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第三章 信息的编程加工和智能化加工
第一节 信息加工概述
一、教学目标
1．知识与技能目标
理解算法的概念，引导学生了解有关程序设计的基本知识；让学生了解计算机加工信息的内在机制以及算法的含义。
2．过程和方法目标
让学生了解计算机解决问题的一般过程，了解用高级语言编程工具解决问题的基本方法，感悟计算机程序设计的思想，了解计算机程序设计的基本流程。
3．情感与价值观目标
激发学生对信息技术的求知欲，提高其学习兴趣，形成积极主动学习信息技术的态度。
二、教学内容分析
1．课程标准内容《信息的编程加工》教学设计
初步掌握用计算机编程加工信息的工作过程和基本特征；
2．教材作用与地位
教科版《信息技术基础》第三章第二节“信息的编程加工”通过操作和剖析已经编好的计算机程序，在解决实际问题中分析并了解其工作过程，这种通过问题分析形成算法、再利用计算机程序解决问题的思路和做法，对学生帮助很大。
同时这一节内容的学习，对于选修中的“算法与程序设计”模块也起到一个很好的铺垫作用。
三、教学重点和难点
1．算法设计的理解。
2．尝试编程的主要过程。
四、教学过程
1．引入
师：在自然数中有很多数都是有规律的，比如 1991这个数，从左向右读与从右向左读是完全一样的，这样的数我们称之为“回文数”。过了1991年，又过11年，我们又碰到了第二个“回文数”2002。试问，再过多少年，我们才能再碰到一个“回文数”的年份？
生：110年。
师：请大家思考：两位的“回文数”有几个？三位的“回文数”又有几个？
生：分别有 9个和90个。
师：很好。除了刚才讨论的回文数，还有一类数也很有特色：首先它是一个三位数；其次，它的各位数字的立方和就是这个数本身，这类数，有个好听的名称：水仙花数。请大家思考并写出所有的水仙花数。
生：（思考）
师：下面请一位同学把自己的结论说出来和大家交流交流。
生：写不出， 3个未知数，但是只有一个方程，所以计算不出来。
师：那就请你说出方程。
生：……
师：我们来共同讨论如何求出这个方程的解？
生1：我们可以用数学中的穷举法和排除法，也就是首先取数字100，那么对应的a，b，c分别为1、0、0，判断这个方程是否成立；然后再取数字101，再进行判断……如此反复，一直判断到数字999。
师：确实是个很好的方法，但是我们要进行多少次的验证才能够得出所有的水仙花数？
生：900次。
师：如果一个数字验证需要 1分钟，那900次就要15个小时？
生：（抢答）可以让计算机去验证啊。
师：对，我们可以利用计算机的优势：高速度和大容量来帮我们快速解决问题。下面我们来看一个事先编写好的小程序：（打开并运行）
图1 图2
界面（如图 1）很简单，也很明白，在提示语的下方有一“运行”按钮，直接单击“运行”按钮，出现如图2所示界面。该界面上显示出所有的水仙花数，很显然，计算机快速处理数据的能力大大缩短了我们解决问题的时间，瞬间就得出了结果。虽然计算机能快速地求出问题的解，但它却没有思维、不知道如何解决问题，所以我们必须告诉它解决问题的过程和方法。在程序设计中我们称之为算法。实际上，日常生活中也处处存在着算法的应用。
设计意图：课本上使用的是“冒泡排序”的示例，考虑到学生目前的知识基础对于这个示例还不能透彻的理解，所以，我采用了学生较为熟悉的数字示例，同时“水仙花数”这个动听的名称也激发了学生的学习兴趣。教学过程中，通过学生对“水仙花数”的分析和讨论，引导学生说出计算的规律，从而引出可以通过编程解决问题。
2.算法设计
师：其实算法在日常生活中也无处不在。我们小学时曾学过一篇课文，里面提到过著名数学家华罗庚“烧水泡茶”的问题。对于这个问题，他是怎么解决的？
生：第一步：烧水；第二步：烧水过程中，洗刷茶具；第三步：水烧开后沏茶。
师：从这个例子大家可以看到，算法的设计分两个内容：一是寻找一种方法；二是描述一下实现这个方法的步骤。刚才这位同学很好地用语言描述了“烧水泡茶”的算法。那么在求水仙花数的过程中，我们应该寻找什么方法？请同学们思考并用自己的语言描述实现这个方法的步骤。其中要包括：从何处着手、解题步骤以及结果处理。
