算法与程序设计教学指南.docx
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算法与程序设计教学指南
选修1·算法与程序设计
本模块是高中信息技术课程的选修模块，以算法与程序设计、问题解决为主线，通过分析问题，发现问题的本质，选择并设计相应的算法，使用程序设计语言编写程序实现算法，最终实现问题的解决。
通过本模块的学习，使学生进一步体验算法思想，了解算法和程序设计在解决问题过程中的地位和作用，并能从简单问题出发，设计解决问题的算法，最后用一种程序设计语言编写程序实现算法解决问题。
本模块的教学应注意与数学课程中有关内容相衔接，要强调理论与实践相结合，引导学生注意寻找、发现身边的实际问题，进而设计出算法和计算机程序去解决这些问题。
本模块强调通过算法与程序设计解决实际问题的方法，对程序设计语言的选择不作具体规定。
本模块由3个主题组成，结构如下：
算法与问题解决例举
在整个模块的教学中，问题的解决是按照一定的思维方式、方法和步骤来进行的，这体现出了软件工程的基本思想。
软件工程的内容不属于课程标准规定的学习范围，但软件工程中强调系统的思想和方法，学习算法与程序设计就是要了解并掌握如何使用计算机解决问题，尤其是要理解问题解决过程中采用的思想和方法，这是学习本模块的关键，也是具有普遍迁移价值的内容。
一、计算机解决问题的基本过程
1．学习要求
内容标准
学习要求
（1）结合实例，经历分析问题、确定算法、编程求解等用计算机解决问题的基本过程，认识算法和程序设计的地位和作用。
①结合生活与学习的实例说明利用计算机解决问题的必要性。
②经历利用计算机解决问题的基本过程。
③了解问题分析与算法设计间的关系。
④结合数学课程中学习的算法知识，说出自己对算法的理解。
⑤说出算法的五种特征，举例说明算法特征的含义。
⑥用自己的语言描述算法与程序设计间的关系。
（2）经历用自然语言、流程图或伪代码等方法描述算法的过程。
①了解自然语言、流程图和伪代码的特征及它们之间的关系。
②尝试使用自然语言、流程图或伪代码描述算法。
（3）了解顺序、选择、循环三种基本结构及其重要作用，掌握计算机程序的基本概念，能解释计算机程序执行的基本过程。
①描述程序概念和解释程序的作用。
②结合实例描述顺序、选择、循环三种基本结构的单步程序执行方式。
③画出三种程序基本结构的流程图。
（4）了解程序设计语言、编辑程序、编译程序、连接程序以及程序开发环境等基本知识。
①在集成开发环境中，熟练掌握打开程序、保存程序、编辑程序、运行程序及程序调试等基本操作。
②了解程序编写的一般步骤，能够完成给定程序的输入、调试与运行。
2．重难点分析
（1）重点分析
①利用计算机程序设计解决问题的必要性，建立问题意识。
程序设计是运用计算机解决问题的一种方式，有些问题，如：
数值、逻辑等问题适合于通过程序的方式解决。
教学中应注意引导学生从生活与学习实例出发，认识与举证可以通过运用计算机程序设计得到高效解决的问题，让学生深切地感受利用计算机程序设计解决问题的必要性，引发学习本模块的兴趣和动机。
②利用计算机解决问题的过程。
得到结果
利用计算机解决问题流程如图所示，教学中选择一个学生运用已有知识能够解决的实例，教师通过演示等手段协助学生亲历实例问题的分析、设计算法、把所要解决的问题转化成的程序输入到计算机、经调试后让计算机执行这个程序，最终达到利用计算机解决问题的过程。
让学生了解和体会流程中每一步骤的含义，为展开整个课程学习打下基础。
③算法的基本概念
学生通过数学知识的学习，已有算法知识的储备，结合计算机工作方式，让学生进一步了解算法，进一步学会使用自然语言、流程图、伪代码描述算法。
（2）难点分析
①算法的特征
算法的特征对初学者而言较难理解，教学中尽可能通过具体问题的算法分析、程序分析，让学生感悟出算法的特征，为进一步学习分析问题、选择算法打下基础。
