高中二年级信息技术《Python海龟绘图：从入门到创意》对比探究教学设计

高中二年级信息技术《Python海龟绘图：从入门到创意》对比探究教学设计

一、教学内容与学情分析

（一）教学内容解析

本节课选自高中信息技术选择性必修模块“人工智能初步”或“三维设计与创意”的拓展延伸内容，亦可作为“数据处理与程序设计”模块的深化应用。其核心并非简单教授Python海龟绘图的基本命令，而是以此为载体，引导学生在完成“画图新朋友”——即通过编程手段创造数字化艺术作品的过程中，实现从“工具使用者”到“工具创造者”乃至“创新设计者”的思维跃迁。教学内容聚焦于“对比”与“创新”两个核心维度，通过对不同代码结构、不同算法逻辑、不同艺术风格的对比分析，探索如何利用计算机程序高效、精确、可重复地生成具有个人审美特色的图形。本课将海龟绘图库（TurtleGraphics）作为程序设计的具象化工具，将数学中的几何美学、坐标变换、递归思想与信息科技的算法思维、模块化设计思想深度融合，是一次典型的跨学科学习实践。通过对“重复结构”（循环）、“条件判断”以及“函数封装”的递进式应用，学生将理解程序效率与代码复用的价值，并在此基础上进行个性化创意表达，从而实现对知识的意义建构与创新应用。

（二）学情把握

授课对象为高中二年级学生。他们已经完成了Python程序设计的基础语法学习，包括变量、数据类型、顺序结构、选择结构和循环结构，具备一定的编程思维基础。然而，学生往往停留在“为了编程而编程”的阶段，对编程的实际应用场景和美学价值感知不足，代码编写缺乏主动优化意识和创新动力。从认知发展角度看，高二学生抽象逻辑思维趋于成熟，具备进行对比、分析、归纳和批判性思考的能力，同时也渴望在技术学习中融入个性化的表达，实现自我价值。因此，本课设计的着力点在于，为学生搭建一座从“技术认知”通往“创新应用”的桥梁，通过精心设计的对比任务链，激发他们的探究欲，引导他们在解决具体绘图问题的过程中，主动发现更优解，并最终将个人创意融入代码，创作出独一无二的“新朋友”。学生可能遇到的困难包括：将几何关系转化为坐标运算的抽象思维障碍、复杂循环嵌套的逻辑梳理、递归等进阶算法的理解与应用，以及如何将模糊的艺术构思转化为精确的算法实现。

二、教学目标与核心素养

（一）教学目标设定

1.知识与技能目标：

学生能够熟练掌握Python海龟绘图库（Turtle）的基本命令，如前进（fd）、后退（bk）、左转（lt）、右转（rt）、提笔（pu）、落笔（pd）、颜色（color）、填充（begin_fill/end_fill）等。能够运用循环结构（for/while）绘制正多边形、渐开线、螺旋线等规则图形。能够运用函数封装实现特定图形的模块化绘制，并理解参数化设计的概念。能够初步理解递归思想，并尝试绘制分形图形（如科赫雪花、谢尔宾斯基三角形）。【核心基础】【高频考点】

2.过程与方法目标：

通过对比不同代码实现同一图形效果的效率与可读性，培养算法优化意识与批判性思维。通过分析数学关系（如角度、坐标、比例）与最终图形效果之间的关联，建立数学模型与程序表达之间的联系。通过小组合作探究“经典图形”与“创意变形”，提升协作学习能力与问题解决能力。在迭代修改与调试代码的过程中，形成严谨、专注的计算思维。【关键能力】【重要】

3.情感、态度与价值观目标：

在编程创作中体验理性思维与感性表达相结合的乐趣，提升对信息技术学科的兴趣与审美素养。通过欣赏经典算法图形（如分形艺术），感受计算机科学的数学之美、算法之美。在“为新朋友画像”的主题驱动下，赋予代码以情感价值，培养将技术服务于个人表达与创新创造的意识。认识到自主探究与合作分享是技术创新的重要途径。【难点】【核心素养】

（二）核心素养渗透

1.信息意识：学生能够敏锐地意识到使用计算机程序进行艺术创作相较于传统绘画工具的优势（精确、可、易修改、能生成复杂图形），并主动寻求用技术手段解决创意表达问题。

2.计算思维：在将图形分解为基本元素（点、线、面）及其关系（角度、距离、重复）的过程中，运用抽象与分解。在设计算法绘制复杂图形时，运用模式识别（寻找重复单元）与算法设计（循环、递归）。在调试优化代码时，运用逻辑分析与系统化思维。

