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2019-2020年高中信息技術 第三章 信息的編程加工和智能化加工教案 教科版必修1 一、教學目標 1．知識與技能目標 理解算法的概念，引導學生了解有關程序設計的基本知識；讓學生了解計算機加工信息的內(nèi)在機制以及算法的含義。 2．過程和方法目標 讓學生了解計算機解決問題的一般過程，了解用高級語言編程工具解決問題的基本方法，感悟計算機程序設計的思想，了解計算機程序設計的基本流程。 3．情感與價值觀目標 激發(fā)學生對信息技術的求知欲，提高其學習興趣，形成積極主動學習信息技術的態(tài)度。 二、教學內(nèi)容分析 1．課程標準內(nèi)容《信息的編程加工》教學設計 初步掌握用計算機編程加工信息的工作過程和基本特征； 2．教材作用與地位 教科版《信息技術基礎》第三章第二節(jié)“信息的編程加工”通過操作和剖析已經(jīng)編好的計算機程序，在解決實際問題中分析并了解其工作過程，這種通過問題分析形成算法、再利用計算機程序解決問題的思路和做法，對學生幫助很大。 同時這一節(jié)內(nèi)容的學習，對于選修中的“算法與程序設計”模塊也起到一個很好的鋪墊作用。 三、教學重點和難點 1．算法設計的理解。 2．嘗試編程的主要過程。 四、教學過程 1．引入 師：在自然數(shù)中有很多數(shù)都是有規(guī)律的，比如 1991這個數(shù)，從左向右讀與從右向左讀是完全一樣的，這樣的數(shù)我們稱之為“回文數(shù)”。過了1991年，又過11年，我們又碰到了第二個“回文數(shù)”xx。試問，再過多少年，我們才能再碰到一個“回文數(shù)”的年份？ 生：110年。 師：請大家思考：兩位的“回文數(shù)”有幾個？三位的“回文數(shù)”又有幾個？ 生：分別有 9個和90個。 師：很好。除了剛才討論的回文數(shù)，還有一類數(shù)也很有特色：首先它是一個三位數(shù)；其次，它的各位數(shù)字的立方和就是這個數(shù)本身，這類數(shù)，有個好聽的名稱：水仙花數(shù)。請大家思考并寫出所有的水仙花數(shù)。 生：（思考） 師：下面請一位同學把自己的結論說出來和大家交流交流。 生：寫不出， 3個未知數(shù)，但是只有一個方程，所以計算不出來。 師：那就請你說出方程。 生：…… 師：我們來共同討論如何求出這個方程的解？ 生1：我們可以用數(shù)學中的窮舉法和排除法，也就是首先取數(shù)字100，那么對應的a，b，c分別為1、0、0，判斷這個方程是否成立；然后再取數(shù)字101，再進行判斷……如此反復，一直判斷到數(shù)字999。 師：確實是個很好的方法，但是我們要進行多少次的驗證才能夠得出所有的水仙花數(shù)？ 生：900次。 師：如果一個數(shù)字驗證需要 1分鐘，那900次就要15個小時？ 生：（搶答）可以讓計算機去驗證啊。 師：對，我們可以利用計算機的優(yōu)勢：高速度和大容量來幫我們快速解決問題。下面我們來看一個事先編寫好的小程序：（打開并運行） 圖1 圖2 界面（如圖 1）很簡單，也很明白，在提示語的下方有一“運行”按鈕，直接單擊“運行”按鈕，出現(xiàn)如圖2所示界面。該界面上顯示出所有的水仙花數(shù)，很顯然，計算機快速處理數(shù)據(jù)的能力大大縮短了我們解決問題的時間，瞬間就得出了結果。雖然計算機能快速地求出問題的解，但它卻沒有思維、不知道如何解決問題，所以我們必須告訴它解決問題的過程和方法。在程序設計中我們稱之為算法。實際上，日常生活中也處處存在著算法的應用。 設計意圖：課本上使用的是“冒泡排序”的示例，考慮到學生目前的知識基礎對于這個示例還不能透徹的理解，所以，我采用了學生較為熟悉的數(shù)字示例，同時“水仙花數(shù)”這個動聽的名稱也激發(fā)了學生的學習興趣。