高中信息技术必修1“算法及其描述”教学设计（高一年级）

高中信息技术必修1“算法及其描述”教学设计（高一年级）一、教学设计基本信息本课选自粤教版（2019）高中信息技术必修1《数据与计算》第三章“算法基础”第二节“算法及其描述”，授课对象为高一年级学生，课时安排为2课时连排，共90分钟。本模块对应的学科学业要求为：理解算法的概念与特征，掌握用自然语言、流程图、伪代码描述算法的基本方法，初步形成用计算思维分析和解决问题的意识。本课在整册教材中处于承上启下的关键位置。前面“数据与信息”“数字化学习”为学生提供了问题背景，本课则第一次把学生带入“问题如何被计算机解决”的核心地带，后续的程序设计、Python基础、数据处理均以本课建立的算法观念为地基。地基不实，后面所有编程课都会沦为语法训练；地基扎实，学生才能理解程序只是算法的一种实现形式。二、课标解读与教材分析《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》将计算思维列为学科四大核心素养之一，明确要求学生“能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据”，并“通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案”。本课正是计算思维落地课堂的第一站。教材在本节安排了三个层次的内容：算法的概念与基本特征，描述算法的三种常用方式（自然语言、流程图、伪代码），以及三种描述方式之间的对照与转换。教材以“设计某旅行线路”“求解一元二次方程”等情境穿插展开，贴近学生经验，但案例之间缺少一条贯穿的任务主线。教学中若照本宣科，容易把一节课上成概念罗列课。为此，我对教材做了二次开发：以“校园快递分拣机器人怎样工作”为贯穿情境，把概念、特征、描述方法全部装进一个真实可感的问题链条中，让学生在解决同一个问题的过程中拾级而上。三、学情分析高一学生具备三方面基础：其一，在生活经验中已经接触过导航规划、游戏攻略、菜谱步骤等“类算法”事物，只是没有算法这一概念外壳；其二，义务教育阶段的信息科技课程多数涉及过图形化编程（如Scratch），学生对顺序、分支、循环的执行流程有直觉认识；其三，数学课上刚学过一元二次方程求解和基本不等式，具备把数理问题转化为步骤的能力。同时存在三处障碍：一是容易把“算法”与“程序”混为一谈，认为算法就是代码；二是对流程图符号体系陌生，菱形判断框、平行四边形输入输出框的语义容易混淆；三是从自然语言步骤过渡到规范的流程图时，普遍出现“步骤粒度过粗”“分支不完整”“循环无出口”三类典型错误。这些学情判断直接决定了我对学习活动的设计：不急于给定义，先制造认知冲突；不孤立讲符号，而在任务中让符号成为必需品。四、教学目标1.通过快递分拣、烧水泡茶等情境的分析与讨论，用自己的语言归纳算法的概念，说出算法的有穷性、确定性、可行性、有输入输出等基本特征，并能举例说明。2.针对“判断一个数是否为素数”“求一元二次方程的根”等具体问题，分别用自然语言、流程图、伪代码三种方式描述算法，体会三种方式在严谨性、直观性、可迁移性上的差异，能根据任务需要选择合适的描述方式。3.在小组合作绘制流程图的过程中，识别并修正步骤粒度不当、分支缺失、循环无出口等常见错误，初步形成严谨、规范、可检验地表达解决思路的习惯。4.通过讨论“算法意识在现代社会的价值”，体会计算思维作为一种思维方式对学习和生活的迁移意义，萌发用算法眼光观察日常问题的意识。五、教学重点与难点教学重点：算法的概念与特征；用流程图描述算法的方法与规范。教学难点：把生活化、含糊的自然语言步骤转化为逻辑严密、无歧义的流程图；理解“描述方式不同、算法本质不变”的抽象思想。突破策略：以同一问题“三种描述对照表”为脚手架，让学生亲眼看到同一个算法在自然语言、流程图、伪代码中的三种样子；以“同伴互查、机器检验”双机制让学生在错误中学习规范。