资源简介

(共29张PPT)
第六单元 第2节
细胞生存奥秘
（粤教版）五年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
在 “生命游戏” 探索中，感受算法模拟复杂系统的价值，体会科技助力理解生命现象的意义，践行科学探索规律的意识。
能结合体验程序 / 表格梳理演化规则，验证其在细胞状态模拟、创意图案设计中的应用，让演化分析更清晰高效。
能分析 “生命游戏” 的演化规则，掌握用规则拆解细胞生死变化、模拟演化过程的方法。
能说出 “生命游戏” 算法与细胞生存的关联，理解其在模拟细胞生长死亡、探索生命现象等场景中的应用逻辑。
03
新知讲解
健康状况与人体的新陈代谢息息相关。当新陈代谢旺盛时，细胞活力充沛，分裂活跃，人体健康状况良好;当新陈代谢减缓时，细胞则逐渐走向衰败，人体健康状况欠佳。小智想了解细胞的生长与死亡，于是他找到了小慧。
03
新知讲解
知目标
1.能描述“生命游戏”算法的基本规则。
2.能描述“生命游戏”算法中细胞生死变化的规律及其背后的逻辑。
3.能设计出有趣的“生命游戏”初始图案，分析其稳定性与变化趋势。
03
新知讲解
03
新知讲解
活动一：“生命游戏”算法解密
人体新陈代谢的快慢会影响细胞生长、分裂和衰败速度。在“生命游戏”中，细胞的生存状态也遵循类似的规律。
03
新知讲解
细探究
打开资源文件中的“体验游戏”HTML程序(见图6-2-1)，我们可以看到一个由方格组成的网格，每个方格代表一个细胞的状态:黑色表示活细胞，白色表示死细胞。点击方格可放置活细胞，让我们通过体验游戏，尝试发现细胞生存与死亡的规律。
图 6-2-1体验游戏
活动一：“生命游戏”算法解密
03
新知讲解
上述游戏即为“生命游戏”，游戏的初始状态由用户自主决定，之后按照以下规则演化(见表6-2-1)。
表 6-2-1 “生命游戏”演化规则及其图例
演化规则 图例
1.一个生命为生存状态时，若其周围8个邻居有且仅有2个或者3个活着，则其继续存活
2.一个生命为生存状态时，若其周围8个邻居中活着的数量超过3个，则会因拥挤而死亡
3.一个生命为生存状态时，若其周围8个邻居中活着的数量少于2个，则会因寂寞而死亡
活动一：“生命游戏”算法解密
03
新知讲解
勤思考
请根据当前细胞网格状态，绘制出经过第一次演化、第二次演化后的细胞网格(见图 6-2-2)。
图 6-2-2 “生命游戏”细胞演化过程
活动一：“生命游戏”算法解密
03
新知讲解
活动一：“生命游戏”算法解密
当细胞网格不再有细胞死亡或诞生，或者不同代之间的细胞状态开始循环重复时，说明该细胞网格已经进入稳定状态，即达到了最终的状态。
03
新知讲解
乐交流
请与同桌分享以上探究过程，总结可能出现的问题或者需要注意的地方。
活动一：“生命游戏”算法解密
“刚才探究时，我一开始随便画了个分散的初始图案，结果 1 代就全死了 —— 后来才发现是没算准邻居数！要注意的点有这些：
规则别漏看：邻居是 8 个方向（上下左右 + 斜角），不是只算上下左右；
初始图案巧选择：想稳定的话可以先画 2×2 方块，想有趣可以试 “闪烁器”；
边界细胞留心：网格边缘的细胞邻居少，容易 “寂寞死亡”，可以把图案画在网格中间。
03
新知讲解
拓视野
“生命游戏”由英国数学家约翰·康威于1970年发明，是一种二维细胞自动机游戏。它通过简单的规则模拟了生命体的基本行为，如繁殖、生存和死亡。根据演化规则，“生命游戏”能产生极其复杂且多样化的图案，被广泛应用于计算机科学、数学生物学等多个领域，帮助人们理解复杂系统的涌现现象和自组织行为。
活动一：“生命游戏”算法解密
03
新知讲解
活动二：“生命游戏”创意图案
“生命游戏”初始图案可以通过演化变成有趣的图案，利用“生命游戏”算法可以创造出各种各样的图案。
03
新知讲解
细探究
运行“体验游戏”程序，以小组为单位，基于提供的初始状态或尝试设计有趣的初始图案，观察其后续演化过程，记录下演化代数、时间以及最终状态(见表6-2-2)，看看谁的图案在演化后能形成更独特的图案。
活动二：“生命游戏”创意图案
03
新知讲解
图 6-2-2 “生命游戏”细胞演化过程
初始状态 (绘制细胞网格图) 演化代数 时间 最终状态
(绘制细胞网格图）
1 0.5 秒
2 1 秒
活动二：“生命游戏”创意图案
03
新知讲解
乐交流
各小组就初始图案和最终产生的图案与其他小组进行交流，在教师指导下评出最具创意的作品。