生 1：首先确定水仙花数的范围：是一个三位数，也就是从100到999；判断表达式是否成立，如果成立就是水仙花数；如果不成立就不是水仙花数。
生 2：还要把所有的水仙花数显示出来。
师：生 2补充得很好，如果我们只进行判断，而没把符合条件的数字列出来，那么这个算法就不算完整了。还有没有需要补充的？或者说有没有需要细化的？
生：（思考）
师：（提示）生 1说的等式中a，b，c的值是从哪里来的？
生：是从一个三位数中分离出来的百位、十位、个位上的数值。
师：对于一个三位数，计算机是不知道怎么分离出各位上的数字的，所以还得说明如何分离。请思考如何分离出一个三位数的各位上的数？（提示）以数字 123为例，如何分出1、2、3？
生：123除以10的余数，就是个位上的数。123除以100的商就是百位上的数……
师：细化后的算法已经很明朗了，下面再请一位同学帮我们把刚才说的内容重新梳理一遍。
生：让计算机从 100到999依次进行百位、十位和个位数字的分离，然后对表达式的成立与否进行判断，如果成立就显示出这个数。
师：既然是让计算机完成这项任务，我们直接对其发出口头命令，计算机懂不懂，能不能直接去执行你的命令？
生：不能。
师：所以我们必须把它转换成计算机能够执行的语言，也就是我们平常所说的：通过编程实现。
师：说到程序，大家脑海里立即浮现出一行行代码，其实不然：用户界面是一个应用程序最重要的部分，界面是应用程序呈现给用户的外观，也是实现人机交互的接口。刚才演示的界面中因为有了提示语，所以我们才知道怎么操作这个程序；因为有了按钮，所以单击程序才会运行。
而 VB语言，提供的可视化设计工具，可以直接使用窗体和控件设计程序的界面，大大地提高了程序设计的效率。
设计意图：教师通过华罗庚“烧水泡茶”的示例，让学生明白算法的概念。引导学生说出求“水仙花数”的算法，通过学生的分析、说明、总结，培养学生的自主学习的能力。教师从中起到引导的作用，强调学与教的合理分配。
3.编程实现
师：请大家启动 VB，观察VB界面，尝试利用窗口左侧的工具箱里的控件设计刚才的界面。
生：（根据投影幕上显示的界面自行操作）
师：巡视并给予适当指导（3分钟）。
师：总结：刚才大家操作得不错，都能找到相应的控件，并将其添加到界面上。但是只有这个界面，是不是就可以帮我们求出所有的水仙花数了呢？
生：不是，程序还没写呢。
师：刚才我们在对象窗口中设计好了界面，那代码应该在哪里写？请大家在视图菜单中寻求答案。
生：代码窗口。
师：下面我们就把用 VB语言描述的算法写到代码窗口中，并且调试，看看能不能正常运行？
Private Sub Command1_Click()
Dim i As Integer
Dim a As Integer
Dim b As Integer
Dim c As Integer
Label1.Caption = ""
For i = 100 To 999
a = Int(i / 100)
b = Int(i / 10) - a * 10
c = i Mod 10
If a * a * a + b * b * b + c * c * c = i Then
Print i
End If
Next i
End Sub
生：（根据投影幕上显示的程序，在代码窗口中书写）
设计意图：Microsoft中不同软件具有基本相同的风格和界面，甚至不同功能的操作方法也有共通之处，为我们运用原有的知识和经验迁移到新知识、新技术的学习中创造了条件和可能。在界面设计中，学生可以将Word、Excel中窗口操作、文件处理等知识迁移到VB中。通过迁移，提高学生的学习能力。
4.拓展与延伸
师：刚才我们是从 100到999将每个数，都重复如下操作：分离出百位、十位、个位上的数值，并判断表达式是否成立，如果成立就输出，再取下一个数字进行同样的操作。
请大家讨论除了这种算法还有没有其他算法？
生：（讨论）
