《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

1、教学设计参与人员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学科信息技术年级高一授课日期2016年9月11日学段教材书名：人工智能初步出版社：广东教育出版社出版日期：2004年06月设计者实施者指导者姓名 李乘 李乘单位联系方式牛静北京教育学院石景山分院其他参与者指导思想与理论依据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

2、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： 学生情况：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

3、。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：1.2.3.教学目标（内容框架）知识与技能：了解状态、操作和状态空间的概念。 过程与方法：初步学会用状态空间表示法表示知识。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）教过程教师活动设计意图学生活动16（课前2分钟预备）VLZ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：提问3：提问4:化类问题）与他对弈的是谁？（ Alp haGo是具有人工智

4、能的计算机系统）最终是谁获得了比赛的胜利呢？（ Al phaGo）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一一翻硬币问题。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

5、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。组织提问讲解板书演示讲解引导就坐安静思考回答听讲观看观察思考归纳组织课堂明确研究 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

6、念实现教学目标121vlz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

7、一般步骤：布置指导 检查思考填写实现教学目标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 方案布置思考分层教学指导问题难度检查螺旋式上 升（指定演示观察多个目标分析思考状态、限定讲解回答操作次数、 改变初始 状态）板书 演示 讲解观察 思考实现教学目标2、3激发兴趣、 体验过程。明确重点设计状态I设计操作I绘制状态 变量LJ符号L.空间图k时间（分）过程教师活动设计意图学生活动VLZ1.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。I 1 h 1=；：命 ：卜躺:“丁 ；门i.vtjlvo cjt 十，工“h方-DUX 口 b

8、kitK；im一斗 t h二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 示岀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）所以初始状态用（1，1，1，1）表示，目标状态用（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

9、 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。0,RY1,1,0,11,1,1,0R0,0,1,00,1,0,1R0,1,0,01,0,1,00,0,0,1rY提问引导提问 分析 引导提问 分析 引导提问 分析 引导0,0,0,0RY演示思考 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

10、 知识的一 般步骤，突 出重点时间（分）教过程教师 活动学生 活动设计 意图布置听讲利用游戏巡视填写辅助绘制讲解听讲状态空间理解图，体验问 题求解的总结回忆过程，突出梳理重点布置记录巩固并拓 展本节课 所学习的 知识两vlz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。 人过桥的时间是最慢人

11、的时间。油灯最多只能燃烧 30秒。参考资料：PPT两个过河问题的游戏、讲解微视频和阅读材 料。学习效果评价设计评价方式1.2.3.课堂表现 课堂练习一 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