2019-2020年高中信息技術(shù) 教材教學(xué)指導(dǎo)用書 算法與程序設(shè)計 廣東版選修1.doc
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2019-2020年高中信息技術(shù) 教材教學(xué)指導(dǎo)用書 算法與程序設(shè)計 廣東版選修1 “算法與程序設(shè)計”是高中信息技術(shù)課程的選修模塊，以問題解決與程序設(shè)計為主線，揭示利用計算機解決問題的過程。學(xué)生通過本模塊的學(xué)習(xí)“體驗算法思想，了解算法和程序設(shè)計在解決問題過程中的地位和作用；能從簡單問題出發(fā)，設(shè)計解決問題的算法，并能初步使用一種程序設(shè)計語言編制程序?qū)崿F(xiàn)算法、解決問題?！?① 中華人民共和國教育部. 普通高中技術(shù)課標(biāo)準(zhǔn)（實驗）. 人民教育出版社，2003，19頁 “本模塊的教學(xué)，應(yīng)注意與數(shù)學(xué)課程中有關(guān)內(nèi)容的銜接，要強調(diào)理論與實踐的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生注意尋找、發(fā)現(xiàn)身邊的實際問題，進而設(shè)計出算法和計算機程序去解決這些問題。教師要注意發(fā)現(xiàn)對程序設(shè)計有特殊才能的學(xué)生，根據(jù)具體情況為他們提供充分的發(fā)展空間。本模塊強調(diào)的是通過算法與程序設(shè)計解決實際問題的方法，對程序設(shè)計語言的選擇不作具體規(guī)定?！?② 同上，1頁 課程標(biāo)準(zhǔn)中，本模塊主題組成結(jié)構(gòu)如下： 程序設(shè)計語言初步 算法與程序設(shè)計 計算機解決問題的基本過程 算法與問題解決例舉 圖2.1 “算法與程序設(shè)計”主題結(jié)構(gòu)圖 本教學(xué)指導(dǎo)在沿用課程標(biāo)準(zhǔn)中主題內(nèi)容的前提下，為進一步增強對實際教學(xué)的指導(dǎo)作用，對主題結(jié)構(gòu)作了些調(diào)整，兩者的關(guān)系如圖2.2所示。 利用計算機解決問題的基本過程 算法與程序?qū)崿F(xiàn) 程序設(shè)計基礎(chǔ) 程序設(shè)計思想和方法 計算機解決問題的基本過程 程序設(shè)計語言初步 算法與問題解決例舉 圖2.2 調(diào)整前后主題間的關(guān)系圖 調(diào)整后的模塊由四個主題組成，四個主題在知識結(jié)構(gòu)上以螺旋上升方式展開。 “利用計算機解決問題的基本過程”主題旨在呈現(xiàn)人是如何利用計算機解決問題，解決問題需要經(jīng)歷哪些基本過程。教學(xué)中應(yīng)注意讓學(xué)生結(jié)合生活與學(xué)習(xí)提出問題，從身邊簡單問題入手親歷分析問題、設(shè)計算法、編寫程序、解決問題的過程。應(yīng)注意結(jié)合數(shù)學(xué)課程中算法這一部分知識，讓學(xué)生進一步了解算法，學(xué)會用不同的方法描述算法，了解算法、程序、程序設(shè)計語言之間的關(guān)系，認(rèn)識算法和程序設(shè)計的地位和作用。本主題是整個模塊學(xué)習(xí)的引入，為過渡到其它主題的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 “程序設(shè)計基礎(chǔ)”主題旨在呈現(xiàn)如何用計算機語言進行程序設(shè)計。教師可以根據(jù)學(xué)生需要選擇一種語言，并以該語言為載體，讓學(xué)生理解數(shù)據(jù)在計算機中是如何表示與處理的，了解程序設(shè)計基本方法，初步掌握順序、選擇、循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)，體驗程序設(shè)計的實踐過程，同時了解程序設(shè)計語言的編譯程序、連接程序等基本知識。 “算法與程序?qū)崿F(xiàn)”主題旨在通過解析法、窮舉法、排序和查找、遞歸等常用算法的程序?qū)崿F(xiàn)，讓學(xué)生進一步理解算法，進一步掌握程序設(shè)計基礎(chǔ)知識，在體驗算法思想與程序設(shè)計過程中，培養(yǎng)邏輯思維能力，塑造良好的認(rèn)知結(jié)構(gòu)?？