②“好”算法的标准
算法设计除正确性外，还应考虑其高效性、可读性、健壮性，学生在开始时是做不到的，但可以让学生知道需要从不同角度分析问题，才能不断改进算法，并通过实践形成这种良好习惯。
3．课时建议
教学内容
课时建议
（1）计算机解决问题的过程
1课时
（2）算法的描述
1课时
（3）计算机程序
2课时
（4）程序开发环境
1课时
说明：
整个选修1模块的总课时为36课时，其中“新课教学”安排30课时，“模块终结评价”安排2课时、“机动课时”安排4课时。
4．教学建议
本主题是整个模块学习的引入部分，内容相对比较简单，是学习其他主题的基础。
教师在进行教学设计时，应注意让学生结合生活与学习的实际提出问题，亲历分析问题、发现问题的本质、设计算法、编写程序、解决问题的过程。
让学生掌握程序设计的步骤，体验一下编程的过程和乐趣，从而培养形成良好的程序设计习惯；应注意结合数学课程中算法这一部分知识，让学生进一步了解算法，学会用不同的方法描述算法，认识程序设计开发环境，了解算法、程序、程序设计语言之间的关系，认识算法和程序设计的地位和作用。
（1）计算机解决问题的过程
①教学以生产、生活与学习中的一个简单问题作为引子，让学生进行自主探究，使学生在探究过程中认识问题，形成问题意识，感受利用计算机解决问题的必要性。
②在整个活动过程中学生必须弄明白的问题是：
人在计算机解决问题过程中担任什么样的角色？
如何利用计算机解决问题？
利用计算机解决问题与人解决问题有何区别？
利用计算机解决问题的优势是什么？
因此，问题的设置非常重要，教师应根据学生特点把握好度，选择身边简单的问题作为切入点是教学成功与否的关键所在。
（2）算法描述与设计
①算法的描述与设计是与程序设计并重的一个概念，但算法至今还没有精确的定义，因此教师在教学中的主要精力不应放在算法的概念上，而应该放在算法的描述与设计上。
在教学中结合前面生产、生活与学习中的问题，用三种方法对该问题的算法进行描述与设计，使学生对算法有一个清晰的认识。
②有必要让学生明白算法的体系。
对学生来说，算法的含义比较模糊、抽象，在教学中应对算法进行简单分类，这有助于学生从整体上把握算法的概念。
这个分类的方法要科学、合理，否则，学生很难一窥算法之全貌，会造成对算法概念的一知半解。
下图是给出的一种算法分类的思路，供教师参考。
针对差分问题的递归算法、针对多媒体数据的压缩算法、求最大公约数的算法…
③有必要让学生明白算法来源于我们平常的生活中，也为我们的生活服务。
算法是人创造出来的，每种算法都有它高效的一面，也都有自身的弱点。
教学上可以穿插一些关于程序设计算法创造的历史故事，例如，E.F.Codd发明关系数据库，此故事的意义在于：
用表格表示数据谁都可以想到，但是将大众思维合理地运用到专业领域才能够成就发明创造，成就永远属于“有心人”；快速傅立叶变换的发明被誉为“二十世纪十大算法”之一，原因是今天我们能够享受数字信号给我们带来的方便，都得益于此算法的发明。
上述两个故事从两个角度激励学生对算法的兴趣：
伟大的算法就在我们的身边，做一个有心人就可以获得；算法的作用也是伟大的，甚至可以深刻地改变我们今天的生活。
④有必要让学生明白，运用算法解决实际问题是一个从“问题世界”到“计算机世界”的过程，这一过程一般来说比较复杂，很难一蹴而就，这要经历一个“概念世界”的中间过程，而“概念世界”的表述方法叫“流程图”，因此，学生对流程图的掌握成为必然。
（3）程序设计与程序设计语言
教学以编程实现前面实例的算法为出发点，让学生模仿、改写程序，使学生初步体验程序设计，感受程序开发环境，理解计算机解决问题的实践过程，了解程序设计的相关概念，从而进一步理解算法和程序设计在问题解决过程中的地位和作用。
（4）教学方式与方法
