2.1解決問題的一般過程和用計(jì)算機(jī)解決問題教學(xué)設(shè)計(jì)人教-中圖版高中信息技術(shù)必修1

第2章算法與程序?qū)崿F(xiàn)2.1解決問題的一般過程和用計(jì)算機(jī)解決問題教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)背景信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過程和工程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)代高速發(fā)展的信息科技對全球經(jīng)濟(jì)、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價(jià)值觀，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。教材分析本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容選自人教/地圖出版社第2章算法與程序?qū)崿F(xiàn)2.1解決問題的一般過程和用計(jì)算機(jī)解決問題，信息技術(shù)的發(fā)展與普及為我們創(chuàng)造了一個全新的數(shù)字化生活環(huán)境。它們在給我們帶來生活便利的同時，也在逐漸地改變著我們的生活方式。2017年10月的一天，在杭州市中心路段開展了一場救護(hù)車施救演練。在全程近7km的路段中，救護(hù)車獲準(zhǔn)優(yōu)先通行21次，平均行駛速度達(dá)36km/h，相較于該路段常規(guī)通行時間，省時近900s。優(yōu)先通行“搶”出的這十幾分鐘，可能就是挽回病患生命的“黃金”時間。在這個現(xiàn)實(shí)版的生死時速演練案例中，批準(zhǔn)救護(hù)車優(yōu)先通行的正是杭州“城市大腦”工程的“交通模塊”。截至2018年初，杭州的“城市大腦”已接管了市區(qū)內(nèi)的主要路口信號燈，通過各類數(shù)據(jù)感知交通態(tài)勢，進(jìn)而優(yōu)化信號燈配時，使車輛通行速度提升近15%。這就是通過算法與程序設(shè)計(jì)對大數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合應(yīng)用的奇妙之處。算法與程序浸潤在我們生活的各個方面。計(jì)算機(jī)與移動終端已成為生活中不可或缺的工具，它們之所以能夠幫助人們處理各種復(fù)雜的事情，主要借助于其中功能各異的程序。在本章的學(xué)習(xí)中，我們將通過“編程控?zé)衾鲂小表?xiàng)目活動，學(xué)習(xí)如何利用編程的方式實(shí)現(xiàn)算法并解決問題，從而發(fā)展計(jì)算思維，掌握利用計(jì)算思維解決問的方法與策略。學(xué)情分析此節(jié)課針對的對象是高一年級的學(xué)生，學(xué)生對信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)以及信息技術(shù)對生活與學(xué)習(xí)的影響有一定的了解，但對所學(xué)內(nèi)容只是體驗(yàn)性和經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)識。依據(jù)解決問題的需要，設(shè)計(jì)和描述簡單算法;利用程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)簡單算法，解決實(shí)際問題。教學(xué)目標(biāo)1.經(jīng)歷用計(jì)算機(jī)解決問題的基本過程，并能應(yīng)用于實(shí)際問題的解決。2.體驗(yàn)編程解決問題的基本方法，提高學(xué)習(xí)算法與程序的興趣，發(fā)展計(jì)算思維。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)嘗試用計(jì)算機(jī)解決問題的基本過程。教學(xué)方法與教學(xué)手段案例分析法、講授法、任務(wù)驅(qū)動法。教學(xué)過程問題導(dǎo)入提出問題，引發(fā)思考：在日常生活和學(xué)習(xí)中試說明大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)的區(qū)別。體驗(yàn)探索兩種不同的叫車方式小明同學(xué)準(zhǔn)備和父母一起乘飛機(jī)外出旅游，為了盡快趕到機(jī)場，父母決定到小區(qū)門口招手叫輛出租車，而小明則建議通過叫車軟件網(wǎng)絡(luò)約車。思考：1.針對上面的情境，比較“招手叫車”和“網(wǎng)絡(luò)約車”兩種方式的不同，完成表2.1.1。