九年级信息技术：循环嵌套绘制规则图形教案

九年级信息技术：循环嵌套绘制规则图形教案

一、课程基本信息

学科：信息技术

学段与年级：初中九年级

课时安排：2课时（共90分钟）

课题核心：基于Pythonturtle模块的循环嵌套结构与规则几何图形算法设计

版本依据：清华大学“信息技术”九年级下册相关概念拓展与深化

教学环境：多媒体网络机房，Python3.x及以上编程环境，教学广播系统，思维可视化工具

二、课标与教材分析

本节课内容隶属于初中信息技术课程“算法与程序设计”模块的核心进阶部分。课程标准要求学生能够运用算法思想解决实际问题，通过编程验证算法，形成计算思维。《清华大学版信息技术》教材在九年级的设计中，旨在引导学生从简单的顺序、分支结构迈向更复杂的流程控制，特别是循环结构的复合运用。本节“循环嵌套与规则图形设计”是连接基础语法学习与复杂算法实践的关键桥梁，它不仅是逻辑思维的深化训练，也是数学美学与计算机科学的一次重要融合。教材原内容倾向于功能实现，本设计将在此基础上，强化对问题分解、模式抽象、算法优化及创意表达等高阶思维能力的培养，体现当前计算思维教育的前沿理念。

三、学情分析

授课对象为九年级学生，其认知发展处于形式运算阶段，具备了一定的抽象逻辑推理能力。

知识基础方面，学生已经掌握了Python的基本语法、turtle模块的常用指令（如前进、转向、抬笔落笔）、以及单层循环（for循环）的结构与应用，能够独立绘制简单的正多边形。

能力储备方面，学生初步具备了将几何问题转化为步骤化指令的能力，但在处理多重关系、抽象内在规律时仍存在困难，思维的严谨性和系统性有待提高。

学习心理方面，学生对图形化、可视化的编程结果抱有浓厚兴趣，但面对逻辑复杂性时容易产生畏难情绪。因此，教学设计需通过梯度任务、直观演示和成功体验，将挑战转化为探究动力。

四、核心素养与教学目标

依据信息技术学科核心素养，制定如下三维教学目标：

1.计算思维：

1.2.通过分析复杂规则图形的构成规律，学会使用“分解”策略，将整体图形拆解为基本图形单元和重复模式。

2.3.理解循环嵌套的执行流程与外层循环变量、内层循环变量的关系，建立“迭代中的迭代”心智模型。

3.4.能够抽象出图形中关于边长、角度、旋转次数等参数之间的数学关系，并形式化为算法。

4.5.初步建立算法效率意识，能对不同实现方式进行比较。

6.数字化学习与创新：

1.7.能够利用turtle这一数字化工具，创造性地设计和实现具有对称美、重复美的规则图形。

2.8.在调试代码、优化参数的过程中，培养利用数字工具进行迭代设计和问题解决的能力。

3.9.鼓励对生成图形进行艺术化修饰（如颜色渐变、线条粗细变化），实现技术实现与艺术表达的创新结合。

10.信息意识与社会责任：

1.11.认识到算法是驱动现代数字艺术、计算机辅助设计（CAD）等领域的基础，理解其背后的逻辑价值。

2.12.在合作学习中，养成规范编码、注释说明的良好习惯，具备初步的工程化思维。

具体目标表述：

1.知识与技能：深刻理解循环嵌套的概念、执行顺序及其在图形绘制中的应用；能够独立编写循环嵌套代码，绘制如旋转多边形、多重复合图样等规则图形；掌握通过调整循环变量与绘图参数控制图形样式的方法。