在教学中可采用比较、探究、讨论、交流、自学等多种教学方式，讲授法与实践法并用，充分利用各种资源与手段展开教学，尽可能让学生主动参与，建构知识，从而激发学生学习程序设计的兴趣和热情，感受编程的乐趣，感受计算机技术的发展。
二、程序设计语言初步
1．学习要求
内容标准
学习要求
（1）理解并掌握一种程序设计语言的基本知识，包括语句、数据类型、变量、常量、表达式、函数。
会使用程序设计语言实现顺序、选择、循环三种控制结构。
①知道数据类型、变量、常量的含义，掌握常量及变量的定义方式。
②能够正确选择变量的数据类型，并能说出定义不同数据类型的理由。
③掌握程序中运算符、函数、表达式的表示方式。
④学会将数学表达式转换为程序接受的表达式。
⑤熟练使用输入语句、输出语句、赋值语句进行顺序结构程序设计。
⑥针对现实生活中的顺序结构问题，分析问题算法，并编写顺序结构程序。
⑦理解选择语句、循环语句的计算机执行方式和工作流程。
⑧正确写出问题中的条件关系表达式与逻辑表达式。
⑨对给出的选择结构问题，能写出解决问题的步骤，正确使用条件语句实现之。
三重选择不作要求。
⑩对给出的循环结构问题，能够正确分析出问题的循环特点，设计好循环变量的初值、终值与变化方式，正确选择不同的循环语句编程解决问题。
三重循环不作要求。
（2）理解模块化程序设计的基本思想，初步掌握其基本方法。
①了解结构化程序设计产生的历史与由来，描述结构化程序设计的基本思想与方法。
②使用过程与函数实现子问题的程序设计，尝试使用自顶向下、逐步求精的程序设计方法设计程序。
（3）初步掌握调试、运行程序的方法。
①上机调试、运行顺序结构程序，正确进行输入，输出正确的结果。
②上机调试、运行选择结构程序，能够通过不同的输入数据，调试程序中各条件分支的正确性，输出正确的结果。
③上机调试、运行循环结构程序，若遇“死”循环现象，能够正确处理。
（4）在使用某种面向对象程序设计语言解决问题的过程中，掌握面向对象程序设计语言的基本思想与方法，熟悉对象、属性、事件、事件驱动等概念并学会运用。
①理解面向对象程序设计思想与方法。
②例举生活与计算机操作中的对象，解释对象的不同含义。
③运用属性的概念，举例描述对象的各种属性。
④例举生活或计算机操作中对象的方法及方法的作用。
⑤结合Windows的使用经验，例举常用的事件。
⑥知道面向对象程序设计的基本特征，如封装、继承和多态性。
（5）能够说出程序设计语言产生、发展的历史与过程，能够解释其意义。
①了解程序设计语言产生与发展的过程，能列举三种以上高级程序设计语言。
②比较面向对象程序设计与面向过程程序设计，说明两种程序设计思想方法的本质及给软件开发带来的革新与影响。
2．重难点分析
（1）重点分析
①常量、变量、数据类型等概念
在程序设计中正确使用常量，正确进行变量的数据类型设计，让学生能够进行简单数据结构的设计，是程序设计教学的一个重要环节。
可以让学生通过观察程序中常量、变量的运行结果，比较程序中常量、变量与数学概念中的差异，掌握常量与变量的使用。
②顺序、选择、循环三种基本结构程序设计方法
建议采用以问题为主体带动整个教学进程的教学方式，让学生掌握程序设计中常用语句与函数的使用，如：
输入、输出语句、交互函数、条件语句、多种选择语句、FOR循环语句、DO循环等语句，根据解决问题要求分析设计算法，恰当地使用三种结构程序设计相关语句编写程序，在实践过程中体验程序设计语言的逻辑特点。
③结构化程序设计思想与方法
通过让学生了解“软件危机”历史与产生原因，理解结构化的程序设计思想与方法，培养良好的程序设计风格。
④面向对象程序设计思想
通过对面向对象程序设计基本概念、基本特征的理解，了解面向对象程序设计的现实意义。
（2）难点分析
①变量的数据类型定义
学生在程序设计初期可能较难接受数据类型的概念，要注意利用对每个程序设计样例中变量数据类型定义的分析，让学生逐步理解数据类型的含义，学会正确定义变量的数据类型。
②选择结构程序设计