表2.1.1兩種叫車方式的分析叫車方法叫車地點(diǎn)叫車步驟與過程便捷程度招手叫車網(wǎng)絡(luò)約車2.從問題解決的過程和效率等方面，分析這兩種方法的異同。相同點(diǎn)：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。不同點(diǎn)：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。解決問題的一般過程生活中人們經(jīng)常會面對各種各樣的“問題”，諸如探索自然、了解社會、認(rèn)識自我等。在解決這些問題的過程中，人們逐漸把握規(guī)律，認(rèn)識真理。解決問題就是要在已知條件和可能的結(jié)果之間尋求具體的途徑與方法，并應(yīng)用它們實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。通常，解決問題的過程需要經(jīng)歷一系列的思維和實(shí)踐活動。思考活動交通指揮問題在無信號燈或者信號燈不能正常工作的路口，經(jīng)常會有交通警察在現(xiàn)場指揮交通，如圖2.1.1所示。思考：描述交通警察為保證道路暢通進(jìn)行交通疏導(dǎo)的一般過程和方法。人們解決問題的過程通常包括分析問題、尋找解決問題的途徑與方法，以及解決問題并驗(yàn)證結(jié)果等階段，如圖2.1.2所示。分析問題→尋找解決問題的途徑與方法→解決問題并驗(yàn)證結(jié)果1.分析問題分析問題主要包括調(diào)查、收集與問題相關(guān)的資料，明確問題的目標(biāo)、條件和所涉及的相關(guān)知識與規(guī)則等，找出已知與未知之間的聯(lián)系。例如，交通警察在指揮交通時，要對道路的交通流量情況進(jìn)行觀察，及時了解各條道路的路況信息，明確問題求解的目標(biāo)：維護(hù)交通秩序，提高通行效率，保障交通安全。2.尋找解決問題的途徑與方法明確要解決的問題后，需要將待解決的問題與已知條件或已有的規(guī)則相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)問題求解的方案，包括具體的途徑和方法等。例如，交通警察依照工作規(guī)范，通過對道路通行狀況的分析，結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，“想”出問題解決的具體過程和方法，指揮來往車輛和行人有序通行。3.解決問題并驗(yàn)證結(jié)果最后，要依據(jù)確定的求解方法進(jìn)行問題解決，考查所得到的解答，通過檢驗(yàn)答案和評估效果，實(shí)現(xiàn)問題的最終解決。在方案執(zhí)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)結(jié)果沒有達(dá)到預(yù)期，就需要調(diào)整解決方案。例如，交通警察指揮交通時，使用手勢信號進(jìn)行指揮和疏導(dǎo)，協(xié)調(diào)與控制道路交通。他（她）還要根據(jù)道路實(shí)際狀況，適時調(diào)整指揮方案，以便提高通行效率。用計(jì)算機(jī)解決問題的過程計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、計(jì)算精確度高、邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)、存儲容量大和自動化程度高等特點(diǎn)。因此，利用計(jì)算機(jī)解決問題，能在一定程度上提高問題解決的效率。例如，交通信號控制系統(tǒng)就是利用計(jì)算機(jī)程序控制紅綠燈時長變化來指揮交通的，可以在節(jié)省人力的前提下，科學(xué)分配道路上車輛、行人的通行權(quán)，使之有秩序地順利通行。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，交通信號燈控制系統(tǒng)還可以根據(jù)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地自動調(diào)節(jié)紅綠燈的時長，實(shí)現(xiàn)多路口信號燈的智能聯(lián)動控制。思考活動用計(jì)算機(jī)程序控制交通信號燈“紅燈變綠燈”交通信號燈是國際通用的道路交通信號設(shè)施。我們可以用計(jì)算機(jī)程序模擬控制紅綠燈的變化，例如編程實(shí)現(xiàn)一個“燈”由紅色變?yōu)榫G色的效果。思考：結(jié)合前面交通警察指揮交通的過程，分析用計(jì)算機(jī)編程解決該問題的過程，思考二者有何不同。用計(jì)算機(jī)解決問題即讓計(jì)算機(jī)按照程序執(zhí)行指令。人們可以使用已有的程序，也可以根據(jù)需要自己編寫程序。利用計(jì)算機(jī)編程的方式進(jìn)行問題求解時，通常需要經(jīng)歷分析問題、設(shè)計(jì)方案、編程調(diào)試和解決問題等環(huán)節(jié)，如圖2.1.3所示。