六、教学方法与资源准备教学方法采用情境教学、任务驱动、小组合作与讲授点拨相结合。整堂课以“帮快递公司设计分拣规则”为主任务，辅以三个递进的小任务，课堂大部分时间交给学生动手、动笔、动口。资源准备：多媒体课件（含快递分拣实景视频）、流程图绘制工具（学生可用draw.io在线工具，也可用纸质流程图模板卡）、小组任务单、素数判断与一元二次方程求解的学习支架单、课堂即时反馈问卷。学生分组：每组4人，设组长、记录员、绘图员、汇报员各一名，角色在第二课时轮换，保证人人参与。七、教学过程（第一课时）环节一：情境导入——快递为什么不会送错教师播放一段40秒的视频：传送带上包裹川流不息，机械臂扫码后把包裹推向不同的格口，全程无人干预。画面定格后抛出问题：“机械臂没有眼睛、不会思考，它凭什么知道每个包裹该去哪个格口？”学生自由发言，答案五花八门：有人说是识别条形码，有人说是电脑控制的。教师追问：“电脑控制的依据是什么？是人坐在那里一个个指挥吗？”学生意识到不是，背后有一套事先写死的规则。教师顺势板书：“一套事先设计好的、一步步可执行的规则”——这就是我们今天要研究的东西：算法。设计意图：用一个学生每天都可能在新闻里看到、却很少追问原理的场景制造认知缺口。概念的引入不来自定义，而来自一个真实的“为什么”。环节二：建构概念——从“会做菜”到“会教别人做菜”教师出示两份“番茄炒蛋做法”的文字。第一份：“油烧热，鸡蛋倒进去，炒熟加番茄，放盐出锅。”第二份：“锅中倒入约30毫升油，中火加热1分钟；倒入打散的蛋液，翻炒至半凝固盛出；锅中加番茄块翻炒2分钟出汁；倒回鸡蛋，加3克盐，翻炒均匀后出锅。”教师提问：“哪一份能让一个从来没进过厨房的人也炒出合格的一盘菜？为什么？”学生很快指出第二份好，因为每一步都说得具体、没有歧义。教师板书关键差异：含糊步骤与明确步骤。接着教师给出算法的规范表述：算法是指在有限步骤内求解某一问题所使用的一组定义明确的规则。与之伴随的是五个基本特征，教师不直接灌输，而是让学生回头检验刚讨论过的菜谱：——“菜谱一共有几步？能不能无穷无尽炒下去？”学生在回答中自然触到有穷性：一个算法必须在有限步骤后结束。——“‘放一点盐’和‘放3克盐’，哪个是算法？”对比中得出确定性：每一步必须含义确切，无歧义。——“如果菜谱里写‘用暗物质调味’，算是可行步骤吗？”笑声中得出可行性：每一步都可以通过已有基本操作完成。——“做菜需要什么进来、什么出去？”得出：算法可以有零个或多个输入，至少有一个输出。设计意图：算法五特征历来是学生背了忘、忘了背的死知识。本环节让学生从自己得出的结论反推特征，知识是“长”出来的，不是“灌”进去的。菜谱这一生活化媒介降低了抽象门槛，同时暗含一个伏笔：计算机就像那个“绝不会做饭但绝对听话的厨子”，它只能执行毫无歧义的指令。环节三：辨析深化——算法不是程序教师提出辨析任务：“小明说‘用Python写的求和代码就是算法’，小红说‘算法是想法，代码只是把想法写出来’。你支持谁？”组织同桌辩论两分钟。教师在点评时点明二者的关系：算法是解决问题的思想方法和步骤设计，是“道”；程序是用某种程序设计语言对算法的具体实现，是“器”。同一个算法可以用Python写，可以用C写，也可以只写在纸上用流程图表达。为了让这一抽象关系落地，教师展示同一段“求1加到100”的问题：左边是高斯的心算故事（也是一个算法），右边是计算机循环累加的流程示意。学生发现：面对同样的问题，人脑和机器可以采用完全不同的算法，而优劣的差异（步骤多少、效率高低）恰恰在本章后续“算法评价”中展开，这为下一节埋下线索。设计意图：“算法等于程序”是初学者最顽固的迷思概念，越早辨析越好。采用微型辩论而非教师宣布答案，是因为概念性转变需要学生自己经历观点冲突。环节四：初识描述方式之一——自然语言描述教师布置任务：小组合作，用自然语言写出“判断一个三位数是否为水仙花数”的解决步骤（水仙花数：各位数字立方和等于其本身，如153＝1³＋5³＋3³）。