2023-2024学年高中信息技术选择性必修1（浙教版2019）数据与数据结构-教学设计-3.3-栈

2023-2024学年高中信息技术选择性必修1（浙教版2019）数据与数据结构-教学设计-3.3-栈授课内容授课时数授课班级授课人数授课地点授课时间设计意图本节课以“2023-2024学年高中信息技术选择性必修1（浙教版2019）数据与数据结构-3.3-栈”为主题，旨在通过引入实际生活案例，帮助学生理解栈的概念、性质以及在实际应用中的价值。通过讲解和练习，使学生能够熟练掌握栈的基本操作，为后续学习数据结构打下坚实基础。核心素养目标分析培养学生信息意识，通过学习栈的数据结构，使学生认识到数据结构在解决问题中的重要性。提升计算思维，通过设计算法解决实际问题，锻炼学生的逻辑思维和抽象思维能力。强化问题解决能力，让学生在实践中学会运用栈解决具体问题，提高解决复杂问题的能力。学情分析本节课面对的是高中一年级学生，他们刚刚接触信息技术的学习，对编程语言和计算机科学有一定的兴趣，但基础知识和实践经验相对有限。在知识方面，学生对基本的计算机操作和简单的编程概念有所了解，但对于数据结构和算法的概念较为陌生。在能力方面，学生的逻辑思维能力和抽象思维能力正在形成，但需要通过具体案例和实际操作来加强。在素质方面，学生具备一定的自学能力和团队合作精神，但在时间管理和学习策略上还有待提高。

在行为习惯上，学生在课堂上的参与度较高，但部分学生可能对理论知识的学习缺乏耐心，容易在遇到难题时产生挫败感。对课程学习的影响主要体现在以下几方面：

1.学生对栈的概念理解可能存在困难，需要通过实际案例和实例来加深理解。

2.学生在编程实践时，可能因为缺乏数据结构的概念而难以设计有效的算法。

3.学生在团队合作中，需要学会分工合作，共同解决复杂问题，这有助于培养他们的沟通能力和团队协作精神。

4.学生在学习过程中，需要逐步培养良好的学习习惯，如定期复习、主动提问等，以提高学习效率。

综合以上分析，教师在教学中应注重理论与实践相结合，通过丰富的教学活动和案例，激发学生的学习兴趣，帮助他们克服学习中的困难，逐步提升他们的信息素养和问题解决能力。教学资源-软硬件资源：计算机实验室、编程软件（如VisualStudio、PyCharm）、实验数据集

