基于人工智能輔助技術的高中信息技術教學設計

一、教學內容

教材版本：人民教育出版社冊數：高中信息技術必修1課題名稱：算法及其特征

二、教材分析

（一）課標分析

根據《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》，信息技術課程旨在培養學生的信息素養，提高他們利用信息技術解決問題的能力。算法作為信息技術的核心內容之一，是學生必須掌握的基本技能。“算法及其特征\"屬于必修模塊“數據與計算”中的“算法與程序設計\"部分，要求學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。本節課是本單元的基礎，為后續學習算法設計和程序打基礎。本節課通過具體案例，引導學生理解算法在解決實際問題中的應用，培養學生的計算思維和問題解決能力。

三、學情分析

高中學生已經具備一定的邏輯思維能力和數學基礎，對算法的概念有所了解，但缺乏系統的學習和實踐。學生對信息技術有一定的興趣，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踐來激發學習興趣。

算法的特征和表示方法是本節課的重點，也是難點。學生可能難以準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用也是學生需要掌握的內容，但需要通過實踐來加深理解。

四、目標設計

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.借助實際案例進行問題剖析、算法構思及代碼編寫，以此鍛煉計算思維和問題解決能力。

3.激發對信息技術的興趣，培養探索精神和創新意識，培養嚴謹態度和科學精神，提高信息素養。

五、教學重難點

教學重點：算法的定義和特征；算法的三種表示方法。

教學難點：準確理解算法的特征；用程序表示算法，并初步掌握枚舉法等算法策略。

六、教學策略

1.采用講授、演示、實踐相結合的教學方式。

2.通過具體案例引人，激發學生的學習興趣和探究欲望。

3.通過小組合作和討論，促進學生之間的交流與合作。

（設計意圖：通過引入具體案例，使學生感受到算法在實際生活中的應用，激發學生學習興趣；通過講授和演示，使學生掌握算法的基本概念和表示方

法；通過實踐和小組合作，培養學生的計算思維和問題解決能力，提高學生的團隊協作能力。）

七、教學過程

（一）引人階段

【教師活動】

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

【學生活動】

學生與同座位同學討論，并嘗試用自然語言描述解決問題的步驟。例如，第一步，從每個罐子中取出不同數量的藥丸進行一次性稱量;第二步，根據稱量結果，通過計算判斷哪個罐子的藥丸被污染。

（二）算法及其表示方法階段

【教師活動】

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

2.教師提出一個挑戰性問題：“學校歷年畢業生的個人信息數據存儲于校網絡中心的服務器上，總共有10000條記錄，且這些數據是獨一無二的。由于一名管理員的不慎操作，一位校友的8位數字ID信息被錯誤地刪除了。幸運的是，備份數據庫中保留了一份包含所有ID號的文件，同樣沒有重復，且順序未定。那么，應該如何迅速定位并恢復這個被誤刪的校友ID號？\"教師鼓勵學生用通俗易懂的語言來闡述解決這個問題的算法思路（見表1）。

3.教師引導學生思考最差情況下該算法需要進行多少次比較，并提示學生可以利用異或運算來優化算法。

4.教師要求學生重新思考解決該問題的算法，并用流程圖表示出來。

5.教師提問學生關于異或運算算法實踐中的細節問題，如循環結構的順序、ID號的存放方式等，并引導學生用程序實現該問題的解決。

【學生活動】

開始√target=0是備份庫取數結束否line=備份庫下一個數√target=targetline

1.學生回顧算法的定義，并回答算法的三種表示方法。

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

3.學生思考并回答最差情況下需要進行1億次比較，然后嘗試利用異或運算優化算法。

4.學生根據優化后的算法繪制流程圖（見圖1），包括讀取文件、異或運算、輸出結果等步驟。

5.學生思考并回答教師的問題，如循環結構可以交換順序，ID號可以存放在列表、文件或數據庫中，然后嘗試用程序實現該問題的解決，包括打開文件、讀取數據、進行異或運算、輸出結果等。

（三）算法的特征階段

【教師活動】

1.教師引導學生思考解決\"被刪除的ID號\"算法中的一些規律，并填寫表格，分析算法的特征，包括輸入項、輸出項、執行結果、執行步驟和執行時間等（見表2）。

2.教師提問學生算法的常見表達方式有哪些，并引導學生回答出自然語言、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，房間外有三個開關，在房外看不見房內的情況下，依次確定開關與燈的控制關系。\"要求學生任選一種方法表達解決方法。

4.教師引導學生討論為什么不用程序來表示IQ題的解決方法，并總結算法表達方式的特點。

【學生活動】

1.學生思考并填寫表格，分析算法的特征。例如，輸入項為多個輸入（兩個文件），輸出項為1個輸出（被刪除的ID號），執行結果為確定的，執行步驟和時間為有限。

2.學生回答出算法的三種常見表達方式，并理解它們各自的特點。

3.學生任選一種方法表達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.學生討論并回答為什么不用程序來表示IQ題的解決方法，因為程序編寫有一定難度，而且對于這個問題來說不方便。然后，學生總結算法表達方式的特點，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；程序功能強大但編寫有難度。