给8分钟，要求步骤清晰，让一个不懂数学术语的初中生也能照着执行。教师巡视中重点观察三类小组：步骤跳跃过大的（如直接写“算出立方和比较”）、顺序混乱的、以及写得非常规范的。写完后选两组投影展示，请全班做“挑错员”。学生对过于粗略的步骤提出质疑：“‘算出立方和’不算一步，机器不知道什么叫立方和，必须拆成取百位、取十位、取个位再分别立方相加。”教师顺势总结自然语言描述的优缺点：优点是无门槛、自由灵活；缺点是容易产生歧义、逻辑结构（尤其是判断与重复）表达不清晰、篇幅冗长。设计意图：先让学生“撞一次墙”，体会到自然语言的局限，再引出流程图，学生才能真正明白工具存在的价值。这种“制造需求再供给工具”的次序，比平铺直叙介绍三种方式更符合认知规律。环节五：承上启下教师收束本课时：“我们已经知道算法是什么、有什么特征，也尝到了用大白话写步骤的麻烦。下节课，我们给算法换上两套更专业的‘衣服’——流程图和伪代码，让算法的表达既一目了然，又离计算机更近一步。”八、教学过程（第二课时）环节一：复习与激活教师用三道快问快答激活旧知：“算法的核心特征是什么？”“自然语言描述的最大短处是什么？”“算法和程序什么关系？”随后出示一张快递分拣的简化流程图图片（判断包裹目的地是否为省内，是则进A格口，否则进B格口），提问：“这张图和上节课我们写的文字步骤说的是同一件事，但它的表达有什么不一样？”学生指出：有框、有箭头、有判断分叉，结构一眼可见。由此引出流程图。环节二：流程图符号规范——先立规矩，再画图教师系统讲解流程图的基本符号及其语义，每讲一个符号立即配一个微型例子：圆角矩形（起止框）标志算法的开始与结束，每个流程图必须有且仅有一个“开始”，可以有“结束”。平行四边形（输入/输出框）表示数据的进入与结果的输出，如“输入正整数n”。矩形（处理框）表示一个明确的操作或计算，如“s←s＋i”，其中“←”为赋值符号，读作“把s＋i的结果存入s”，教师在此特意强调赋值与数学等号的区别：s←s＋1在数学上不成立，在算法里却是“旧的s加1后覆盖旧的s”，这是初学者必过的一道坎。菱形（判断框）表示条件判断，从它出发有两条带“是/否”（或“真/假”）标注的分支，它是流程图产生分支结构的唯一入口。箭头（流向线）指示执行的先后顺序，流程图必须有明确的流向，不允许出现无箭头的连接线。教师强调一条行业默契：画图要从上到下、从左到右组织，交叉线尽量避免。设计意图：符号教学容易枯燥，我采用“符号即语义”的讲法——每个符号回答一个问题（从哪开始？做什么？拿什么数据？在哪判断？往哪走？），让学生感到符号体系是自洽且好用的，而不是一堆要背的形状。环节三：任务驱动——把素数问题画出来教师发布本课核心任务：“判断一个大于1的整数n是否为素数”的算法，请各小组用流程图描述。任务单上给出支架：素数的定义（除了1和自身外没有别的因数）、提示问题“需要重复做什么动作？重复到什么时候停止？”小组绘图，教师巡视并记录典型问题，预设三类错误并准备干预：第一类，无循环意识：只判断了“能否被2整除”，漏掉了3到n－1的逐一试除。教师点拨：“2试过了没事，3呢？4呢？这个‘再试下一个数’的动作要不要重复？”引导学生补上循环结构：令i从2开始，只要i≤n－1就重复“判断n能否被i整除”，并特别讨论循环变量每次要递增1，否则永远卡在同一个i上——这就是最典型的死循环。第二类，循环无出口：虽然写出了重复，但菱形判断后“是”“否”没有正确的汇合或终止路径。教师让该组用“人肉执行法”自查：每个人都是一台计算机，拿n＝7走一遍，看最终能不能走到“结束”框。走不通的地方就是图病所在。第三类，逻辑反向：把“能被整除”的分支接到了“是素数”的输出上。这类错误通过“用n＝9试跑”立刻暴露。各组基本完成后，教师用投屏展示一个规范作品：开始→输入n→i←2→判断i≤n－1（是→判断n能否被i整除：能，输出“不是素数”，结束；不能，i←i＋1，回到判断；否→输出“是素数”）→结束。教师让各组对照找差距，并特别组织学生讨论“其实只需要试到n的平方根就够了”这一优化，体会算法描述正确之后还谈得上效率改进。