揭开计算机解答问题的神秘面纱――问题求解教学设计

1、揭开计算机解答问题的神秘面纱问题求解教学设计江门市第一中学 梁平忠（一）教学对象分析本课的教学对象是高中二年级的学生，对人工智能的学习已经有一段时间。学生尽管没有接触过用计算机来“问题求解”，但是他们对“九宫问题”和“井字棋”这个两个小游戏非常的熟悉。所以用这两个游戏作为例子可以减少他们对这节课的陌生感。（二）本节教学内容树概念的引入和树一些术语的解释。介绍树的两种搜索方法：深度优先和宽度优先。启发式搜索的一个应用。博弈问题的引入。（三）教学目标1知识与技能目标 eq oac(,1)让学生理解树的概念和关于树的一些术语。 eq oac(,2)让学生认识“深度优先”和“广度优先”。 eq oac

2、(,3)让学生认识“启发式搜索”。 eq oac(,4)通过“井字棋”这个游戏让学生体会博弈问题求解的策略。2过程与方法目标 eq oac(,1)让学生能够用“深度优先”和“宽度优先”两种方法来搜索问题树。 eq oac(,2)让学生能够对具体问题思考适用的“启发函数”，加快搜索速度。 eq oac(,3)让学生能够归纳“井字棋”的下棋规则。3情感态度与价值观目标 eq oac(,1)从计算机解决问题的方法，激发学生深入学习人工智能的欲望和兴趣。 eq oac(,2)通过简单的问题求解，让学生从游戏和实例中领略人工智能来解决问题的丰富魅力，增强对人工智能乃至信息技术发展前景的向往和对未来美好生

3、活的追求。（四）重点难点重点：1、树概念的引入和理解。2、“深度优先”和“广度优先”两种搜索策略。3、“启发函数”对搜索的作用和选择。难点：1、“深度优先”和“广度优先”两种搜索策略的理解。2、“启发函数”的选择。（五）教学方法任务探究法、小组竞争、协作学习（六）教学过程教学环节教师活动学生活动设计意图利用“九宫问题”引入问题，铺垫（5分钟）拿出“卡斯帕罗夫”与深蓝的新闻作为引入，引起学生对问题求解这个内容的兴趣。相对而言，国际象棋是比较复杂的，我们研究简单点的“九宫问题”。打开“九宫问题”这个程序，输入一个例子。让一个学生自告奋勇的上来走一走。让计算机来走同样的例子，用所耗费的步数来比较计算

4、机和同学所走的策略优劣。向学生提问：为什么计算机可以自动的走棋呢？而且为什么走得比同学的策略更好？1、一个同学上讲台玩这个游戏。其它同学给他出谋划策。2、思考为什么计算机可以自动的走棋？“卡斯帕罗夫”与深蓝对战的新闻曾经轰动一时，学生都对“人为什么会输给计算机？”这个问题都感兴趣。以学生的兴趣为切入点。从简单的“九宫问题”作为研究的对象，再用人手走棋和机器走棋的效果对比这个事实，让学生头脑中这样的有一个疑问：计算机为什么能走棋呢？利用学生的好奇心来凝聚他们的积极性。树概念的引入(3分钟)教学环节利用猴子摘桃这个类比方法将“九宫问题”过渡到树问题的求解：从开始状态出发，每一个位置都有若干个选择，

5、而问题的解必定存在于这些选择当老师活动通过观察演示，类比从“九宫问题”转化为问题树上求解。学生活动将实际的问题转化为树的表示形式，这个对学生来说是比较困难的。所以就用猴子摘桃这个例子来让学生把这两设计意图树概念的引入中。树：从根出发，有多个树杈，而果实必定存在于这些树杈上。打开Windows的资源管理器，简述它就是一个典型的树的应用。告诉学生“九宫问题”就可以转化为在树上搜索的问题。从熟悉的“window”资源管理器加深对树的一个认识。方面联系起来，减少转化的难度。而对windows资源管理器是树的一个简述，从他们熟悉的事物着手，增加对树的一个亲切感。探索树的搜索方式（8分钟）借助动画演示猴子