梢越M織學(xué)生探討需解決的問題與其相應(yīng)算法之間的關(guān)系，嘗試歸納算法與程序設(shè)計應(yīng)用的一般規(guī)律，討論使用計算機程序設(shè)計解決問題的優(yōu)勢和局限性等。 “程序設(shè)計思想和方法”主題是對前三個主題內(nèi)容的提升，旨在引導(dǎo)學(xué)生理解結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想，探究如何用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法解決問題。了解面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想、方法和關(guān)鍵技術(shù)。通過引導(dǎo)學(xué)生親歷軟件的開發(fā)過程，對算法與程序設(shè)計的思想與方法形成一個相對完整且比較準(zhǔn)確的認(rèn)識，為將來的學(xué)業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 在教學(xué)過程中，應(yīng)注意“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”三維課程目標(biāo)的相互聯(lián)系與相互滲透，進而提升學(xué)生的信息素養(yǎng)，促進學(xué)生信息技術(shù)能力的立體發(fā)展。 第一節(jié) 利用計算機解決問題的基本過程 課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn) 1.結(jié)合實例，經(jīng)歷分析問題、確定算法、編程求解等用計算機解決問題的基本過程，認(rèn)識算法和程序設(shè)計在其中的地位和作用。 2.經(jīng)歷用自然語言、流程圖或偽代碼等方法描述算法的過程。 3.在使用計算機解決實際問題的過程中，通過觀看演示、模仿、探究、實踐等環(huán)節(jié)，了解順序、選擇、循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)及其重要作用，掌握計算機程序的基本概念，能解釋計算機程序執(zhí)行的基本過程。 程序設(shè)計語言產(chǎn)生與發(fā)展 問題的認(rèn)識和形成 算法的概念、特征與作用 算法的描述 程序和程序設(shè)計 算法與程序設(shè)計關(guān)系 利用計算機解決問題的基本過程 問題和算法 算法和程序 程序和程序設(shè)計語言 問題的分析與算法設(shè)計 一、 內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖 圖2.3 “利用計算機解決問題的基本過程”主題內(nèi)容結(jié)構(gòu)圖 二、學(xué)習(xí)目標(biāo)細目表 學(xué)習(xí)內(nèi)容 學(xué)習(xí)結(jié)果的行為指標(biāo)（當(dāng)學(xué)生獲得這種學(xué)習(xí)結(jié)果時，他們能夠） 問題的認(rèn)識和形成 結(jié)合生活與學(xué)習(xí)的實例說明利用計算機解決問題的必要性 從已有的知識與經(jīng)驗中例舉出人工解決困難而利用計算機能夠快捷解決的問題 問題的分析與算法設(shè)計 了解利用計算機解決問題的基本過程 了解問題分析與算法設(shè)計間的關(guān)系 模仿分析簡單問題的已知條件、要解決的問題以及問題與條件之間的關(guān)系，寫出輸入、求解、輸出過程的步驟 算法的概念、特征與作用 結(jié)合數(shù)學(xué)課程中學(xué)習(xí)的算法知識，說出自己對算法的理解 說出算法的五種特征，舉例說明算法特征的含義 了解算法特征在解決問題過程中算法選擇的作用 算法的描述 結(jié)合數(shù)學(xué)課程中學(xué)習(xí)的算法知識，用自然語言、流程圖、偽代碼描述算法 算法與程序設(shè)計關(guān)系 用自己的語言描述算法與程序設(shè)計間的關(guān)系 程序和程序設(shè)計 描述程序概念和解釋程序的作用 結(jié)合實例描述順序、選擇、循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)的單步程序執(zhí)行方式 畫出三種程序基本結(jié)構(gòu)的流程圖 程序設(shè)計語言產(chǎn)生與發(fā)展 說出程序設(shè)計語言產(chǎn)生與發(fā)展過程 了解程序設(shè)計語言的功能，針對簡單問題設(shè)計一套可以解決該問題的人工語言（不超過5條指令） 例舉出三種以上高級語言的名稱 三、重點難點分析 (一)重點分析 1． 