《算法的效率和優(yōu)化》教學(xué)設(shè)計(jì)-2025-2026學(xué)年青島版（2024）小學(xué)信息技術(shù)六年級(jí)上冊(cè)學(xué)情分析知識(shí)基礎(chǔ)：六年級(jí)學(xué)生已學(xué)習(xí)第二單元《算法的執(zhí)行過(guò)程》，掌握“順序、分支、循環(huán)”三種基本結(jié)構(gòu)，能通過(guò)文字描述、流程圖分析簡(jiǎn)單算法的執(zhí)行步驟；同時(shí)在第一單元接觸過(guò)Python基礎(chǔ)編程，對(duì)“代碼執(zhí)行步驟”有具象認(rèn)知，為理解“算法效率=執(zhí)行步驟/時(shí)間”奠定基礎(chǔ)，但對(duì)“同一問(wèn)題多種算法的效率差異”“如何通過(guò)優(yōu)化減少步驟”缺乏認(rèn)知。認(rèn)知特點(diǎn)：學(xué)生處于“具象思維向抽象思維過(guò)渡”關(guān)鍵期，對(duì)“可量化、可對(duì)比”的具象案例（如步驟計(jì)數(shù)、時(shí)間模擬）接受度高，但對(duì)“數(shù)據(jù)規(guī)模影響效率”“優(yōu)化邏輯的抽象推導(dǎo)”（如為何公式計(jì)算比循環(huán)累加高效）易困惑，尤其在分析復(fù)合算法（含分支+循環(huán)）的效率時(shí)，易忽略“冗余步驟”與“重復(fù)計(jì)算”。學(xué)習(xí)需求：學(xué)生對(duì)“貼近校園生活的算法場(chǎng)景”（如圖書查找、成績(jī)統(tǒng)計(jì)）興趣濃厚，渴望通過(guò)“動(dòng)手對(duì)比、小組合作”驗(yàn)證效率差異，需借助教材實(shí)例與可視化工具（如步驟統(tǒng)計(jì)表、時(shí)間模擬實(shí)驗(yàn)）降低抽象難度，逐步形成“優(yōu)化意識(shí)”。核心素養(yǎng)目標(biāo)信息意識(shí)：能識(shí)別生活與教材中“同一問(wèn)題多種算法”的場(chǎng)景（如找物品、計(jì)算總和），理解“算法效率”的含義（執(zhí)行步驟多少、時(shí)間長(zhǎng)短），樹立“選擇高效算法、優(yōu)化低效算法”的意識(shí)。計(jì)算思維：掌握“步驟計(jì)數(shù)、時(shí)間模擬”兩種判斷算法效率的方法，能分析教材中單一/復(fù)合算法的效率差異，學(xué)會(huì)“減少重復(fù)計(jì)算、優(yōu)化循環(huán)條件、簡(jiǎn)化分支判斷”等基礎(chǔ)優(yōu)化策略，初步形成“效率優(yōu)先”的算法設(shè)計(jì)思維。創(chuàng)新意識(shí)與協(xié)作能力：能小組合作分析教材中低效算法的問(wèn)題（如冗余步驟、重復(fù)判斷），自主制定優(yōu)化方案并驗(yàn)證效果，提升算法優(yōu)化能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作素養(yǎng)。教學(xué)重難點(diǎn)1.教學(xué)重點(diǎn)：理解算法效率的核心含義（執(zhí)行步驟數(shù)量、實(shí)際執(zhí)行時(shí)間），掌握“步驟對(duì)比、時(shí)間模擬”兩種效率判斷方法，學(xué)會(huì)“減少重復(fù)計(jì)算、優(yōu)化循環(huán)條件”等簡(jiǎn)單算法優(yōu)化策略，能獨(dú)立分析教材中單一結(jié)構(gòu)算法的效率差異。2.教學(xué)難點(diǎn)：分析含“分支+循環(huán)”復(fù)合結(jié)構(gòu)算法的效率差異（如不同數(shù)據(jù)規(guī)模下的步驟變化），理解“數(shù)據(jù)規(guī)模越大，低效算法劣勢(shì)越明顯”的邏輯，制定符合“步驟最少、邏輯清晰”原則的優(yōu)化方案。教學(xué)過(guò)程情境導(dǎo)入：對(duì)比算法差異，感知“效率”概念教材內(nèi)容銜接：教師引導(dǎo)學(xué)生翻開教材第32頁(yè)（《算法的效率和優(yōu)化》開篇）“校園圖書角找書”場(chǎng)景圖：圖中展示兩種找書方法——方法1（順序查找）：從第1本到第20本依次翻看，尋找《Python入門》；方法2（分類查找）：先按“編程類”書架分類，再在該書架按編號(hào)1-5查找。