用可視化編程建模解決問題的實(shí)踐

章文

教材分析

本課是江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社出版的小學(xué)《信息技術(shù)》五年級《克隆飛機(jī)大戰(zhàn)》一課的外延內(nèi)容。本課主要學(xué)習(xí)任務(wù)是用“克隆”控件結(jié)合“移動”控件模擬人群活動的分布，利用“偵測”結(jié)合條件語句實(shí)現(xiàn)健康者碰到感染者即被感染的效果。涉及的知識點(diǎn)有：克隆、重復(fù)執(zhí)行、變量的計(jì)算和應(yīng)用、顏色偵測、條件判斷。2019年12月，湖北省武漢市陸續(xù)出現(xiàn)多例新型冠狀病毒感染的肺炎患者，疫情逐漸地蔓延、擴(kuò)散。開學(xué)后針對此次疫情，筆者設(shè)計(jì)了相關(guān)外延內(nèi)容。本課的設(shè)計(jì)意圖重在讓學(xué)生意識到計(jì)算機(jī)還可以通過建立模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，從而借助分析結(jié)果做決策。

學(xué)情分析

本課教學(xué)對象為小學(xué)五年級學(xué)生，經(jīng)過可視化編程軟件基礎(chǔ)部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，他們已經(jīng)掌握克隆、偵測、變量、重復(fù)語句、條件判斷語句的使用規(guī)則。本節(jié)課，筆者根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的生活情境中分析實(shí)際問題，在完成任務(wù)的過程中掌握知識點(diǎn)，能熟練地將各模塊的指令結(jié)合應(yīng)用。通過學(xué)生自主探究，建立模擬“人群活動范圍對疫情傳播的影響”的數(shù)據(jù)模型，提高學(xué)生的知識遷移能力、獨(dú)立分析問題的能力和動手實(shí)踐能力。

教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：運(yùn)用“克隆”控件、“移動”和隨機(jī)函數(shù)，掌握實(shí)現(xiàn)人群隨機(jī)活動的方法;運(yùn)用偵測和判斷控件，掌握實(shí)現(xiàn)健康者碰到感染者被感染的方法。

過程與方法目標(biāo)：通過數(shù)據(jù)模擬，了解利用可視化編程軟件能建立模型。

情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：了解可視化編程不一樣的用途，產(chǎn)生深入學(xué)習(xí)的興趣;通過使用可視化編程軟件解決問題，體驗(yàn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬的作用。

行為與創(chuàng)新目標(biāo)：學(xué)以致用，嘗試借助可視化編程模擬問題;嘗試借助數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果做決策，解決生活中的實(shí)際問題。

教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：利用“克隆”控件控制角色變化;巧用偵測實(shí)現(xiàn)健康者被感染者感染，結(jié)合條件判斷變量的邏輯運(yùn)算。

難點(diǎn)：了解可視化編程能建立模型，嘗試借助數(shù)據(jù)模擬的結(jié)果做決策。

教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，激趣導(dǎo)入

師：同學(xué)們，一場新型冠狀病毒的侵襲讓我們這個寒假被迫延長，居家隔離。在新冠疫情爆發(fā)期間，為什么不能出門？網(wǎng)上有一個視頻解釋了原因，讓我們來看一看。（播放視頻《為什么現(xiàn)在不能出門》，揭示本節(jié)課任務(wù)：借助可視化編程軟件幫助人們理解這個問題做決策）

我們以往使用可視化編程軟件來做動畫和游戲，今天將借助它來模擬人們活動范圍的大小對疫情傳播速度的影響（設(shè)置黑色圓點(diǎn)的健康者，通過“克隆”復(fù)制出一定數(shù)量的健康人群，健康人群隨機(jī)出現(xiàn)于舞臺上，朝任意方向按指定的活動范圍——步數(shù)進(jìn)行移動。當(dāng)人群中出現(xiàn)紅色圓點(diǎn)代表的感染者時(shí)，如果健康人群碰到感染者會被感染變成紅色。通過改變變量“活動范圍”的數(shù)值，可以觀察其對疫情傳播速度的影響）。