利用計算機程序設(shè)計解決問題的必要性，建立問題意識。 程序設(shè)計是運用計算機解決問題的一種方式，有些問題，如：數(shù)值、邏輯等問題適合于通過程序的方式解決。教學(xué)中應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生從生活與學(xué)習(xí)實例出發(fā)，認(rèn)識與舉證可以通過運用計算機程序設(shè)計得到高效解決的問題，讓學(xué)生深切地感受利用計算機程序設(shè)計解決問題的必要性，引發(fā)學(xué)習(xí)本模塊的興趣和動機。 2． 利用計算機解決問題的過程。 提出問題 分析問題 設(shè)計算法 編寫程序 調(diào)試程序 得到結(jié)果 圖2.4 利用計算機解決問題流程 利用計算機解決問題流程如圖2.4所示，教學(xué)中選擇一個學(xué)生運用已有知識能夠解決的實例，教師通過演示等手段協(xié)助學(xué)生親歷實例問題的分析、設(shè)計算法、把所要解決的問題轉(zhuǎn)化成的程序輸入到計算機、經(jīng)調(diào)試后讓計算機執(zhí)行這個程序，最終達到利用計算機解決問題的過程。讓學(xué)生了解和體會流程中每一步驟的含義，為展開整個課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 3． 算法的基本概念，使用自然語言、流程圖、偽代碼描述算法。 學(xué)生通過高一數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)，已有算法知識的儲備，結(jié)合計算機工作方式，讓學(xué)生進一步了解算法，進一步學(xué)會使用自然語言、流程圖、偽代碼描述算法。 4． 程序的基本結(jié)構(gòu) 學(xué)生通過高一數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)，已經(jīng)了解了算法的三種邏輯結(jié)構(gòu)和流程圖，程序的基本結(jié)構(gòu)與之相對應(yīng)，是程序設(shè)計的基礎(chǔ)。讓學(xué)生嘗試體驗程序三種結(jié)構(gòu)的計算機執(zhí)行方式，加深對三種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的了解。 5． 程序設(shè)計語言 程序設(shè)計語言是人利用計算機解決問題的載體，讓學(xué)生充分認(rèn)識程序設(shè)計語言，通過計算機語言的發(fā)展歷程，感受計算機技術(shù)的發(fā)展。 (二)難點分析 1． 算法的特征 算法的特征對初學(xué)者而言較難理解，教學(xué)中盡可能通過具體問題的算法分析、程序分析，讓學(xué)生感悟出算法的特征，為進一步學(xué)習(xí)分析問題、選擇算法打下基礎(chǔ)。 2． “好”算法的標(biāo)準(zhǔn) 算法設(shè)計除正確性外，還應(yīng)考慮其高效性、可讀性、健壯性，學(xué)生在開始時是做不到的，但可以讓學(xué)生知道需要從不同角度分析問題，才能不斷改進算法，并通過實踐形成這種良好習(xí)慣。 四、教學(xué)活動建議 本節(jié)是算法與程序設(shè)計課程的入門。學(xué)生通過對“信息技術(shù)基礎(chǔ)”部分的學(xué)習(xí)，已經(jīng)具備了一定的信息加工、處理與交流的基礎(chǔ)，知道使用計算機解決問題的方式多種多樣，而程序設(shè)計是其中的一種。學(xué)生在高一數(shù)學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，也已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些算法的基礎(chǔ)知識。