義務教育版（2024）五年級信息科技 第30課 生命游戲的算法 課件

（義務教育版）五年級全一冊第30課

生命游戲的算法學習目標激趣導入學習活動思考-討論實踐探究課堂小結拓展-提升單元主題單元主題單元名稱課名稱核心內容第八單元人工智能中的算法第28課認識決策樹算法人工智能應用中的決策樹算法，決策樹算法的應用場景。第29課智能工具再體驗生成式人工智能及其應用。第30課生命游戲有規(guī)則生命游戲中的進化規(guī)則及其算法思想。學習目標了解生命游戲的演化過程。通過圖示的方法，認識生命游戲中的算法規(guī)則。通過簡單的游戲體驗，初步領會簡單規(guī)則也可能產生較復雜的模式。激趣導入【趣味故事】在遙遠的數(shù)字王國里，有一片神秘的土地。在這片土地上，生活著一群特殊的“居民”。它們沒有實體的身體，卻有著自己的生存法則。有一天，一個勇敢的小數(shù)字探險家來到了這片土地，他發(fā)現(xiàn)這些“居民”的生活方式非常奇特，它們的誕生、繁衍和消亡都遵循著一套神秘的規(guī)律。同學們，你們想不想知道這個規(guī)律是什么？激趣導入【建構】這個規(guī)律就是我們今天要學習的生命游戲算法。讓我們跟隨小數(shù)字探險家的腳步，一起去揭開這個神秘算法的秘密。學習活動一、生命游戲中的算法規(guī)則二、體驗生命游戲進化規(guī)則三、試玩“生命游戲”程序學習活動活動1：生命游戲中的算法規(guī)則一學習活動一、生命游戲中的算法規(guī)則最初的生命游戲模擬的是一種原始形態(tài)的“生命”如何按照特定的規(guī)則一代接一代地進行演化，并由此得名。在生命游戲中，有很多小方塊，每個小方塊都有兩種狀態(tài)。我們可以把這些小方塊看作是燈泡，兩種狀態(tài)分別對應著燈泡的“點亮”或“熄滅”。學習活動一、生命游戲中的算法規(guī)則游戲開始時，在一個平面網(wǎng)格中，可以設置若干個點亮的燈泡，表示原始狀態(tài)的“初始構型”，下圖所示就是一個初始構型的例子。接著設定表示進化的“代”數(shù)，這兩個部分構成算法的輸入。學習活動一、生命游戲中的算法規(guī)則生命游戲的算法規(guī)則（即進化規(guī)則）可以歸納為兩條。規(guī)則1：一個點亮的燈泡周圍有2個或3個點亮的燈泡，就會繼續(xù)點亮；它周圍有少于2個或多于3個點亮的燈泡，就會熄滅。

例如，下圖中心位置的燈泡，用規(guī)則1來檢查它周圍的狀態(tài)，也就是作用規(guī)則1，發(fā)現(xiàn)它仍然可以保持點亮狀態(tài)。學習活動一、生命游戲中的算法規(guī)則生命游戲的算法規(guī)則（即進化規(guī)則）可以歸納為兩條。規(guī)則2：一個熄滅的燈泡周圍剛好有3個點亮的燈泡，才會被點亮。否則，它周圍有少于3個或多于3個點亮的燈泡，就會保持熄滅狀態(tài)。例如，下圖中心位置的燈泡，作用規(guī)則2后保持熄滅狀態(tài)。學習活動一、生命游戲中的算法規(guī)則【注意】作用規(guī)則到指定的代數(shù)后進化就會停止，停止之后的網(wǎng)格構型就可以認為是算法的輸出。學習活動活動2：體驗生命游戲進化規(guī)則二學習活動二、體驗生命游戲進化規(guī)則以下圖中的4個初始構型為例，進一步學習了解如何作用這些規(guī)則。*（注：圖中的綠色方格代表點亮狀態(tài)，空白代表熄滅狀態(tài)）學習活動二、體驗生命游戲進化規(guī)則第1步：把圖中的4個構型作用于進化規(guī)則，完成第一代進化。例如，左上角的構型有三個點亮的燈泡，作用規(guī)則1后，一個繼續(xù)點亮、兩個變成熄滅狀態(tài)。同時作用規(guī)則2后中間一個被點亮。

圖中的橙色和藍色用來臨時表示進化的過程，橙色方格表示該位置即將由點亮變?yōu)橄?，藍色表示該位置即將由熄滅變成點亮。學習活動二、體驗生命游戲進化規(guī)則下圖是對4個初始構型分別作用一輪進化規(guī)則后的狀態(tài)。學習活動二、體驗生命游戲進化規(guī)則第2步：把第一代進化的結果作為初始構型，繼續(xù)作用進化規(guī)則，就會得到第二代、第三代，也會產生一些更有趣的現(xiàn)象。例如，對第一代進化后右下角的構型繼續(xù)作用規(guī)則，得到第二代、第三代的進化結果，如下圖所示。思考-討論二、體驗生命游戲進化規(guī)則【想一想】同學們，到現(xiàn)在為止，你們有沒有發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？學習活動二、體驗生命游戲進化規(guī)則【小試牛刀】繼續(xù)用其他幾個構型嘗試，觀察發(fā)生的變化。學習活動活動3：試玩“生命游戲”程序三實踐探究三、試玩“生命游戲”程序【玩一玩】第1步：打開“生命游戲”的Python程序。第2步：運行這個程序，試著玩一玩。第3步：觀察、體會游戲中的算法及其進化規(guī)則。實踐探究【附——參考程序】importnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotaspltimportmatplotlib.animationasanimationdefupdate(frame_num,img,board,N):new_board=board.copy()foriinrange(N):forjinrange(N):total=int((board[i,(j-1)%N]+board[i,(j+1)%N]+board[(i-1)%N,j]+board[(i+1)%N,j]+board[(i-1)%N,(j-1)%N]+board[(i-1)%N,(j+1)%N]+board[(i+1)%N,(j-1)%N]+board[(i+1)%N,(j+1)%N]))ifboard[i,j]==1and(total<2ortotal>3):new_board[i,j]=0elifboard[i,j]==0andtotal==3:new_board[i,j]=1img.set_data(new_board)board[:]=new_board[:]returnimg,defmain():N=50update_interval=50board=np.random.choice([0,1],N*N,p=[0.2,0.8]).reshape(N,N)fig,ax=plt.subplots()img=ax.imshow(board,interpolation='nearest')ani=animation.FuncAnimation(fig,update,fargs=(img,board,N,),frames=100,interval=update_interval,save_count=50)plt.show()if__name__=='__main__':main()課堂小結2體驗生命游戲進化規(guī)則3試玩“生命游戲”程序1生命游戲中的算法規(guī)則第1步：把圖中的4個構型作用于進化規(guī)則，完成第一代進化。第2步：把第一代進化的結果作為初始構型，繼續(xù)作用進化規(guī)則，就會得到第二代、第三代，也會產生一些更有趣的現(xiàn)象。第3步：繼續(xù)用其他幾個構型嘗試，觀察發(fā)生的變化。規(guī)則1：一個點亮的燈泡周圍有2個或3個點亮的燈泡，就會繼續(xù)點亮；它周圍有少于2個或多于3個點