揭開計(jì)算機(jī)解答問題的神秘面紗――問題求解教學(xué)設(shè)計(jì)

1、揭開計(jì)算機(jī)解答問題的神秘面紗問題求解教學(xué)設(shè)計(jì)江門市第一中學(xué) 梁平忠（一）教學(xué)對象分析本課的教學(xué)對象是高中二年級的學(xué)生，對人工智能的學(xué)習(xí)已經(jīng)有一段時間。學(xué)生盡管沒有接觸過用計(jì)算機(jī)來“問題求解”，但是他們對“九宮問題”和“井字棋”這個兩個小游戲非常的熟悉。所以用這兩個游戲作為例子可以減少他們對這節(jié)課的陌生感。（二）本節(jié)教學(xué)內(nèi)容樹概念的引入和樹一些術(shù)語的解釋。介紹樹的兩種搜索方法：深度優(yōu)先和寬度優(yōu)先。啟發(fā)式搜索的一個應(yīng)用。博弈問題的引入。（三）教學(xué)目標(biāo)1知識與技能目標(biāo) eq oac(,1)讓學(xué)生理解樹的概念和關(guān)于樹的一些術(shù)語。 eq oac(,2)讓學(xué)生認(rèn)識“深度優(yōu)先”和“廣度優(yōu)先”。 eq oac

2、(,3)讓學(xué)生認(rèn)識“啟發(fā)式搜索”。 eq oac(,4)通過“井字棋”這個游戲讓學(xué)生體會博弈問題求解的策略。2過程與方法目標(biāo) eq oac(,1)讓學(xué)生能夠用“深度優(yōu)先”和“寬度優(yōu)先”兩種方法來搜索問題樹。 eq oac(,2)讓學(xué)生能夠?qū)唧w問題思考適用的“啟發(fā)函數(shù)”，加快搜索速度。 eq oac(,3)讓學(xué)生能夠歸納“井字棋”的下棋規(guī)則。3情感態(tài)度與價值觀目標(biāo) eq oac(,1)從計(jì)算機(jī)解決問題的方法，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)人工智能的欲望和興趣。 eq oac(,2)通過簡單的問題求解，讓學(xué)生從游戲和實(shí)例中領(lǐng)略人工智能來解決問題的豐富魅力，增強(qiáng)對人工智能乃至信息技術(shù)發(fā)展前景的向往和對未來美好生

3、活的追求。（四）重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：1、樹概念的引入和理解。2、“深度優(yōu)先”和“廣度優(yōu)先”兩種搜索策略。3、“啟發(fā)函數(shù)”對搜索的作用和選擇。難點(diǎn)：1、“深度優(yōu)先”和“廣度優(yōu)先”兩種搜索策略的理解。2、“啟發(fā)函數(shù)”的選擇。（五）教學(xué)方法任務(wù)探究法、小組競爭、協(xié)作學(xué)習(xí)（六）教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計(jì)意圖利用“九宮問題”引入問題，鋪墊（5分鐘）拿出“卡斯帕羅夫”與深藍(lán)的新聞作為引入，引起學(xué)生對問題求解這個內(nèi)容的興趣。相對而言，國際象棋是比較復(fù)雜的，我們研究簡單點(diǎn)的“九宮問題”。打開“九宮問題”這個程序，輸入一個例子。讓一個學(xué)生自告奮勇的上來走一走。讓計(jì)算機(jī)來走同樣的例子，用所耗費(fèi)的步數(shù)來比較計(jì)算