根據(jù)問題求解的需要，中間過程可能要反復(fù)修正，直至問題得到有效解決。分析問題用計(jì)算機(jī)編程解決問題時，需要對問題進(jìn)行分析，明確問題的目標(biāo)和條件等，需要把問題進(jìn)行抽象，通過建模的方式，界定和描述問題。問題描述的方式并不唯一，有的問題可用數(shù)學(xué)模型描述，有的問題可用文字、表格或圖形等形式描述。例如，“紅燈變綠燈”問題中，信號燈的初始狀態(tài)為紅燈變亮（禁止通行），并且紅燈要持續(xù)顯示一段時間，然后綠燈變亮（準(zhǔn)許通行），如表2.1.2所示。表2.1.2分析“紅燈變綠燈”問題初始狀態(tài)中間狀態(tài)終止?fàn)顟B(tài)紅燈變亮紅燈持續(xù)顯示綠燈變亮設(shè)計(jì)方案計(jì)算機(jī)編程解決問題的設(shè)計(jì)方案一般包括以下兩個環(huán)節(jié)：首先，根據(jù)需求分析，將問題按照求解過程分解為若干相對獨(dú)立的功能，每個功能完成一個特定的任務(wù)。如果分解的某些功能仍然比較復(fù)雜，還可再進(jìn)行細(xì)分，如圖2.1.4所示。設(shè)計(jì)方案的過程中，人們進(jìn)行問題分解的角度并不唯一，不同的角度所得的功能分解圖也會不盡相同。例如，在設(shè)計(jì)“紅燈變綠燈”問題的解決方案時，根據(jù)前面的問題分析，需要考慮信號燈由初始狀態(tài)到終止?fàn)顟B(tài)的變化過程，因此該問題可以分解為如圖2.1.5所示的三個功能。然后，針對分解的各個特定功能分別進(jìn)行詳細(xì)的操作步驟設(shè)計(jì)，給出問題求解的具體過程和方法，即進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。編程調(diào)試1.編寫程序編寫程序就是利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言描述算法，實(shí)現(xiàn)問題求解的過程。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，程序是一組可執(zhí)行的計(jì)算機(jī)指令。程序設(shè)計(jì)語言是編寫程序所使用的計(jì)算機(jī)語言。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，程序設(shè)計(jì)語言經(jīng)歷了從機(jī)器語言、匯編語言到高級語言的發(fā)展歷程。高級語言的出現(xiàn)為計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。目前，很多人都在使用高級語言編寫程序。高級語言有很多種，雖然它們的特點(diǎn)各不相同，但編程解決問題的過程同一些基本的程序設(shè)計(jì)規(guī)則和方法卻是相似的。因此在學(xué)習(xí)某種語言后，應(yīng)該具有將其中共性的思想和方法遷移到其他語言環(huán)境中進(jìn)行問題求解的能力。本章使用Python語言編寫程序解決具體問題。Python語言具有簡潔、明確等特點(diǎn)，擁有豐富的擴(kuò)展功能模塊（有些時候一個模塊不能獨(dú)立地解決某一類問題，軟件工程師就把這些相關(guān)的模塊組織到一起形成“庫”），可以支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，在數(shù)據(jù)分析和人工智能等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。2.調(diào)試程序編寫完成的程序，需要進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。一般，調(diào)試程序不僅要發(fā)現(xiàn)錯誤，分析其產(chǎn)生的原因，并進(jìn)行改正；還要對運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，判斷其是否正確和完整。在編寫程序時，為了便于閱讀和理解程序，通常會使用注釋。注釋語句是對程序代碼的解釋和說明，在運(yùn)行程序時不會被執(zhí)行。在編寫程序時，要養(yǎng)成添加注釋的良好習(xí)慣，以提高程序的可讀性。Python語言中的單行注釋是以“#”開頭的，或以獨(dú)立行的形式單獨(dú)存在，或?qū)懺诔绦蛘Z句后。例如：#初始化紅綠燈——獨(dú)立行注釋importturtle#導(dǎo)入可以繪制圖形的Python內(nèi)置模塊turtle——語句后的注釋實(shí)踐活動Python程序的修改與運(yùn)行運(yùn)行教學(xué)資源平臺提供的Python程序“紅燈變綠燈.py”，閱讀程序代碼，參照注釋語句分析程序功能。