教學過程中，通過學生對“水仙花數(shù)”的分析和討論，引導學生說出計算的規(guī)律，從而引出可以通過編程解決問題。 2.算法設計 師：其實算法在日常生活中也無處不在。我們小學時曾學過一篇課文，里面提到過著名數(shù)學家華羅庚“燒水泡茶”的問題。對于這個問題，他是怎么解決的？ 生：第一步：燒水；第二步：燒水過程中，洗刷茶具；第三步：水燒開后沏茶。 師：從這個例子大家可以看到，算法的設計分兩個內(nèi)容：一是尋找一種方法；二是描述一下實現(xiàn)這個方法的步驟。剛才這位同學很好地用語言描述了“燒水泡茶”的算法。那么在求水仙花數(shù)的過程中，我們應該尋找什么方法？請同學們思考并用自己的語言描述實現(xiàn)這個方法的步驟。其中要包括：從何處著手、解題步驟以及結果處理。 生 1：首先確定水仙花數(shù)的范圍：是一個三位數(shù)，也就是從100到999；判斷表達式是否成立，如果成立就是水仙花數(shù)；如果不成立就不是水仙花數(shù)。 生 2：還要把所有的水仙花數(shù)顯示出來。 師：生 2補充得很好，如果我們只進行判斷，而沒把符合條件的數(shù)字列出來，那么這個算法就不算完整了。還有沒有需要補充的？或者說有沒有需要細化的？ 生：（思考） 師：（提示）生 1說的等式中a，b，c的值是從哪里來的？ 生：是從一個三位數(shù)中分離出來的百位、十位、個位上的數(shù)值。 師：對于一個三位數(shù)，計算機是不知道怎么分離出各位上的數(shù)字的，所以還得說明如何分離。請思考如何分離出一個三位數(shù)的各位上的數(shù)？（提示）以數(shù)字 123為例，如何分出1、2、3？ 生：123除以10的余數(shù)，就是個位上的數(shù)。123除以100的商就是百位上的數(shù)…… 師：細化后的算法已經(jīng)很明朗了，下面再請一位同學幫我們把剛才說的內(nèi)容重新梳理一遍。 生：讓計算機從 100到999依次進行百位、十位和個位數(shù)字的分離，然后對表達式的成立與否進行判斷，如果成立就顯示出這個數(shù)。 師：既然是讓計算機完成這項任務，我們直接對其發(fā)出口頭命令，計算機懂不懂，能不能直接去執(zhí)行你的命令？ 生：不能。 師：所以我們必須把它轉換成計算機能夠執(zhí)行的語言，也就是我們平常所說的：通過編程實現(xiàn)。 師：說到程序，大家腦海里立即浮現(xiàn)出一行行代碼，其實不然：用戶界面是一個應用程序最重要的部分，界面是應用程序呈現(xiàn)給用戶的外觀，也是實現(xiàn)人機交互的接口。剛才演示的界面中因為有了提示語，所以我們才知道怎么操作這個程序；因為有了按鈕，所以單擊程序才會運行。 而 VB語言，提供的可視化設計工具，可以直接使用窗體和控件設計程序的界面，大大地提高了程序設計的效率。 設計意圖：教師通過華羅庚“燒水泡茶”的示例，讓學生明白算法的概念。引導學生說出求“水仙花數(shù)”的算法，通過學生的分析、說明、總結，培養(yǎng)學生的自主學習的能力。教師從中起到引導的作用，強調(diào)學與教的合理分配。 3.編程實現(xiàn) 師：請大家啟動 VB，觀察VB界面，嘗試利用窗口左側的工具箱里的控件設計剛才的界面。 生：（根據(jù)投影幕上顯示的界面自行操作） 師：巡視并給予適當指導（3分鐘）。 師：總結：剛才大家操作得不錯，都能找到相應的控件，并將其添加到界面上。但是只有這個界面，是不是就可以幫我們求出所有的水仙花數(shù)了呢？ 生：不是，程序還沒寫呢。 師：剛才我們在對象窗口中設計好了界面，那代碼應該在哪里寫？請大家在視圖菜單中尋求答案。 生：代碼窗口。 師：下面我們就把用 VB語言描述的算法寫到代碼窗口中，并且調(diào)試，看看能不能正常運行？ Private Sub mand1_Click() Dim i As Integer Dim a As Integer Dim b As Integer Dim c As Integer Label1.Caption = "" For i = 100 To 999 a = Int(i / 100) b = Int(i / 10) - a * 10 c = i Mod 10 If a * a * a + b * b * b + c * c * c = i Then Print i End If Next i End Sub 生：（根據(jù)投影幕上顯示的程序，在代碼窗口中書寫） 設計意圖：Microsoft中不同軟件具有基本相同的風格和界面，甚至不同功能的操作方法也有共通之處，為我們運用原有的知識和經(jīng)驗遷移到新知識、新技術的學習中創(chuàng)造了條件和可能。在界面設計中，學生可以將Word、Excel中窗口操作、文件處理等知識遷移到VB中。通過遷移，提高學生的學習能力。 4.拓展與延伸 師：剛才我們是從 100到999將每個數(shù)，都重復如下操作：分離出百位、十位、個位上的數(shù)值，并判斷表達式是否成立，如果成立就輸出，再取下一個數(shù)字進行同樣的操作。 請大家討論除了這種算法還有沒有其他算法？ 生：（討論） 師：（提示）剛才是從數(shù)字出發(fā)分離出 a，b，c，能不能換個角度從a，b，c拼出數(shù)字？ 生：作為百位上的 a可以取1～9之間的任意數(shù)，而b和c可以取0～9之間的任意數(shù)，從已知的a，b，c求出100*a+10*b+c，看是否等于它們的立方和，如果相等就輸出。 師：請大家根據(jù)這位同學用自然語言描述的算法修改程序，看能不能得出正確結果。 生：修改程序，存盤，運行。 師：在上這節(jié)課之前，大家對“編程”總抱著一種很“神秘”的態(tài)度觀望，這節(jié)課我們通過“求水仙花數(shù)”這個實例知道了編程也不是那么的深奧，它也是有章可循的——對于一個問題，首先列出它的算法、然后設計界面，根據(jù)設計好的算法和界面，用編程的語言將你的思想體現(xiàn)出來。通過學習和探討，我們也能利用計算機編程來解決一些簡單問題，感興趣的同學還可以課后利用 VB 的幫助系統(tǒng)了解VB的其他功能，爭取編出更多更好的程序。 設計意圖：在已經(jīng)用了一種算法解決問題的基礎之上，提示學生可以采用另一種算法，讓學生知道解決同一問題可以有多種不同的途徑；在學生利用第二種算法解決問題的過程中，通過對兩種算法的比較，體現(xiàn)出不同的解決問題的思路，為選修“算法與程序設計”模塊中“算法的設計”奠定基礎。 第二節(jié) 信息的編程加工 一、內(nèi)容分析 1．本節(jié)的作用和地位 本節(jié)內(nèi)容處于本章的前沿，體現(xiàn)的是計算機加工處理信息的最基本的方法，所以學習起來比起后面的文本加工、圖像加工等內(nèi)容來講是更有難度的。但是本節(jié)內(nèi)容卻非常重要，如果能夠及早引導學生理解了本節(jié)課“編程加工信息”的精髓，對以后的學習是非常好的鋪墊，很多“為什么”的問題將會一應而解。 2．本節(jié)的主要內(nèi)容 本節(jié)課的主要內(nèi)容是算法與程序設計，即如何使用計算機來解決問題。 策略設計 我們認識問題的過程一般都是像課本那樣：從概念到案例。即從事物的原理出發(fā)，以實例來驗證原理。這樣的方法雖然對闡述問題的整體性是有益的，但是卻并不容易突破難題，給人以就事論事的感覺，沒有鮮活的體現(xiàn)。 所以本節(jié)采用的策略是：從案例到概念。