第2章
算法与程序实现
●教学目标
在数字环境中，以数据抽象和自动化处理为代表的计算方式在改变人们行为方式的同时，也改变着心理认知历程，计算思维逐步成为人们处理信息问题的一种重要思考方式。本章的重点教学目标就是帮助学生掌握算法这一学科关键知识，形成运用计算机解决问题这一关键能力。通过“编程控灯利出行”项目的实施，将计算思维的形式化、模型化和自动化特征渗透到具体学习内容中。通过编程模拟“自助式人行过街红绿灯”效果，体验用计算机解决问题的基本过程，发展抽象要素、建立模型、设计算法及自动化实现的计算思维，并能够运用计算思维进行更多问题求解和科学创新
1.经历用计算机解决问题的基本过程，即分析问题、设计方案、编程调试和解決问题等环节，从中体验编程解决问题的基本方法。
2.了解算法及其特征，理解算法在问题解决中的作用，能够依据问题求解的需要设计算法运用恰当的描述方法和控制结构合理描述算法。
3.掌握 Python语言的基本知识，理解数据类型、常量、变量和表达式等概念，能熟练使用运算符书写表达式。
4.能根据需要，综合应用顺序、选择和循环三种结构，编写 Python程序解决问题，掌握程序编写、调试与运行的基本方法。
5.理解解析算法和枚举算法的基本概念，掌握解析算法和枚举算法设计的基本思想，能够根据需要选用适合的算法编程实现问题求解
6.在用计算机解决问题的过程中，体验程序设计的内涵及魅力，感受算法的效率，体会问题求解算法的多样性与复杂性。
7.能从日常的生活和学习中发现或抽象出可以利用算法与程序设计解决的问题，形成主动应用算法与程序设计进行问题求解的意识，能遵守与程序设计相关的伦理道德与法律法规，负责任地使用信息技术。
8.能对自己和他人设计的算法和程序进行优化，与同伴合作开展项目学习，运用算法与程序设计解决实际生活和学习问题，进行创造性探索。
●ニ、学科核心素养要求
本章学科核心素养的培养重点聚焦在计算思维，包括“从生活实例出发，概述算法的概念与特征，运用恰当的描述方法和控制结构表示简单算法”“掌握一种程序设计语言的基本知识，使用程序设计语言实现简单算法。通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法”等。计算思维是一种处理信息问题的重要思考方式，是21世纪科技创新的重要助推力，更是学生自主发展的核心素养之一。
1.在日常生活中，根据实际解决问题的需要，恰当选择数字化工具，并有意识地使用新技术处理信息。(信息意识)
2.针对给定的项目(任务)进行需求分析，明确需要解决的关键问题。(计算思维)
3.能提取问题的基本特征，进行抽象处理，并用流程图画出完成任务的关键过程。(计算思维)
4.运用基本算法设计解决问题的方案，能使用编程语言实现这一方案。(计算思维)
5.按照问题解决方案，选用恰当的数字化工具或方法获取、组织并分析数据，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中。(计算思维)
6.针对特定的学习任务，运用一定的数字化学习策略管理学习过程与资源，在网络学习空间中开展协作学习，建构知识，完成任务，创作作品。(数字化学习与创新)
7.在信息技术应用过程中，认识信息技术可能引发的一些潜在问题，采用简单的技术手段，保护信息安全，尊重和保护个人与他人的隐私。(信息社会责任)
三、教科书分析
1.概念体系结构
本章的主要概念是算法和程序。教科书按照先整体认知再具体理解的学习过程，绕用计算机解决问题的过程对具体知识、技能和方法展开学习。
第1节首先通过“交通指挥”问题，了解解决问题的一般过程，然后对比分析编程模拟交通信号灯“红灯”变“绿灯”的过程，从中感悟人工处理和用计算机解决问题的异同，掌握用计算机解决问题的基本流程，认识分析问题、设计方
案、编写程序及调试运行在问题解决中的作用，掌握程序与程序设计语言等基本概念。
第2节和第3节主要围绕问题求解的两个关键环节(即算法与程序实现)展开学习。首先通过实例，分析并认识算法及其特征，结合具体问题分别选用自然语言、流程图和代码进行算法描述，了解顺序、选择和循环三种算法基本控制结构的典型特征，认识问题求解算法的多样性;然后，对设计的算法进行程序实现，掌握 Python语言的基本知识，能够综合应用顺序、选择和循环三种结构写程序，实现简单问题求解。
第4节主要学习两种常见的简单算法一一解析算法和枚举算法，了解算法效率以及程序调试运行的方法，进一步理解算法设计与程序优化的作用，加深对用计算机解决问题基本方法的内化与应用。
教学过程中，教师应引导学生认识理解本章的核心概念与关键能力的关系，如教材P82-1所示。
2.本章的教学重点与难点
教学重点
?掌握算法的概念与特征，运用恰当的描述方法和控制结构表示简单算法。