設(shè)計(jì)意圖：建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。在此主要用于預(yù)測人群活動范圍的大小對疫情傳播速度的影響。通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生身邊的情境，揭示在實(shí)際生活中人們時(shí)常會使用計(jì)算機(jī)建模，進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，分析問題求解。通過演示可視化編程軟件制作的模型效果和提出本節(jié)課研究的問題是什么，讓學(xué)生明確接下來要借助什么工具解決什么問題。

2.分析問題，建立模型

（1）角色的分析

師：在模擬問題研究前，首先要明確這個問題中涉及哪幾個角色？

生：健康者、感染者。

師：健康者碰到感染者會怎樣呢？

生：會被感染。

師：所以，健康者有兩個造型，分別是健康狀態(tài)和感染狀態(tài)。（教師展示半成品，學(xué)生打開“學(xué)生使用”文件，如圖1所示）

任務(wù)一：克隆健康者。

師：我們可以看到舞臺上只有一個健康者，怎樣可以出現(xiàn)一群健康者呢？

生：克隆健康者。

師：克隆多少個呢？

生1：克隆50個。

生2：克隆200個。

生3：克隆500個。

師：克隆的健康者要能全部呈現(xiàn)在舞臺上，還要便于觀察疫情的傳播效果，所以為了模擬的效果更好，我們可以先試試200個健康者，如果參數(shù)不合適后面再調(diào)整。健康者本體的初始狀態(tài)是什么？一開始要出現(xiàn)在舞臺上嗎？克隆出的健康者在舞臺上的初始狀態(tài)又是什么？

生：健康者本體隱藏，克隆體出現(xiàn)。

師：是什么控制指令控制克隆體出現(xiàn)？

生：當(dāng)作為克隆體啟動時(shí)。

學(xué)生操作完成任務(wù)一。

設(shè)計(jì)意圖：建模過程的主要活動包括確定數(shù)據(jù)及其相關(guān)過程，定義數(shù)據(jù)，定義操作過程，選擇數(shù)據(jù)存儲技術(shù)?！敖巧姆治觥边@一部分通過描述和分析本節(jié)課的問題，將抽象的現(xiàn)實(shí)問題轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能理解的數(shù)據(jù)。引導(dǎo)學(xué)生分析情境，理清角色關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。

（2）問題的分解

師：與問題相關(guān)的角色以及角色的狀態(tài)都考慮好了，那請你們再想一想模擬這個問題分為哪幾步？

生：健康人群活動，感染者出現(xiàn)，感染健康者……

教師總結(jié)：健康人群隨機(jī)活動、感染者出現(xiàn)并傳染健康者。

設(shè)計(jì)意圖：這一部分將本節(jié)課的問題分解成兩個小問題，分解時(shí)配上不同小問題的視頻效果，更利于學(xué)生理解。理清任務(wù)順序，培養(yǎng)學(xué)生將大問題分解成小問題解決的能力。

（3）用程序解決

任務(wù)二：健康人群隨機(jī)活動。

分析問題：

師：健康人群一開始出現(xiàn)在舞臺上的什么位置？

生：在隨機(jī)的位置，X范圍在-240～240之間，Y范圍在-180～180之間。

師：健康者的活動方向是怎樣的？

生：面向隨機(jī)方向。

師：假設(shè)我們現(xiàn)在是居家隔離中，活動時(shí)移動的步數(shù)設(shè)置多少合適呢？

生：移動范圍較小，可以設(shè)置1步。

師：在這個任務(wù)的腳本中，什么指令是重復(fù)執(zhí)行的？

生：面向隨機(jī)方向移動。

學(xué)生操作完成任務(wù)二，如下頁圖2所示。

教師巡視，解決問題，并且提示做完的學(xué)生思考右上角的視頻效果是怎么實(shí)現(xiàn)的。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生分析，注重引導(dǎo)學(xué)生思考的方向和全面性。此外，右上角提供下一個任務(wù)的視頻，注重上課環(huán)節(jié)中的“多元學(xué)”，為每個學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展提供平等的機(jī)會，關(guān)注學(xué)生的個體差異，使每個學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能都得到發(fā)展。