在选择结构程序设计中，如何分析与表示问题中的选择条件，如何根据选择的结果进行分支走向，如何正确使用选择语句编写程序，是教学中的一个难点，也是学生学习程序设计的一个转折点，这一部分课时可以安排多一些，通过由简到难问题的提出与解决，让学生灵活使用选择语句进行程序设计，掌握程序设计的基本方法。
③面向对象程序设计的基本概念与基本特征
面向对象程序设计的基本概念与基本特征虽说比较抽象，但其概念本质源自现实世界，教学中应注意通过对现实世界中的对象、属性、方法、事件、类等概念的类比描述，帮助学生学习面向对象程序设计思想及涉及到的相关知识。
④软件开发的基本过程
让学生综合运用所学的算法与程序设计基本知识和技能，综合运用程序设计思想与方法，尝试一个微型项目的开发，体验软件的开发过程，是一个很有意义的研究性学习活动，如何让学生合理地组成小组，如何指导学生选择恰当的项目，如何让学生在完成项目过程提高水平等等都是教师在教学中需认真考虑与组织。
3．课时建议
教学内容
课时建议
（1）程序设计语言
6课时
（2）模块化程序设计思想和方法
2课时
（3）程序的调试、运行
2课时
（4）面向对象程序设计
4课时
（5）程序设计语言的发展历史
1课时
4．教学建议
本主题让学生动手实践如何用计算机语言进行程序设计，除了让学生掌握程序设计的基本知识和基本技能外，更重要是让学生体验程序计的方法和过程，了解其背后的思想方法、文化内涵，最终形成正确的态度。
教师可以根据学生需要选择一种语言，并以该语言为载体，让学生理解数据在计算机中是如何表示与处理的，了解程序设计基本方法，初步掌握顺序、选择、循环三种基本结构，体验程序设计的实践过程，同时了解程序设计语言的编译程序、连接程序等基本知识。
理解面向对象程序设计的思想、方法和关键技术。
通过引导学生亲历软件的开发过程，对算法与程序设计的思想与方法形成一个相对完整且比较准确的认识，为将来的学业发展奠定基础。
（1）数据的表示
数据的表示与处理是程序设计中的重要环节，教学中可结合计算机的工作原理，讲解数据类型的含义；比较常量、变量与数学课程中相关概念的异同，以及数学运算符、数学表达式与程序中的运算符、表达式的异同；掌握常用函数的使用方式，让学生初步了解这些概念，并通过后续的程序设计学习过程逐步深化理解与正确使用。
（2）程序的基本结构
①顺序结构程序设计的教学，注意从实际问题出发，逐步渗透顺序结构程序设计思想，进而讲述赋值语句、输入输出语句。
②选择结构程序设计的教学，要突出选择结构程序设计思想，着重分析选择语句的工作流程，通过实例引导学生把握选择结构程序设计的关键，正确判定程序分支，实现选择结构程序设计。
③循环结构程序设计的教学，要突出循环结构程序设计思想，着重分析Do循环语句、For循环语句的工作流程，通过阅读程序让学生理解循环变量、循环体的含义，并尝试用循环语句编写简单程序。
（3）模块化程序设计
在模块化程序设计的教学中，可以采用情境教学，引入教师课前准备好的阅读资料或指导学生查找资料，让学生了解模块化程序设计的发展历程、历史背景，点评程序设计思想变化过程，感受模块化程序设计思想带来计算机软件设计的革新与变化。
教师注意清晰地讲解模块化程序设计的思想与方法，并通过分析具体实例的模块化程序设计思想，让学生体验模块化程序设计方法。
实例应根据学生的具体情况及教学目标进行选择。
（4）面向对象程序设计
①面向对象程序设计中涉及的概念、术语比较抽象，教学中应注意让学生通过感悟、迁移和操作理解这些概念，体验面向对象程序设计的基本思想与方法。
②通过情境引入教师课前准备好的阅读资料或指导学生查找资料，让学生感受软件技术总是处于不断发展变化中，新工具、新技术总是在相继地产生，让学生了解面向对象程序设计思想的产生给计算机软件设计带来的变革。
③在模块化程序设计和面向对象程序设计的教学中，要让学生明白模块化程序设计和面向对象程序设计是我们看待问题的两种方法，这两种方法不仅在编程中有所体现，从软件工程角度出发，对软件的分析、设计无不体现了这种思想。