2.过程与方法：经历“观察图形->分析规律->抽象算法->编写代码->调试优化->拓展创新”的完整问题解决过程，体验算法设计的思维流程。

3.情感态度与价值观：感受编程逻辑与几何美学结合的魅力，激发对程序设计的持久兴趣；培养严谨、细致、坚持不懈的科学研究态度和勇于创新的精神。

五、教学重难点

1.教学重点：

1.2.循环嵌套结构的执行机理理解，特别是内外层循环变量的独立变化过程。

2.3.将视觉上的规则图形，有效分解为可通过两层循环实现的算法模型。

3.4.坐标、角度、循环次数等参数之间的数学关系分析与确定。

5.教学难点：

1.6.循环嵌套的抽象思维建立：学生容易混淆内外层循环的控制逻辑，需通过可视化分步演示和内省（如打印变量）来突破。

2.7.从具体图形到抽象算法的“翻译”能力：如何引导学生发现“画一个基本单元”和“重复排列这个单元”的两层任务结构。

3.8.算法设计的多样性与优化：引导学生思考同一图形的不同实现算法，并比较其简洁性与效率。

六、教学方法与策略

1.主要教学方法：采用任务驱动法、探究式学习法与范例教学法相结合。

2.核心教学策略：

1.3.支架式教学：为学生搭建从“单循环正多边形”到“嵌套循环旋转图形”的认知阶梯，提供“算法设计流程图”等思维工具作为支撑。

2.4.可视化调试策略：利用turtle的实时绘图和慢速模式，或配合输出内层循环计数，让执行过程“看得见”，化解抽象。

3.5.合作探究策略：设置分层挑战任务，鼓励学生小组内讨论算法思路，分享代码，互相调试，促进思维碰撞。

4.6.跨学科融合策略：紧密联系数学中的几何变换（旋转、平移、对称）、数列与角度计算，强化知识联结。

七、教学资源与工具准备

1.教师端：演示课件（内含图形案例、执行流程动画、关键代码片段）、Python编程环境（推荐使用PyCharmEdu或VSCode，并安装turtle库）、课堂实时投屏软件。

2.学生端：每人一台安装好Python环境的计算机，预装代码编辑器。

3.学习材料：发放“探究学习单”，包含观察记录表、算法设计流程图模板、分层任务卡、课后拓展资源链接（如分形几何初步、Python艺术编程社区）。

4.环境布置：机房网络畅通，便于学生检索资料和提交作品。

八、教学过程设计

第一课时：解构规律，初探嵌套（40分钟）

环节一：情境导入，问题激趣（预计5分钟）

教师屏幕展示一组由计算机生成的精美规则图案：如由多个正方形旋转组成的风车图案、由正六边形环状排列的蜂窝状图样、色彩渐变的同心圆环等。同时，也可展示一些自然界中的规则图案，如花瓣的排列、蜂巢的结构、雪花的分形。

提问学生：“这些图案美吗？它们看起来复杂，但背后是否隐藏着简单的重复规律？如果让你用我们已经学过的turtle编程来绘制其中一个，比如这个旋转的风车，你会从何入手？”

引导学生回顾使用单层循环绘制一个正方形的方法。随即提出挑战：“一个正方形很简单，但如何画出这样一圈旋转的、多个正方形组成的风车呢？手动重复写代码吗？”从而自然引出核心问题——如何让计算机自动完成这种“重复中的重复”，即本节课的主题：循环嵌套。

环节二：温故知新，搭建支架（预计8分钟）

首先，进行集体复习。请一位学生口述或用伪代码写出绘制一个边长为50的正方形的turtle代码（使用for循环）。教师将其板书或投射在屏幕一侧。

importturtle

t=turtle.Turtle()

foriinrange(4):

t.forward(50)

t.left(90)

然后，教师提出进阶任务：“现在，我们不只画一个，而要画4个这样的正方形，让它们围绕一个中心点平均分布，每个正方形比前一个旋转一定的角度。”先让学生尝试思考如何修改代码。

学生可能会提出：四段画正方形的代码，在每段之间添加旋转命令。教师肯定其思路，但指出这种重复写代码的方式不够优雅和通用。接着，教师引导学生观察这个新任务的结构：“我们是否在做一件重复的事情？这件事是什么？”（答案是：画一个正方形）“这件事重复了多少次？”（4次）“在每次重复画这个正方形的前后，有什么规律性的操作？”（每次画完后，海龟需要调整方向，为画下一个做准备）。

由此，引出关键洞察：我们可以把“画一个正方形”这个本身就需要循环的任务，看作一个“基本动作单元”，然后让这个“单元”重复执行多次。这恰恰是循环嵌套的思想：外层循环控制“画多少次基本单元”，内层循环控制“如何绘制这个基本单元本身”。

环节三：概念构建与可视化解析（预计15分钟）

这是突破难点的关键环节。

1.概念讲授：教师明确给出“循环嵌套”的定义：在一个循环体内部，又包含另一个完整的循环结构。强调执行顺序：外层循环每执行一次，内层循环都要完整地执行一遍。用比喻帮助学生理解：想象外层循环是“星期”（周一至周日），内层循环是“每天的课程节次”。每过一天（外层循环一次），都需要完整地上完当天的所有课（内层循环一遍）。