师：（提示）刚才是从数字出发分离出 a，b，c，能不能换个角度从a，b，c拼出数字？
生：作为百位上的 a可以取1～9之间的任意数，而b和c可以取0～9之间的任意数，从已知的a，b，c求出100*a+10*b+c，看是否等于它们的立方和，如果相等就输出。
师：请大家根据这位同学用自然语言描述的算法修改程序，看能不能得出正确结果。
生：修改程序，存盘，运行。
师：在上这节课之前，大家对“编程”总抱着一种很“神秘”的态度观望，这节课我们通过“求水仙花数”这个实例知道了编程也不是那么的深奥，它也是有章可循的——对于一个问题，首先列出它的算法、然后设计界面，根据设计好的算法和界面，用编程的语言将你的思想体现出来。通过学习和探讨，我们也能利用计算机编程来解决一些简单问题，感兴趣的同学还可以课后利用 VB 的帮助系统了解VB的其他功能，争取编出更多更好的程序。
设计意图：在已经用了一种算法解决问题的基础之上，提示学生可以采用另一种算法，让学生知道解决同一问题可以有多种不同的途径；在学生利用第二种算法解决问题的过程中，通过对两种算法的比较，体现出不同的解决问题的思路，为选修“算法与程序设计”模块中“算法的设计”奠定基础。
第二节 信息的编程加工
一、内容分析
1．本节的作用和地位
本节内容处于本章的前沿，体现的是计算机加工处理信息的最基本的方法，所以学习起来比起后面的文本加工、图像加工等内容来讲是更有难度的。但是本节内容却非常重要，如果能够及早引导学生理解了本节课“编程加工信息”的精髓，对以后的学习是非常好的铺垫，很多“为什么”的问题将会一应而解。
2．本节的主要内容
本节课的主要内容是算法与程序设计，即如何使用计算机来解决问题。
策略设计
我们认识问题的过程一般都是像课本那样：从概念到案例。即从事物的原理出发，以实例来验证原理。这样的方法虽然对阐述问题的整体性是有益的，但是却并不容易突破难题，给人以就事论事的感觉，没有鲜活的体现。
所以本节采用的策略是：从案例到概念。即从事物的表象出发，根据现象去探索原理。这样的方法更符合青少年的求知心理，也更容易在用技术实现软件模型过程中体验到程序的本质意义和巨大价值。
软件的界面实现（举例）
本节课的教学策略实施流程：首先介绍软件的“智慧”来源 ,然后介绍软件的构成和来源。
本节课的教学环境是具有电子投影和计算机设备的普通教室，教学过程以讲解、讨论为主，以个别学生上台演示为辅助，上机练习时间安排在下一节课。
二、教学流程
1．课堂引入
（1）问题引入
教师先向学生提问计算机系统的基本构成（答案：硬件与软件）；再提问软件的作用（答案：程序是计算机的灵魂）；然后引申提问计算机的灵魂是谁赋予的（答案：人）。
（2）深入讨论
从同学们以前使用过的软件（图、文、表、声、像等软件）分析，我们之所以能够使用计算机来处理各种各样的信息，是因为有相应的软件为我们提供了合适的工具。那么，这些软件是用什么来制作的呢？
2．讲授新课
第一环节 观察软件内核，认识程序。
依次观看一个函数图像绘制软件、一个小的游戏软件的外观和功能。
打开源代码，让学生针对其中的某一点（如函数中的绘点命令或游戏中的击中判断）让学生知道什么是软件的内核（程序代码）。
第二环节 上手模拟软件外观。
教学工具：以 VB为例进行本环节学习。
认识算法：制作软件需要编写程序，编写程序要有一定的工具，事先还要有一定的规划和设计，即算法。以盖房子为例讲解算法：预计有多少房间，规划每个房间的功能是什么，建筑的过程是怎样的，最后的装修使用等。
操作演示：从制作软件者的视角，了解 VB的结构特点。
（1）控件。
VB就像盖房，有各种材料、器件——控件，以图像控件为例，演示给学生插入一个控件。
（2）控件的属性。
每个控件都有一定的属性，就像壁画有名称、大小、内容、位置等。为图像控件的 Picture属性引入一个图片。
（3）事件响应代码。
有的控件要能响应一定的功能要求——事件。就像门铃按动时有声音，按门铃就是事件，声音就是响应。
