《狀態(tài)變化類問題求解》教學設計——高一信息技術《人工智能初步》-李乘

1、教學設計參與人員教學基本信息課名第二章 知識表示及Prolog語言 第四節(jié) 狀態(tài)變化類問題求解是否屬于地方課程或校本課程學科信息技術年級高一授課日期2016年9月11日學段教材書名：人工智能初步出版社：廣東教育出版社出版日期：2004年06月設計者實施者指導者姓名 李乘 李乘單位聯系方式牛靜北京教育學院石景山分院其他參與者指導思想與理論依據本節(jié)課通過學習狀態(tài)空間表示法對問題抽象特征、建立結構模型并求解，體現了對學生計算思 維的培養(yǎng)。學生的學習過程基于體驗式學習理論，即學習者親身介入實踐活動，通過認知、體驗和感悟， 在實踐過程中獲得新的知識、技能、態(tài)度。遵循從特殊到一般，再從一般到特殊這一認識事

2、物的普遍規(guī)律，通過體驗歸納過程、規(guī)律。教學背景分析教學內容： 學生情況：本節(jié)課是學生學習的第三種知識表示法，通過數學、物理等學科的學習已經有了一些將知識符 號化的基礎，但對狀態(tài)空間的相關概念以及狀態(tài)空間表示法的實際應用還是初次接觸。本節(jié)課能夠引領學生把一些適用于狀態(tài)空間的問題求解過程提升到一個理性認識的水平，初步 學會用狀態(tài)空間表示法表示知識，并學以致用。教學方式：講授法、任務驅動法教學手段：1. 利用益智游戲分析、體驗狀態(tài)變化類問題求解的一般過程。2. 準備微視頻學習資源實現學生的個性化學習。 技術準備：學校有網絡機房，學生人手一臺計算機。每班學生有自己的賬戶和文件夾，師生通過FTP交換數據

3、。網上共享空間提供可以課后訪問的學習資源。根據學生和學校設備情況，本節(jié)課在網絡機房 進行。教學目標：1.2.3.教學目標（內容框架）知識與技能：了解狀態(tài)、操作和狀態(tài)空間的概念。 過程與方法：初步學會用狀態(tài)空間表示法表示知識。情感態(tài)度與價值觀：體驗狀態(tài)空間表示法求解問題的一般過程。教學重點：用狀態(tài)空間表示法表示知識教學難點：狀態(tài)變量的設計時間（分）教過程教師活動設計意圖學生活動16（課前2分鐘預備）VLZ復習提問：（3分鐘）提問1:不久前圍棋界上演了一場人機大戰(zhàn)，代表人類一方出場的 是誰？（世界頂級圍棋棋手李世石）提問2：提問3：提問4:化類問題）與他對弈的是誰？（ Alp haGo是具有人工智

4、能的計算機系統(tǒng)）最終是誰獲得了比賽的勝利呢？（ Al phaGo）為什么研究用計算機下圍棋？（圍棋是一種及其復雜的狀態(tài)變引入新課：（2分鐘）使用知識表示法的目的是把社會、生活問題符號化，從而輸 入到計算機中由計算機進行問題求解。下圍棋的過程中，棋局的狀態(tài)一直在變化，對于這類狀態(tài)變 化類問題，適合用知識表示法中的狀態(tài)空間表示法進行描述。要想明白計算機是如何求解下圍棋這類狀態(tài)變化類問題，可 以從一個簡單的狀態(tài)變化類問題入手一一翻硬幣問題。講授新課:狀態(tài)變化類問題求解一、狀態(tài)空間表示法的相關概念演示講解：翻硬幣問題狀態(tài)：事物在某一時刻的狀況。翻轉三枚硬幣，用“0”表示硬幣為正面朝上，用“ 1”表示硬

5、幣為反面朝上。狀態(tài)變量的取值 是事先設定的，具體用什么數值表示都可以。操作：引起狀態(tài)變化的手段。翻轉三枚硬幣的操作，分別用A、 B C表示。如果在設計操作時用大寫，整個求解過程都要用大寫。狀態(tài)空間：用狀態(tài)變量和操作符號表示知識的符號系統(tǒng)。適 用于表示狀態(tài)變化過程類問題求解的知識。狀態(tài)空間圖：狀態(tài)空間的圖示形式。下圖中表示出了翻動三次硬幣的六種解法，八種狀態(tài)。組織提問講解板書演示講解引導就坐安靜思考回答聽講觀看觀察思考歸納組織課堂明確研究 狀態(tài)變化 類問題的 意義，激發(fā) 學習興趣。強調知識 表示法的 目的和狀 態(tài)空間表 示法的應 用范圍，為后續(xù)學 習做鋪墊。明確學習 課題通過實例 體驗、感受 概

6、念實現教學目標121vlz選做題：設初始狀態(tài)為“正”、“反”、“正”，每次只能且必須 翻一枚硬幣。連翻三次（必須三次，不能多，也不能少）后能否 達到三枚全朝上或全朝下的狀態(tài)？提示：可以出現重復狀態(tài)參考答案：七種解法到全正（aab/ccb/aba/cbc/bbb/bcc/baa ），不能到全反。狀態(tài)空間中的任何狀態(tài)都可以是初始狀態(tài)，只不過是問題的 初始條件不同而已。二、用狀態(tài)空間表示法求解問題播放演示：過河問題（益智游戲）有個人要劃船把菜、羊、狼運到對岸。只有人會劃船，并且 每次只能運一樣東西。如果沒有人的看護，狼會吃羊、羊會吃菜。 請問該如何將這三樣東西平安運到對岸呢？狀態(tài)空間表示法求解問題的