因此，本節(jié)的教學(xué)應(yīng)注意在學(xué)生原有知識與學(xué)習(xí)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生進一步學(xué)習(xí)算法、程序設(shè)計的相關(guān)知識，體會算法與程序設(shè)計在計算機解決問題過程中的地位與作用，比較完整地認(rèn)識利用計算機解決問題的過程。在教學(xué)過程中應(yīng)注意活動方式的多樣性，通過比較、探究、討論、交流等活動激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)方法與學(xué)習(xí)能力。 (一)通過例舉生活與學(xué)習(xí)中需要用計算機解決的問題，如有關(guān)數(shù)值、邏輯等方面的問題，讓學(xué)生認(rèn)識問題，形成問題意識，感受利用計算機解決問題的必要性。 案例2.1 感受計算機解決問題的必要性 教師：提出線性方程組問題，不斷增加方程數(shù)量，讓學(xué)生解決。 現(xiàn)象：當(dāng)方程數(shù)量少時，學(xué)生能夠通過人工方法求解，但隨著方程數(shù)量的增多，人工求解顯得無能為力。 教師：展示計算機高效求解方程組的過程。 教師：提出8 皇后問題，讓學(xué)生找出符合條件的方案。 現(xiàn)象：學(xué)生能找出一些符合條件的方案，但要找出所有符合條件的方案顯得無能為力。 教師：展示計算機高效地找出所有方案的過程。 教師：提出生物課中學(xué)到的遺傳基因問題，為什么生物課人工只分析到第二層或第三層？ 教師：展示遺傳基因問題的計算機分析過程。 學(xué)生活動：嘗試從生活與學(xué)習(xí)提出需要用計算機解決的問題，展開討論。 教師：回歸主題，感受利用計算機解決問題的必要性。 分析：案例中教師沒有直面告知學(xué)生利用計算機解決問題的必要性，而是通過實例讓學(xué)生不斷地感受人工求解問題的局限性與計算機求解問題的優(yōu)勢，并通過學(xué)生的充分討論，讓學(xué)生潛移默化地感受到利用計算機解決問題的必要性。 (二)利用計算機解決問題過程的教學(xué)是課程入門階段，教師需要根據(jù)學(xué)生特點把握好度，為學(xué)生后繼學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。教學(xué)中要注意的問題是：人在計算機解決問題過程擔(dān)任什么樣的角色；如何利用計算機解決問題；利用計算機解決問題與人解決問題有何區(qū)別；利用計算機解決問題的優(yōu)勢是什么；算法與程序設(shè)計解決什么樣的問題。因此，選擇什么樣的問題切入是教學(xué)成功與否的關(guān)鍵所在。 案例2.2 利用計算機解決問題的過程教學(xué)設(shè)計參考 教學(xué)線索：選擇問題讓學(xué)生體驗利用計算機解決問題的過程展開討論 1．選擇問題：選擇問題的難易程度應(yīng)根據(jù)學(xué)生的整體水平，由于是開篇教學(xué)，不宜太難，應(yīng)源自學(xué)生已有的知識與經(jīng)驗，并能與后繼內(nèi)容的學(xué)習(xí)形成呼應(yīng)。 例1：求一元二次方程ax2+bx+c=0的根。該問題比較簡單，利用計算機解決問題過程的每一階段易于理解。 例2：“韓信點兵”問題，“相傳漢高祖劉邦問大將軍韓信統(tǒng)御兵士多少，韓信答說，每3人一列余1 人、5人一列余2 人、7人一列余4 人、13人一列余6 人……劉邦聽后茫然不知其數(shù)，你能說出有多少兵士？”該問題能夠體現(xiàn)利用計算機解決問題的特點及相對人工解決問題的優(yōu)勢，當(dāng)條件少時可以人工求出，當(dāng)條件多時利用計算機解決就顯示出其優(yōu)勢。 例3：借助高一學(xué)生正在學(xué)習(xí)函數(shù)圖像知識的背景，從演示畫學(xué)生熟悉的y=x2函數(shù)圖像的程序入手，提出如何利用計算機畫各種函數(shù)圖像的問題。該問題從學(xué)生已有的知識和人工畫圖經(jīng)驗出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生理解計算機畫圖的過程，喚起學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣。 分析：對初學(xué)者而言，例2、例3利用計算機解決的過程有一定的復(fù)雜性，教學(xué)中需要循循善誘，把握好教與學(xué)的互動關(guān)系。 