例如，插入一个按钮，双击按钮，在 Click事件中加入响应代码：Print "hello"。启动程序时，每次单击按钮都会响应出一个问候语，以此阐明事件响应是代码在起作用。
第三环节 探索软件智慧的来源。
我们知道了使用 VB制作软件的基本的构成之后，可以更加深入一层去了解为什么软件会有很多功能，能够代替我们去做工作。
三、自我反思
设计意图 :信息的编程加工在课本上仅仅是一节内容，而高一数学教材中仅算法内容就有十节。从这个比例来看，本节课的教学难度的确是非常大的。即使把要求放到很低，仅仅让学生体会一下程序设计加工信息的功能和意义，也很难让学生从生硬的代码中体会到程序设计的精髓所在。为此，我们试图寻找一种从软件的功能与设计入手的小案例，在教学中从软件界面到内部响应，再到程序代码，继而分析出程序的特点，让学生在一种揭示计算机软件奥秘的欲望下达到逐步了解算法和程序设计的目的。
设计亮点 :本节课的设计亮点在于与学生一起通过探索软件工作原理的奥秘所在，一步步引导学生正确认识程序的作用与意义，体验使用程序加工信息的过程与方法。
本节课的内容虽然很多，但是其核心是明确的，即“计算机的智慧来源”。由于在以前从来没有在一节课中尝试讲解程序的三种基本结构，所以第一节课也并没有完成教学任务，主要原因是学生的练习占据了相当长的时间。第二节课（另一个班），采用了以讲授为主，部分学生代表上台演示的方法，结果非常顺利，但是这样就把练习放到了下一节。第三节课，我又采取了三种结构并行、对比来讲，使用一个案例“等差数列的极限求值”问题来讲解，把顺序、智能、自动化逐一上套，虽然时间是节省了，但是学生对程序的理解不如将三个结构分别来讲好。
第三节 信息的智能化加工
一、教学内容
1．初步掌握用计算机进行信息处理的几种基本方法，认识其工作过程与基本特征。
2．通过部分智能信息处理工具软件的使用，体验其基本工作过程，了解其实际应用价值。
二、 教学目标
1．知识与技能目标：了解什么是人工智能及其在各领域的应用，知道“机器翻译”、“模式识别”、“机器人”、“软件机器人”、“计算机博弈”等概念。
2．过程与方法目标：体验“机器翻译”过程，分析机器翻译与人工翻译的区别；体验“模式识别”、“机器人”、“软件机器人”、“计算机博弈”技术的应用。
3．情感与价值观目标：感受信息智能处理的魅力，能客观评价信息智能处理给学习和生活带来的变化，激发起学习探索人工智能知识的热情和愿望，为学生今后选修“人工智能”打下基础。
【教学重点】体验人工智能的独特魅力，了解其应用价值。
【教学难点】客观认识人工智能技术对社会的影响，培养正确的科学技术应用观。
三、 教学方法
讲解、演示、讨论（准备 PPT讲稿）。
【教学时间】 1课时。
【教学环境】多媒体网络机房。
四、教学过程
导入新课：
大家学习网络搜索的时候我曾经给大家布置过一道题，请大家在网上查找《再别康桥》的英文稿，大家当时查找的结果如何？大家有没有想过如果我们在网上找不到，我们该怎么办？（自己翻译、软件翻译…… 演示用金山快译翻译中文的全过程）金山快译为什么能完成以前必须要我们去亲自完成的翻译工作？是因为它使用了人工智能技术。这节课我们就来谈谈利用人工智能加工信息的技术。
新课教学：
1．什么是人工智能？
人工智能，顾名思义就是人造的智能，主要是对人脑思维机理的模拟。
2．人工智能技术的典型应用。
（1）机器翻译。
机器翻译是利用计算机把一种自然语言转变成另一种自然语言的过程，用以完成这一过程的软件系统叫做机器翻译系统。几十年来，国内外许多专家、学者为机器翻译的研究付出了大量的心血和汗水。虽然至今还没有一个实用、全面、高质量的自动翻译系统出现，不过也取得了很大的进展，特别是作为人们的辅助翻译工具，机器翻译已经得到大多数人的认可。目前，国内的机器翻译软件不下百种，根据这些软件的翻译特点，大致可以分为三大类：词典翻译类、汉化翻译类和专业翻译类。词典类翻译软件代表是“金山词霸”，堪称是多快好省的电子词典，它可以迅速查询英文单词或词组的词义，并提供单词的发音，为用户了解单词或词组含义提供了极大的便利。汉化翻译软件的典型代表是“东方快车 2000”，它首先提出了“智能汉化”的概念，使翻译软件的辅助翻译作用更加明显。以“译星”、“雅信译霸”为代表的专业翻译系统，是面对专业或行业用户的翻译软件，但其专业翻译的质量与人们的实用性还有不少差距，有人评价说“满篇英文难不住，满篇中文看不懂”，该说法虽然比较极端，但机译译文的质量确实一直是个老大难问题。这里，我们不妨对现有的机译和人译过程作一比较，从中可以看出一些原因。
