高中信息技术《2.1.2 用计算机解决问题的过程》教学设计

高中信息技术《2.1.2用计算机解决问题的过程》教学设计安徽省亳州市第十八中学高中信息技术执教人：李影一、教学背景与设计理念本课是高中信息技术必修一《数据与计算》第二单元“编程计算”中承上启下的关键课时。学生在前面已经学习了数据编码、数值与字符在计算机中的表示方式，对计算机“如何存储数据”有了具象认知。本课则聚焦于“如何让计算机自动处理数据”，即从问题出发，经历分析问题、设计算法、编写程序、调试运行到最终解决问题的完整过程。这既是计算思维在课堂中的首次系统落地，也是学生从“信息技术使用者”迈向“数字化问题解决者”的起点。高二年级的学生普遍具备一定的逻辑推理基础，对生活场景中的问题有较强的表达欲，但在“将自然语言转化为形式化描述”方面存在明显短板。部分学生在初中接触过Scratch编程，对可视化积木有一定的迁移能力，但面对Python代码时容易产生畏难情绪。因此，本课摒弃了“重语法、轻过程”的传统教法，转而以一条真实的校园情境主线贯穿全课，让学生在解决真实问题的过程中潜移默化地体验“问题→算法→程序→验证”的完整闭环，从而自然孵化计算思维。设计理念上，本课严格遵循《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中关于“计算思维”核心素养的培养要求。课标强调“要引导学生在数字化环境下，针对给定的任务进行问题分析，抽象特征，建立结构模型，形成解决问题的方案”。基于此，本课以“智能体温上报助手”为项目载体，借助流程图、头脑风暴、程序调试等方法，促使学生经历从具象问题到抽象建模的深度思维过程。同时，教学全程嵌入在线编程平台，即时反馈运行结果，降低认知负荷，让思维可视化、外显化，以评促学，以学定教。二、教学目标与核心素养指向（一）教学目标知识层面：学生能够准确说出用计算机解决问题的四个基本环节，即分析问题、设计算法、编写程序、调试运行；能够理解算法的三种基本控制结构（顺序、分支、循环）及其在流程图中的表示方法。技能层面：学生能够针对简单的实际问题，使用自然语言和流程图两种方式描述算法；能够在Python环境中编写包含输入、处理、输出语句的简单程序，并通过修改参数实现程序的调试与优化。情感层面：学生能够在小组协作中主动分享自己的算法思路，敢于对同伴的方案提出质疑与优化建议，体验用程序解决真实生活问题的成就感，增强利用数字化工具服务社会的责任意识。（二）核心素养指向计算思维：通过问题拆解、模式识别、算法设计及程序验证，学生体会从“问题”到“方案”的抽象过程，形成用计算思维审视日常问题的习惯。数字化学习与创新：借助在线编程平台、流程图绘制工具进行自主探究与协作创新，提升在数字化环境中的学习效能。信息意识：面对真实情境中的需求，能够敏锐感知其可计算性，自觉评估利用计算机解决问题的价值与局限。信息社会责任：在算法设计过程中，关注数据隐私、公平性等问题，理解技术应用中蕴含的伦理责任。三、教学重难点与突破策略教学重点：完整地体验计算机解决问题的四个环节，并能用流程图清晰表达简单算法。教学难点：能够从问题情境中提炼出关键要素，设计出逻辑严谨且可执行的分支与循环结构，并在程序调试中准确定位逻辑错误。突破策略：采用“双线并行”的脚手架策略。一条线是“情境任务线”，借助“校园体温上报”这一贴近学生日常生活的场景，降低问题理解的认知门槛；另一条线是“思维工具线”，提供半成品流程图模板、分支与循环的对比清单、常见语法错误自查手册等学习支架。学生在小组互评中不断修正算法，在尝试运行中暴露逻辑漏洞，教师则通过巡回指导及时点拨。如此，将抽象的策略性知识转化为学生可操作、可检验的实践性活动，实现难点的软着陆。四、教学环境与准备硬件环境：计算机网络教室，保证每台学生机可访问互联网与学校在线编程教学平台。软件环境：浏览器端Python在线运行环境（如编程猫平台）、流程图绘制工具（如ProcessOn在线协作版）、极域电子教室管理系统用于屏幕广播与学生演示。资源准备：教师提前录制3—5分钟微课《Python输入与输出的奥秘》；设计学习任务单（含情境卡、流程图形板、程序调试记录表、评价量规）；制作“校医李老师的一封求助信”数字化情境视频。学生分组按“异质分组”原则，每组4人，并推选一位小组长。五、教学过程详案（一）情境导入，唤醒需求（5分钟）上课铃响，教师打开一体机，播放一段提前录制好的微视频。视频画面中，校医李老师坐在电脑前，神情疲惫，桌上堆着一摞纸质体温登记表。旁白响起：“每天晨检，我都要逐一核对近千名同学的体温数据，手动标记异常，再电话通知班主任。