即從事物的表象出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)象去探索原理。這樣的方法更符合青少年的求知心理，也更容易在用技術實現(xiàn)軟件模型過程中體驗到程序的本質(zhì)意義和巨大價值。 軟件的界面實現(xiàn)（舉例） 本節(jié)課的教學策略實施流程：首先介紹軟件的“智慧”來源 ,然后介紹軟件的構成和來源。 本節(jié)課的教學環(huán)境是具有電子投影和計算機設備的普通教室，教學過程以講解、討論為主，以個別學生上臺演示為輔助，上機練習時間安排在下一節(jié)課。 二、教學流程 1．課堂引入 （1）問題引入 教師先向?qū)W生提問計算機系統(tǒng)的基本構成（答案：硬件與軟件）；再提問軟件的作用（答案：程序是計算機的靈魂）；然后引申提問計算機的靈魂是誰賦予的（答案：人）。 （2）深入討論 從同學們以前使用過的軟件（圖、文、表、聲、像等軟件）分析，我們之所以能夠使用計算機來處理各種各樣的信息，是因為有相應的軟件為我們提供了合適的工具。那么，這些軟件是用什么來制作的呢？ 2．講授新課 第一環(huán)節(jié) 觀察軟件內(nèi)核，認識程序。 依次觀看一個函數(shù)圖像繪制軟件、一個小的游戲軟件的外觀和功能。 打開源代碼，讓學生針對其中的某一點（如函數(shù)中的繪點命令或游戲中的擊中判斷）讓學生知道什么是軟件的內(nèi)核（程序代碼）。 第二環(huán)節(jié) 上手模擬軟件外觀。 教學工具：以 VB為例進行本環(huán)節(jié)學習。 認識算法：制作軟件需要編寫程序，編寫程序要有一定的工具，事先還要有一定的規(guī)劃和設計，即算法。以蓋房子為例講解算法：預計有多少房間，規(guī)劃每個房間的功能是什么，建筑的過程是怎樣的，最后的裝修使用等。 操作演示：從制作軟件者的視角，了解 VB的結構特點。 （1）控件。 VB就像蓋房，有各種材料、器件——控件，以圖像控件為例，演示給學生插入一個控件。 （2）控件的屬性。 每個控件都有一定的屬性，就像壁畫有名稱、大小、內(nèi)容、位置等。為圖像控件的 Picture屬性引入一個圖片。 （3）事件響應代碼。 有的控件要能響應一定的功能要求——事件。就像門鈴按動時有聲音，按門鈴就是事件，聲音就是響應。 例如，插入一個按鈕，雙擊按鈕，在 Click事件中加入響應代碼：Print "hello"。啟動程序時，每次單擊按鈕都會響應出一個問候語，以此闡明事件響應是代碼在起作用。 第三環(huán)節(jié) 探索軟件智慧的來源。 我們知道了使用 VB制作軟件的基本的構成之后，可以更加深入一層去了解為什么軟件會有很多功能，能夠代替我們?nèi)プ龉ぷ鳌? 三、自我反思 設計意圖 :信息的編程加工在課本上僅僅是一節(jié)內(nèi)容，而高一數(shù)學教材中僅算法內(nèi)容就有十節(jié)。從這個比例來看，本節(jié)課的教學難度的確是非常大的。即使把要求放到很低，僅僅讓學生體會一下程序設計加工信息的功能和意義，也很難讓學生從生硬的代碼中體會到程序設計的精髓所在。為此，我們試圖尋找一種從軟件的功能與設計入手的小案例，在教學中從軟件界面到內(nèi)部響應，再到程序代碼，繼而分析出程序的特點，讓學生在一種揭示計算機軟件奧秘的欲望下達到逐步了解算法和程序設計的目的。 設計亮點 :本節(jié)課的設計亮點在于與學生一起通過探索軟件工作原理的奧秘所在，一步步引導學生正確認識程序的作用與意義，體驗使用程序加工信息的過程與方法。 本節(jié)課的內(nèi)容雖然很多，但是其核心是明確的，即“計算機的智慧來源”。由于在以前從來沒有在一節(jié)課中嘗試講解程序的三種基本結構，所以第一節(jié)課也并沒有完成教學任務，主要原因是學生的練習占據(jù)了相當長的時間。