3.数字化学习与创新：能够利用网络平台（如Python官方文档、编程社区、AI代码辅助工具）自主探究更高级的绘图算法和技巧。能够将个人独特的审美创意，通过参数调整、结构重组等方式，物化为具有创新性的数字化作品。

4.信息社会责任：在分享与评价作品时，遵守网络行为规范，尊重他人知识产权。探讨算法生成艺术作品的版权归属等伦理问题，培养负责任的技术使用态度。

三、教学重难点

（一）教学重点【核心重点】

1.循环结构（尤其是嵌套循环）在海龟绘图中的应用，实现复杂、重复图形的自动生成。

2.函数封装与参数化设计，实现代码的模块化与复用，提高程序的可维护性和扩展性。

3.理解坐标系统与角度变化对图形走向的决定性作用，建立几何直观与程序逻辑的对应关系。

（二）教学难点【关键难点】

1.递归算法在绘制分形图形中的理解与应用，如何把握递归边界条件与递归关系。

2.将抽象的艺术构思（如“我的新朋友是神秘的”、“它充满科技感”）转化为具体、可行的算法步骤与参数设定。

3.在代码调试过程中，面对逻辑错误而非语法错误时，如何通过添加注释、单步执行、变量监视等策略进行有效定位与修正。

四、教学准备

（一）教学环境

计算机网络教室（一人一机），安装Python3.x解释器及IDLE开发环境，或配置好JupyterNotebook、VSCode等集成开发环境。所有学生机需安装Turtle库（Python标准库，通常无需额外安装）。教师机需配备多媒体教学软件，具备屏幕广播、学生演示、文件分发、作品收集等功能。

（二）教学资源

1.导学案：包含本课学习目标、任务清单、关键代码片段、拓展资源链接及评价量表。

2.范例代码库：提供从基础图形到创意作品的若干层级代码示例（如画正方形、彩色螺旋、嵌套多边形、动态星空、科赫雪花等），供学生参考与调试。

3.多媒体课件：PPT演示海龟绘图的基本原理（类比于海龟在沙滩上爬行）、坐标系图示、经典图形演变过程动画、学生作品展示案例。

4.微课视频：针对“循环嵌套”和“递归函数”这两个核心难点，录制5-8分钟的微课，供学生课前预习或课中自主探究时反复观看。

5.在线资源链接：整理Python官方Turtle库文档、CSDN、博客园等相关技术博客的优秀文章链接、分形艺术科普网站等。

五、教学实施过程（核心环节）

（一）创设情境，引入“新朋友”概念（约5分钟）

【导入环节】

教师在屏幕上展示一幅由多种几何图形构成的机器人简笔画，并提问：“同学们，如果这是你们即将结识的一位新朋友，你打算如何向别人介绍它？是用文字描述，还是用画笔勾勒？今天，我们要用一种全新的方式，用Python代码，来‘画’出我们的新朋友。”接着，教师快速运行一段预先编写好的代码，屏幕上，一个由彩色螺旋线、嵌套正方形和动态曲线构成的抽象形象——“数字海龟”跃然屏上。学生立刻被这种动态的、精确的绘图方式所吸引。教师顺势引出本课主题：“代码，就是我们今天的神奇画笔；Python的海龟库，就是我们忠诚的‘画图新朋友’。我们将通过对比和创新，探索如何用代码赋予这位新朋友独特的个性与生命。”此环节旨在激发兴趣，建立“代码即画笔”的直观印象，并点明“新朋友”的双重含义：既是我们要绘制的对象，也是帮助我们绘制的海龟工具。【重要】【兴趣导入】

（二）基础回顾，与“老朋友”对话（约8分钟）

【复习旧知】

教师引导学生打开IDLE环境，通过几个快速的小任务，激活学生已有的编程经验。任务一：让海龟画一条长100像素的红色线段。任务二：让海龟画一个边长为50的蓝色正方形。任务三：让海龟画一个边长为50的等边三角形。学生快速完成后，教师邀请学生广播演示代码，并引导全班分析：

画正方形的代码可以更简洁吗？学生自然会想到用for循环。教师板书对比：顺序执行的四条语句（fd(50);lt(90);fd(50);lt(90);fd(50);lt(90);fd(50)）与循环结构（foriinrange(4):fd(50);lt(90)）。通过直观对比，学生立刻感受到循环结构在解决重复任务时的简洁与高效。【基础】【高频考点】教师强调：这就是最朴素的“对比探索”，通过对比，我们发现了更优的算法。同时，引入“提笔”和“落笔”命令，让学生在画完一个图形后，能移动到新位置开始绘制下一个图形，为后续组合图形做铺垫。本环节重在唤醒记忆，建立新旧知识的联结，并初步渗透“对比优化”的思想。