“我设计的初始图案是‘滑翔机’，一开始画了 5 个活细胞排成特定形状 —— 演化后它居然会慢慢向网格右下角移动，而且结构一直没散！另外我还试了‘孤零零 1 个活细胞’，结果 1 代就死了，才发现‘邻居数’真的是关键！你们看这个‘闪烁器’，它会在横向、纵向 3 个细胞之间来回变，特别有意思～我觉得最有创意的是 XX 组的‘静止方块 + 闪烁器组合’，两种稳定结构叠加后，演化出了更复杂的循环图案！”
活动二：“生命游戏”创意图案
03
新知讲解
勤思考
具有哪些特征的初始图案更容易形成稳定的结构 为什么有些初始图案会在演化过程中逐渐消散
“生命游戏” 图案的稳定与消散，核心取决于邻居数和结构类型。易稳定的图案，初始活细胞邻居数为 2-3 个，且属 “静物”“振荡体”“移动体” 等经典结构，能持续满足存活 / 复活条件。
图案消散的原因：一是活细胞分布不当，分散或密集，因 “寂寞 / 拥挤” 死亡；二是死细胞周围凑不够 3 个活细胞，无法复活新细胞，最终活细胞殆尽。设计创意图案，选稳定结构可出动态效果，分散 / 单个细胞图案易快速消散。
活动二：“生命游戏”创意图案
03
新知讲解
“生命游戏”算法通过模拟生命体基本行为，展现复杂系统的涌现现象与自组织行为。它能生成各种各样的图案，规则简洁却蕴含深刻规律，能直观展示复杂演化过程。但“生命游戏”仅基于局部规则，难以精确预测全局行为。森林生态系统的物种繁衍与消亡，城市中人群聚集与分散等现象，都可通过类似原理理解其动态变化。
活动二：“生命游戏”创意图案
04
课堂练习
1、“生命游戏” 中，活细胞能够继续存活的条件是周围 8 个邻居中活细胞的数量为（ ）
A. 1 个或 2 个 B. 2 个或 3 个
C. 3 个或 4 个 D. 4 个或 5 个
2、下列哪种初始图案更容易形成稳定结构？（ ）
A.单个孤立的活细胞
B.横向排列的 3 个活细胞（闪烁器）
C.分散在网格四角的 4 个活细胞
D.拥挤在一起的 5 个活细胞
B
B
04
课堂练习
3、“生命游戏” 中，细胞的邻居仅指上下左右 4 个方向的细胞，不包括斜角方向。（ ）
4、2×2 方块形状的活细胞图案属于 “静物”，演化后状态始终不变。（ ）
5、单个活细胞因周围邻居数为 0，会在 1 代演化后死亡，图案消散。（ ）
6、死细胞要复活为活细胞，需要周围有恰好 4 个活细胞。（ ）
7、滑翔机是 “生命游戏” 中的经典移动体图案，演化后会向固定方向稳定移动且结构不变。（ ）
√
X
X
√
X
05
拓展延伸
1、现实映射应用
“生命游戏” 并非纯虚拟，其规则映射现实：生物学中模拟种群繁衍（如物种密度与存活关系），社会学中解释城市扩张（人口聚集与资源分配），计算机科学中用于算法优化。它以简单规则演化复杂系统，成为跨学科研究的经典模型。
05
拓展延伸
2、复杂稳定结构
除闪烁器、滑翔机，还有 “太空船”“脉冲星” 等复杂稳定结构。“太空船” 由 5 个活细胞组成，演化中匀速移动且结构不变；“脉冲星” 则在多状态间循环振荡。这些结构展现了简单规则下，生命系统的无限多样性与秩序性。
05
拓展延伸
3、数学逻辑支撑
生命游戏本质是 “元胞自动机”，核心依赖数学递归与逻辑规则。其邻居计数、状态更新遵循严格数学逻辑，与二进制、矩阵运算密切相关。它证明了 “简单输入→复杂输出” 的数学可能性，为人工智能、机器学习提供了基础思维模型。
05
拓展延伸
4、编程模拟实践
用 Python 可快速实现生命游戏：通过二维列表初始化网格，循环计算每个细胞邻居数，按规则更新状态，最后可视化呈现演化过程。编程中需注意边界处理（如循环网格）、效率优化（如只遍历活细胞），既能加深规则理解，又能锻炼编程思维。
06
课堂总结
《细胞生存奥秘》课程小结：通过学习，我们终于明白 “生命游戏不只是模拟游戏，用它的演化规则、探细胞生死规律才是价值”。以后不管是模拟细胞生存状态、设计创意图案演化，还是分析复杂系统变化，都要先思考 “演化规则用对了吗？初始图案逻辑清了吗？能体现生命系统规律吗？”。再也不觉得算法模拟生命现象抽象，也不用担心分析细胞生存变化时没有方法了。
08
板书设计
细胞生存奥秘
一、“生命游戏”算法解密
二、“生命游戏”创意图案
课后作业:
1、设计 “生命游戏” 初始图案，记录 1 次演化后的细胞状态并分析其变化规律。
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