2.代码演示与分步可视化：

1.3.教师呈现绘制旋转正方形的完整嵌套循环代码：

importturtle

t=turtle.Turtle()

t.speed(1)#设置慢速以便观察

forjinrange(4):#外层循环：控制画几个正方形

foriinrange(4):#内层循环：控制画一个正方形的四条边

t.forward(50)

t.left(90)

t.left(20)#画完一个正方形后，旋转一定角度（如20度）

1.4.教师运行代码，让学生观察海龟的绘制过程。第一次运行后，提问：“外层循环变量j第一次的值是多少？此时内层循环执行了几遍？画出了什么？”

2.5.为了更透彻地理解，引入“内省”调试法。修改内层循环代码，在画每条边时打印当前的内外层循环变量：

foriinrange(4):

print(f“外层j={j},内层i={i}”)#打印变量值

t.forward(50)

t.left(90)

1.6.再次运行，引导学生观察控制台输出，直观地看到执行顺序：(j=0,i=0),(0,1),(0,2),(0,3)->完成第一个正方形->旋转->(j=1,i=0),(1,1)……。通过数据和视觉的双重印证，牢牢建立执行流程模型。

7.变量关系探究：引导学生思考并讨论：最终图形的外观（正方形个数、旋转总角度）由哪些参数决定？如何修改代码来画8个旋转的正方形？如何让旋转更密集或更稀疏？让学生动手修改外层循环的次数和旋转角度（t.left(20)

中的20），观察图形的变化，总结规律。

环节四：初步实践，固化模式（预计12分钟）

发布本课时的核心实践任务：绘制一个由6个正三角形旋转组成的雪花状图案。

学习流程：

1.独立分析：学生在“探究学习单”上完成分析：基本图形单元是什么？（正三角形）。绘制一个正三角形的内层循环是怎样的？需要重复多少次？每次转多少度？（range(3),120度）。这个单元需要重复多少次？（6次）。每次重复后，海龟需要如何调整？（旋转一定角度，计算：360/6=60度）。

2.算法流程图设计：要求学生根据分析，在模板上画出算法设计的流程图，明确内外层循环的分工。

3.代码编写与调试：学生独立编写代码。教师巡视，重点关注：内层循环的range参数和转向角度是否正确；外层循环的旋转角度计算是否正确；代码缩进是否规范。

4.成果展示与小结：挑选1-2份学生代码（含典型错误或优秀实现）进行投屏展示，集体分析、调试。最后教师总结第一课时的核心：循环嵌套=将复杂重复任务分解为“基本单元的重复”和“单元内部的重复”两层结构。

第二课时：深化设计，拓展创新（50分钟）

环节一：回顾迁移，提出新挑战（预计5分钟）

快速回顾上节课内容，展示学生绘制的优秀旋转三角形图案。提出本课时更具挑战性和开放性的目标：“我们已经掌握了用循环嵌套绘制‘中心旋转式’图案。规则图形的世界远不止于此。今天，我们将像设计师一样，探索更多样化的规则图形，并赋予它们色彩和动态之美。”

环节二：探究多种规则图样的算法模型（预计20分钟）

教师引导学生探究三类典型规则图形的嵌套循环算法，采用“猜想-验证-抽象”的模式。

1.同心嵌套图形：目标——绘制一组边长递增的同心正方形。

1.2.引导提问：基本图形单元依然是正方形。但这次，图形的重复方式不是旋转，而是一个套一个。关键变化是什么？（边长在变）。哪个循环的每次执行应该导致边长的变化？（外层循环）。如何让边长有规律地变化？（让边长与外层循环变量j建立关系，如side_length=30+j*20

）。

2.3.学生尝试：先独立思考算法，再尝试编写代码。核心代码框架：

forjinrange(5):

length=30+j*20

foriinrange(4):

t.forward(length)

t.left(90)

#思考：画完一个正方形后，海龟位置和方向如何？如何为画下一个做准备？（可能需要抬笔、移动、落笔）

1.4.难点突破：同心正方形的定位问题。画完一个正方形后，海龟回到起点且方向复原。若要画一个更大的正方形将其包住，起点需要调整。引导学生思考调整策略（如后退一定距离、或利用坐标计算重新定位）。

5.矩阵排列图形：目标——绘制一个5行4列的矩形点阵（或用简单图形如小圆点代替）。

1.6.引导提问：这种排列很像什么？（数学中的直角坐标系，或表格）。我们可以用几层循环来描述？（两层：一层控制行，一层控制列）。哪层是外层？（通常将行作为外层循环更直观）。每一行（外层循环一次）要做的事情是什么？（画完这一行的所有列）。

