基于人工智能輔助技術(shù)的高中信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計(jì)

一、教學(xué)內(nèi)容

教材版本：人民教育出版社冊數(shù)：高中信息技術(shù)必修1課題名稱：算法及其特征

二、教材分析

（一）課標(biāo)分析

根據(jù)《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》，信息技術(shù)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，提高他們利用信息技術(shù)解決問題的能力。算法作為信息技術(shù)的核心內(nèi)容之一，是學(xué)生必須掌握的基本技能。“算法及其特征\"屬于必修模塊“數(shù)據(jù)與計(jì)算”中的“算法與程序設(shè)計(jì)\"部分，要求學(xué)生理解算法的基本概念，掌握算法的表示方法，并能夠分析算法的特征。

（二）單元分析

本章節(jié)圍繞算法展開，從算法的定義、表示方法到算法的特征，再到常見的算法策略，逐步深人。本節(jié)課是本單元的基礎(chǔ)，為后續(xù)學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)和程序打基礎(chǔ)。本節(jié)課通過具體案例，引導(dǎo)學(xué)生理解算法在解決實(shí)際問題中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和問題解決能力。

三、學(xué)情分析

高中學(xué)生已經(jīng)具備一定的邏輯思維能力和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對算法的概念有所了解，但缺乏系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐。學(xué)生對信息技術(shù)有一定的興趣，但對抽象的概念和理論可能感到枯燥，需要通過具體案例和實(shí)踐來激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

算法的特征和表示方法是本節(jié)課的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。學(xué)生可能難以準(zhǔn)確理解算法的有限性、確定性等特征，以及如何用自然語言、流程圖和程序來表示算法。枚舉法等算法策略的應(yīng)用也是學(xué)生需要掌握的內(nèi)容，但需要通過實(shí)踐來加深理解。

四、目標(biāo)設(shè)計(jì)

1.理解算法的定義和特征。掌握算法的三種表示方法：自然語言、流程圖和程序。了解并初步掌握枚舉法等常見的算法策略。

2.借助實(shí)際案例進(jìn)行問題剖析、算法構(gòu)思及代碼編寫，以此鍛煉計(jì)算思維和問題解決能力。

3.激發(fā)對信息技術(shù)的興趣，培養(yǎng)探索精神和創(chuàng)新意識，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和科學(xué)精神，提高信息素養(yǎng)。

五、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：算法的定義和特征；算法的三種表示方法。

教學(xué)難點(diǎn)：準(zhǔn)確理解算法的特征；用程序表示算法，并初步掌握枚舉法等算法策略。

六、教學(xué)策略

1.采用講授、演示、實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式。

2.通過具體案例引人，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。

3.通過小組合作和討論，促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作。

（設(shè)計(jì)意圖：通過引入具體案例，使學(xué)生感受到算法在實(shí)際生活中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；通過講授和演示，使學(xué)生掌握算法的基本概念和表示方

法；通過實(shí)踐和小組合作，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和問題解決能力，提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。）

七、教學(xué)過程

（一）引人階段

【教師活動(dòng)】

教師拋出一個(gè)智力挑戰(zhàn)問題：“葉達(dá)在加入學(xué)校編程社團(tuán)的面試中，遇到一道IQ測試題：存在四個(gè)罐子，每個(gè)罐子中都裝有特定重量的藥丸，其中有一個(gè)罐子的藥丸被污染，導(dǎo)致每顆藥丸重量增加了1克。條件是只能進(jìn)行一次稱量，任務(wù)是要找出哪個(gè)罐子的藥丸被污染。\"教師指導(dǎo)學(xué)生與同伴一起探討解答這個(gè)問題的步驟，并要求學(xué)生用日常語言詳細(xì)描述解決問題的過程。

【學(xué)生活動(dòng)】

學(xué)生與同座位同學(xué)討論，并嘗試用自然語言描述解決問題的步驟。例如，第一步，從每個(gè)罐子中取出不同數(shù)量的藥丸進(jìn)行一次性稱量;第二步，根據(jù)稱量結(jié)果，通過計(jì)算判斷哪個(gè)罐子的藥丸被污染。