（三）核心探究一：从重复到规律——循环的“魔法”（约15分钟）

【新知建构一】

教师抛出挑战任务：“我们的新朋友有一双会变色的眼睛，你能让海龟画出一个颜色渐变的螺旋线吗？”这不是一个简单的任务，需要学生整合循环、颜色模式和坐标变化。教师首先引导学生分析螺旋线的数学规律：每次前进的距离逐渐增加，同时每次旋转一个固定的角度。然后，引入pencolor()

函数，并结合colormode(255)

，通过循环变量控制红、绿、蓝三色通道的值，实现颜色渐变。

学生分组探究，尝试编写代码。教师巡视指导，重点关注学生如何将数学关系转化为代码逻辑。5分钟后，选取两种典型的实现方式进行全班对比。方案A：使用for循环，前进距离为i

，颜色值为i%256

。方案B：前进距离为i*0.5

，颜色值通过更复杂的映射函数计算。通过对比，学生讨论：不同参数如何影响螺旋线的疏密和色彩变化？哪种方案生成的图形更像“眼睛”？教师总结：循环不仅是重复，更是创造规律性变化的强大工具。通过调整循环变量与图形参数的关系，我们可以“调教”出海龟的无穷创意。在此基础上，教师进一步拓展，演示如何利用嵌套循环绘制一个由多个同心多边形组成的“瞳孔”，并提问：“内层循环画多边形，外层循环控制多边形的大小和颜色，这种嵌套结构能创造出怎样的复杂效果？”【核心重点】【关键能力】

（四）核心探究二：从代码到积木——函数的“封装术”（约15分钟）

【新知建构二】

“现在，我们新朋友的‘眼睛’已经有了初步模样，但我们还想为它添上‘嘴巴’、‘耳朵’和‘身体’。如果每次画一个部件都要重写一遍代码，不仅效率低下，而且代码会变得冗长难懂。怎么办？”教师引出函数的概念。教师以画正方形为例，演示如何将其封装成一个无参函数draw_square()

，然后展示如何通过参数传递，创建draw_square(size,color)

这样的参数化函数，使其能够绘制任意大小、任意颜色的正方形。这便是从“具体”到“抽象”的思维跨越。

随后，学生以小组为单位，完成一个挑战：将之前探究的“螺旋线”封装成一个函数draw_spiral(start_len,increment,angle,color_scheme)

，其中color_scheme

用于选择不同的色彩模式。完成封装后，各小组只需调用几次draw_spiral()

函数，并传入不同的参数，就能组合出复杂多变的“发型”或“服饰纹理”。教师选取小组作品进行展示，对比不同参数组合产生的迥异效果，引导学生理解：函数就是我们的创意积木，通过定义良好的接口（参数），我们可以自由地组合、复用这些积木，搭建出无限可能的“新朋友”。这个过程不仅提升了代码的组织性，更重要的是，它让学生站在了设计者的高度，思考如何让自己的“创造工具”更加通用、强大。【核心重点】【难点突破】

（五）创新进阶：从规则到奇幻——算法的“艺术”（约12分钟）

【深化拓展】

“我们掌握了循环和函数，已经能画出非常规则、对称的图形。但现实世界和我们的想象并非总是如此规则。比如，一片雪花的边缘，一座山脉的轮廓，它们呈现出一种自相似的‘分形’之美。计算机科学能模拟这种美吗？”教师播放一段展示科赫雪花、谢尔宾斯基地毯等分形图形生长过程的视频，学生被这种数学与艺术完美结合的景象深深震撼。教师引导学生观察图形的自相似性，并用自然语言描述科赫雪花的生成规则：“从一个等边三角形开始，将每条边中间的三分之一向外突起一个更小的等边三角形。然后，对新的图形中的每一条边，重复这个过程。”这便是递归思想最直观的描述。

教师板书递归函数的核心框架：defkoch(size,n):ifn==0:fd(size)else:koch(size/3,n-1);lt(60);koch(size/3,n-1);rt(120);koch(size/3,n-1);lt(60);koch(size/3,n-1)

。这个代码块虽然简洁，却蕴含着巨大的认知挑战。教师带领学生用纸笔“模拟运行”koch(300,1)

，理解递归调用如何展开。然后，邀请几位“小海龟”（学生）到讲台前，通过真人模拟“前进”、“左转”、“递归调用”等指令，直观演绎科赫曲线的一阶和二阶绘制过程。这种身体力行的方式，极大地降低了递归的抽象难度。学生再回到电脑前，尝试运行并修改递归深度n

，观察图形从简单到复杂的神奇演变。教师强调：递归，就是用有限的代码，描述无限可能的关键算法。它让我们的“新朋友”拥有了来自数学深处的奇幻之美。【核心难点】【热点】

