3.3 简单算法及其程序实现：算法程序实现的综合应用（教学设计）-2024-2025学年《信息技术》高中·必修 1 数据与计算（浙教版）

教学设计 课程基本信息 学科 信息技术 年级 高二 学期 秋季 课题 3.3 简单算法及其程序实现：算法程序实现的综合应用 教科书 信息技术必修1《数据与计算》 课程背景与教学目标 所针对的教材内容：3.3.3简单算法及程序实现《实践与体验》 适应的课程标准： 1.7 掌握一种程序设计语言的基本知识，使用程序设计语言实现简单算法。通过解决问题，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法。 《指导意见》给出的教学建议： 运用算法解决问题的过程中，按照“抽象与建模设计、描述算法算法的程序实现”这个路径逐步实现。 《指导意见》给出的活动建议： 图像字符画（3.3.3 实践与体验） 在本活动实施中，引导学生关注相应问题，为活动的有序实施搭建“阶梯”。例如：引导学生分析讨论字符画生成的原理和算法；分析如何如何通过增加字符集数量来增强字符画的细腻程度。在活动实施过程中，教师可根据学生的实际情况选择程序中的部分语句面向全体学生进行解读，也可以提供帮助文件鼓励学生自主探究。 本活动建议在第14课时中实施。学生通过本活动，理解字符画生成的基本原理与算法，在实践中实现替换图像，生成其他字符画，掌握库的基本调用方法及Python文件读写操作的基本技能。引导学生根据解决问题的模型，由此让学生感受算法与程序设计在生活中的应用和价值。 教学目标： 1.通过推理、实验探究等方法，明晰要依据字符笔画的复杂度来设定基本字符，会依照字符个数对像素的灰度值进行分段，进而理解字符画生成的基本原理与算法。 2.通过两字符字符画的制作过程，能将算法转换成计算机语言，会迁移应用，能在二值化基础上编写程序生成两字符字符画，会提炼字符画生成过程中的常见问题，清晰描述原因并能进行修改。 3.通过推导每个像素的灰度值与多字符索引的映射关系，会提取问题的抽象特征建立模型表达，进而能修改算法、编写程序生成多字符组成的字符画，感受算法和程序设计的魅力。 教学目标所指向的核心素养： 计算思维：（1）在字符画生成的原理和算法的推导过程中产生的一系列思维活动。（2）将图像二值化的算法和程序实现，迁移到图像字符画上来。（3）能提取每个像素灰度值与多字符的映射关系，进行抽象处理，并能形式化表问题。 教学内容 教学重点： 1.理解字符画生成的基本原理与算法，会编写程序生成两字符字符画。 2.在多字符的字符画生成中，会推导像素的灰度值与字符索引映射的关系模型。 教学难点： 1. 理解字符画生成的基本原理与算法 教学过程 教学环节 教学过程 设计意图 活动一、探究字符画的原理和算法 （激趣导入） 体验与活动：学生体验程序（教师自编），了解什么是图像字符画。 思考与探究：字符画的由来。 在思考与探究中，教师可引导学生观察字符画最后总的字符个数与原始图像的像素数之间的关联，进而得知字符画是由图片映射字符得到的。 直入主题，通过程序体验感受程序设计的魅力，激发具身尝试的学习动力。 思考与探究环节引导学生寻找关联，为下一环节学习做铺垫。 活动一、探究字符画的原理和算法（实验探究，明晰奥秘） 教师提出问题：哪些像素映射哪些字符？组成字符画的基本字符有哪些？ 实验探究：修改基本字符，修改的字符可以是从键盘上可输入的任意字符，比如大小写字母、符号、数字、汉字等。建议学生每种典型字符都试一试，从实践到理论，从实验结果上明晰字符的奥秘。 从学生的视角和思维出发，根据“最近发展区”设计问题。明晰字符有一定的视觉亮度。基本字符选择要按笔画的复杂度来排列。 活动一、探究字符画的原理和算法（关联学习，写出算法） 讨论活动：研究如何依据字符个数对像素的灰度值进行分段。 