第二節(jié)課（另一個班），采用了以講授為主，部分學生代表上臺演示的方法，結果非常順利，但是這樣就把練習放到了下一節(jié)。第三節(jié)課，我又采取了三種結構并行、對比來講，使用一個案例“等差數(shù)列的極限求值”問題來講解，把順序、智能、自動化逐一上套，雖然時間是節(jié)省了，但是學生對程序的理解不如將三個結構分別來講好。 第三節(jié) 信息的智能化加工 一、教學內(nèi)容 1．初步掌握用計算機進行信息處理的幾種基本方法，認識其工作過程與基本特征。 2．通過部分智能信息處理工具軟件的使用，體驗其基本工作過程，了解其實際應用價值。 二、 教學目標 1．知識與技能目標：了解什么是人工智能及其在各領域的應用，知道“機器翻譯”、“模式識別”、“機器人”、“軟件機器人”、“計算機博弈”等概念。 2．過程與方法目標：體驗“機器翻譯”過程，分析機器翻譯與人工翻譯的區(qū)別；體驗“模式識別”、“機器人”、“軟件機器人”、“計算機博弈”技術的應用。 3．情感與價值觀目標：感受信息智能處理的魅力，能客觀評價信息智能處理給學習和生活帶來的變化，激發(fā)起學習探索人工智能知識的熱情和愿望，為學生今后選修“人工智能”打下基礎。 【教學重點】體驗人工智能的獨特魅力，了解其應用價值。 【教學難點】客觀認識人工智能技術對社會的影響，培養(yǎng)正確的科學技術應用觀。 三、 教學方法 講解、演示、討論（準備 PPT講稿）。 【教學時間】 1課時。 【教學環(huán)境】多媒體網(wǎng)絡機房。 四、教學過程 導入新課： 大家學習網(wǎng)絡搜索的時候我曾經(jīng)給大家布置過一道題，請大家在網(wǎng)上查找《再別康橋》的英文稿，大家當時查找的結果如何？大家有沒有想過如果我們在網(wǎng)上找不到，我們該怎么辦？（自己翻譯、軟件翻譯…… 演示用金山快譯翻譯中文的全過程）金山快譯為什么能完成以前必須要我們?nèi)ビH自完成的翻譯工作？是因為它使用了人工智能技術。這節(jié)課我們就來談談利用人工智能加工信息的技術。 新課教學： 1．什么是人工智能？ 人工智能，顧名思義就是人造的智能，主要是對人腦思維機理的模擬。 2．人工智能技術的典型應用。 （1）機器翻譯。 機器翻譯是利用計算機把一種自然語言轉變成另一種自然語言的過程，用以完成這一過程的軟件系統(tǒng)叫做機器翻譯系統(tǒng)。幾十年來，國內(nèi)外許多專家、學者為機器翻譯的研究付出了大量的心血和汗水。雖然至今還沒有一個實用、全面、高質(zhì)量的自動翻譯系統(tǒng)出現(xiàn)，不過也取得了很大的進展，特別是作為人們的輔助翻譯工具，機器翻譯已經(jīng)得到大多數(shù)人的認可。目前，國內(nèi)的機器翻譯軟件不下百種，根據(jù)這些軟件的翻譯特點，大致可以分為三大類：詞典翻譯類、漢化翻譯類和專業(yè)翻譯類。詞典類翻譯軟件代表是“金山詞霸”，堪稱是多快好省的電子詞典，它可以迅速查詢英文單詞或詞組的詞義，并提供單詞的發(fā)音，為用戶了解單詞或詞組含義提供了極大的便利。漢化翻譯軟件的典型代表是“東方快車 xx”，它首先提出了“智能漢化”的概念，使翻譯軟件的輔助翻譯作用更加明顯。以“譯星”、“雅信譯霸”為代表的專業(yè)翻譯系統(tǒng)，是面對專業(yè)或行業(yè)用戶的翻譯軟件，但其專業(yè)翻譯的質(zhì)量與人們的實用性還有不少差距，有人評價說“滿篇英文難不住，滿篇中文看不懂”，該說法雖然比較極端，但機譯譯文的質(zhì)量確實一直是個老大難問題。這里，我們不妨對現(xiàn)有的機譯和人譯過程作一比較，從中可以看出一些原因。 演示：使用金山快譯翻譯《再別康橋》，讓學生思考機器翻譯與人工翻譯的區(qū)別。 