2.1解決問題的一般過程和用計算機解決問題教學設計人教-中圖版高中信息技術必修1

第2章算法與程序實現(xiàn)2.1解決問題的一般過程和用計算機解決問題教學設計教學背景信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達的信息及其應用中的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)。當代高速發(fā)展的信息科技對全球經濟、社會和文化發(fā)展起著越來越重要的作用。義務教育信息科技課程具有基礎性、實踐性和綜合性，為高中階段信息技術課程的學習奠定基礎。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培育社會主義核心價值觀，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)課的教學內容選自人教/地圖出版社第2章算法與程序實現(xiàn)2.1解決問題的一般過程和用計算機解決問題，信息技術的發(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車施救演練。在全程近7km的路段中，救護車獲準優(yōu)先通行21次，平均行駛速度達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)實版的生死時速演練案例中，批準救護車優(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)內的主要路口信號燈，通過各類數(shù)據(jù)感知交通態(tài)勢，進而優(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計對大數(shù)據(jù)進行綜合應用的奇妙之處。算法與程序浸潤在我們生活的各個方面。計算機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雜的事情，主要借助于其中功能各異的程序。在本章的學習中，我們將通過“編程控燈利出行”項目活動，學習如何利用編程的方式實現(xiàn)算法并解決問題，從而發(fā)展計算思維，掌握利用計算思維解決問的方法與策略。學情分析此節(jié)課針對的對象是高一年級的學生，學生對信息技術的關鍵技術以及信息技術對生活與學習的影響有一定的了解，但對所學內容只是體驗性和經驗性的認識。依據(jù)解決問題的需要，設計和描述簡單算法;利用程序設計語言實現(xiàn)簡單算法，解決實際問題。教學目標1.經歷用計算機解決問題的基本過程，并能應用于實際問題的解決。2.體驗編程解決問題的基本方法，提高學習算法與程序的興趣，發(fā)展計算思維。教學重點與難點嘗試用計算機解決問題的基本過程。教學方法與教學手段案例分析法、講授法、任務驅動法。教學過程問題導入提出問題，引發(fā)思考：在日常生活和學習中試說明大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)的區(qū)別。體驗探索兩種不同的叫車方式小明同學準備和父母一起乘飛機外出旅游，為了盡快趕到機場，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絡約車。思考：1.針對上面的情境，比較“招手叫車”和“網絡約車”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叫車步驟與過程便捷程度招手叫車網絡約車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：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。不同點：＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。解決問題的一般過程生活中人們經常會面對各種各樣的“問題”，諸如探索自然、了解社會、認識自我等。在解決這些問題的過程中，人們逐漸把握規(guī)律，認識真理。解決問題就是要在已知條件和可能的結果之間尋求具體的途徑與方法，并應用它們實現(xiàn)目標。通常，解決問題的過程需要經歷一系列的思維和實踐活動。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行交通疏導的一般過程和方法。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，以及解決問題并驗證結果等階段，如圖2.1.2所示。分析問題→尋找解決問題的途徑與方法→解決問題并驗證結果1.分析問題分析問題主要包括調查、收集與問題相關的資料，明確問題的目標、條件和所涉及的相關知識與規(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：維護交通秩序，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)則相關聯(lián)，設計問題求解的方案，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，結合已有經驗，“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.解決問題并驗證結果最后，要依據(jù)確定的求解方法進行問題解決，考查所得到的解答，通過檢驗答案和評估效果，實現(xiàn)問題的最終解決。在方案執(zhí)行過程中，如果發(fā)現(xiàn)結果沒有達到預期，就需要調整解決方案。例如，交通警察指揮交通時，使用手勢信號進行指揮和疏導，協(xié)調與控制道路交通。他（她）還要根據(jù)道路實際狀況，適時調整指揮方案，以便提高通行效率。用計算機解決問題的過程計算機具有運算速度快、計算精確度高、邏輯運算能力強、存儲容量大和自動化程度高等特點。因此，利用計算機解決問題，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)就是利用計算機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，科學分配道路上車輛、行人的通行權，使之有秩序地順利通行。隨著物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術的發(fā)展，交通信號燈控制系統(tǒng)還可以根據(jù)聯(lián)網數(shù)據(jù)精準地自動調節(jié)紅綠燈的時長，實現(xiàn)多路口信號燈的智能聯(lián)動控制。