2．讓學(xué)生體驗利用計算機解決問題的過程 （1）引導(dǎo)學(xué)生探究 分析問題的已知條件、隱含條件、要解決什么、它們之間的關(guān)系，通過分析問題，寫出問題的求解過程，將其步驟化，設(shè)計算法。 （2）讓學(xué)生體驗利用計算機求解過程 給出對應(yīng)于算法的程序，引導(dǎo)學(xué)生打開并執(zhí)行程序，體驗計算機運行程序的過程。 （3）引導(dǎo)學(xué)生畫出利用計算機解決問題的流程圖。 3．展開討論 （1）討論人與計算機在利用計算機解決問題的各個階段中各自扮演的角色； （2）討論編寫程序解決問題與使用現(xiàn)成軟件解決問題的差別，針對不同問題選擇不同的解決手段； （3）討論生活中解決問題的過程步驟，讓算法思想溶于日常生活中。 (三) 對初學(xué)者而言，理解算法的概念、特征、作用需要一個過程?？梢酝ㄟ^呈現(xiàn)一組比較簡單的現(xiàn)成算法，讓學(xué)生逐步掌握算法的思想。通過一個問題的不同算法的比較，讓學(xué)生感悟算法的特性。 案例2.3 算法的基本概念 1.算法的概念與特征 （1）提出問題：求兩個正整數(shù)的最大公約數(shù)。 “更相減損之術(shù)”算法程序 Private Sub Form_Click() Dim m As Long, n As Long, r As Long m = Val(InputBox("輸入整數(shù)1")) n = Val(InputBox("輸入整數(shù)2")) If m < n Then r = m: m = n: n = r r = m - n Do While r <> 0 If r < n Then m = n n = r Else m = r End If r = m - n Loop Print "最大公約數(shù)為："; n End Sub 給出兩個正整數(shù)12、16，如何求它們的最大公約數(shù)？大家可以口算出最大公約數(shù)是4，如果給出的兩數(shù)是2678945、465，又如何求呢？ （2）通過介紹解決問題的經(jīng)典算法，讓學(xué)生體驗算法思想 “更相減損之術(shù)”及其算法思想：我國古代數(shù)學(xué)家對公約數(shù)求解問題進行了研究并提出了算法，稱之為“更相減損之術(shù)”，其方法是以兩數(shù)中較大的數(shù)減去較小的數(shù)，獲得的差與原先較小的數(shù)構(gòu)成新的一對數(shù)，再以大的數(shù)減去小的數(shù)……如此循環(huán)，用同樣的方法操作，直至產(chǎn)生一對相等的數(shù)，該數(shù)即為最大公約數(shù)。 以求12、16這兩個數(shù)的最大公約數(shù)為例，具體操作如下： (12,16)(12,4)(8,4)(4,4) 4是12和16的最大公約數(shù)。 “輾轉(zhuǎn)相除法”及其算法思想：古希臘數(shù)學(xué)家對公約數(shù)求解問題研究提出的算法稱為“輾轉(zhuǎn)相除法”（歐幾里得算法）。具體方法是用較大的數(shù)除以較小的數(shù)，余數(shù)和較小的數(shù)構(gòu)成新的一對數(shù)，繼續(xù)上面的除法，直到大數(shù)被小數(shù)除盡，則較小的數(shù)就是最大公約數(shù)。 “輾轉(zhuǎn)相除法”算法程序 Private Sub Form_Click() Dim m As Long, n As Long, r As Long m = Val(InputBox("輸入整數(shù)1")) n = Val(InputBox("輸入整數(shù)2")) r = m Mod n Do While r <> 0 m = n n = r r = m Mod n Loop Print "最大公約數(shù)為："; n End Sub 以求288和123的最大公約數(shù)為例，具體操作如下： (288,123)(42,123)(42,39)(3,39) 3是288和123的最大公約數(shù)。 （3）引導(dǎo)學(xué)生用自然語言描述完成兩種算法的思想 設(shè)給定的兩個正整數(shù)為m和n，“更相減損之術(shù)”算法描述如下： ①輸入兩個正整數(shù)m和n； ②若m下載提示(請認(rèn)真閱讀)
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