（二）算法及其表示方法階段

【教師活動(dòng)】

1.教師回顧算法的定義，并提問學(xué)生算法的表示方法有哪些，引導(dǎo)學(xué)生回答出自然語言、流程圖和程序三種表示方法。

2.教師提出一個(gè)挑戰(zhàn)性問題：“學(xué)校歷年畢業(yè)生的個(gè)人信息數(shù)據(jù)存儲于校網(wǎng)絡(luò)中心的服務(wù)器上，總共有10000條記錄，且這些數(shù)據(jù)是獨(dú)一無二的。由于一名管理員的不慎操作，一位校友的8位數(shù)字ID信息被錯(cuò)誤地刪除了。幸運(yùn)的是，備份數(shù)據(jù)庫中保留了一份包含所有ID號的文件，同樣沒有重復(fù)，且順序未定。那么，應(yīng)該如何迅速定位并恢復(fù)這個(gè)被誤刪的校友ID號？\"教師鼓勵(lì)學(xué)生用通俗易懂的語言來闡述解決這個(gè)問題的算法思路（見表1）。

3.教師引導(dǎo)學(xué)生思考最差情況下該算法需要進(jìn)行多少次比較，并提示學(xué)生可以利用異或運(yùn)算來優(yōu)化算法。

4.教師要求學(xué)生重新思考解決該問題的算法，并用流程圖表示出來。

5.教師提問學(xué)生關(guān)于異或運(yùn)算算法實(shí)踐中的細(xì)節(jié)問題，如循環(huán)結(jié)構(gòu)的順序、ID號的存放方式等，并引導(dǎo)學(xué)生用程序?qū)崿F(xiàn)該問題的解決。

【學(xué)生活動(dòng)】

開始√target=0是備份庫取數(shù)結(jié)束否line=備份庫下一個(gè)數(shù)√target=targetline

1.學(xué)生回顧算法的定義，并回答算法的三種表示方法。

2.學(xué)生與同座位同學(xué)討論，用自然語言描述問題求解的算法，如逐條對比兩個(gè)列表中的ID號。

3.學(xué)生思考并回答最差情況下需要進(jìn)行1億次比較，然后嘗試?yán)卯惢蜻\(yùn)算優(yōu)化算法。

4.學(xué)生根據(jù)優(yōu)化后的算法繪制流程圖（見圖1），包括讀取文件、異或運(yùn)算、輸出結(jié)果等步驟。

5.學(xué)生思考并回答教師的問題，如循環(huán)結(jié)構(gòu)可以交換順序，ID號可以存放在列表、文件或數(shù)據(jù)庫中，然后嘗試用程序?qū)崿F(xiàn)該問題的解決，包括打開文件、讀取數(shù)據(jù)、進(jìn)行異或運(yùn)算、輸出結(jié)果等。

（三）算法的特征階段

【教師活動(dòng)】

1.教師引導(dǎo)學(xué)生思考解決\"被刪除的ID號\"算法中的一些規(guī)律，并填寫表格，分析算法的特征，包括輸入項(xiàng)、輸出項(xiàng)、執(zhí)行結(jié)果、執(zhí)行步驟和執(zhí)行時(shí)間等（見表2）。

2.教師提問學(xué)生算法的常見表達(dá)方式有哪些，并引導(dǎo)學(xué)生回答出自然語言、流程圖和程序三種方式。

3.教師給出一道IQ題：“房間里有三盞燈，房間外有三個(gè)開關(guān)，在房外看不見房內(nèi)的情況下，依次確定開關(guān)與燈的控制關(guān)系。\"要求學(xué)生任選一種方法表達(dá)解決方法。

4.教師引導(dǎo)學(xué)生討論為什么不用程序來表示IQ題的解決方法，并總結(jié)算法表達(dá)方式的特點(diǎn)。

【學(xué)生活動(dòng)】

1.學(xué)生思考并填寫表格，分析算法的特征。例如，輸入項(xiàng)為多個(gè)輸入（兩個(gè)文件），輸出項(xiàng)為1個(gè)輸出（被刪除的ID號），執(zhí)行結(jié)果為確定的，執(zhí)行步驟和時(shí)間為有限。

2.學(xué)生回答出算法的三種常見表達(dá)方式，并理解它們各自的特點(diǎn)。

3.學(xué)生任選一種方法表達(dá)IQ題的解決方法，如用自然語言描述操作步驟或繪制流程圖。

4.學(xué)生討論并回答為什么不用程序來表示IQ題的解決方法，因?yàn)槌绦蚓帉懹幸欢y度，而且對于這個(gè)問題來說不方便。然后，學(xué)生總結(jié)算法表達(dá)方式的特點(diǎn)，如自然語言表述方便但容易有二義性；流程圖表示清晰但繪制麻煩；程序功能強(qiáng)大但編寫有難度。

