信息技術(shù)課堂教學(xué)設(shè)計——教案教學(xué)內(nèi)容高中選修5《人工智能初步》第四章第一節(jié)用搜索解決問題㈠學(xué)校北京九中授課教師潘立晶日期2014.4.4課型新授課授課班級高一課時1教學(xué)目標(biāo)⒈了解狀態(tài)樹及其基本概念。了解“啟發(fā)信息”在搜索中的作用。⒉初步掌握用廣度、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索，來求解問題的方法。⒊感受搜索技術(shù)的實際應(yīng)用，提高學(xué)習(xí)人工智能知識的興趣。主題活動九宮格問題求解教材分析本節(jié)課是根據(jù)廣東教育出版社的普通高中課程標(biāo)準實驗教科書《人工智能初步》（選修5）“第四章問題求解”中的“第一節(jié)（重排九宮問題及其樹的表示）、第二節(jié)（基本搜索方法）、第三節(jié)（啟發(fā)式搜索）”的教學(xué)內(nèi)容，進行了深入地分析和有機的整合設(shè)計而成的。人工智能研究的主要目的就是讓機器能像人一樣去解決問題。而求解問題的方法又是其研究的核心。本節(jié)介紹的是利用人工智能的問題求解方法，搜索技術(shù)，解決常見的實際問題。通過本節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握問題求解的簡單方法，為解決生活中的類似問題，提供啟發(fā)和幫助。學(xué)情分析高中一年級的學(xué)生正處在一個邏輯思維趨于嚴密，有很強的求知欲，充滿幻想，且極其好動的時期，但不喜歡枯燥無味，意志力也不夠強，若在處理問題的過程中遇到困難，容易產(chǎn)生放棄的念頭。在第二章，已經(jīng)學(xué)習(xí)過狀態(tài)空間表示法。學(xué)生在學(xué)習(xí)、生活中，接觸過迷宮的問題，如：“數(shù)字拼圖”。但是，對于“用搜索解決問題”方面的知識，還從未接觸過。本節(jié)課采用“重排九宮問題”貫穿教學(xué)過程的始終。寓教于樂，使學(xué)生在游戲中，掌握用搜索技術(shù)解決問題的思想和過程。在實踐中，體會解決問題的思路。教學(xué)重點用廣度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索、啟發(fā)式搜索的方法求解簡單問題。教學(xué)難點啟發(fā)信息在搜索中的作用教學(xué)方法講授法、討論法、實踐法等。教學(xué)用具演示文稿、計算機網(wǎng)絡(luò)、錄像片、實物投影等。板書設(shè)計4.1用搜索解決問題㈠一、狀態(tài)樹二、基本搜索方法1.廣度優(yōu)先搜索2.深度優(yōu)先搜索三、啟發(fā)式搜索1.局部擇優(yōu)搜索2.全局擇優(yōu)搜索評價反思時間教學(xué)過程教師活動學(xué)生活動165815811課前活動：數(shù)字拼圖復(fù)習(xí)提問：走迷宮時，怎樣選擇路線？引入新課：⒈復(fù)雜迷宮問題。⒉機器人走線視頻。觀察事物：機器人行走的路線。分析討論：機器人在遇到交叉路口時，選擇的是“靠左走”的規(guī)則，找到目的地。聯(lián)想遷移：在走迷宮時，也可以使用這種規(guī)則。總結(jié)歸納：從出發(fā)點到目的地的查找過程，稱為搜索。講授新課：第一節(jié)用搜索解決問題㈠一、狀態(tài)樹重排九宮問題（九宮格問題）在3×3的方格棋盤上，放置標(biāo)有數(shù)碼的8個棋子（1～8），并留有一個空格。通過移動棋子，可以生成不同的棋盤狀態(tài)。動手練習(xí)：在下面的棋盤圖中，分別填寫出移動4步的過程中，每一步的狀態(tài)圖。體驗內(nèi)容：“九宮格問題”游戲。