任務(wù)三：感染者出現(xiàn)并傳染健康者。

師：此時(shí)出現(xiàn)了一個感染者，他是如何出現(xiàn)在舞臺上的？又是如何活動的？

生：隨機(jī)出現(xiàn)并且隨機(jī)活動，跟健康者是一樣的。

師：一樣的指令如何快速搭建？注意感染者的出現(xiàn)是另一個事件，觸發(fā)該事件的控制指令可以是什么？

學(xué)生回答并請學(xué)生演示。（提示：需要復(fù)制的是哪些腳本？控制感染者出現(xiàn)的指令是什么？健康者本體和克隆體的兩個腳本是不是都要復(fù)制？）

學(xué)生操作完成任務(wù)。

設(shè)計(jì)意圖：利用復(fù)制可以快速編寫腳本，在解決復(fù)雜問題時(shí)節(jié)省編程時(shí)間。計(jì)算機(jī)語言有其特定的規(guī)則和思維方式，復(fù)制是其便利性之一。但是算法的每一步操作，順序和內(nèi)容都必須確切定義，而不得有任何歧義。在復(fù)制腳本時(shí)，教師需要引導(dǎo)學(xué)生明確需要復(fù)制的腳本是什么，控制其執(zhí)行的指令是什么，培養(yǎng)學(xué)生解決問題時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)整的邏輯思維。

師：現(xiàn)在感染者已經(jīng)出現(xiàn)了，如何實(shí)現(xiàn)健康者碰到感染者變成感染狀態(tài)呢？

生：判斷語句、顏色偵測和切換造型。

師：是的，這也是用純色表示兩個角色的原因，便于使用顏色偵測控件。

學(xué)生操作完成任務(wù)，如圖3所示。

教師巡視，解決問題。（預(yù)設(shè)問題：在使用顏色偵測控件時(shí)，“黑色碰到紅色”和“碰到紅色”哪個更好？如果使用“碰到角色感染者”偵測，可不可以呢？）

展示學(xué)生作品，邀請學(xué)生一邊演示，一邊描述自己編寫的腳本含義。

設(shè)計(jì)意圖：引入“偵測+判斷”模擬健康者被感染的效果，利用偵測、判斷語句和切換造型完成任務(wù)。用語言表達(dá)邏輯思路，再將邏輯轉(zhuǎn)換為腳本。算法的確定性表明，算法的每一步操作，順序和內(nèi)容都必須確切定義，而不得有任何歧義。在偵測中，不能使用“碰到紅色”，因?yàn)楸仨毷呛谏龅郊t色，“健康者”才會切換到“感染狀態(tài)”;同樣也不能使用“碰到角色感染者”，因?yàn)椤敖】嫡摺钡摹案腥緺顟B(tài)”同樣具有感染性。

（4）程序的完善

任務(wù)四：增加變量“活動范圍”。

師：當(dāng)我們的活動范圍變大時(shí)，如何在程序中體現(xiàn)呢？

生：調(diào)整移動步數(shù)的參數(shù)。

師：從觀看者的使用角度考慮，怎么知道活動范圍是多少呢？（展示視頻）這樣是不是更清晰？如何做出這個效果呢？

生：讓活動范圍的數(shù)值顯示在舞臺上，建立變量。

師：活動范圍是一個變量，如何賦值呢？如何應(yīng)用變量呢？

生：將變量的初始值設(shè)定為一個數(shù)值，直接將變量作為參數(shù)使用。

師小結(jié)：變量的設(shè)置有助于增加模擬過程中的便利性。請同學(xué)們設(shè)置成功后，修改參數(shù)，驗(yàn)證程序的合理性。

學(xué)生操作完成任務(wù)四。

設(shè)計(jì)意圖：進(jìn)一步完善程序，從用戶視角考慮問題，在需要時(shí)提出變量，讓學(xué)生理解變量的運(yùn)用。同時(shí)，讓學(xué)生知道程序需要被驗(yàn)證，在驗(yàn)證中不斷完善。例如，這里增加變量“活動范圍”，一來活動范圍的大小直接顯示在舞臺上，便于使用者了解是什么活動范圍影響下的疫情傳播效果;二來每次試驗(yàn)時(shí)，只需要修改活動范圍的參數(shù)即可。