提問(wèn)：“兩種方法都能找到書，哪種更快？‘快’的本質(zhì)是什么？這和‘算法效率’有什么關(guān)系？”師生互動(dòng)：教師組織“模擬找書”實(shí)驗(yàn)：準(zhǔn)備20本標(biāo)有編號(hào)的“圖書卡片”（其中第15張為目標(biāo)卡片），邀請(qǐng)2名學(xué)生分別按“方法1（順序翻）”“方法2（先分類：1-10為文學(xué)類，11-20為編程類，再在11-20中找）”找卡片，其他學(xué)生記錄兩人的“翻卡次數(shù)（步驟數(shù)）”。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師提問(wèn)：“兩人的步驟數(shù)分別是多少？為什么方法2步驟更少？這說(shuō)明解決同一問(wèn)題，不同算法的什么存在差異？”學(xué)生發(fā)言后，教師總結(jié)：“這種‘步驟多少、速度快慢’的差異，就是我們今天要學(xué)的‘算法效率’?！痹O(shè)計(jì)意圖：以教材校園場(chǎng)景為切入點(diǎn)，通過(guò)“模擬找書”的具象實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀感知“同一問(wèn)題不同算法的效率差異”，將抽象的“效率”轉(zhuǎn)化為可量化的“步驟數(shù)”，契合教材“從生活場(chǎng)景到算法概念”的編寫邏輯，為后續(xù)新知探究鋪墊認(rèn)知基礎(chǔ)。新知探究：拆解效率含義，掌握優(yōu)化策略算法效率的含義：什么是“高效”算法？1.教材內(nèi)容講解：聚焦教材第33頁(yè)“算法效率的定義”板塊：“算法效率是指算法執(zhí)行時(shí)消耗的資源（主要是時(shí)間資源，即執(zhí)行步驟多少、實(shí)際運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短），步驟越少、時(shí)間越短，算法效率越高。”結(jié)合教材示例“計(jì)算1到100的累加和”的兩種算法：算法1（循環(huán)累加，教材代碼片段）：步驟1：初始化sum=0，count=1步驟2：判斷count≤100？是→執(zhí)行步驟3-4，否→執(zhí)行步驟5步驟3：sum=sum+count步驟4：count=count+1，回到步驟2步驟5：輸出sum教師講解：“該算法需執(zhí)行‘判斷100次、累加100次、自增100次’，總步驟約300次。”算法2（公式計(jì)算，教材代碼片段）：步驟1：輸入n=100步驟2：sum=n×(n+1)÷2（100×101÷2=5050）步驟3：輸出sum教師講解：“該算法僅需3步，步驟遠(yuǎn)少于算法1，效率更高。”2.師生互動(dòng)：（1）學(xué)生分組計(jì)算“n=5時(shí)兩種算法的步驟數(shù)”，填寫教材第33頁(yè)“步驟統(tǒng)計(jì)表”：算法類型n=5時(shí)判斷次數(shù)計(jì)算次數(shù)總步驟數(shù)循環(huán)累加55（累加）+5（自增）15公式計(jì)算01（公式）3（2）小組代表展示表格，教師引導(dǎo)總結(jié)：“判斷算法效率的核心：對(duì)比‘解決同一問(wèn)題的步驟數(shù)’，步驟越少效率越高；當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模（如n從5到100）增大時(shí)，低效算法的步驟數(shù)會(huì)急劇增加，差距更明顯?！?.設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)教材“累加和”兩種算法的“步驟量化對(duì)比”，讓學(xué)生理解“效率=步驟數(shù)/時(shí)間”的具象含義，避免抽象概念的理解壁壘；同時(shí)通過(guò)“n=5”的小數(shù)據(jù)計(jì)算，為后續(xù)“數(shù)據(jù)規(guī)模影響效率”的學(xué)習(xí)埋下伏筆，符合六年級(jí)學(xué)生“從具體到抽象”的認(rèn)知規(guī)律。算法效率的判斷方法：如何比較“快慢”？1.教材內(nèi)容講解：研讀教材第34頁(yè)“效率判斷的兩種方法”板塊：①步驟計(jì)數(shù)法：統(tǒng)計(jì)算法執(zhí)行的“核心步驟數(shù)量”（如判斷、計(jì)算步驟，忽略輸入輸出等固定步驟）；②時(shí)間模擬法：通過(guò)人工模擬或程序運(yùn)行，記錄算法執(zhí)行的“實(shí)際時(shí)間”。