思考問題：在求解時，是否有浪費的步數(shù)？怎樣找到最佳路徑。⒈“九宮格問題”狀態(tài)樹演示講解：“九宮格問題”部分狀態(tài)樹。學(xué)生練習(xí)：請畫出從入口尋找出口的狀態(tài)樹。（分層教學(xué)：拓展練習(xí)）⒉狀態(tài)樹的結(jié)構(gòu)演示講解：層、根節(jié)點、分支、分支節(jié)點、父節(jié)點、子節(jié)點、葉節(jié)點等。二、搜索的基本方法搜索：在狀態(tài)樹上，從初始狀態(tài)，查找目標(biāo)狀態(tài)，并得到從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的分支路徑的查找過程，稱為搜索。啟發(fā)問題：怎樣在“九宮格問題”狀態(tài)樹中搜索。⒈廣度優(yōu)先搜索從根節(jié)點開始，在狀態(tài)樹中一層一層地查找，找到目標(biāo)結(jié)點時，搜索結(jié)束。動手練習(xí)：請寫出迷宮狀態(tài)樹的廣度優(yōu)先搜索路徑。（分層教學(xué)：拓展練習(xí)）廣度優(yōu)先搜索路徑：入→1→2→4→5→7→6→8→3→9→出啟發(fā)問題：還有其他的搜索方法嗎？（提示：機器人走線的方法。）⒉深度優(yōu)先搜索從根節(jié)點開始，對分支逐個深入搜索。通常從左分支開始。學(xué)生練習(xí)：請寫出迷宮狀態(tài)樹的深度優(yōu)先搜索路徑。（分層教學(xué)：拓展練習(xí)）深度搜索路徑：入→1→2→5→6→3→8→9→出歸納小結(jié)：基本搜索方法⒈廣度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索，統(tǒng)稱為基本搜索方法（盲目搜索）。⒉哪種搜索方法，找到的一定是最優(yōu)解？⒊搜索的速度，取決于節(jié)點的數(shù)量和目標(biāo)節(jié)點的位置。（節(jié)點與搜索速度成反比：節(jié)點越多，搜索速度越慢。）啟發(fā)問題：①怎樣提高搜索速度？（提示：基本搜索的特點——盲目。）答：需要減小搜索范圍，提高搜索速度。②怎樣減小搜索范圍？（提示：考慮節(jié)點的特征。）三、啟發(fā)式搜索啟發(fā)式搜索：在搜索中，加入啟發(fā)性的信息。啟發(fā)信息：加速搜索過程的有關(guān)問題領(lǐng)域的特征信息。（如：通常用啟發(fā)函數(shù)，來表示啟發(fā)信息。）1.啟發(fā)函數(shù)分析得出：“九宮格問題”啟發(fā)函數(shù)H（x）=節(jié)點x與目標(biāo)棋盤狀態(tài)不同棋子的個數(shù)。2.啟發(fā)式搜索啟發(fā)式搜索的操作：選擇啟發(fā)函數(shù)值小的分支節(jié)點，進行搜索。⑴局部擇優(yōu)搜索啟發(fā)函數(shù)值相等時，從左分支開始搜索。局部擇優(yōu)搜索全局擇優(yōu)搜索⑵全局擇優(yōu)搜索啟發(fā)函數(shù)值相等時，對所有H（x）值最小的節(jié)點都進行擴展搜索。提醒注意：啟發(fā)函數(shù)是啟發(fā)式搜索一個關(guān)鍵而復(fù)雜的問題。播放錄像：“電子鼠走迷宮.mpg”。填空練習(xí)：“新九宮格問題”的全局搜索路徑。（分層教學(xué)：拓展練習(xí)）①填寫4、9號棋局的啟發(fā)函數(shù)值。②全局優(yōu)先搜索路徑：0→2→5→9→11→12總結(jié)歸納：4.1用搜索解決問題㈠課后作業(yè)：思考“九宮格問題”的其他啟發(fā)函數(shù)。（答案：啟發(fā)函數(shù)=H(x)+D(x)D(x)表示節(jié)點x所在的層數(shù)）提問設(shè)置情景說明指導(dǎo)講解分析講解分析指導(dǎo)演示分析講解啟發(fā)演示