（六）创意实践：绘出我心中的“新朋友”（约20分钟）

【综合应用】

“现在，工具已经齐备：我们有循环（规律）、有函数（模块）、甚至有递归（魔法）。请同学们放飞想象，综合运用我们今天所学的知识，为你自己（或你的小组）设计并绘制一个独一无二的‘新朋友’。它可以是一个抽象的符号，一个可爱的角色，一个神秘的图腾，或者一个想象中的生物。”教师分发创意设计单，要求学生先进行草图构思，并用关键词标注各部分使用的算法思想（如：头部用递归雪花、眼睛用彩色螺旋、身体用嵌套多边形、四肢用参数化函数绘制的枝条）。

学生开始创作。课堂进入活跃的、充满创造气息的“工作坊”模式。教师巡视，扮演“顾问”和“灵感催化剂”的角色。对于遇到技术瓶颈的小组，引导他们查阅范例库或微课视频；对于创意有余但实现困难的学生，帮助他们将创意分解成若干个小问题，逐一攻克；对于进度快、能力强的学生，鼓励他们尝试引入随机数、监听键盘鼠标事件等高级交互功能，让他们的“新朋友”动起来，甚至能与观众互动。教师特别关注不同层次学生的需求，进行差异化指导。例如，对基础薄弱的学生，引导他们用基础的循环和函数组合一个相对简单的角色；对学有余力的学生，则鼓励他们探索turtle.tracer(0)

和turtle.update()

实现逐帧动画，或研究turtle.shape()

自定义海龟形状，让作品更具表现力。【创新】【实践】

（七）展示评价，思维碰撞（约12分钟）

【交流反思】

创作时间结束后，进入作品发布会环节。每个小组利用多媒体教学软件的“学生演示”功能，向全班展示他们的“新朋友”，并阐释创作理念、使用的核心算法、遇到的困难以及是如何解决的。其他小组则根据评价量表，从“技术应用（40%）”、“创意构思（40%）”、“艺术表现（20%）”三个维度进行提问和打分。

一个小组展示了名为“机械章鱼博士”的作品，头部是递归绘制的科赫雪花变体，触手是用参数化函数绘制的彩色螺旋，并利用随机函数让触手的颜色和弯曲程度各不相同。他们分享了如何通过调整递归深度，使雪花看起来更具机械感，以及如何通过嵌套循环和随机数结合，让每条触手都独一无二。另一个小组展示了“星空精灵”，主体是一个填充了渐变色的五角星，周围环绕着用循环绘制的闪烁星星（通过随机位置和大小实现）。他们重点介绍了如何利用turtle.begin_fill()

和turtle.end_fill()

实现颜色填充，以及如何通过turtle.penup()

和turtle.goto()

精确控制星星位置。

教师引导讨论：“对比这两个作品，它们在算法应用上有什么相同点和不同点？‘机械章鱼博士’体现了算法的精确控制，而‘星空精灵’则展示了随机带来的自然感。哪种更吸引你？为什么？”通过这样的对比，学生不仅欣赏了他人作品，更深化了对算法不同应用方向的理解，批判性思维和审美能力得到提升。最后，教师进行总结性点评，充分肯定每个小组的创新精神和实践能力，并再次强调：编程不仅仅是技术，更是表达思想、创造价值的媒介。【重要】【高频互动】

（八）课堂小结与拓展延伸（约3分钟）

【归纳升华】

教师带领学生快速回顾本课的核心思想：我们从简单的顺序结构出发，通过对比发现了循环的高效；通过函数封装，实现了代码的复用与模块化；通过递归探索，触碰了算法的美学巅峰。更重要的是，我们将这些技术手段综合运用，创造了独一无二的作品。这印证了一个道理：技术的生命力在于创新应用。最后，教师布置课后拓展任务：1.基础任务：完善并美化你的“新朋友”作品，尝试为其添加背景和文字说明。2.进阶任务：探究turtle

库中的onclick()

、listen()

等函数，让你的“新朋友”能够响应鼠标点击或键盘按键，实现交互。3.研究性学习任务：以小组为单位，研究“算法艺术”或“生成艺术”的著名作品和代表人物（如VeraMolnár,ManfredMohr），撰写一篇小综述，探讨技术与艺术融合的边界与未来。鼓励学生将作品上传至班级网络空间或朋友圈，收集更多人的反馈。【拓展】【分层作业】

六、教学评价设计

本课采用过程性评价与终结性评价相结合、学生自评与互评、教师评价相结合的多元化评价体系。

（一）过程性评价（权重40%）：观察学生在课堂各环节的参与度、小组合作情况、探究任务的完成质量、代码编写的规范性与创新意识。教师利用课堂观察