結(jié)合教材“找書算法”案例：步驟計(jì)數(shù)法：順序查找（20本書）需20步，分類查找需“1步分類+5步查找=6步”；時(shí)間模擬法：順序查找模擬需30秒，分類查找模擬需10秒。教師強(qiáng)調(diào)：“步驟計(jì)數(shù)法適合人工分析，時(shí)間模擬法更貼近實(shí)際，但兩種方法結(jié)論一致——步驟少則時(shí)間短?！?.師生互動(dòng)：開展“效率判斷小實(shí)驗(yàn)”：學(xué)生分組完成教材第34頁(yè)“判斷1到n是否為質(zhì)數(shù)”的兩種算法分析：算法A：判斷一個(gè)數(shù)m是否為質(zhì)數(shù)，需檢查2到m-1的所有數(shù)（如m=10，需檢查8個(gè)數(shù)）；算法B：判斷一個(gè)數(shù)m是否為質(zhì)數(shù)，僅需檢查2到√m的所有數(shù)（如m=10，√10≈3，需檢查2個(gè)數(shù)）；小組用“步驟計(jì)數(shù)法”計(jì)算m=15時(shí)兩種算法的“檢查次數(shù)”，用“時(shí)間模擬法”記錄模擬檢查的時(shí)間（如每檢查一個(gè)數(shù)算1秒），并匯報(bào)結(jié)果。教師總結(jié)：“兩種判斷方法需結(jié)合使用，人工分析用步驟計(jì)數(shù)，實(shí)際應(yīng)用用時(shí)間模擬?！?.設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)教材“質(zhì)數(shù)判斷”案例的“雙方法實(shí)踐”，讓學(xué)生掌握“步驟計(jì)數(shù)+時(shí)間模擬”的具體操作，避免“效率判斷”停留在理論層面；同時(shí)“質(zhì)數(shù)判斷”算法為后續(xù)“優(yōu)化策略”的學(xué)習(xí)提供案例載體，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)串聯(lián)”。算法優(yōu)化的基本策略：如何讓算法“更快”？1.教材內(nèi)容講解：聚焦教材第35-36頁(yè)“三種基礎(chǔ)優(yōu)化策略”板塊，結(jié)合具體示例講解：（1）減少重復(fù)計(jì)算：教材示例“計(jì)算長(zhǎng)方形周長(zhǎng)與面積”原算法（重復(fù)輸入長(zhǎng)和寬）：原算法步驟：1.輸入長(zhǎng)a、寬b（計(jì)算周長(zhǎng)）2.周長(zhǎng)c=2×(a+b)，輸出c3.再次輸入長(zhǎng)a、寬b（計(jì)算面積）4.面積s=a×b，輸出s優(yōu)化后算法（一次輸入，多次使用）：1.輸入長(zhǎng)a、寬b2.周長(zhǎng)c=2×(a+b)，輸出c3.面積s=a×b，輸出s（直接使用已輸入的a、b，減少1次輸入+重復(fù)數(shù)據(jù)）（2）優(yōu)化循環(huán)條件：教材示例“計(jì)算1到100的偶數(shù)和”原算法（循環(huán)100次，每次判斷是否為偶數(shù)）：原算法步驟：1.sum=0，count=12.循環(huán)100次：①判斷count是否為偶數(shù)→是則sum=sum+count②count=count+1優(yōu)化后算法（循環(huán)50次，直接取偶數(shù)）：1.sum=0，count=22.循環(huán)50次：①sum=sum+count②count=count+2（直接跳過(guò)奇數(shù)，減少50次判斷）（3）簡(jiǎn)化分支判斷：教材示例“成績(jī)等級(jí)判斷”原算法（多層嵌套分支）：原算法步驟：1.輸入score2.ifscore≥90：輸出優(yōu)秀else：ifscore≥80：輸出良好else：ifscore≥60：輸出合格else：輸出不合格優(yōu)化后算法（并列分支，減少嵌套）：1.輸入score2.ifscore≥90：輸出優(yōu)秀3.elifscore≥80：輸出良好4.elifscore≥60：輸出合格5.else：輸出不合格（邏輯更清晰，減少判斷層級(jí)）2.