-课程平台：学校内部教学平台、在线学习资源平台

-信息化资源：栈的相关动画演示视频、在线编程练习平台、教学PPT

-教学手段：实物教具（如栈模型）、教学软件（如编程环境模拟器）、黑板或电子白板教学过程1.导入（约5分钟）

-激发兴趣：展示一些实际应用中栈的例子，如后进先出（LIFO）的排队系统、函数调用栈等，提问学生这些应用背后的数据结构原理。

-回顾旧知：简要回顾数组和链表的基本概念，强调它们在数据存储和访问方面的特点。

2.新课呈现（约20分钟）

-讲解新知：详细介绍栈的定义、性质和基本操作，包括入栈（push）、出栈（pop）、栈顶元素访问（peek）和栈空栈满判断。

-举例说明：通过实际案例，如使用栈实现括号匹配验证、逆序输出字符串等，展示栈的应用。

-互动探究：组织学生分组讨论，探讨如何使用栈解决实际问题，鼓励学生提出自己的设计方案。

3.练习与巩固（约30分钟）

-学生活动：分配练习题，要求学生独立完成，题目包括栈的基本操作和简单应用题。

-教师指导：巡视课堂，观察学生的解题过程，对有困难的学生提供个别指导。

-小组合作：组织学生以小组形式完成更复杂的栈应用题，如模拟递归函数调用栈。

4.案例分析（约15分钟）

-展示一个实际项目案例，如网页浏览器的后退功能，分析其中如何使用栈来存储历史页面。

-引导学生分析案例中的数据结构设计，讨论栈在此应用中的优势。

5.编程实践（约30分钟）

-学生活动：在编程环境中，让学生编写程序实现栈的基本操作，并应用栈解决实际问题。

-教师指导：提供编程示例代码，帮助学生理解编程逻辑，解答学生在编程过程中遇到的问题。

6.总结与反思（约5分钟）

-学生总结：让学生回顾本节课学到的知识点，分享自己的学习心得。

-教师总结：强调栈在数据结构中的重要性，指出学生在学习过程中需要掌握的关键点。

-反思讨论：引导学生思考栈在实际应用中的局限性，以及如何改进和优化栈的设计。

7.作业布置（约5分钟）

-布置课后作业，包括完成未完成的练习题、阅读相关资料和准备下一节课的讨论话题。

8.课堂小结（约5分钟）

-教师总结本节课的重点和难点，提醒学生在课后复习和巩固。

-学生反馈：收集学生对本节课的反馈，了解学生的学习效果和教学效果。教学资源拓展1.拓展资源：

-栈的应用领域：探讨栈在编译原理、操作系统、图形学、网络协议解析等领域的应用。

-栈的变种：介绍双端栈、循环栈等栈的变种及其特点。

-栈的算法分析：分析栈的常见算法，如栈的查找、排序等操作的时间复杂度和空间复杂度。

-栈的历史与发展：介绍栈的历史背景，以及它在计算机科学中的发展历程。

2.拓展建议：

-阅读相关书籍：《数据结构与算法分析》（C语言版）、《算法导论》等，深入了解栈的理论基础。

-观看在线课程：推荐观看Coursera、edX等平台上的数据结构与算法课程，学习栈的更深入知识。

-实践项目：鼓励学生参与实际项目，如开发一个基于栈的简易计算器或网页浏览器历史记录功能。

-编程竞赛：参加ACM、蓝桥杯等编程竞赛，锻炼在限定时间内使用栈解决复杂问题的能力。

-参考论文：阅读相关领域的学术论文，了解栈在最新研究中的应用和进展。

-编写算法笔记：将学习过程中的栈算法整理成笔记，方便复习和巩固。

-组织小组讨论：与同学组成学习小组，定期讨论栈的相关问题，互相学习，共同进步。

-制作教学视频：将栈的讲解和操作制作成教学视频，分享给其他同学，提高教学效果。

-开发教学工具：设计一些辅助教学的工具，如栈的动画演示软件，帮助学生更好地理解栈的概念。重点题型整理1.题型一：栈的基本操作实现

-题目：请实现一个栈，包括入栈（push）、出栈（pop）、查看栈顶元素（peek）和判断栈是否为空（isEmpty）的操作。

-答案示例：

```python

classStack:

def__init__(self):

self.items=[]

defpush(self,item):

self.items.append(item)

defpop(self):

ifnotself.isEmpty():

returnself.items.pop()

returnNone

defpeek(self):

ifnotself.isEmpty():

returnself.items[-1]

returnNone

defisEmpty(self):

returnlen(self.items)==0

```

2.题型二：栈的应用——括号匹配

-题目：编写一个函数，用于检查一个字符串中的括号是否匹配。

-答案示例：

```python

defis_balanced(expression):

stack=Stack()

forcharinexpression:

ifcharin'([{':

stack.push(char)

elifcharin')]}':

ifstack.isEmpty()ornotis_matching_pair(stack.pop(),char):

returnFalse

returnstack.isEmpty()

defis_matching_pair(opening,closing):

return(opening=='('andclosing==')')or\

(opening=='['andclosing==']')or\

(opening=='{'andclosing=='}')

```

3.题型三：栈的应用——逆序输出字符串

-题目：使用栈实现一个函数，该函数接收一个字符串作为输入，并返回其逆序字符串。

-答案示例：

```python

defreverse_string(s):

stack=Stack()

forcharins:

stack.push(char)

reversed_s=''

whilenotstack.isEmpty():

reversed_s+=stack.pop()

returnreversed_s

```

4.题型四：栈的应用——计算器

-题目：实现一个简单的逆波兰表达式（后缀表达式）计算器。

-答案示例：

```python

defcalculate(expression):

stack=Stack()

fortokeninexpression.split():

iftoken.isdigit():

stack.push(int(token))

else:

right_operand=stack.pop()

left_operand=stack.pop()

iftoken=='+':

stack.push(left_operand+right_operand)

eliftoken=='-':

stack.push(left_operand-right_operand)

eliftoken=='*':

stack.push(left_operand*right_operand)

eliftoken=='/':

stack.push(left_operand/right_operand)

returnstack.pop()

```

5.题型五：栈的应用——函数调用栈

-题目：解释函数调用栈的工作原理，并给出一个示例，说明在函数调用过程中栈是如何变化的。

-答案示例：

```python

deffunction_a():

print("FunctionAcalled")

function_b()

deffunction_b():

print("FunctionBcalled")

function_c()

deffunction_c():

print("FunctionCcalled")

function_a()

```

在这个例子中，当`function_a`被调用时，它的局部变量和返回地址被压入栈中。然后`function_b`被调用，它的局部变量和返回地址也被压入栈中。接着`function_c`被调用，同样的过程发生。当`function_c`执行完毕并返回时，它的返回地址被弹出栈，然后是`function_b`的返回地址，最后是`function_a`的返回地址。这样，程序控制权返回到`