义务教育版（2024）五年级信息科技 第30课 生命游戏的算法 课件

（义务教育版）五年级全一册第30课

生命游戏的算法学习目标激趣导入学习活动思考-讨论实践探究课堂小结拓展-提升单元主题单元主题单元名称课名称核心内容第八单元人工智能中的算法第28课认识决策树算法人工智能应用中的决策树算法，决策树算法的应用场景。第29课智能工具再体验生成式人工智能及其应用。第30课生命游戏有规则生命游戏中的进化规则及其算法思想。学习目标了解生命游戏的演化过程。通过图示的方法，认识生命游戏中的算法规则。通过简单的游戏体验，初步领会简单规则也可能产生较复杂的模式。激趣导入【趣味故事】在遥远的数字王国里，有一片神秘的土地。在这片土地上，生活着一群特殊的“居民”。它们没有实体的身体，却有着自己的生存法则。有一天，一个勇敢的小数字探险家来到了这片土地，他发现这些“居民”的生活方式非常奇特，它们的诞生、繁衍和消亡都遵循着一套神秘的规律。同学们，你们想不想知道这个规律是什么？激趣导入【建构】这个规律就是我们今天要学习的生命游戏算法。让我们跟随小数字探险家的脚步，一起去揭开这个神秘算法的秘密。学习活动一、生命游戏中的算法规则二、体验生命游戏进化规则三、试玩“生命游戏”程序学习活动活动1：生命游戏中的算法规则一学习活动一、生命游戏中的算法规则最初的生命游戏模拟的是一种原始形态的“生命”如何按照特定的规则一代接一代地进行演化，并由此得名。在生命游戏中，有很多小方块，每个小方块都有两种状态。我们可以把这些小方块看作是灯泡，两种状态分别对应着灯泡的“点亮”或“熄灭”。学习活动一、生命游戏中的算法规则游戏开始时，在一个平面网格中，可以设置若干个点亮的灯泡，表示原始状态的“初始构型”，下图所示就是一个初始构型的例子。接着设定表示进化的“代”数，这两个部分构成算法的输入。学习活动一、生命游戏中的算法规则生命游戏的算法规则（即进化规则）可以归纳为两条。规则1：一个点亮的灯泡周围有2个或3个点亮的灯泡，就会继续点亮；它周围有少于2个或多于3个点亮的灯泡，就会熄灭。

例如，下图中心位置的灯泡，用规则1来检查它周围的状态，也就是作用规则1，发现它仍然可以保持点亮状态。学习活动一、生命游戏中的算法规则生命游戏的算法规则（即进化规则）可以归纳为两条。规则2：一个熄灭的灯泡周围刚好有3个点亮的灯泡，才会被点亮。否则，它周围有少于3个或多于3个点亮的灯泡，就会保持熄灭状态。例如，下图中心位置的灯泡，作用规则2后保持熄灭状态。学习活动一、生命游戏中的算法规则【注意】作用规则到指定的代数后进化就会停止，停止之后的网格构型就可以认为是算法的输出。学习活动活动2：体验生命游戏进化规则二学习活动二、体验生命游戏进化规则以下图中的4个初始构型为例，进一步学习了解如何作用这些规则。*（注：图中的绿色方格代表点亮状态，空白代表熄灭状态）学习活动二、体验生命游戏进化规则第1步：把图中的4个构型作用于进化规则，完成第一代进化。例如，左上角的构型有三个点亮的灯泡，作用规则1后，一个继续点亮、两个变成熄灭状态。同时作用规则2后中间一个被点亮。

图中的橙色和蓝色用来临时表示进化的过程，橙色方格表示该位置即将由点亮变为熄灭，蓝色表示该位置即将由熄灭变成点亮。学习活动二、体验生命游戏进化规则下图是对4个初始构型分别作用一轮进化规则后的状态。学习活动二、体验生命游戏进化规则第2步：把第一代进化的结果作为初始构型，继续作用进化规则，就会得到第二代、第三代，也会产生一些更有趣的现象。例如，对第一代进化后右下角的构型继续作用规则，得到第二代、第三代的进化结果，如下图所示。思考-讨论二、体验生命游戏进化规则【想一想】同学们，到现在为止，你们有没有发现什么规律？学习活动二、体验生命游戏进化规则【小试牛刀】继续用其他几个构型尝试，观察发生的变化。学习活动活动3：试玩“生命游戏”程序三实践探究三、试玩“生命游戏”程序【玩一玩】第1步：打开“生命游戏”的Python程序。第2步：运行这个程序，试着玩一玩。第3步：观察、体会游戏中的算法及其进化规则。实践探究【附——参考程序】importnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotaspltimportmatplotlib.animationasanimationdefupdate(frame_num,img,board,N):new_board=board.copy()foriinrange(N):forjinrange(N):total=int((board[i,(j-1)%N]+board[i,(j+1)%N]+board[(i-1)%N,j]+board[(i+1)%N,j]+board[(i-1)%N,(j-1)%N]+board[(i-1)%N,(j+1)%N]+board[(i+1)%N,(j-1)%N]+board[(i+1)%N,(j+1)%N]))ifboard[i,j]==1and(total<2ortotal>3):new_board[i,j]=0elifboard[i,j]==0andtotal==3:new_board[i,j]=1img.set_data(new_board)board[:]=new_board[:]returnimg,defmain():N=50update_interval=50board=np.random.choice([0,1],N*N,p=[0.2,0.8]).reshape(N,N)fig,ax=plt.subplots()img=ax.imshow(board,interpolation='nearest')ani=animation.FuncAnimation(fig,update,fargs=(img,board,N,),frames=100,interval=update_interval,save_count=50)plt.show()if__name__=='__main__':main()课堂小结2体验生命游戏进化规则3试玩“生命游戏”程序1生命游戏中的算法规则第1步：把图中的4个构型作用于进化规则，完成第一代进化。第2步：把第一代进化的结果作为初始构型，继续作用进化规则，就会得到第二代、第三代，也会产生一些更有趣的现象。第3步：继续用其他几个构型尝试，观察发生的变化。规则1：一个点亮的灯泡周围有2个或3个点亮的灯泡，就会继续点亮；它周围有少于2个或多于3个点