（四）枚舉法階段

【教師活動(dòng)】

1.教師引出枚舉法這一常見的算法思想，并解釋其原理和利用計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度快、精確度高的特點(diǎn)。

2.教師提出一個(gè)案例：在葉達(dá)班級中，有幾名志趣相投的軟件編程愛好者。傳聞，即將揭曉的面試冠軍將出自葉達(dá)班的 A，B，C，D 四位同學(xué)。這一消息迅速在班級中傳開。當(dāng) A，B，C，D 四人重返教室時(shí)，葉達(dá)急切地詢問誰贏得了冠軍。他們相互露出微笑，A表示：“不是我。\"B則宣稱：“是C。\"C聲稱：“是 D ?！倍鳧反駁說：“C的話不正確。\"他們似乎在試圖讓葉達(dá)猜測出結(jié)果，并且其中一人提供了虛假信息。葉達(dá)很快便揭開了謎底，同學(xué)們都好奇他是如何做到的?，F(xiàn)在，你能通過枚舉法逐一假設(shè)A、B、C、D中的某人是冠軍，并判斷哪一種假設(shè)是正確的嗎？

3.教師給出用計(jì)算機(jī)程序解決該問題的提示，并引導(dǎo)學(xué)生解讀程序，理解標(biāo)注橫線的語句含義。

【學(xué)生活動(dòng)】

1.學(xué)生理解枚舉法的原理和特點(diǎn)，即把所有可能的答案一一列舉出來，合適就保留，不合適就丟棄。

2.學(xué)生用枚舉法逐一假設(shè) _{A，B，C，D} 是冠軍，并根據(jù)四個(gè)人的話判斷假設(shè)是否正確。例如，假設(shè)A是冠軍，則A說的話為假， B，C，D 說的話都為真，與題自條件矛盾，因此A不是冠軍。以此類推，得出正確答案是D。

3.學(xué)生解讀程序，理解標(biāo)注橫線的語句含義。例如，“foriinchampion\"表示枚舉每一個(gè)選手是冠軍；\"cond= ”表示判斷每個(gè)人說的話的真假，如果是真的表達(dá)式為1，cond等于幾就表示有幾個(gè)人說的是真話。

（五）拓展與創(chuàng)新階段

【教師活動(dòng)】

1.教師引導(dǎo)學(xué)生思考枚舉法在其他問題中的應(yīng)用，如密碼破解、排列組合等問題。2.教師給出一些拓展題目或項(xiàng)目任務(wù)，如設(shè)計(jì)一個(gè)程序來破解簡單的密碼、生成指定長度的隨機(jī)密碼等，要求學(xué)生分組進(jìn)行討論和實(shí)踐。3.教師引導(dǎo)學(xué)生分享自己的作品和思路，并進(jìn)行評價(jià)和反饋。

【學(xué)生活動(dòng)】

1.學(xué)生思考枚舉法在其他問題中的應(yīng)用，并嘗試用枚舉法解決一些問題。

2.學(xué)生分組進(jìn)行討論和實(shí)踐，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自己的程序作品。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)程序來破解簡單的密碼，可以通過枚舉所有可能的密碼組合來嘗試破解；生成指定長度的隨機(jī)密碼，可以通過隨機(jī)生成字符并組合成密碼。

3.學(xué)生分享自己的作品和思路，展示程序的功能和實(shí)現(xiàn)過程，并接受老師和同學(xué)的評價(jià)和反饋。

（設(shè)計(jì)意圖：通過拓展與創(chuàng)新階段的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識應(yīng)用到實(shí)際問題的解決中，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力；通過分組討論和實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通能力；通過分享和評價(jià)，激發(fā)學(xué)生的展示欲望和自信心，同時(shí)提高學(xué)生的評價(jià)能力和審美水平。）

（六）深化拓展階段

【教師活動(dòng)】

1.引人人工智能輔助技術(shù)：教師介紹人工智能輔助技術(shù)在算法設(shè)計(jì)和實(shí)踐中的應(yīng)用，如智能優(yōu)化算法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等。2.案例分析：教師展示一個(gè)實(shí)際案例，如利用人工智能輔助技術(shù)優(yōu)化物流配送路線或預(yù)測股票價(jià)格等，引導(dǎo)學(xué)生分析算法的原理和應(yīng)用效果。3.實(shí)踐探索：教師引導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)踐探索，選擇一個(gè)實(shí)際問題或項(xiàng)目，嘗試?yán)萌斯ぶ悄茌o助技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法。4.成果展示：教師組織學(xué)生進(jìn)行成果展示和交流，引導(dǎo)學(xué)生分享他們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和心得體會。