6、摘桃这个例子来说明，猴子并不能盲目的在树上找，而是应该按照一定的规律去找。让学生尝试分组去讨论和发现两种搜索方式的规律、不同点以及可以改进的地方。展示并评点各小组的意见，总结出主要规则有两种：深度优先：从树的根节点开始，对其分支逐个深入搜索（一般先从左分支开始）。广度优先：从根节点开始，在树中一层一层地找。提供有关两种搜索方式的相关学习资料让学生进一步学习，再学生学习后再给出的练习让学生思考：用深度优先和宽度优先搜索的顺序分别是什么？这样的搜索存在什么问题？如何解决这个问题。通过观看猴子摘桃这个动画，自主探索树的两种搜索方式，然后通过小组讨，在小组内部对两种搜索方式形成初步的认识和见解，并通过

7、教学网站传达小组的意见。学习老师给出的资料，思考老师给出的练习，列出深度优先和广度优先的一个搜索顺序。根据老师的提示，思考深度优先和广度优先还存在的问题。再次利用猴子摘桃这个例子来说明在树上搜索的两种基本方法：深度优先和广度优先。通过学生的思考两种搜索方法的顺序，并从思考中让学生体验深度优先、宽度优先在搜索速度上的一个不足（走了很多的冤枉路）。从而为启发式搜索的引入埋下伏笔。教学环节教师活动学生活动设计意图启发式搜索的引入（45分钟）提问上面猴子摘桃动画中的猴子能不能用更好的方式去搜索树上的桃子作为引入。正因为上面两种搜索方式会走了很多的冤枉路。所有我们就用一个启发信息指导搜索，减少搜索范围，

8、提高速度。回到猴子摘桃这个例子，用启发式搜索就像有一个预见到某一个分支根本不可能有桃子的方法，直接跳过这个分支。用“九宫问题”这个例子来说明一个启发式搜索的利用，并对比原来的效果。启发式搜索的关键是启发函数的选择，但这也是一个复杂的问题。就像不是每一棵树上都有枯枝一样，并不是每一个问题都可以使用启发式搜索来加快搜索的速度，在这些情况下，只能老实的使用广度优先或者深度优先来搜索。从猴子摘桃这个例子理解启发式搜索的一个原理。观看演示，对比使用启发式搜索前后的效果，并体会启发式搜索的效率。从猴子跳过树上的枯枝这样一个生活中的道理，让学生可以更好的理解启发式搜索。通过对比使用启发式搜索前后的效果，让学

9、生亲身体会启发式搜索的作用。同样用“不是每一棵树都有枯枝”这样一个生活中的道理，让学生明白并不是每一个问题都可以使用启发式搜索，很多情况下还要使用盲目的搜索。博弈问题的求解（14分钟）教学环节再次拿 “卡斯帕罗夫”与深蓝的新闻，说明这个就是博弈问题。再用简化的人机博弈“井字棋”作为实例，为实现“人机大战”，我们可以用“打分”方式。打开“井字棋”对战平台。老师活动分组思考“井字棋”的打分规则。对博弈问题有一个简单的了解。学生活动用“井字棋”这个学生再熟悉不过的简单博弈游戏作为实例，让学生接触博弈问题的求解，使他们能够从过去的经验中得到启发，减轻课程的难度。设计意图并用了两条规则作为例子，让学生明

10、白打分法的用法。让学生分组思考用什么规则来打分，才能让我们的计算机能够跟人下“井字棋”呢？让学生小组思考“井字棋”的打分规则，可以使他们一方模拟计算机，另一方作为自然人，进行博弈。从实际的博弈过程中探摸出打分规则。评价（34分钟）给出评价表，让学生进行课堂评价，了解学生本节课的学习情况参与课堂评价了解学生在本节课学习活动的情况，课堂总结，情感升华。（1分钟）总结本课知识点。我们这节课的内容是人工智能应用的一个雏形，但是只要我们继续学习人工智能的知识，将来我们当中可能会涌现一批人工智能的专家，制造出属于我们国家的比“深蓝”更好的人工智能工具。思考并回忆通过回顾，加深学生对本节内容的认识。同时利用情感的升华，再次激起他们学习人工智能的兴趣。教学评价在本节课中，主要是利用网络教学平台的“评价”栏目让学生对自己的学习情况及表现进行自我评价和交流。教学反思本节课教师要详细介绍各种搜索方法，让学生了解搜索的基本原理和方法，并能尝试用搜索方法求解实际问题，讲解时一定要注意结合实例，从简