（四）枚舉法階段

【教師活動】

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算機運算速度快、精確度高的特點。

2.教師提出一個案例：在葉達班級中，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班的 A，B，C，D 四位同學。這一消息迅速在班級中傳開。當 A，B，C，D 四人重返教室時，葉達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猜測出結果，并且其中一人提供了虛假信息。葉達很快便揭開了謎底，同學們都好奇他是如何做到的。現在，你能通過枚舉法逐一假設A、B、C、D中的某人是冠軍，并判斷哪一種假設是正確的嗎？

3.教師給出用計算機程序解決該問題的提示，并引導學生解讀程序，理解標注橫線的語句含義。

【學生活動】

1.學生理解枚舉法的原理和特點，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.學生用枚舉法逐一假設 _{A，B，C，D} 是冠軍，并根據四個人的話判斷假設是否正確。例如，假設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.學生解讀程序，理解標注橫線的語句含義。例如，“foriinchampion\"表示枚舉每一個選手是冠軍；\"cond= ”表示判斷每個人說的話的真假，如果是真的表達式為1，cond等于幾就表示有幾個人說的是真話。

（五）拓展與創新階段

【教師活動】

1.教師引導學生思考枚舉法在其他問題中的應用，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目任務，如設計一個程序來破解簡單的密碼、生成指定長度的隨機密碼等，要求學生分組進行討論和實踐。3.教師引導學生分享自己的作品和思路，并進行評價和反饋。

【學生活動】

1.學生思考枚舉法在其他問題中的應用，并嘗試用枚舉法解決一些問題。

2.學生分組進行討論和實踐，設計并實現自己的程序作品。例如，設計一個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密碼，可以通過隨機生成字符并組合成密碼。

3.學生分享自己的作品和思路，展示程序的功能和實現過程，并接受老師和同學的評價和反饋。

（設計意圖：通過拓展與創新階段的學習和實踐，引導學生將所學知識應用到實際問題的解決中，培養創新思維和實踐能力；通過分組討論和實踐，培養學生的團隊合作能力和溝通能力；通過分享和評價，激發學生的展示欲望和自信心，同時提高學生的評價能力和審美水平。）

（六）深化拓展階段

【教師活動】

1.引人人工智能輔助技術：教師介紹人工智能輔助技術在算法設計和實踐中的應用，如智能優化算法、機器學習算法等。2.案例分析：教師展示一個實際案例，如利用人工智能輔助技術優化物流配送路線或預測股票價格等，引導學生分析算法的原理和應用效果。3.實踐探索：教師引導學生分組進行實踐探索，選擇一個實際問題或項目，嘗試利用人工智能輔助技術設計和實現算法。4.成果展示：教師組織學生進行成果展示和交流，引導學生分享他們的實踐經驗和心得體會。

【學生活動】

1.了解人工智能輔助技術：學生認真聽講，了解人工智能輔助技術在算法設計和實踐中的應用。2.案例分析：學生分析實際案例，理解算法的原理和應用效果，并討論其可能存在的改進空間。3.實踐探索：學生分組進行實踐探索，選擇一個實際問題或項目，利用人工智能輔助技術設計和實現算法，并進行調試和優化。4.成果展示：學生展示他們的實踐成果，分享經驗和心得體會，并接受老師和同學的提問和建議。

（設計意圖：通過實踐探索，提高學生的實踐能力和創新能力，培養他們的團隊合作精神和問題解決能力；通過成果展示和交流，增強學生的表達能力和自信心，促進師生之間的互動和交流。）

八、教學反思

通過本次教學實踐，我深刻體會到了教學設計的重要性以及在實際教學過程中的得與失。以下是對本次教學的反思，包括優點、不足和改進之處。

IQ題和實際問題的引入，成功激發了學生的學習興趣和思維活力。學生積極參與討論，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。本節課涵蓋了算法的定義、特征、表示方法以及枚舉法等多個知識點，內容充實且條理清晰。通過具體案例和實踐操作，學生加深了對算法的理解和掌握。此外，教學中采用了講授、演示、實踐相結合的教學方式，既保證了知識的系統傳授，又注重了學生的實踐操作和能力培養。小組合作和討論，促進了學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，拓寬了學生的技術視野，培養了他們的前瞻性和創新意識。

但是，由于內容較多，教學時間分配略顯緊張。特別是實踐環節，部分學生未能充分完成實踐任務，影響了教學效果。對算法的特征和用程序表示算法等難點內容，講解可能過于簡略，一些學生理解不夠深入，需要更多的例子和練習來加深理解。在小組合作環節，部分小組合作效果良好，但也有部分小組合作不夠緊密，存在個別學生偷懶或依賴他人的現象。深化拓展階段，對人工智能輔助技術的介紹相對簡略，學生可能對其原理和應用效果理解不夠深入。

在未來的教學中，教師應更加合理地分配時間，確保每個環節都能得到充分展開和實踐，如可以適當減少講授時間，增加實踐時間。對算法的特征和用程序表示算法等難點內容，教師應增加更多的例子和練習，幫助學生加深理解，如可以采用分步講解、逐步深入的方式降低學習難度。在深化拓展階段，教師應更加詳細地介紹人工智能輔助技術的原理和應用效果，如可以邀請相關領域的專家舉辦講座或進行演示，幫助學生更好地理解和掌握這一技術。

九、板書設計

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）

編輯：常超波