教学中应强调对比，只有两者进行对比，才能够很好地体现出两者的优劣。
（5）教学方法与方式
①本主题内容的知识点比较多、比较零碎，教师在设计教学过程时不要刻意地就知识点讲知识点，不必要按知识点的顺序逐个讲解，而应该把知识点融入到有趣的实例中，根据实例的需要来安排知识点的讲解深度，用不到的知识可以不讲。
教学中可用简单易懂的例子，让学生在做中“学”，并逐渐领会算法及程序设计思想和方法。
教学方法可采用讲授法、探究法、讨论法、范例教学法、任务驱动法、游戏教学法等等。
②教学过程中所需要的例题，一定要有一部分是与实际应用相联系的例题，这一点在高中信息技术教学中尤为重要，要多强调实际应用的重要性，。
（6）注意事项
本主题的教学过程中老师、学生都会不自觉地产生很多问题，教师应加以引导，如：
①算术运算中的数据类型问题
在程序设计具体应用中要注意用转换函数将数值型和字符型数据进行转换，保证数据类型的一致性。
②赋值语句的读法
很多教师给学生强调赋值语句中的“=”是赋值符号而不是等号，应该读作：
“把……赋值给……”的同时自己却在程序中读作“等于”，这会对学生造成错误的引导。
③忽视分支语句、循环语句的书写格式规范
在计算机上实现选择结构的程序设计时，要格外强调分支语句的格式，一旦格式错误，经常会出现程序错误。
特别当使用IF语句嵌套时，有层次感的程序不仅可读性强，而且查错也很方便。
④忽视流程图的作用
对于初学者来说，流程图是一个快速理解程序运行过程的工具，流程图可以帮助我们方便直观的表示算法结构。
在写一个程序之前，不妨要求学生先画出算法流程图，培养学生良好的编程习惯，提高他们的信息素养。
⑤在程序设计教学中过多强调语法，忽略了课程的主线——解决问题
这种现象的弊端是显而易见的：
首先是使学生丧失了学习程序设计的兴趣，其次，理论与实践欠结合，学生没有得到解决问题的实际训练，造成“高分低能”现象。
⑥讲解语法不强调整体脉络，断章取义
语法是成体系的，如循环结构离不开顺序结构和选择结构，我们要强调语法的综合运用和“解决问题”的主线，如果讲哪一部分的内容就只强调这一部分的内容，忽略了综合运用语法知识解决问题的过程就得不偿失了。
⑦不注意循环过程的细节，例如不给学生分析循环控制变量的取值
对于For型循环，控制变量会自动随循环的进行递增或递减，这时，它的作用有两种，一是控制循环的次数，二是参与循环体中程序的运算。
讲解For型循环时，尤其是讲解它的第二种作用时，一定要注意控制变量取值的变化。
对于Do型循环，循环的执行条件也要靠控制变量的变化进行控制，从而满足循环结束的条件，这种情况下，循环体中一定要有改变控制变量取值的语句（或者强制退出的语句），否则循环不能结束。
这时，更要讲解清楚此变量的变化过程，否则，很容易造成学生对循环理解上的混乱。
对于较为复杂的、需要多重循环的程序，例如后面讲解的排序算法程序，内外层循环控制变量的取值之间存在着联系，这时更要让学生明白循环变量取值的全过程，这样学生才可能正确理解算法的真正含义。
三、算法与问题解决例举
1．学习要求
内容标准
学习要求
1．解析法与问题解决
（1）了解解析法的基本概念及用解析法设计算法的基本过程。
（2）能够用解析法分析简单问题、设计算法、编写程序求解问题。
①理解解析法基本思想，结合实例说明用解析法设计算法的基本过程
②运用解析法分析问题，寻找问题中各要素之间的关系，用数学表达式表示它们的关系
③写出解决问题的解析步骤，编写程序实现，并能通过运行程序求得问题的正确解
2．穷举法与问题解决
（1）了解穷举法的基本概念及用穷举法设计算法的基本过程。
（2）能够根据具体问题的要求，使用穷举法设计算法，编写程序求解问题。
①列举出能够用穷举法解决的问题的特点
②分析穷举问题的枚举主线，设计恰当的变量与循环结构进行枚举，正确写出符合问题解的条件判断语句