3.拓展提升，繼續(xù)完善

師：模擬問題是為了幫助我們確定答案做決策，它需要盡可能精準(zhǔn)，這樣顯示結(jié)果和事實(shí)才能最大程度接近?，F(xiàn)在程序已經(jīng)完成了，如果要讓使用者能更清晰地比較相同時(shí)間內(nèi)不同活動范圍對疫情傳播的影響，我們還能如何完善呢？

生1：增加變量“健康人數(shù)”。

生2：增加變量“感染人數(shù)”。

生3：增加計(jì)時(shí)功能。

生4：增加醫(yī)療人員。

學(xué)生暢所欲言，根據(jù)自己的想法繼續(xù)完善作品。

教師展示學(xué)生作品，如圖4所示。

設(shè)計(jì)意圖：使用模型模擬問題，具備簡單快捷、經(jīng)濟(jì)有效、便于操作和試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，通過修改模型中的數(shù)據(jù)，可以對“不同活動范圍對疫情傳播的影響”做出客觀分析，便于人們根據(jù)數(shù)據(jù)模擬的分析結(jié)果做出決策。同時(shí)，讓學(xué)生意識到解決問題的途徑不止一種，程序總是在不斷修改中完善的。

4.課堂總結(jié)，銜接生活

師：生活中遇到問題時(shí)，可以借助計(jì)算機(jī)模擬和預(yù)測，如人們應(yīng)用蒙特·卡羅方法求解圓周率。請同學(xué)們仔細(xì)觀察N和π值的變化，可以發(fā)現(xiàn)一開始數(shù)據(jù)較少時(shí)，模擬的結(jié)果并不準(zhǔn)確，但是當(dāng)模擬的數(shù)據(jù)越來越多時(shí)，推測出的范圍越來越接近圓周率的標(biāo)準(zhǔn)值。今天我們將活動范圍轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能理解的數(shù)據(jù)，初步了解到借助計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模擬的分析結(jié)果能幫助人們做決策，其實(shí)這種方法已經(jīng)應(yīng)用到人工智能等更多的領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)意圖：可視化編程的應(yīng)用領(lǐng)域不只是游戲和動畫，通過將客觀事物轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能理解的數(shù)據(jù)，借助其建模可以進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，從而根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果做出決策。

教學(xué)反思

在本課的教學(xué)過程中，筆者設(shè)計(jì)了四個任務(wù)推進(jìn)數(shù)據(jù)建模，以解決問題的一般方法貫穿全課，最終讓學(xué)生能獨(dú)立分析問題求解。筆者基于學(xué)生的原有認(rèn)知和已具備的能力，設(shè)計(jì)時(shí)下熱門話題的相關(guān)活動，通過建模研究“人群活動范圍對疫情傳播的影響”，有利于激發(fā)學(xué)生對計(jì)算機(jī)語言學(xué)習(xí)和應(yīng)用的興趣。學(xué)生在數(shù)據(jù)模擬的過程中，自主嘗試并且歸納出計(jì)算機(jī)語言解決問題的一般步驟：角色的分析、問題的分解、用程序解決、程序的完善。在操作中，學(xué)生通過數(shù)據(jù)模擬，了解利用可視化編程建立模型預(yù)測的方法，解決生活中的實(shí)際問題，認(rèn)識到計(jì)算機(jī)語言應(yīng)用的廣泛性，體驗(yàn)其便利性。