4、機(jī)和同學(xué)所走的策略優(yōu)劣。向?qū)W生提問：為什么計(jì)算機(jī)可以自動的走棋呢？而且為什么走得比同學(xué)的策略更好？1、一個同學(xué)上講臺玩這個游戲。其它同學(xué)給他出謀劃策。2、思考為什么計(jì)算機(jī)可以自動的走棋？“卡斯帕羅夫”與深藍(lán)對戰(zhàn)的新聞曾經(jīng)轟動一時，學(xué)生都對“人為什么會輸給計(jì)算機(jī)？”這個問題都感興趣。以學(xué)生的興趣為切入點(diǎn)。從簡單的“九宮問題”作為研究的對象，再用人手走棋和機(jī)器走棋的效果對比這個事實(shí)，讓學(xué)生頭腦中這樣的有一個疑問：計(jì)算機(jī)為什么能走棋呢？利用學(xué)生的好奇心來凝聚他們的積極性。樹概念的引入(3分鐘)教學(xué)環(huán)節(jié)利用猴子摘桃這個類比方法將“九宮問題”過渡到樹問題的求解：從開始狀態(tài)出發(fā)，每一個位置都有若干個選擇，

5、而問題的解必定存在于這些選擇當(dāng)老師活動通過觀察演示，類比從“九宮問題”轉(zhuǎn)化為問題樹上求解。學(xué)生活動將實(shí)際的問題轉(zhuǎn)化為樹的表示形式，這個對學(xué)生來說是比較困難的。所以就用猴子摘桃這個例子來讓學(xué)生把這兩設(shè)計(jì)意圖樹概念的引入中。樹：從根出發(fā)，有多個樹杈，而果實(shí)必定存在于這些樹杈上。打開Windows的資源管理器，簡述它就是一個典型的樹的應(yīng)用。告訴學(xué)生“九宮問題”就可以轉(zhuǎn)化為在樹上搜索的問題。從熟悉的“window”資源管理器加深對樹的一個認(rèn)識。方面聯(lián)系起來，減少轉(zhuǎn)化的難度。而對windows資源管理器是樹的一個簡述，從他們熟悉的事物著手，增加對樹的一個親切感。探索樹的搜索方式（8分鐘）借助動畫演示猴子

6、摘桃這個例子來說明，猴子并不能盲目的在樹上找，而是應(yīng)該按照一定的規(guī)律去找。讓學(xué)生嘗試分組去討論和發(fā)現(xiàn)兩種搜索方式的規(guī)律、不同點(diǎn)以及可以改進(jìn)的地方。展示并評點(diǎn)各小組的意見，總結(jié)出主要規(guī)則有兩種：深度優(yōu)先：從樹的根節(jié)點(diǎn)開始，對其分支逐個深入搜索（一般先從左分支開始）。廣度優(yōu)先：從根節(jié)點(diǎn)開始，在樹中一層一層地找。提供有關(guān)兩種搜索方式的相關(guān)學(xué)習(xí)資料讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)，再學(xué)生學(xué)習(xí)后再給出的練習(xí)讓學(xué)生思考：用深度優(yōu)先和寬度優(yōu)先搜索的順序分別是什么？這樣的搜索存在什么問題？如何解決這個問題。通過觀看猴子摘桃這個動畫，自主探索樹的兩種搜索方式，然后通過小組討，在小組內(nèi)部對兩種搜索方式形成初步的認(rèn)識和見解，并通過

7、教學(xué)網(wǎng)站傳達(dá)小組的意見。學(xué)習(xí)老師給出的資料，思考老師給出的練習(xí)，列出深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先的一個搜索順序。根據(jù)老師的提示，思考深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先還存在的問題。再次利用猴子摘桃這個例子來說明在樹上搜索的兩種基本方法：深度優(yōu)先和廣度優(yōu)先。通過學(xué)生的思考兩種搜索方法的順序，并從思考中讓學(xué)生體驗(yàn)深度優(yōu)先、寬度優(yōu)先在搜索速度上的一個不足（走了很多的冤枉路）。從而為啟發(fā)式搜索的引入埋下伏筆。教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計(jì)意圖啟發(fā)式搜索的引入（45分鐘）提問上面猴子摘桃動畫中的猴子能不能用更好的方式去搜索樹上的桃子作為引入。正因?yàn)樯厦鎯煞N搜索方式會走了很多的冤枉路。所有我們就用一個啟發(fā)信息指導(dǎo)搜索，減少搜索范圍，

