《状态变化类问题求解》教学设计——高一信息技术《人工智能初步》-李乘.doc

教学基本信息课名第二章 知识表示及Prolog语言 第四节 状态变化类问题求解是否属于地方课程或校本课程否学科信息技术学段高中年级高一授课日期2016年9月11日教材书名：人工智能初步 出版社：广东教育出版社 出版日期：2004年06月北京市中小学“京教杯”青年教师教学设计大赛教学设计参与人员姓名单位联系方式设计者李乘首都师范大学附属苹果园中学13521827935实施者李乘首都师范大学附属苹果园中学13521827935指导者牛静北京教育学院石景山分院13522113582其他参与者指导思想与理论依据新修订的普通高中技术课程标准（实验）中指出: 信息技术学科核心素养之一是培养学生的计算思维能力，具备计算思维的学生在解决社会生活中的实际问题时，能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据。信息技术课程应体现学科的核心素养。结合问题解决的真实过程，发展学生的计算思维。本节课通过学习状态空间表示法对问题抽象特征、建立结构模型并求解，体现了对学生计算思维的培养。学生的学习过程基于体验式学习理论，即学习者亲身介入实践活动，通过认知、体验和感悟，在实践过程中获得新的知识、技能、态度。遵循从特殊到一般,再从一般到特殊这一认识事物的普遍规律，通过体验归纳过程、规律。教学背景分析教学内容: 广东教育出版社出版的普通高中信息技术选修5人工智能初步在第一章中对人工智能进行了概述，接下来第二章开始讲人工智能最基本的内容知识表示。知识是一切智能行为的基础，知识表示让机器能够识别和处理知识。本章共介绍了四种知识表示的常用方法，本节所介绍的状态空间表示法与其它三种是并列关系，可以根据实际情况选择合适的知识表示法。相比较而言，状态空间表示法更抽象一些。尤其是第一步状态变量的设计，尤为困难。所以在课堂练习活动的设置环节，遵循循序渐进的原则，由易到难安排题目。直到最后布置作业才让学生独立完成第一步状态变量的设计。学生情况:高中生具有一定的空间想象能力，可以理解和掌握本节课的内容。学生在课余生活中会接触到一些益智游戏，其中的一部分有利于学生的智力发展。但是大多停留在感性认识水平，即便能过关，其中道理也模糊不清。本节课是学生学习的第三种知识表示法，通过数学、物理等学科的学习已经有了一些将知识符号化的基础，但对状态空间的相关概念以及状态空间表示法的实际应用还是初次接触。 本节课能够引领学生把一些适用于状态空间的问题求解过程提升到一个理性认识的水平，初步学会用状态空间表示法表示知识，并学以致用。教学方式: 讲授法、任务驱动法教学手段:1.利用益智游戏分析、体验状态变化类问题求解的一般过程。2.准备微视频学习资源实现学生的个性化学习。技术准备:学校有网络机房，学生人手一台计算机。每班学生有自己的账户和文件夹，师生通过FTP交换数据。网上共享空间提供可以课后访问的学习资源。根据学生和学校设备情况，本节课在网络机房进行。 教学目标(内容框架)教学目标： 1.知识与技能：了解状态、操作和状态空间的概念。 2.过程与方法：初步学会用状态空间表示法表示知识。 3.情感态度与价值观：体验状态空间表示法求解问题的一般过程。教学重点： 用状态空间表示法表示知识教学难点： 状态变量的设计时间（分）教 学 过 程教师活动学生活动设计意图 32162121（课前2分钟预备）复习提问：（3分钟）提问1：不久前围棋界上演了一场人机大战，代表人类一方出场的是谁？（世界顶级围棋棋手李世石）提问2：与他对弈的是谁？（AlphaGo是具有人工智能的计算机系统）提问3：最终是谁获得了比赛的胜利呢？（AlphaGo）提问4：为什么研究用计算机下围棋？（围棋是一种及其复杂的状态变化类问题）引入新课：（2分钟）使用知识表示法的目的是把社会、生活问题符号化，从而输入到计算机中由计算机进行问题求解。下围棋的过程中，棋局的状态一直在变化，对于这类状态变化类问题，适合用知识表示法中的状态空间表示法进行描述。要想明白计算机是如何求解下围棋这类状态变化类问题，可以从一个简单的状态变化类问题入手翻硬币问题。讲授新课：状态变化类问题求解一、状态空间表示法的相关概念演示讲解：翻硬币问题状态：事物在某一时刻的状况。翻转三枚硬币，用“0”表示硬币为正面朝上，用“1”表示硬币为反面朝上。状态变量的取值是事先设定的，具体用什么数值表示都可以。操作：引起状态变化的手段。翻转三枚硬币的操作，分别用A、B、C表示。如果在设计操作时用大写，整个求解过程都要用大写。状态空间：用状态变量和操作符号表示知识的符号系统。适用于表示状态变化过程类问题求解的知识。状态空间图：状态空间的图示形式。下图中表示出了翻动三次硬币的六种解法,八种状态。练习1：完成课堂练习一0,0,00,1,01,0,00,0,11,1,00,1,11,0,11,1,1ABCBACCAABBC选做题：设初始状态为“正”、“反”、“正”，每次只能且必须翻一枚硬币。连翻三次（必须三次，不能多，也不能少）后能否达到三枚全朝上或全朝下的状态？