程序代碼如下：importturtle#導(dǎo)入可以繪制圖形的Python內(nèi)置turtle模塊importtime#導(dǎo)入與時間處理有關(guān)的Python內(nèi)置time模塊#初始化紅綠燈light=turtle.Turtle()light.hideturtle()light.screen.delay(0)#禁用繪制過程的動畫顯示#紅燈變亮light.color("red","red")light.begin_fill()light.circle(20)light.end_fill()#紅燈持續(xù)顯示time.sleep(15)#綠燈變亮light.color("green","green")light.begin_fill()light.circle(20)light.end_fill()1.根據(jù)圖2.1.5所示的“紅燈變綠燈”功能分解，分析每個功能所對應(yīng)的程序代碼。2.如果將紅燈持續(xù)顯示時長設(shè)為30s，應(yīng)該如何修改程序？閱讀拓展程序設(shè)計(jì)語言在用計(jì)算機(jī)編程解決問題的過程中，確定問題求解的算法后，還需要通過程序設(shè)計(jì)語言把算法轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可運(yùn)行的程序。程序設(shè)計(jì)語言經(jīng)歷了從低級語言到高級語言的發(fā)展，其中，機(jī)器語言、匯編語言和高級語言各有不同的特點(diǎn)，如表2.1.3所示。表2.1.3機(jī)器語言、匯編語言與高級語言的特點(diǎn)比較程序設(shè)計(jì)語言特點(diǎn)機(jī)器語言是用二進(jìn)制數(shù)表示的機(jī)器碼集合，可以被計(jì)算機(jī)直接執(zhí)行匯編語言是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，用“助記符”來代替機(jī)器碼進(jìn)行編程高級語言是獨(dú)立于機(jī)器的面向過程或?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，語法結(jié)構(gòu)接近人類自然語言，便于編寫和理解，其表達(dá)方式接近于被描述的問題，通用性和可移植性好項(xiàng)目實(shí)施確定項(xiàng)目問題的解決方案一、項(xiàng)目活動隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會的進(jìn)步，智慧交通成為智慧城市建設(shè)的重要組成部分?！熬幊炭?zé)衾鲂小表?xiàng)目通過程序設(shè)計(jì)，研究改善和優(yōu)化交通信號燈的控制策略，以提高交通出行效率，實(shí)現(xiàn)交通管理的人性化和智能化。1.明確項(xiàng)目問題。很多城市為了便于行人出行，會在道路上配置一種“自助式人行過街紅綠燈”，如圖2.1.6所示。行人按下過街按鈕，當(dāng)信號燈變?yōu)榫G燈后，便可通過。這種裝置實(shí)現(xiàn)了行人和交通信號燈之間的交互，體現(xiàn)了人性化的交通管理，可在一定程度上提高道路通行率。本章項(xiàng)目研究的主要任務(wù)就是通過編程，模擬實(shí)現(xiàn)這種“自助式人行過街紅綠燈”的效果，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的一般方法。圍繞“自助式人行過街紅綠燈”問題，進(jìn)行調(diào)查分析。查閱資料，了解交通信號燈配置方面的相關(guān)知識，確定項(xiàng)目問題求解模型并填寫表2.1.4。表2.1.4“自助式人行過街紅綠燈”問題分析表信號燈初始狀態(tài)單擊按鈕后，信號燈的狀態(tài)變化信號燈終止?fàn)顟B(tài)2.分解項(xiàng)目功能。根據(jù)對問題的分析，畫出“自助式人行過街紅綠燈”功能分解圖，制訂解決問題的方案。二、項(xiàng)目檢查分析項(xiàng)目活動的主要問題，梳理項(xiàng)目功能，制訂解決問題的方案。課后作業(yè)練習(xí)提升1.隨著移動設(shè)備的普及，越來越多的人使用移動應(yīng)用程序解決問題。與同伴分享一款自己感興趣的移動應(yīng)用程序，分析它能解決什么類型的問題，是如何解決問題的，完成表2.1.5。表2.1.5列舉移動應(yīng)用程序解決問題移動應(yīng)用程序可以解決的問題問題解決的過程2.查找Python和C語言（或其他高級語言）的資料，用思維導(dǎo)圖描述它們的特點(diǎn)。3.設(shè)計(jì)拓展活動項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)更多個性化問題的求解。結(jié)合生活或?qū)W習(xí)需求，提出想要解決的問題，如編寫