【學(xué)生活動(dòng)】

1.了解人工智能輔助技術(shù)：學(xué)生認(rèn)真聽講，了解人工智能輔助技術(shù)在算法設(shè)計(jì)和實(shí)踐中的應(yīng)用。2.案例分析：學(xué)生分析實(shí)際案例，理解算法的原理和應(yīng)用效果，并討論其可能存在的改進(jìn)空間。3.實(shí)踐探索：學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)踐探索，選擇一個(gè)實(shí)際問題或項(xiàng)目，利用人工智能輔助技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法，并進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。4.成果展示：學(xué)生展示他們的實(shí)踐成果，分享經(jīng)驗(yàn)和心得體會，并接受老師和同學(xué)的提問和建議。

（設(shè)計(jì)意圖：通過實(shí)踐探索，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)合作精神和問題解決能力；通過成果展示和交流，增強(qiáng)學(xué)生的表達(dá)能力和自信心，促進(jìn)師生之間的互動(dòng)和交流。）

八、教學(xué)反思

通過本次教學(xué)實(shí)踐，我深刻體會到了教學(xué)設(shè)計(jì)的重要性以及在實(shí)際教學(xué)過程中的得與失。以下是對本次教學(xué)的反思，包括優(yōu)點(diǎn)、不足和改進(jìn)之處。

IQ題和實(shí)際問題的引入，成功激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和思維活力。學(xué)生積極參與討論，用自然語言描述問題解決步驟，有效鍛煉了問題分析和解決能力。本節(jié)課涵蓋了算法的定義、特征、表示方法以及枚舉法等多個(gè)知識點(diǎn)，內(nèi)容充實(shí)且條理清晰。通過具體案例和實(shí)踐操作，學(xué)生加深了對算法的理解和掌握。此外，教學(xué)中采用了講授、演示、實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，既保證了知識的系統(tǒng)傳授，又注重了學(xué)生的實(shí)踐操作和能力培養(yǎng)。小組合作和討論，促進(jìn)了學(xué)生之間的交流與合作。深化拓展階段引入的人工智能輔助技術(shù)，拓寬了學(xué)生的技術(shù)視野，培養(yǎng)了他們的前瞻性和創(chuàng)新意識。

但是，由于內(nèi)容較多，教學(xué)時(shí)間分配略顯緊張。特別是實(shí)踐環(huán)節(jié)，部分學(xué)生未能充分完成實(shí)踐任務(wù)，影響了教學(xué)效果。對算法的特征和用程序表示算法等難點(diǎn)內(nèi)容，講解可能過于簡略，一些學(xué)生理解不夠深入，需要更多的例子和練習(xí)來加深理解。在小組合作環(huán)節(jié)，部分小組合作效果良好，但也有部分小組合作不夠緊密，存在個(gè)別學(xué)生偷懶或依賴他人的現(xiàn)象。深化拓展階段，對人工智能輔助技術(shù)的介紹相對簡略，學(xué)生可能對其原理和應(yīng)用效果理解不夠深入。

在未來的教學(xué)中，教師應(yīng)更加合理地分配時(shí)間，確保每個(gè)環(huán)節(jié)都能得到充分展開和實(shí)踐，如可以適當(dāng)減少講授時(shí)間，增加實(shí)踐時(shí)間。對算法的特征和用程序表示算法等難點(diǎn)內(nèi)容，教師應(yīng)增加更多的例子和練習(xí)，幫助學(xué)生加深理解，如可以采用分步講解、逐步深入的方式降低學(xué)習(xí)難度。在深化拓展階段，教師應(yīng)更加詳細(xì)地介紹人工智能輔助技術(shù)的原理和應(yīng)用效果，如可以邀請相關(guān)領(lǐng)域的專家舉辦講座或進(jìn)行演示，幫助學(xué)生更好地理解和掌握這一技術(shù)。

九、板書設(shè)計(jì)

1.算法的概念算法及其特征2.基于算法解決問題的過程3.算法的特征（作者單位：福建省泉州科技中學(xué)）

編輯：常超波