計算機解決問題的過程

許薇

● 項目設計依據

《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中提出的學科核心素養之一是“計算思維”，強調個人運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。本案例基于教育科學出版社教材《信息技術必修1：數據與計算》第2單元編程計算第1節內容，圍繞“算法”概念展開，將對問題抽象或形式化描述作為算法基礎，旨在讓學生了解編程思想，初步建立編程解決問題的思維和方法，為過渡到本單元其他知識內容的學習做鋪墊。

● 項目教學目標

基于課程標準要求和內容、學情分析，本項目教學目標設定為：①了解計算機解決問題的基本步驟。②學會算法的兩種表達方式;掌握算法的三種基本結構;學會利用流程圖描述簡單問題。③體驗用編程解決實際問題，培養學生正確的信息素養觀。其中，教學重點為計算機解決問題的過程、算法的描述;教學難點為算法的描述、算法的三種基本結構。

● 項目概述

本項目以探究“智能晾衣架”功能為主題，通過對“智能晾衣架”功能分析、設計與實現，體驗計算機解決問題的過程。在利用計算機解決智能晾衣的過程中，讓學生通過自主探究、親身體驗、合作交流等方式進一步加深理解用計算機解決問題的基本過程，通過對比算法與流程圖，使學生充分理解算法對程序設計的重要作用。（本節課預設為1課時）

● 項目教學準備

①硬件環境：網絡機房。

②學習工具：python3.84。

③教學資源：PPT課件、Python程序、拓展閱讀文檔。

● 項目實施流程

計算機解決問題的過程——“智能晾衣架”項目實施流程（如下圖）。

● 項目教學過程

1.項目引入：智能晾衣架的使用

知識技能：分析和獲取有價值的信息，遷移學習。

活動形式：學生討論、代表發言、教師引導。

問題：無人在家的時候，突然下雨了，家里陽臺外還晾著衣服，來不及回家收;怕會下雨衣服晾在室內，后天氣晴好，又沒時間回家將衣服晾至室外。若遇到這些問題，大家考慮過怎么解決嗎？

聚焦：從智能家居設備“智能晾衣架”功能得到啟發，嘗試通過編程實現“智能晾衣”，倡導便捷的生活方式。

設計意圖：培養學生主動關注信息技術工具發展中的新動向和新趨勢，在較為復雜的信息情境中能認識到數據管理與分析對提高信息價值的重要性。

2.項目分析

活動1：分析問題，確定需求。

知識技能：問題的界定與描述。

活動要求：分析問題，明確項目要求。

在下面環境中，如何解決晾衣問題？

①無人在家，下雨，衣服晾在室外;②無人在家，天氣晴好，衣服晾在室內。

學生思考討論：是否能設計一種智能晾衣架來解決無人在家晾衣的問題？

學生分組討論智能晾衣架應具備的功能：選擇一種功能進行項目探究。

①智能升降：除了保持原有自動升降衣架功能外，還可以定時;②智能烘干：可設置模式為烘干、風干等功能;③紫外線殺菌。

設計意圖：讓學生明白解決問題的需求，分析已有信息，明確解決問題的方法，為后面用流程圖解決問題打下基礎。

3.設計算法

活動2：算法的概念、自然語言描述算法。

知識技能：學會用自然語言描述解決問題的算法。

引入算法概念：解決問題的方法和步驟。找到算法后，還需要準確、具體地將它描述出來。描述算法可以有多種方法，如可以使用自然語言進行描述。讓學生分組用自然語言描述不同環境下智能感應衣架升降收縮功能的算法（①當日照充足時晾衣架自動伸展至室外;②室外空氣濕度達到80%，晾衣架自動收縮歸位;③室外晾曬時長超出5小時或日照不充足時，晾衣架自動收縮歸位）。

設計意圖：針對不同環境需求，讓學生學會用自然語言描述解決問題的步驟。

活動3：流程圖描述算法、算法結構。

知識技能：學會用流程圖描述解決問題的算法，了解算法的三種基本結構。

活動要求：①學會用流程圖描述算法。流程圖也稱為程序框圖，它是算法的一種圖形化表示方法。與自然語言相比，用流程圖描述算法形象、直觀，更易理解。對于一些復雜的算法，可以先用流程圖描述算法，然后根據流程圖寫出程序代碼。②掌握三種基本結構的流程圖。算法的三種基本結構是順序結構、分支結構和循環結構（教師演示三種結構的流程圖執行過程）。③學生對照自然語言描述，畫出下頁表中智能晾衣架感應升降收縮功能相關環節的流程圖。

設計意圖：針對不同場景模塊，選擇合適的算法結構，用流程圖實現模塊功能。讓學生能夠對常用的數字化工具與資源進行評估，根據需要合理選擇算法表述。

流程圖一般不能直接在計算機上運行，這時需要使用一種計算機能理解的程序設計語言來表達算法。

4.項目實現

活動4：用Python語言實現智能晾衣架感應升降功能。

知識技能：程序運行、根據算法分析理解代碼。

活動要求：①嘗試運行已有Python程序，實現在室外濕度大于80%的情況下收縮衣架的功能。②嘗試分析代碼，找出條件表達式。③嘗試根據不同情境修改其中的代碼，運行程序（如根據日照是否充足來判斷衣架是否收縮等）。

設計意圖：讓學生體驗在某一情境下用Python語句實現智能晾衣功能，讓學生感受利用算法編程思想智能化解決實際問題的優勢。

針對課堂表現、程序作品等，完成評價量規表。

5.項目總結

知識技能：①計算機解決問題的思路;②算法的概念及基本結構;③識別生活工作模式。

活動形式：小組討論、學生交流、教師補充。

活動要求：①交流活動過程中的收獲與感想;②聯系生活，談談身邊還有哪些場景問題可以應用計算機解決問題的過程來設計;③教師總結，主題升華。

設計意圖：幫助學生回顧本節課內容，聯系生活實際，發現身邊可以應用算法思想解決問題的現象，讓學生認清問題，學會知識遷移，真正做到用“算法的眼睛”看待生活，用“算法的思維”解決實際問題。

點? 評

高中生已有較高的知識理解能力和抽象思維能力，但對算法的概念和結構還比較陌生。本案例采用STEM項目教學理念，將學生對抽象的算法概念、結構、思想的認識與理解置于真實的項目中，將STEM項目融入整個信息技術課堂教學中。本案例基于STEM理念的項目活動來設計框架，并做了實證研究。教師在項目導入階段，從晾曬衣服的問題入手，以真實情境調動學生的積極性，在完成項目任務的過程中，學生通過自主的真實項目程序代碼分析、修改、調試掌握了專業知識，獲得了實踐經驗，學會了協作及學科知識的綜合應用，創新思維與創造能力得到提升。設計過程性評價，在項目探究環節中有效應用，并及時反饋。各小組結合評價意見撰寫項目報告，并引導學生基于現有的智能晾衣架設計進行拓展，最后討論環節，學生的創造性得到充分發揮。

由于受傳感器條件的限制，項目的真正實現還有待課程的優化與完善，以及解決方案和核心算法的成功探究。今后可結合更多的STEM課題深入研究與應用，以期更好地實施STEM教育理念下的項目教學。