師生互動(dòng)：開展“找冗余，促優(yōu)化”活動(dòng)：學(xué)生分組領(lǐng)取教材第36頁(yè)“優(yōu)化任務(wù)卡”（含1個(gè)低效算法片段），如“計(jì)算1到5的平方和，原算法重復(fù)計(jì)算平方公式”，小組合作找出“重復(fù)步驟/冗余判斷”，參考教材優(yōu)化策略制定優(yōu)化方案，并派代表上臺(tái)講解“優(yōu)化前后的步驟差異”。教師針對(duì)“循環(huán)條件優(yōu)化”難點(diǎn)提問(wèn)：“為什么‘count=2，每次+2’比‘count=1，每次判斷偶數(shù)’步驟更少？”學(xué)生回答后，教師總結(jié)：“優(yōu)化的核心是‘刪除不必要的步驟’——重復(fù)計(jì)算、冗余判斷、嵌套層級(jí)，都屬于可優(yōu)化的‘低效點(diǎn)’?！?.設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)教材“三種優(yōu)化策略”的“原算法vs優(yōu)化后算法”對(duì)比，讓學(xué)生直觀看到“優(yōu)化如何減少步驟”；同時(shí)通過(guò)“任務(wù)卡找低效點(diǎn)”的實(shí)操，培養(yǎng)學(xué)生“主動(dòng)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化點(diǎn)”的意識(shí)，避免優(yōu)化策略停留在“被動(dòng)接受”層面。任務(wù)實(shí)踐：綜合應(yīng)用，優(yōu)化算法效率基礎(chǔ)任務(wù)：分析單一算法的效率，找出優(yōu)化點(diǎn)教材內(nèi)容銜接：落實(shí)教材第37頁(yè)“基礎(chǔ)實(shí)踐”任務(wù)：“分析‘校園運(yùn)動(dòng)會(huì)成績(jī)統(tǒng)計(jì)’的單一循環(huán)算法（統(tǒng)計(jì)10名運(yùn)動(dòng)員的100米成績(jī)，計(jì)算平均成績(jī)），用‘步驟計(jì)數(shù)法’判斷效率，找出可優(yōu)化的冗余步驟，寫出優(yōu)化方案?！苯滩脑惴ㄆ危涸惴ú襟E：1.total=0，num=12.循環(huán)10次：①輸入第num名運(yùn)動(dòng)員成績(jī)score②判斷score是否為有效成績(jī)（0<score<20）→無(wú)效則重新輸入③total=total+score④num=num+13.average=total÷104.輸出average2.師生互動(dòng)：學(xué)生獨(dú)立完成任務(wù)：①用步驟計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)原算法“判斷次數(shù)、輸入次數(shù)”（如每次無(wú)效成績(jī)需多1次輸入+1次判斷）；②參考教材“減少重復(fù)計(jì)算”策略，找出冗余點(diǎn)（如“每次輸入后判斷有效，可在輸入時(shí)直接限制范圍，減少重復(fù)輸入”）；③寫出優(yōu)化后算法步驟。教師選取3份典型作業(yè)投影展示，全班評(píng)價(jià)：“優(yōu)化方案是否刪除了冗余步驟？步驟數(shù)是否減少？邏輯是否清晰？”如針對(duì)“重復(fù)輸入”問(wèn)題，優(yōu)化方案可改為“輸入時(shí)提示‘請(qǐng)輸入0-20的成績(jī)’，減少無(wú)效輸入次數(shù)”。3.設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)教材“成績(jī)統(tǒng)計(jì)”單一循環(huán)算法的“效率分析+優(yōu)化”，讓學(xué)生獨(dú)立應(yīng)用“步驟計(jì)數(shù)法”與“優(yōu)化策略”，鞏固新知；同時(shí)“成績(jī)統(tǒng)計(jì)”場(chǎng)景貼近校園生活，提升學(xué)生的任務(wù)參與度。提升任務(wù)：小組合作，優(yōu)化復(fù)合結(jié)構(gòu)算法1.教材內(nèi)容銜接：完成教材第38-39頁(yè)“拓展任務(wù)”：“校園義賣活動(dòng)的‘收入統(tǒng)計(jì)與捐贈(zèng)計(jì)算’復(fù)合算法（含循環(huán)+分支），原算法存在‘重復(fù)計(jì)算捐贈(zèng)比例、循環(huán)條件冗余’問(wèn)題，小組合作分析效率，制定優(yōu)化方案，并用‘步驟對(duì)比’驗(yàn)證優(yōu)化效果?！