思考活動用計算機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施。我們可以用計算機程序模擬控制紅綠燈的變化，例如編程實現(xiàn)一個“燈”由紅色變?yōu)榫G色的效果。思考：結合前面交通警察指揮交通的過程，分析用計算機編程解決該問題的過程，思考二者有何不同。用計算機解決問題即讓計算機按照程序執(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。利用計算機編程的方式進行問題求解時，通常需要經歷分析問題、設計方案、編程調試和解決問題等環(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修正，直至問題得到有效解決。分析問題用計算機編程解決問題時，需要對問題進行分析，明確問題的目標和條件等，需要把問題進行抽象，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)終止狀態(tài)紅燈變亮紅燈持續(xù)顯示綠燈變亮設計方案計算機編程解決問題的設計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立的功能，每個功能完成一個特定的任務。如果分解的某些功能仍然比較復雜，還可再進行細分，如圖2.1.4所示。設計方案的過程中，人們進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，在設計“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)到終止狀態(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行詳細的操作步驟設計，給出問題求解的具體過程和方法，即進行算法設計。編程調試1.編寫程序編寫程序就是利用計算機程序設計語言描述算法，實現(xiàn)問題求解的過程。在計算機領域，程序是一組可執(zhí)行的計算機指令。程序設計語言是編寫程序所使用的計算機語言。隨著計算機技術的發(fā)展，程序設計語言經歷了從機器語言、匯編語言到高級語言的發(fā)展歷程。高級語言的出現(xiàn)為計算機的應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，雖然它們的特點各不相同，但編程解決問題的過程同一些基本的程序設計規(guī)則和方法卻是相似的。因此在學習某種語言后，應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，擁有豐富的擴展功能模塊（有些時候一個模塊不能獨立地解決某一類問題，軟件工程師就把這些相關的模塊組織到一起形成“庫”），可以支持復雜的數(shù)據(jù)處理，在數(shù)據(jù)分析和人工智能等領域都有廣泛的應用。2.調試程序編寫完成的程序，需要進行調試運行。一般，調試程序不僅要發(fā)現(xiàn)錯誤，分析其產生的原因，并進行改正；還要對運行的結果進行分析和驗證，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，或以獨立行的形式單獨存在，或寫在程序語句后。例如：#初始化紅綠燈——獨立行注釋importturtle#導入可以繪制圖形的Python內置模塊turtle——語句后的注釋實踐活動Python程序的修改與運行運行教學資源平臺提供的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#導入可以繪制圖形的Python內置turtle模塊importtime#導入與時間處理有關的Python內置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的程序代碼。2.如果將紅燈持續(xù)顯示時長設為30s，應該如何修改程序？閱讀拓展程序設計語言在用計算機編程解決問題的過程中，確定問題求解的算法后，還需要通過程序設計語言把算法轉換成計算機可運行的程序。程序設計語言經歷了從低級語言到高級語言的發(fā)展，其中，機器語言、匯編語言和高級語言各有不同的特點，如表2.1.3所示。表2.1.3機器語言、匯編語言與高級語言的特點比較程序設計語言特點機器語言是用二進制數(shù)表示的機器碼集合，可以被計算機直接執(zhí)行匯編語言是面向機器的程序設計語言，用“助記符”來代替機器碼進行編程高級語言是獨立于機器的面向過程或對象的程序設計語言，語法結構接近人類自然語言，便于編寫和理解，其表達方式接近于被描述的問題，通用性和可移植性好項目實施確定項目問題的解決方案一、項目活動隨著經濟的發(fā)展與社會的進步，智慧交通成為智慧城市建設的重要組成部分。“編程控燈利出行”項目通過程序設計，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，實現(xiàn)交通管理的人性化和智能化。1.明確項目問題。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，當信號燈變?yōu)榫G燈后，便可通過。這種裝置實現(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。本章項目研究的主要任務就是通過編程，模擬實現(xiàn)這種“自助式人行過街紅綠燈”的效果，體驗程序設計的一般方法。圍繞“自助式人行過街紅綠燈”問題，進行調查分析。查閱資料，了解交通信號燈配置方面的相關知識，確定項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)變化信號燈終止狀態(tài)2.分解項目功能。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、項目檢查分析項目活動的主要問題，梳理項目功能，制訂解決問題的方案。課后作業(yè)練習提升1.隨著移動設備的普及，越來越多的人使用移動應用程序解決問題。與同伴分享一款自己感興趣的移動應用程序，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列舉移動應用程序解決問題移動應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，用思維導圖描述它們的特點。3.設計拓展活動項目，實現(xiàn)更多個性化問題的求解。結合生活或學習需求，提出想要解決的問題，如編寫