③分析不同穷举方案的效率，选择效率高的方案，设计算法、编写程序，求得问题的全部解
3．查找、排序与问题解决
（1）了解数组的概念，掌握使用数组存储批量数据的基本方法。
（2）通过实例，掌握使用数据查找算法设计程序解决问题的方法。
（3）通过实例，掌握使用排序算法设计程序解决问题的方法。
①掌握使用数组存储批量数据的基本方法
②理解顺序查找思想，写出顺序查找算法步骤，使用顺序查找算法编写程序解决查找问题
③理解二分查找算法思想，写出二分查找算法步骤，能够用二分查找法解决的问题并编写程序解决之
④比较顺序查找算法与二分查找算法所解决问题的特点
⑤了解一到两种经典排序算法及其排序步骤，如：
冒泡排序、插入排序、选择排序
⑥至少使用一种经典排序算法，设计程序解决排序问题
4．递归法与问题解决
（1）了解使用递归法设计算法的基本过程。
（2）能够根据具体问题的要求，使用递归法设计算法、编写递归函数、编写程序、求解问题。
①理解递归思想与递归的数学意义，说明递归程序的执行方式
②使用自定义函数与子过程编写程序
③掌握递归程序的实现方法，能够使用递归法设计、解决简单递归问题，并能编程实现之
2．重难点分析
（1）重点分析
①解析算法
解析算法的关键在于要善于综合运用数学、物理、化学等各学科的知识和思考方法，分析问题中各要素间的关系，抽取出一个数学模型，用数学表达式描述数学模型，得出解决问题的解析式，然后设计程序求解。
②穷举算法
从实例分析入手，引导学生归纳出用穷举算法解决问题的一般模式：
①确定穷举的对象及搜索范围，用循环或循环嵌套实现；②写出符合问题的解的条件，用IF语句实现；③尽可能缩小搜索范围，减少程序的运行时间，提高程序的执行效率。
③查找算法
着重讲解顺序查找和二分法查找，教学中可借助日常生活经验理解两种查找算法的思想，其中运用顺序查找解决简单问题是有效的，但效率不高。
④排序算法
从学生已有的生活经验入手分析排序经验，引导学生从经验中总结步骤，结合程序设计思想，依据排序步骤列出具体算法，最后实现编程，同时注意排序中是用双重循环功能来实现算法的。
⑤递归思想
从实例中引导学生领悟递归思想，列举生活中的递归例子，总结出这类问题的一般方法或规律：
①描述递归关系；②确定递归边界；③写出递归函数的数学表达。
⑥解析、穷举、排序、查找、递归算法的程序实现
通过解析、穷举、排序、查找、递归算法的程序实现，使学生进一步掌握程序设计方法，进一步体验算法思想并扩展算法思维，进一步理解问题、算法、程序设计间的关系。
（2）难点分析
①递归算法的理解与程序实现
通过经典递归问题分析，如：
汉诺塔问题，了解递归问题的特点；通过分析递归程序，了解程序应该如何编写；通过递归程序的执行，了解递归程序计算机执行效率。
帮助学生体验递归算法程序。
②算法的延伸
引导学生了解更多的算法，尝试归纳算法与程序设计应用的一般规律。
3．课时建议
教学内容
课时建议
（1）解析法与问题解决
1课时
（2）穷举法与问题解决
2课时
（3）查找、排序与问题解决
4课时
（4）递归法与问题解决
3课时
4．教学建议
本主题利用解析法、穷举法、排序和查找、递归等常用算法来编写程序，解决实际问题。
在体验算法思想与程序设计过程中，使学生进一步理解算法，进一步掌握程序设计的基础知识，从而培养了学生逻辑思维能力，塑造了学生良好的认知结构。
在教学上可组织学生探讨需解决的问题与其相应算法之间的关系，尝试归纳算法与程序设计应用的一般规律，探讨使用计算机程序设计解决问题的优势和局限性等。
（1）常用算法
①解析法。
解析法是学生在数学学习中经常使用的方法，教学中应注意从学生已知的问题切入，寻求数学解决方法；但解决问题需要使用相关的数学公式，大多学生对数学公式在计算机中的应用可能还有点无所适从
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