演示：使用金山快译翻译《再别康桥》，让学生思考机器翻译与人工翻译的区别。
机器翻译： 　 　
①一句一句处理，上下文缺乏联系；
②对源语言的分析只是求解句法关系，完全不是意义上的理解；
③缺乏领域知识，从计算机到医学，从化工到法律都通用，就换专业词典； 　
④译文转换是基于源语言的句法结构的，受源语言的句法结构的束缚； 　
⑤翻译只是句法结构的和词汇的机械对应。
人工翻译：
①一般会先通读全文，会前后照应； 　
②对源语言是求得意义上的理解；
③只有专业翻译人员，而没有万能翻译人员；
④译文是基于他对源语言的理解，不受源语言的句法结构的束缚；
⑤翻译是一个再创造的过程。
在目前的情况下，计算机辅助翻译应该是一个比较好的实际选择。事实上，在很多领域中，计算机辅助人类工作的方式已经得到了广泛的应用，例如 CAD软件。如果计算机辅助技术用于语言的翻译研究，应该同样可以起到很大的辅助作用，这就是所谓的“计算机辅助翻译”。它集机器记忆式翻译、语法分析式翻译和人际交互式翻译为一体，把翻译过程中机械、重复、琐碎的工作交给计算机来完成。这样，翻译者只需将精力集中在创造性的思考上，有利于工作效率的提高。
机器翻译研究归根结底是一个知识处理问题，它涉及有关语言内的知识、语言间的知识，以及语言外的世界知识，其中包括常识和相关领域的专门知识。随着因特网的普及与发展，机器翻译的应用前景十分广阔。作为人类探索自己智能和操作知识的机制的窗口，机器翻译的研究与应用将更加诱人。国际上有关专家分析认为机器翻译要想达到类似人工翻译一样的流畅程度，至少还要经历 15年时间的持续研究，但在人类对语言研究还没有清楚“人脑是如何进行语言的模糊识别和判断”的情况下，机器翻译要想达到100%的准确率是不可能的。
（2）模式识别。
模式识别就是通过计算机用数学技术方法来研究模式（我们把环境与客体统称为“模式”）的自动处理和判读。
计算机识别的显著特点是速度快、准确性强和效率高。识别过程与人类的学习过程相似。以“汉字识别”为例：首先将汉字图像进行处理，抽取主要表达特征并将其特征与汉字的代码存在计算机中。就像把老师教我们这个字叫什么、如何写的知识记忆在大脑中。这一过程叫做“训练”。识别过程就是将输入的汉字图像经处理后与计算机中所保存的全部汉字进行比较，找出最相近的字作为识别结果 ,这一过程叫做“匹配”。
演示：字符识别系统。
语音识别就是让计算机能听懂人说的话。
演示：语音识别和语音合成系统。
指纹识别更是模式识别的一个重要应用。
演示：指纹匹配系统。
这里介绍一个综合应用的例子，一汽集团公司与国防科技大学最近合作研制成功“红旗轿车自主驾驶系统”（即无人驾驶系统），它标志着我国研制高速智能汽车的能力已达到当今世界先进水平。汽车自主驾驶技术是集模式识别、智能控制、计算机学和汽车操纵动力学等多门学科于一体的综合性技术，代表着一个国家控制技术的水平。红旗车自主驾驶系统采用计算机视觉导航方式，并采用仿人控制，实现了对红旗车的操纵控制。首先，摄像机将车前方的道路和车辆行驶情况输入到图像处理和图像识别系统。该系统识别出道路状况、前方车辆的相对距离和相对车速。接着，路径规划系统根据这些信息规划出一条合适路径，即决定如何开车。然后，路径跟踪系统根据需跟踪的路径，结合车辆行驶状态参数和车辆驾驶动力学约束，形成控制命令，控制方向盘和油门开启机构产生相应动作，使汽车按照规划好的路径前进，即按自主驾驶系统的规划路径前进。
（3）其他应用 ：计算机博弈、智能机器人、专家系统等。

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