上周流感高发期，我连续加班到深夜。同学们，你们能用学过的信息技术知识帮帮我吗？”视频停在这一幕。教师转过身，面向全班，语气真诚：“古人云，工欲善其事，必先利其器。校医老师手头的‘事’，是繁重的重复性数据核查工作。今天大家要思考的‘器’，便是我们上学期刚刚接触过的计算机程序。请大家想一想，在你们的初中或高一经历中，有没有哪些活儿是计算机可以比人做得更快更好的？”沉默片刻，一位女生举手说：“老师，我们班收作业用接龙小程序，自动统计谁没交。”教师肯定道：“很好，那个小程序背后就是程序在自动处理‘谁提交了，谁没提交’的判断逻辑。”教师接着问：“那如果让你用计算机帮李老师完成体温排查，第一步应该做什么？不用急着回答，暂时把这个问题藏在心里。接下来我们带着这个问题，走进今天的课堂——用计算机解决问题的过程。”设计意图：用真实情境的情感张力激发学生的共情与内在动机。引入环节不急着给定义，而是让学生先感知“什么场景适合用计算机”，帮助学生初步建立“可计算问题”的信息意识。（二）环节一：分析问题——做减法，抓核心（8分钟）教师抛出任务卡：为校医李老师设计一个辅助工具，实现以下需求：输入全班每位同学的姓名和晨检体温，程序能自动输出所有体温高于37.3℃的同学名单并给出“异常”提示。教师引导：“拿到一个任务，最忌讳的就是撸起袖子直接写代码。就像医生看病，首先要诊断。请大家以小组为单位，讨论两分钟：完成这个任务，我们需要知道哪些关键信息？”各小组经过短暂交流后开始汇报。第一组代表说：“要知道每个人的体温。”另一组补充：“还要知道体温的判定标准，也就是阈值。”教师点头，转身在白板上划出两个大圆圈：“很好，一个圈是‘输入数据’，包括姓名和体温；另一个圈是‘处理规则’，即阈值判断。那么，输出是什么？谁来补充？”一位男生接话：“输出的是高于阈值的名单，以及提示信息。”教师在两个圈外再画一个圈：“对，输出是有条件的，并非所有输入都会输出。只有满足‘体温大于37.3℃’这条规则，才会出现在最终名单里。”随后教师在黑板上写下一行字：“分析问题阶段的核心工作——弄清输入、处理、输出三要素，排除干扰信息。”紧接着，教师发放学习任务单，任务单上有半成品表格，学生需要在空栏处填写“该问题涉及的输入变量有哪些？输出的形式是什么？判定规则是唯一的吗？”以此完成对该问题中可计算要素的精确建模。设计意图：引导学生学会从纷繁的真实需求中剥离核心计算要素。这是计算思维中“抽象”与“分解”的初步落实，也是后续算法设计的逻辑地基。通过小组会话与板演，把隐性思考过程外显化。（三）环节二：设计算法——用图示打开思维（15分钟）教师播放微课片段，回顾顺序结构流程图的基本画法，同时给出今天任务所需的两种新结构：条件判断（菱形框）和循环结构（带箭头的回边）。教师深吸一口气，抛出一个核心问题：“现在我们要处理全班40多位同学的体温，如果一句一句地重复写判断，程序岂不是很庞大？大家想一想，有什么办法可以让计算机‘不厌其烦’地反复做同一件事？”有学生脱口而出：“循环！”教师追问：“循环做什么？循环体是什么？什么条件进来，什么条件出去？”学生在任务单上画“初版流程图”，教师巡回观察。五分钟后，教师邀请一位小组代表用实物投影展示他的流程图。该生画了一个菱形框“体温>37.3？”，一个处理框“输出姓名与提示”，然后外面套了一个循环框“当还有学生未检查时”。教师在课堂上肯定其框架正确，同时提出挑战：“如果全班同学的数据不是一次性全部输入，而是输入一个处理一个，你的流程图里的箭头指向哪里？有没有可能出现死循环？”小组内立刻展开讨论，有学生指出：“循环条件应该写‘还有未处理的学生’，每处理完一个，计数器加一。”教师顺势在黑板上展示规范流程图，并标注“计数器=计数器+1”这个极易被忽视的步骤。教师进一步延伸：“刚才我们用的是自然语言和流程图来‘设计算法’。算法可以不唯一，但评价一个算法好坏的关键在于：是否无歧义、是否有限步骤内结束、是否高效。”学生在任务单上记录“算法的三个特征：有穷性、确定性、可行性”。设计意图：设计算法是本课的核心环节。流程图作为中间表征工具，将自然语言的模糊性转化为图形化的确定性。学生在试错中理解循环结构的边界条件，在互评中深化对“算法的有限性”的理解，逻辑推理能力与批判性思维得到同步锻炼。（四）环节三：编写程序——从图形到代码的翻译练习（12分钟）教师演示在在线Python环境中敲入四行代码：```name=input("请输入学生姓名：")temp=float(input("请输入体温："))iftemp>37.3:print(name,"体温异常，请复查！")