zhàn)”的結(jié)果將注定會(huì)越來(lái)越?jīng)]有懸念。雖然在腦力競(jìng)技場(chǎng)上，人類輸了棋，但人類卻在商場(chǎng)贏得了最終的游戲，機(jī)器也許永遠(yuǎn)不會(huì)懂得這一點(diǎn)。8