高中信息技术选修1《数据与数据结构》教学设计：4.4 过程和函数-代码的封装与复用

高中信息技术选修1《数据与数据结构》教学设计：4.4过程和函数——代码的封装与复用授课对象为高二年级学生，对应浙江教育出版社高中信息技术选修1《数据与数据结构》第四章第四节第一课时。本课在学生已经掌握Python基本语法结构、顺序结构、分支结构和循环结构的基础上，引导学生认识程序设计中"封装"这一核心思想，理解过程与函数的定义、调用及参数传递机制，为后续学习递归、模块化程序设计以及数据结构的操作封装奠定基础。一、教材与学情分析浙教版教材在本节安排了过程与函数两个概念，强调通过自定义函数将复杂问题分解为若干相对独立的子问题，体现"自顶向下、逐步求精"的结构化程序设计思想。教材以计算阶乘、判断素数等经典问题为载体，引出def语句、形参与实参、返回值等知识要素。从学情看，学生此前编写的程序大多是从上到下顺序执行的"单体式"代码，代码量小、逻辑简单，尚未面临代码复用的真实困境。学生已经使用过print、len、int等内置函数，对"调用"有朴素体验，但说不清其中的机制，更未意识到自己也可以"制造"这样的工具。教学中需要制造认知冲突，让学生切身感受到重复代码带来的痛苦，再顺水推舟引出封装思想。二、教学目标第一，理解过程与函数的概念，能用自己的语言说明二者的区别与联系，知道函数由函数名、参数列表、函数体和返回值构成。第二，掌握def语句定义函数的基本格式，能正确定义带参数、带返回值的函数，能在主程序中正确调用，理解实参与形参之间的对应关系和值的传递过程。第三，通过"温度转换""判断素数"等任务，体会将重复代码封装为函数所带来的简洁性、可读性和可维护性，初步形成模块化设计的意识。第四，在调试函数的实践过程中培养严谨细致的工程态度，面对错误提示能主动分析定位问题，体验代码"一次写好、处处可用"的成就感。三、教学重难点教学重点：函数的定义格式与调用方法，形式参数与实际参数的对应关系，return语句的作用。教学难点：理解参数传递的执行机制，区分"函数定义"与"函数调用"两个不同阶段，理解return与print的本质差异。四、教学准备计算机教室，安装Python3.x环境及Thonny或IDLE编辑器，多媒体广播教学系统，课前下发包含半成品代码的学习任务单。教师准备一段故意写得冗余重复的"问题代码"作为课堂导入素材。五、教学过程（一）情境导入：一段让人抓狂的代码上课伊始，教师在大屏幕上展示一段代码：某班级要计算三名同学三门功课的平均分，代码中出现了三段几乎一模一样的求和与除法运算，只是变量名略有不同。教师请学生目测这段代码并谈谈感受。学生普遍反映"看着累""读起来费劲"。教师顺势追问：如果要计算的不是三名同学，而是全班四十五名同学的成绩，怎么办？如果要修改计算规则，比如从算术平均改为加权平均，需要改动多少处？学生意识到：同样的逻辑写了三遍，就要改三遍，而且改漏一处就会出错，还很难发现。教师点明本课的核心问题：能不能把这段重复的逻辑"打包"起来，起个名字，用的时候喊一声名字就行？这正是今天要学习的内容——过程与函数。这种从真实痛点出发的引入，让"封装"的概念在孩子心里先扎下根，再接受语法形式就顺理成章。（二）温故知新：认识函数这位"老朋友"教师提问：其实我们早就用过函数了，谁能举出例子？学生回忆起print、input、len、abs、max等内置函数。教师以len为例进行剖析：len("hello")这行表达式中，len是函数的名字，括号里的"hello"是我们交给它处理的原料，它干完活以后把结果5"交还"给我们。教师用生活中的类比帮助学生建立模型：函数就像一台自动榨汁机，你放进去水果（输入），按下开关（调用），它吐出果汁（输出），至于里面刀片怎么转、滤网怎么过滤，使用者完全不必关心。教师总结函数的三个组成要素：名字、输入（参数）、输出（返回值）。并指出内置函数是Python语言设计者们预先制造好的工具，而今天我们要学会自己制造工具。黑板上同步书写关键术语：函数名、参数、返回值，为后续概念教学做好铺垫。（三）新知探究一：动手定义第一个函数教师给出第一个实践任务：定义一个名为say_hello的函数，功能是输出三行欢迎文字，然后在主程序中调用它两次。教师通过广播演示，逐行讲解代码结构：defsay_hello():print("欢迎学习信息技术")print("今天的主题是函数")print("动手试一试吧")say_hello()say_hello()教师强调四个语法要点：其一，def是定义函数的关键字，标识着"我要制造一台新机器了"；其二，函数名后必须紧跟一对圆括号和冒号，括号暂时为空表示这台机器暂时不需要原料；其三，函数体内的语句必须缩进四个空格，缩进是Python表达"归属关系"的方式；其四，函数定义之后不会自动执行，只有被"调用"——也就是写下函数名加括号——才会真正干活。学生动手实践，教师巡视。巡视中发现两类典型问题：一是忘记写调用语句，跑来问"为什么程序运行后什么都没输出"，教师抓住这个现场生成性问题向全班强调定义与调用的区别——定义只是"说明书"，调用才是"按下开关"；二是缩进混乱导致IndentationError，借此机会讲解Python对缩进的严格要求。学生完成后，教师追问：say_hello函数做了事情，但它有没有像len函数那样"交还"一个结果给我们？学生回答没有。教师指出：这种只干活不归还结果的函数，在有些语言里被称作"过程"，而在Python中，过程也统一用def定义，只是不使用return语句返回数据。这样，教材中"过程"与"函数"的概念关系就自然澄清了。