推导尝试：用字符的亮度模式对应图像的灰度模式，会以字符个数为依据对灰度值进行分段，并建立灰度值与字符复杂度之间的映射关联。 明晰基本原理和算法，会用分段的思想建立像素与基本字符之间的对应关系。 活动二、制作两字符的字符画 （迁移尝试, 提炼关键问题） 资源与帮助：资源与帮助中的帮助文件，准备完成程序。 体验与活动：根据帮助文件，结合原理，在二值化程序基础上改编程序，尝试完成程序的编写，输出字符画。 作品评价：阶段性学习成果展示，学生自评或互评。成功作品，讲讲原理；不成功作品，共同析因。 学生在此环节中常见的典型问题：显示的字符画是旋转90°的。师生根据实际课堂情况解决问题并提炼字符画生成的关键问题。 关键问题1：图像二值化后以字符形式再存储。关键问题2：图像像素读取过程，列不变情况下，按行读取（可借助坐标系说明）。 原理和算法的程序实现，学生能修改二值化的程序使其功能能显示字符画，实现程序的迁移。 在此过程中，充分运用课堂生成的“错误资源”，提取解决问题的关键问题，并以关键问题为再生点，调试优化算法和程序。 活动三、制作多字符的字符画 （抽象与建模， 搭建框架进阶学习与体验） 教师提出问题：对比探究，如何在两字符字符画的基础上制作多字符的字符画呢。 关键问题：两字符字符画只将灰度值映射2个字符，现若映射多个字符呢？ 探究与实践：抽象与建模，推导每个像素的灰度值与字符索引的对应关系。 体验与活动：若将映射的字符个数扩大到若干个后再次生成图像字符画，编写程序完成此功能并调试运行。 教师根据课堂实际情况，集中解决相关问题。 从简单到复杂，对每个像素的灰度值与字符索引的对应关系进行抽象与建模。通过算法的再设计，程序的再修改，不断地进行思维迭代，培养计算思维。 活动三、制作多字符字符画 （作品展示， 反馈答疑） 作品评价：阶段性学习成果展示，学生自评或互评。成功作品，讲讲原理；不成功作品，共同析因。 教师对实践过程中出现的典型问题进行集中答疑分析，如程序待改进地方，语法错误表示等。 学会评价，合作，向他人学习。教师为学生提供帮助，帮助学生在解决问题的过程中落实知识。 反思总结 教师寄语 反思总结：谈谈收获和感想，对于字符画的制作进行优化，明确下节的学习任务。 教师寄语：学习中要知其然，更要知其所以然，学习时多分析、多思考、多推导、多建模、多迁移、多实践，为每一步成长打下坚实的基础。 为后续学习埋下伏笔，希望学生在编写程序前花更多的时间思考算法。建立大单元结构。 教学设计思路 本节是笔者设计的单元教学中的一节，笔者以图像处理为主线，将第一章1.3.4的字符编码和图像编码、第三章3.2.5函数与模块中的图像处理、第三章3.3简单的算法及程序实现整合到一起，遵从“单元整合、项目实践”的设计理念，形成一条如图1所示的教学路径。 图1 本课时是3.3.3实践与体验中的一节课，设计的教学路径如图2所示。 图2 对差异化教学的考虑 在本节的教学中，笔者遵从“阶梯”思想，引导学生不断进阶学习，遵循“设想—尝试—验证—修正”的“试错”路径，在此过程中不断迁移，发展计算思维。 通过1.3.4图像的编码学生已理解位图的一些特性，通过3.2.5的实践体验学生已学会对图形的简单处理。本节课，学生将在上述两节内容的基础上进一步学习。由于学生在学习中存在差异，如何满足不同学生的学习需求，我有如下考虑: 1.所有学生都要达到的基本要求：理解字符画的基本原理和算法，会编写两字符字符画程序，对多字符的字符与灰度值之间的关系会推导建模。 2.不同情况的学生有不同的空间：为了满足优秀学生的探究欲望，教师可做适当引导，提供帮助文件，让学生继续探究体验，可在字符画后继续行行程压缩等内容的学习。 学科网（北京）股份有限公司 $$