设计意图：素数判断是经典载体，恰好同时包含顺序、分支、循环三种基本结构，一个任务全覆盖。“人肉执行法”是本课的关键策略：学生在调试流程图时，实际上是在脑中“运行”算法，这正是计算思维最朴素也最本质的训练。典型错误的展示不是批评，而是把隐性思维显性化，让全班从别人的错误里长本事。环节四：认识伪代码——介于人和机器之间的语言教师提出新问题：“流程图很直观，但如果算法有几十步、上百步，一张流程图会画成蜘蛛网，怎么办？有没有一种像文字但比自然语言严格、像代码但不依赖具体编程语言的表达方式？”由此引出伪代码。教师展示同一素数算法的伪代码版本，带领学生逐行朗读并对照流程图逐一指认：输入ni←2当i≤n－1时，重复执行：如果n能被i整除，则输出“不是素数”，结束程序否则i←i＋1输出“是素数”教师引导学生归纳伪代码的特点：用简洁的文字和符号记录逻辑层级，靠缩进体现结构（重复体内的语句整体缩进），不规定具体语法，方便人机之间双向转换。随后，师生共同完成三种描述方式的对比归纳表，从可读性、严谨性、画图/书写成本、与程序的距离四个维度打分：自然语言易写易读但易歧义；流程图结构最直观但复杂算法绘制成本高；伪代码紧凑规范、最接近程序，但对初学者略抽象。教师强调：三种方式描述的是同一个算法，算法本身是独立于表达方式的——这回应了教学难点。设计意图：对照表不是装饰，而是帮学生完成“一算法多表征”的认知整合。心理学研究表明，多表征之间的转换能力是理解深层概念的试金石；能互译，才算真懂。环节五：综合演练与展示互评教师布置分层巩固任务，学生可任选其一在小组内完成，鼓励挑战第二题：基础题：用流程图描述“输入一个三角形的三条边长，判断能否构成三角形，若能则输出其面积”。（提示：任意两边之和大于第三边；已知三边求面积可用海伦公式，令p为半周长，即p＝(a＋b＋c)÷2，面积S等于p×(p－a)×(p－b)×(p－c)整体开平方。）挑战题：用伪代码描述“输入10个学生的成绩，输出其中的最高分和平均分”。完成后每组将作品贴到班级展示区，采用“画廊漫步”方式互相观摩，每位学生手持两张便签，一张写“我学到的一点”，一张写“我的一个疑问或建议”，贴到他组作品上。教师随后挑选有代表性的便签进行点评，重点回应“海伦公式那一步算不算算法步骤”“平均分怎么累加”等高频问题。设计意图：分层任务关照差异，基础题巩固三种结构，挑战题引入累加与记数模式，为下一章程序设计的“累加器思想”预埋种子。画廊漫步与便签互评把评价权交给学生，评价本身就是高阶思维训练。环节六：课堂小结与价值提升教师不替学生总结，而是请学生用一句话回答“今天这堂课和一节普通数学课或语文写作课最大的不同”。预计会出现“我们是在教一个不会思考的机器做事”“每一步都必须说到位，没有模糊空间”“同一个方法可以换三种方式来表达”等回答。教师在此基础上收束：算法是人与机器对话的语法，更是梳理复杂问题的思维工具；从排值日生、规划旅行路线，到医院分诊、红绿灯配时，算法的思想无处不在。学会把模糊的想法变成清晰的步骤，是信息时代公民的基本素养。设计意图：课堂的落点不在知识清单，而在思维方式的确认。让学生自己说出收获，比教师复述更可能内化为认知结构。九、板书设计主板书三区：左区写“算法：有限步骤、明确规则”，其下五个特征——有穷性、确定性、可行性、输入、输出；中区画素数判断的精简流程图骨架（开始→输入n→i←2→循环判断→输出→结束），标注三种基本结构：顺序、分支、循环；右区列三种描述方式对照表：自然语言、流程图、伪代码，并标注各自优劣。副板书留白，用于记录学生典型错误与金句。十、作业设计书面作业：从生活中找一个真实场景（如食堂充卡机余额不足提醒、自动售货机找零、周末出行公交换乘方案），先用自然语言描述其内部可能遵循的算法，再画出流程图，下节课选取两份佳作全班剖析自动售货机找零中的“先大面额后小面额”贪心策略。拓展作业（选做）：搜寻资料了解“算法”一词与古