2.7.算法抽象：外层循环（jfrom0to4）控制行号；内层循环（ifrom0to3）控制列号。在内外层循环体内，根据当前行号j和列号i计算海龟应该移动到的坐标（x=i*spacing,y=j*spacing

），然后在该点绘制小图形。

3.8.联系拓展：此模型是计算机图像处理、屏幕像素显示、二维数据遍历的基础模型，极具实用价值。

9.复合变化图形：目标——绘制一个旋转的同时边长在变化的图形（如旋转放大正方形）。

1.10.引导提问：这个图形同时具有哪两种变化？（旋转和缩放）。如何在一个嵌套循环中同时控制这两种变化？（让外层循环变量同时影响旋转角度和边长）。例如，forjinrange(10):length=10+j*5;angle=360/10

。

2.11.代码实践：学生整合前面所学，编写代码。感受多个参数协同作用的奇妙效果。

环节三：创意设计与项目实践（预计20分钟）

本环节是学生综合应用与创新表达的高潮。

发布“创意图形设计师”项目任务：

任务要求：运用循环嵌套结构，设计并绘制一个至少包含两层循环的、具有美感的规则图案。鼓励结合颜色、线条粗细的变化。

提供创意方向（可选）：

1.方向一：设计一个抽象标志（如企业Logo）。

2.方向二：模拟一个自然图案（如花朵、蜘蛛网）。

3.方向三：创作一幅几何装饰画。

实施步骤：

1.设计规划：学生在学习单上草图勾勒设计构想，并用文字描述其规律，标出猜想需要的循环层数和关键变量。

2.算法实现：在计算机上编写代码，不断调试参数以达到理想效果。

3.美化润色：学习使用turtle.color()

,turtle.pensize()

等指令，尝试在循环中实现颜色的渐变（如根据循环变量索引颜色列表）。

4.注释与命名：要求为关键代码段添加注释，使用有意义的变量名。

教师在此过程中，转为“教练”和“顾问”角色，巡视并提供个性化指导：对基础薄弱的学生，协助其巩固基本模型；对学有余力的学生，挑战其思考“能否用三层循环实现更复杂的结构？”或“如何让图形在绘制过程中有动画效果？”

环节四：作品展示交流与总结升华（预计5分钟）

1.画廊巡展：利用教学广播系统，轮流展示3-5幅具有代表性的学生作品（包括构思巧妙型、代码简洁型、视觉美观型）。请作者简要介绍设计思路和算法关键点。

2.思维梳理：教师带领学生进行课堂总结，不仅总结知识（循环嵌套的结构、应用），更总结思维方法：面对复杂图形时的“分解”策略；将视觉规律“翻译”成数学关系，再“编码”成程序指令的通用流程；调试在编程中的重要性。

3.视野拓展：简要展示一两个用更复杂算法（如递归）生成的极端规则且美丽的图形（如分形树、科赫雪花），告诉学生：“今天我们学习的循环嵌套，是打开算法与计算艺术大门的第一把钥匙。后面还有更奇妙的递归、随机算法等，等待着我们去探索。”布置课后拓展阅读或微项目（如：研究如何用循环嵌套绘制一个五角星，或者尝试修改代码让图形变得不对称但仍具美感）。

九、板书设计（提纲式）

（左侧主板书）

课题：循环嵌套——规则图形的算法密码

一、核心思想：重复之中有重复

外层循环：控制“基本单元”的重复次数

内层循环：控制“绘制单元本身”的重复步骤

二、执行顺序：外一层，内一遍

（图示：外层循环箭头，每次展开包含一个完整的内层循环框图）

三、关键变量：

外层变量（j）：控制图形排列（个数、层数、行数...）

内层变量（i）：控制图形构造（边数、步长...）

四、典型模型：

1.中心旋转型：画单元->旋转->重复

2.同心嵌套型：画单元->改变大小/位置->重复

3.矩阵排列型：定行->画该行所有列->下一行

五、思维流程：

观察->分解->找变量关系->编双循环->调试优化

（右侧副板书）

代码示例区：

旋转正方形关键代码片段。

学生疑问或精彩发现的关键词记录区。

十、教学评价设计

1.过程性评价：

1.2.“探究学习单”的完成情况：分析是否到位，流程图是否清晰。

2.3.课堂提问与讨论的参与度与思维质量。

3.4.代码编写过程