7、一般步驟：布置指導 檢查思考填寫實現教學目標2從解決簡 單問題開 始，運用計 算思維識 別分析問 題、抽象、 建模、設計系統(tǒng)解決 方案布置思考分層教學指導問題難度檢查螺旋式上 升（指定演示觀察多個目標分析思考狀態(tài)、限定講解回答操作次數、 改變初始 狀態(tài)）板書 演示 講解觀察 思考實現教學目標2、3激發(fā)興趣、 體驗過程。明確重點設計狀態(tài)I設計操作I繪制狀態(tài) 變量LJ符號L.空間圖k時間（分）過程教師活動設計意圖學生活動VLZ1.設計狀態(tài)變量思考問題1 :在游戲中羊有幾種狀態(tài)？（兩種，在左岸或者在右岸。I 1 h 1=；：命 ：卜躺:“丁 ；門i.vtjlvo cjt 十，工“h方-DUX 口 b

8、kitK；im一斗 t h二只考慮操作前后的狀態(tài)，不考慮操作過程中的狀態(tài)。在船上 是操作的中間過程，不設為一種狀態(tài)。結論：狀態(tài)的數量決定狀態(tài)變量的取值。設置在左岸的狀態(tài)用0表示，在右岸的狀態(tài)用1表示。思考問題2 :游戲的初始狀態(tài)用幾個1表示？（四個，因為要表 示岀菜羊狼的狀態(tài)的同時還有表示人的狀態(tài)，用來判斷狀態(tài)是否合理）所以初始狀態(tài)用（1，1，1，1）表示，目標狀態(tài)用（0，0， 0）表示。狀態(tài)變量的取值不一定是兩種，有些問題設計狀態(tài)變量時可 能需要多個值表示多種狀態(tài)。2. 設計操作符號思考問題3 :需要設計運人的操作符號嗎？（需要，當人劃空船到對岸的時候，狀態(tài)發(fā)生了變 化。變化的原因就是人的操

9、 作，所以要有對應的操作符）用符號R、C、Y、L分別表示把人、菜、羊、 狼送到對岸。3. 繪制狀態(tài)空間圖思考問題4 :有哪些 可能的操作符號？（ R、RC、RY、RL）用上面設計的狀態(tài)變量和操作符號繪制狀態(tài)空間圖。演示前兩步操作，分析如何繪制狀態(tài)空間圖。0,RY1,1,0,11,1,1,0R0,0,1,00,1,0,1R0,1,0,01,0,1,00,0,0,1rY提問引導提問 分析 引導提問 分析 引導提問 分析 引導0,0,0,0RY演示思考 討論 回答思考 討論 回答思考 討論 回答思考 討論 回答觀看思考突破教學 難點鞏固“操 作”的概念4個思考 問題引導 明確用狀 態(tài)空間表 示法表示

10、 知識的一 般步驟，突 出重點時間（分）教過程教師 活動學生 活動設計 意圖布置聽講利用游戲巡視填寫輔助繪制講解聽講狀態(tài)空間理解圖，體驗問 題求解的總結回憶過程，突出梳理重點布置記錄鞏固并拓 展本節(jié)課 所學習的 知識兩vlz練習2：完成課堂練習二，提交作業(yè)。 分層任務（拓展練習）：提燈過河問題。 游戲驗證：這個過河問題一共有兩種解，通過游戲中的操作對狀態(tài)空間 圖中的兩種解進行驗證?？偨Y歸納：（2分鐘）狀態(tài)空間表示法的概念和應用課后作業(yè)：（1分鐘）提燈過橋問題：一家五口晚上輪流用僅有的一盞油燈過獨木橋，每次最多只 能過兩人。每人過橋需要的時間分別是：1、3、6、8和12秒。 人過橋的時間是最慢人

11、的時間。油燈最多只能燃燒 30秒。參考資料：PPT兩個過河問題的游戲、講解微視頻和閱讀材 料。學習效果評價設計評價方式1.2.3.課堂表現 課堂練習一 課堂練習二 評價量規(guī)評價項目評價標準分值課堂聽講認真聽講20回答問題積極回答問題20課堂練習一每空2分共30分課堂練習二6個狀態(tài)，每個3分，6個操作，每個2分共30分本教學設計與以往或其他教學設計相比的特點（300-500字數）本教學設計借助實際生活中能調動學生積極性的三個益智游戲為任務驅動，合理開發(fā)和利用課 程資源，作為學習新知識的基礎和內化條件。其中兩個用于課堂練習，另一個用于課后作業(yè)。但是 益智游戲不能在課前同時都共享給學生，會分散學生的注意力。應該在學生開始做課堂練習二時共享，用來輔助繪制狀態(tài)空間圖。分析菜羊狼過河問題的規(guī)則時可以直接用游戲界面進行演示，這樣 更生動形象一些。準備了電子版課堂任務單，要求學生下課前提交?？梢悦鞔_課堂練習任務，評價反饋學習情況。 由于狀態(tài)空間表示法比較抽象，所以“課堂練習一”和“課堂練習二”只需要學生完成第三步 狀態(tài)空間的繪制。為了便于學生接受和理解，只需要學生看懂從而補全狀態(tài)空間中空缺的幾個狀態(tài) 和操