機器翻譯：　　 ①一句一句處理，上下文缺乏聯(lián)系； ②對源語言的分析只是求解句法關系，完全不是意義上的理解； ③缺乏領域知識，從計算機到醫(yī)學，從化工到法律都通用，就換專業(yè)詞典； 　 ④譯文轉換是基于源語言的句法結構的，受源語言的句法結構的束縛； 　 ⑤翻譯只是句法結構的和詞匯的機械對應。 人工翻譯： ①一般會先通讀全文，會前后照應； 　 ②對源語言是求得意義上的理解； ③只有專業(yè)翻譯人員，而沒有萬能翻譯人員； ④譯文是基于他對源語言的理解，不受源語言的句法結構的束縛； ⑤翻譯是一個再創(chuàng)造的過程。 在目前的情況下，計算機輔助翻譯應該是一個比較好的實際選擇。事實上，在很多領域中，計算機輔助人類工作的方式已經(jīng)得到了廣泛的應用，例如 CAD軟件。如果計算機輔助技術用于語言的翻譯研究，應該同樣可以起到很大的輔助作用，這就是所謂的“計算機輔助翻譯”。它集機器記憶式翻譯、語法分析式翻譯和人際交互式翻譯為一體，把翻譯過程中機械、重復、瑣碎的工作交給計算機來完成。這樣，翻譯者只需將精力集中在創(chuàng)造性的思考上，有利于工作效率的提高。 機器翻譯研究歸根結底是一個知識處理問題，它涉及有關語言內(nèi)的知識、語言間的知識，以及語言外的世界知識，其中包括常識和相關領域的專門知識。隨著因特網(wǎng)的普及與發(fā)展，機器翻譯的應用前景十分廣闊。作為人類探索自己智能和操作知識的機制的窗口，機器翻譯的研究與應用將更加誘人。國際上有關專家分析認為機器翻譯要想達到類似人工翻譯一樣的流暢程度，至少還要經(jīng)歷 15年時間的持續(xù)研究，但在人類對語言研究還沒有清楚“人腦是如何進行語言的模糊識別和判斷”的情況下，機器翻譯要想達到100%的準確率是不可能的。 （2）模式識別。 模式識別就是通過計算機用數(shù)學技術方法來研究模式（我們把環(huán)境與客體統(tǒng)稱為“模式”）的自動處理和判讀。 計算機識別的顯著特點是速度快、準確性強和效率高。識別過程與人類的學習過程相似。以“漢字識別”為例：首先將漢字圖像進行處理，抽取主要表達特征并將其特征與漢字的代碼存在計算機中。就像把老師教我們這個字叫什么、如何寫的知識記憶在大腦中。這一過程叫做“訓練”。識別過程就是將輸入的漢字圖像經(jīng)處理后與計算機中所保存的全部漢字進行比較，找出最相近的字作為識別結果 ,這一過程叫做“匹配”。 演示：字符識別系統(tǒng)。 語音識別就是讓計算機能聽懂人說的話。 演示：語音識別和語音合成系統(tǒng)。 指紋識別更是模式識別的一個重要應用。 演示：指紋匹配系統(tǒng)。 這里介紹一個綜合應用的例子，一汽集團公司與國防科技大學最近合作研制成功“紅旗轎車自主駕駛系統(tǒng)”（即無人駕駛系統(tǒng)），它標志著我國研制高速智能汽車的能力已達到當今世界先進水平。汽車自主駕駛技術是集模式識別、智能控制、計算機學和汽車操縱動力學等多門學科于一體的綜合性技術，代表著一個國家控制技術的水平。紅旗車自主駕駛系統(tǒng)采用計算機視覺導航方式，并采用仿人控制，實現(xiàn)了對紅旗車的操縱控制。首先，攝像機將車前方的道路和車輛行駛情況輸入到圖像處理和圖像識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)識別出道路狀況、前方車輛的相對距離和相對車速。接著，路徑規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)這些信息規(guī)劃出一條合適路徑，即決定如何開車。然后，路徑跟蹤系統(tǒng)根據(jù)需跟蹤的路徑，結合車輛行駛狀態(tài)參數(shù)和車輛駕駛動力學約束，形成控制命令，控制方向盤和油門開啟機構產(chǎn)生相應動作，使汽車按照規(guī)劃好的路徑前進，即按自主駕駛系統(tǒng)的規(guī)劃路徑前進。 （3）其他應用 ：計算機博弈、智能機器人、專家系統(tǒng)等。