提示：可以出现重复状态参考答案：七种解法到全正（aab/ccb/aba/cbc/bbb/bcc/baa），不能到全反。状态空间中的任何状态都可以是初始状态，只不过是问题的初始条件不同而已。二、用状态空间表示法求解问题播放演示：过河问题（益智游戏）有个人要划船把菜、羊、狼运到对岸。只有人会划船，并且每次只能运一样东西。如果没有人的看护，狼会吃羊、羊会吃菜。请问该如何将这三样东西平安运到对岸呢？状态空间表示法求解问题的一般步骤：1.设计状态变量思考问题1：在游戏中羊有几种状态？（两种，在左岸或者在右岸。）只考虑操作前后的状态，不考虑操作过程中的状态。在船上是操作的中间过程，不设为一种状态。结论：状态的数量决定状态变量的取值。设置在左岸的状态用0表示，在右岸的状态用1表示。思考问题2：游戏的初始状态用几个1表示？ （四个，因为要表示出菜羊狼的状态的同时还有表示人的状态，用来判断状态是否合理）RYRY1,1,1,10,1,0,1RY1,1,0,10,0,0,10,1,0,0RRCRLRLRYRC1,0,1,11,0,1,00,0,0,01,1,1,00,0,1,0R所以初始状态用（1，1，1，1）表示，目标状态用（0，0，0，0）表示。状态变量的取值不一定是两种，有些问题设计状态变量时可能需要多个值表示多种状态。2.设计操作符号思考问题3：需要设计运人的操作符号吗？ （需要，当人划空船到对岸的时候，状态发生了变化。变化的原因就是人的操作，所以要有对应的操作符）用符号R、C、Y、L分别表示把人、菜、羊、狼送到对岸。3.绘制状态空间图思考问题4：有哪些可能的操作符号？ （R、RC、RY、RL）用上面设计的状态变量和操作符号绘制状态空间图。演示前两步操作，分析如何绘制状态空间图。练习2：完成课堂练习二，提交作业。分层任务（拓展练习）：提灯过河问题。游戏验证：这个过河问题一共有两种解，通过游戏中的操作对状态空间图中的两种解进行验证。总结归纳：（2分钟）状态空间表示法的概念和应用 课后作业：（1分钟）提灯过桥问题： 一家五口晚上轮流用仅有的一盏油灯过独木桥，每次最多只能过两人。每人过桥需要的时间分别是：1、3、6、8和12秒。两人过桥的时间是最慢人的时间。油灯最多只能燃烧30秒。提示：如果解答过程中遇到问题，可以参考下面网址中的参考资料https:/Yunpan.Cn/CR5RC3FVDQqpe 访问密码 b38f参考资料：PPT、两个过河问题的游戏、讲解微视频和阅读材料。组织提问讲解板书演示讲解引导布置指导检查布置指导检查演示分析讲解板书演示讲解提问引导提问分析引导提问分析引导提问分析引导演示布置巡视讲解总结布置就坐安静思考回答听讲观看观察思考归纳思考填写思考观察思考回答观察思考思考讨论回答思考讨论回答思考讨论回答思考讨论回答观看思考听讲填写听讲理解回忆梳理记录组织课堂明确研究状态变化类问题的意义，激发学习兴趣。强调知识表示法的目的和状态空间表示法的应用范围，为后续学习做铺垫。明确学习课题通过实例体验、感受概念实现教学目标1实现教学目标2从解决简单问题开始，运用计算思维识别分析问题、抽象、建模、设计系统解决方案分层教学问题难度螺旋式上升 (指定多个目标状态、限定操作次数、改变初始状态)实现教学目标2、3激发兴趣、体验过程。明确重点突破教学难点巩固“操作”的概念4个思考问题引导明确用状态空间表示法表示知识的一般步骤，突出重点利用游戏辅助绘制状态空间图，体验问题求解的过程，突出重点巩固并拓展本节课所学习的知识学习效果评价设计评价方式1.课堂表现2.课堂练习一3.课堂练习二评价量规评价项目评价标准分值课堂听讲认真听讲20回答问题积极回答问题20课堂练习一每空2分共30分课堂练习二6个状态，每个3分，6个操作，每个2分共30分本教学设计与以往或其他教学设计相比的特点(300-500字数)本教学设计借助实际生活中能调动学生积极性的三个益智游戏为任务驱动，合理开发和利用课程资源，作为学习新知识的基础和内化条件。其中两个用于课堂练习，另一个用于课后作业。但是益智游戏不能在课前同时都共享给学生,会分散学生的注意力。应该在学生开始做课堂练习二时共享，用来辅助绘制状态空间图。分析菜羊狼过河问题的规则时可以直接用游戏界面进行演示，这样更生动形象一些。准备了电子版课堂任务单，要求学生下课前提交。可以明确课堂练习任务，评价反馈学习情况。由于状态空间表示法比较抽象，所以“课堂练习一”和“课堂练习二”只需要学生完成第三步状态空间的绘制。为了便于学生接受和理解，只需要学生看懂从而补全状态空间中空缺的几个状态和操作即可。只有“课后作业”是由学生独立完成状态空间表示法的三个步骤，并且教师录制了微视频讲解放到网上，供学生参考。附件1：课 堂 练 习课堂练习一根据翻硬币问题，完成状态空间图。0,0,0_,_,_,_,_A1,0,0B_,_,_,_,_1,1,0_,_,_课堂练习二根据过河问题，完成状态空间图。1,1,1,1_RYRRCRL_ 0,1,0,11,1,0,1_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_,_0,0,0,0_8