苯滩脑惴ㄆ危涸惴ú襟E（統(tǒng)計(jì)5個(gè)攤位，捐贈(zèng)比例為10%）：1.total=0，donate=0，num=12.循環(huán)5次：①輸入第num個(gè)攤位收入money②total=total+money③判斷money≥500：是→donate=donate+money×0.1（每次計(jì)算0.1）④判斷num<5：是→num=num+1（冗余判斷，可直接num=num+1）3.輸出total、donate2.師生互動(dòng)：小組討論：①原算法的“低效點(diǎn)”有哪些？（重復(fù)計(jì)算0.1、冗余的num判斷）；②參考教材“減少重復(fù)計(jì)算、優(yōu)化循環(huán)條件”策略，如何優(yōu)化？（提前定義rate=0.1，直接num=num+1）；③優(yōu)化前后的步驟數(shù)差異有多少？小組合作完成“優(yōu)化方案表”（教材第39頁(yè)模板）：低效點(diǎn)類型原步驟描述優(yōu)化后步驟描述減少步驟數(shù)重復(fù)計(jì)算每次計(jì)算money×0.1定義rate=0.1，計(jì)算money×rate4次（5次循環(huán)-1次定義）冗余判斷判斷num<5后num+1直接num=num+15次（每次循環(huán)減少1次判斷）（3）小組代表上臺(tái)展示“優(yōu)化后算法流程圖”（循環(huán)框內(nèi)刪除冗余判斷，提前標(biāo)注rate=0.1），并模擬執(zhí)行“money=600”的攤位，驗(yàn)證“步驟減少，結(jié)果正確”。教師補(bǔ)充：“復(fù)合算法優(yōu)化需‘分層拆解’——先找循環(huán)內(nèi)的低效點(diǎn)，再看分支判斷，確保優(yōu)化后邏輯不改變?！?.設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)教材“義賣統(tǒng)計(jì)”復(fù)合算法的小組優(yōu)化，讓學(xué)生突破“多結(jié)構(gòu)算法優(yōu)化”的難點(diǎn)，培養(yǎng)“分層拆解、團(tuán)隊(duì)協(xié)作”的能力；同時(shí)“步驟對(duì)比表”的填寫，讓優(yōu)化效果“量化可見(jiàn)”，避免優(yōu)化流于形式。鞏固提升：易錯(cuò)點(diǎn)辨析與生活拓展教材內(nèi)容銜接：聚焦教材第40頁(yè)“易錯(cuò)警示”板塊，針對(duì)“忽略數(shù)據(jù)規(guī)模對(duì)效率的影響”（如小數(shù)據(jù)下兩種算法步驟差異小，大數(shù)據(jù)下差異顯著）、“過(guò)度優(yōu)化導(dǎo)致邏輯混亂”（如為減少1步，增加復(fù)雜分支）、“優(yōu)化后結(jié)果錯(cuò)誤”（如刪除必要判斷步驟）三個(gè)易錯(cuò)點(diǎn)設(shè)計(jì)辨析題。師生互動(dòng)：辨析題1（數(shù)據(jù)規(guī)模影響）：“教材‘累加和’算法中，n=10時(shí)，循環(huán)累加（30步）與公式計(jì)算（3步）差異27步；若n=1000，差異多少步？這說(shuō)明什么？”學(xué)生計(jì)算后回答，教師總結(jié)：“數(shù)據(jù)規(guī)模越大，低效算法的劣勢(shì)越明顯，優(yōu)化的價(jià)值越高?！北嫖鲱}2（過(guò)度優(yōu)化）：“‘成績(jī)等級(jí)判斷’算法中，為減少1次判斷，將‘elifscore≥80’改為‘ifscore≥80andscore<90’，是否合理？為什么？”學(xué)生討論后，教師強(qiáng)調(diào)：“優(yōu)化需平衡‘效率’與‘邏輯清晰’，過(guò)度復(fù)雜的優(yōu)化會(huì)增加出錯(cuò)概率，反而得不償失?！蓖卣谷蝿?wù)：參考教材第41頁(yè)“生活延伸”板塊，“家庭每周購(gòu)物清單總價(jià)計(jì)算”原算法（逐個(gè)加價(jià)格，步驟n次），優(yōu)化算法（按“食品類、日用品類”分類累加，減少重復(fù)找價(jià)格的步驟），學(xué)生獨(dú)立完成優(yōu)化方案，教師巡視指導(dǎo)“分類標(biāo)準(zhǔn)是否合理，是否減少