（四）新知探究二：让函数学会接收原料——参数教师提出新问题：上面的say_hello每次都输出一成不变的文字，我想让它能向不同的人打招呼，喊出对方的名字，怎么办？引导学生猜想：必须在括号里做点什么文章。教师演示带参数的函数：defgreet(name):print("你好，"+name+"！欢迎来到函数的世界。")greet("张明")greet("李华")学生观察到greet("张明")和greet("李华")产生了不同的输出，对"参数"的作用有了直观感受。教师此时引入一对核心概念：定义函数时括号里的name叫作形式参数，简称形参，它是一个占位符，一个空盒子；调用函数时写在括号里的"张明""李华"叫作实际参数，简称实参，它是真正放进盒子里的东西。程序执行greet("张明")时，"张明"这个值被装进name这个盒子里，函数体内的所有name都换上了新装。为突破这一难点，教师组织"角色扮演"活动：请一位学生扮演"函数体"，一位学生扮演"调用者"。调用者拿着写有"2027年"的卡片说"greet（数据）"，函数体学生接过卡片，照着黑板上的模板把"2027年"嵌入输出语句大声读出来。这个具身化的活动把抽象的值传递过程变成了可感知的动作，课堂气氛活跃，理解水到渠成。随后布置第二个实践任务：定义函数celsius_to_fahrenheit(c)，输入摄氏温度，输出对应的华氏温度。换算关系为华氏温度等于摄氏温度乘以1.8再加32。学生独立完成并互相测试调用，例如celsius_to_fahrenheit(37)应输出98.6。（五）新知探究三：让函数学会交还成果——返回值教师设置认知冲突：上一题的函数把计算结果直接"说"了出来（用print输出），但如果主程序想拿这个结果继续算别的东西怎么办？比如医院系统计算完华氏体温后，还要判断是否发热并自动生成报告。print只是把结果显示在屏幕上，数据并没有真正回到调用者手里。教师给出解决方案：return语句。defcelsius_to_fahrenheit(c):f=c1.8+32returnftemp=celsius_to_fahrenheit(37)iftemp>99.5:print("请注意，体温偏高")教师精讲return的三个要点：第一，return把值"交还"给调用处，调用处的表达式celsius_to_fahrenheit(37)在运算结束后就被替换为98.6这个结果，可以赋值给变量、参与运算、放进其他函数；第二，return执行后函数立即结束，后面的语句不再执行；第三，一个函数中可以没有return，此时Python默认返回None这个特殊值。为突破print与return混淆这一高频易错点，教师设计对比辨析：print是"对外喊话"，声音说完就飘散在空气里，程序中其他代码拿不到；return是"上交报告"，白纸黑字递到调用者手里，随时可以取用。教师设计一组判断题让学生快速反馈：想在函数中使用另一个函数的计算结果，被用的函数应该用print还是return？学生通过辨析建立清晰的边界。（六）综合实践：素数判断器课堂进入综合应用环节。教师发布任务：定义函数is_prime(n)，判断正整数n是否为素数，是则返回True，否则返回False；然后在主程序中调用该函数，输出100以内的所有素数。任务分解指导：先回顾素数的定义——大于1且只能被1和自身整除的正整数。判断n是否为素数，只需检查2到n1之间是否存在n的因数，用循环遍历即可；一旦发现因数立即返回False，循环正常结束则返回True。学生独立编写，教师分层指导。对学有余力的学生给出拓展挑战：能不能进一步优化，只检查到n的算术平方根就够了？为什么？这个追问引导学生把数学知识与算法效率联系起来，渗透计算思维。典型参考实现如下：defis_prime(n):ifn<2:returnFalsei=2whileii<=n:ifn%i==0:returnFalsei=i+1returnTruenum=2whilenum<100:ifis_prime(num):print(num,end="")num=num+1完成后，教师请两至三名学生展示代码并讲解思路，其他学生从"函数定义是否规范""返回值使用是否正确""主程序调用是否恰当"三个维度进行评价。学生互评的过程本身就是一次概念的再次建构。教师适时提升：观察这段程序的整体结构——小问题的解法被封装在is_prime里，主程序只管列举和筛选，各司其职。这正是"自顶向下、逐步求精"思想的雏形：遇到大问题，先把它拆成若干小问题，每个小问题做成一个函数，最后像搭积木一样组装起来。今后程序越写越大，这种思想就越发重要。（七）课堂小结与升华教师引导学生用结构化语言完成课堂复盘：今天我们制造了自己的工具。用def关键字定义函数，用括号安放形参来接收外部数据，用return语句把计算成果交还调用者；定义只是写好说明书，调用才是按下开关；把重复或独立的逻辑封装成函数，程序更简洁、更易读、更好改，也更能扛得住规模的增长。教师布置分层作业：基础层，定义函数area_of_circle(r)返回圆面积，并在主程序中调用计算三个不同半径的圆面积；提高层，定义函数is_leap_year(y)判断闰年并返回布尔值，在主程序中输出从2000年到2050年之间的所有闰年；挑战层，思考一个函数里能否调用另一个函数，尝试让is_leap_year被一个新函数days_in_year调用，返回该年份的总天数，为下一课时做铺垫。六、板书设计主板书以"制造我们自己的工具"为中心线索：左侧书写概念区——过程（只干活不归还）、函数（干活且归还结果）；中间书写语法区——def函数名（形参）:缩进的函数体return结果；右侧书写机制区——实参传给形参，ret