```教师一句一句翻译：“第一行——让计算机停下来听你说话，存进名字这个盒子里；第二行——把体温值变成小数，方便比较；第三、四行——如果体温破了37.3这道坎，大喇叭就报出异常。注意那缩进，它是Python里的‘法律’。”学生开始尝试完成“全班循环版”程序。教师提供两种脚手架：基础版给出循环框架，只留条件与输出让学生补全；挑战版要求学生自己搭建循环结构。各组按下运行键，很快，屏幕上有人看到红色报错信息，教师借机引导学生观察报错类型：“能看到‘invalidsyntax’吗？这意味着你把Python的语法规则给违反了，就像交通违章一样。找到那一行，仔细看标点或缩进。”过程中一位学生提出疑问：“老师，如果输入的不是数字，程序会不会崩溃？”教师赞许地竖起大拇指：“这是今天最好的问题之一。程序不仅能处理‘正常情况’，更要能应对‘异常输入’。这一部分我们下节课专门研究‘异常处理’。今天先用int()或float()做强制转换，你就可以避免很多崩溃。"各组记录调试日志，完成学习任务单上的“程序运行对比表”。设计意图：本环节重在“翻译”而不重“创造”。在已有算法蓝图的基础上，程序的编写就成功了一大半。学生尝试将流程图形状对应到代码块，体会算法与代码之间的映射关系。运行报错则提供了大量“微诊断”的机会，在真实的错误体验中理解了代码的严谨性。（五）环节四：调试运行与迭代优化——让程序真正解决问题（12分钟）各小组已经成功让程序跑通了全班数据。教师此时引入一个话题：“刚才的程序只是‘能用’，现在我们让它‘好用’。”教师展示两个优化方向：第一，循环一次只处理一个学生，但如果在输入过程中发现输错了怎么办？能不能给一个“修改”的机会？第二，能不能在输出时顺便统计一共有多少人异常，给李老师一个汇总数字？学生一时有些沉默，教师引导：“回到流程图，当你发现需要重复‘判断输入是否有效’时，你会想到什么结构？”有学生恍然大悟：“嵌套的循环或者分支。”教师说：“对，这就是‘循环里面套分支’的嵌套结构。今天大家不需要完整写出代码，但请在流程图上画出这个优化后的版本。”各小组在原有流程图基础上添砖加瓦。随后，教师给每组发一张“优化评价量规”，从“正确性、效率、可读性、体验友好度”四个维度进行自评与互评。有小组提出一个犀利问题：“老师，如果全班有1000人，这个程序得手动输入1000次，还是挺累的，能不能直接从Excel文件读取数据？”教师笑着说：“当然能。这就是‘文件读取’的力量，也是我们下一节课《用计算机处理数据》的开篇。大家今天已经从一个简单的输入程序，想到了与外部数据文件对接——这就是真正的工程师思维！”课末，教师组织各组进行“亮成果”活动。每组派代表在班里演示程序跑通全班体温数据的全过程，并对异常体温给出提示。课堂气氛达到高潮。设计意图：通过完善流程图的优化过程，让学生在不必深陷代码细节的前提下体验“迭代设计”的工程思维。评价量规的使用让“好程序”的标准从模糊的感觉变为可观察的维度，为后续编程学习奠定质量意识。（六）课堂总结与延伸——回望路径，贯通思维（8分钟）教师组织全班围绕黑板上的四个环节进行结构化复盘。教师问：“今天我们经历了几个关键步骤？每一步我们分别做了什么？哪一步你觉得最困难？”学生回顾：分析问题（抽取出姓名、体温、阈值三个要素），设计算法（画流程图，确定分支与循环），编写程序（用Python实现），调试运行（修正语法错误与逻辑漏洞）。有学生坦言：“算法设计最难，因为要考虑所有情况，尤其是循环会不会停不下来。”另一学生补充：“调试最累，但看到程序跑通的那一刻特别有成就感。”教师在黑板中央写下“计算思维”四个字，画出一个箭头从“问题”指向“方案”，再指向“验证”。教师深情总结：“今天大家完成的不仅仅是一个体温检测小程序。更重要的是，你们体验了一种普适的问题解决范式——把问题拆解到可计算、可操作、可验证，这种思维方式可以帮助你们应对学习与生活中很多复杂任务。机器不思考，思考的是你们。”最后，教师布置分层拓展作业：基础作业：利用今天所学，用Python写一个“宿舍晚归登记程序”，输入姓名与晚归时间，若晚于22:30则提示“晚归登记”。进阶作业：将今天的体温异常处理流程改为“如果体温高于37.3℃，再询问是否伴有咳嗽”，形成多级分支流程图，并用程序实现。挑战作业：上网查找“自动体温检测机器人”的新闻报道，结合今天学到的“输入—处理—输出”框架，撰写一篇200字左右的科技短评。设计意图：总结不是教师的独角戏，而是学生回顾与提炼的过程。分层作业兼顾不同水平学生的最近发展区，且将视野从课堂延伸到现实科技生活，呼应“信息社会责任”核心素养的培育要求。六、教学反思