8、提高速度?；氐胶镒诱疫@個例子，用啟發(fā)式搜索就像有一個預(yù)見到某一個分支根本不可能有桃子的方法，直接跳過這個分支。用“九宮問題”這個例子來說明一個啟發(fā)式搜索的利用，并對比原來的效果。啟發(fā)式搜索的關(guān)鍵是啟發(fā)函數(shù)的選擇，但這也是一個復(fù)雜的問題。就像不是每一棵樹上都有枯枝一樣，并不是每一個問題都可以使用啟發(fā)式搜索來加快搜索的速度，在這些情況下，只能老實(shí)的使用廣度優(yōu)先或者深度優(yōu)先來搜索。從猴子摘桃這個例子理解啟發(fā)式搜索的一個原理。觀看演示，對比使用啟發(fā)式搜索前后的效果，并體會啟發(fā)式搜索的效率。從猴子跳過樹上的枯枝這樣一個生活中的道理，讓學(xué)生可以更好的理解啟發(fā)式搜索。通過對比使用啟發(fā)式搜索前后的效果，讓學(xué)

9、生親身體會啟發(fā)式搜索的作用。同樣用“不是每一棵樹都有枯枝”這樣一個生活中的道理，讓學(xué)生明白并不是每一個問題都可以使用啟發(fā)式搜索，很多情況下還要使用盲目的搜索。博弈問題的求解（14分鐘）教學(xué)環(huán)節(jié)再次拿 “卡斯帕羅夫”與深藍(lán)的新聞，說明這個就是博弈問題。再用簡化的人機(jī)博弈“井字棋”作為實(shí)例，為實(shí)現(xiàn)“人機(jī)大戰(zhàn)”，我們可以用“打分”方式。打開“井字棋”對戰(zhàn)平臺。老師活動分組思考“井字棋”的打分規(guī)則。對博弈問題有一個簡單的了解。學(xué)生活動用“井字棋”這個學(xué)生再熟悉不過的簡單博弈游戲作為實(shí)例，讓學(xué)生接觸博弈問題的求解，使他們能夠從過去的經(jīng)驗(yàn)中得到啟發(fā)，減輕課程的難度。設(shè)計(jì)意圖并用了兩條規(guī)則作為例子，讓學(xué)生明

10、白打分法的用法。讓學(xué)生分組思考用什么規(guī)則來打分，才能讓我們的計(jì)算機(jī)能夠跟人下“井字棋”呢？讓學(xué)生小組思考“井字棋”的打分規(guī)則，可以使他們一方模擬計(jì)算機(jī)，另一方作為自然人，進(jìn)行博弈。從實(shí)際的博弈過程中探摸出打分規(guī)則。評價（34分鐘）給出評價表，讓學(xué)生進(jìn)行課堂評價，了解學(xué)生本節(jié)課的學(xué)習(xí)情況參與課堂評價了解學(xué)生在本節(jié)課學(xué)習(xí)活動的情況，課堂總結(jié)，情感升華。（1分鐘）總結(jié)本課知識點(diǎn)。我們這節(jié)課的內(nèi)容是人工智能應(yīng)用的一個雛形，但是只要我們繼續(xù)學(xué)習(xí)人工智能的知識，將來我們當(dāng)中可能會涌現(xiàn)一批人工智能的專家，制造出屬于我們國家的比“深藍(lán)”更好的人工智能工具。思考并回憶通過回顧，加深學(xué)生對本節(jié)內(nèi)容的認(rèn)識。同時利用情感的升華，再次激起他們學(xué)習(xí)人工智能的興趣。教學(xué)評價在本節(jié)課中，主要是利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的“評價”欄目讓學(xué)生對自己的學(xué)習(xí)情況及表現(xiàn)進(jìn)行自我評價和交流。教學(xué)反思本節(jié)課教師要詳細(xì)介紹各種搜索方法，讓學(xué)生了解搜索的基本原理和方法，并能嘗試用搜索方法求解實(shí)際問題，講解時一定要注意結(jié)合實(shí)例，從簡