?掌握 Python语言程序设计的基本知识，能编写程序实现简单算法。
?掌握解析算法和枚举算法思想及其程序实现。
?体验程序设计的基本流程，掌握程序调试与运行的方法。
教学难点
?能根据实际问题需求，抽象出算法解决问题的一般过程，关注算法效率，设计出恰当的问题求解算法。
?能用结构化程序实现算法，编写出正确的 Python程序语句，创造性地解决真实问题
需要注意的是，算法与程序的学习并不要求学生系统地掌握程序设计专业知识，而是希望学生在体验计算机解决问题的过程中，能真切认识到从“工业社会思考与解决题”到“信息社会思考与解决问题”不同方式变革的内在原因，理解当今数字化世界的运转方式，能有意识且负责任地使用信息化工具，掌握信息化社会中解决问题的一般方法，发展计算思维。
3.项目活动的设计思路
本章围绕“编程控灯利出行”项目，探讨智能交通环境下交通信号灯的控制策略和编程实现方法，研究优化交通信号灯的控制策略，以提高交通出行效率，实现交通管理的人性化和智能化。
该项目活动的重点是通过编程模拟实现“自助式人行过街红绿灯”，该任务完成的基本效果参考教科书第68页的表2.3.12。
在本章的项目活动中，建议组织学生进行合作研究，通过同伴互助的方式共同解决问题。考虑到现实场景中问题的复杂性和真实性，体现项目对现实问题改进的实际价值，在项目活动前期还要做好必要的资源准备，包括组织学生进行必要的调研，如调查学校或居住地周边道路的通行状况、研究需要整改的问题等，并安装好 Python语言开发环境。根据问题解决的过程，项目实施可按照分析问题、设计方案、描述算法、编程调试和完善效果等环节进行设计。第1节的项目活动主要由项目准备阶段的问题调查分析入手，明确项目任务，分析出需要解决的关健问题，并进行功能分解，确定问題求解模型，设计解决问题的方案第2节的项目活动主要是对各功能模块进行算法设计，用流程图描述问题求解的关键过程;第3节的项目活动主要是编写程序实现算法，调试运行程序，完成基本的项目任务;第4节的项目活动主要是结合实际应用场景，进一步完善项目功能，实现真实问题求解。同时还可对项目进行开放性处理，结合物联网和大数据技术，设计某一路段信号灯时长联动变化的合理方案，以提升交通管理的精准化、人性化与智能化。
本章提供的项目具有一定的层次性，可以结合学生水平分层实施。基础任务是大多数学生必须完成的项目程序，主要是借助教学平台中提供的“ sitemaps 模块”，程模拟实现如表2-1所示的“自助式人行过街红绿灯”。对学有余力的学生，教师可以鼓励他们结合现实场景和实际问题进行项目拓展，如增加信号灯闪烁警示功能，甚至还可以美化界面。有条件的学校也可以鼓励学生对项目程序进行“物化”，通过开源硬件等设备开展创客体验，甚至将项目程序应用于实际场景中，通过分析应用效果，进一步改进项目，创造性地解决题。
“编程控灯利出行”项目只是作为本章项目活动设计与实施的参考案例。实际教学中，教师可以鼓励学生结合生活和学习中的实际间题自主设计项目，开展
基于真实情境的题解决，引导学生积极主动地学习相关知识，设计算法井编程实现，在经历完整项目作品创作的过程中，掌用计算机解决问题的一般方法。
项目活动的评价应满足以下目标:评估学生需求，鼓励自主、合作学习，监控学习进展，检查学习效果。
为了实现以上评价目标，建议制订一份评价策略表，清晰地列举评价阶段和内容，描述具体评价目标，以及何时、何人、如何评价，明确如何使用采集到的评价数据提高学生的学习质量。评价策略表的内容可参考表2-1。
表2-1
在主题学习项目实施过程中，要做到过程性评价和总结评价相结合，充分发挥评价对学习的导向引领作用，通过及时指导、检查和反馈，促进学生的学习，保障项目的完成。在项目学过程中，可以从学习内容、学生参与、学生贡献、资源利用以及阶段性成果等方面衡量学生的学习状況:项目完成后，可以组织各小组汇报项目作品，对项目主题、实施过程、分工合作、项目成果和展示交流等内容进行评价。在评价主体上，可以根据实际情况采用多元主体，以体现评价的合理性，发挥自评对学习的有效监督和促进作用，但也要重视教师评价的权威性和方向性。以下提供项活动评价量规(表2-2)和自主学习评价量规(表2-3)供参考。根据上述评价策略，教师还可根据教学的实际需要自行设计相应的表格。
表2-2项目活动评价量规
表2-3 自助学习评价量规
四、课时安排及实施建议
建议本章的学习安排12课时:第1节1课时，第2节2课时，第3节6课时，第4节3课时。课时安排围绕本章整体的知识内容进行大致划分，已包含项目活动的课时。教学时可以结合学生项目活动的实施情况灵活处理，不必拘泥于每节课的进度。
建议本章重点围绕计算思维的培养，开展项目学习。在项目活动中学习相应知识，掌握相关技能，并进一步发展计算思维，形成利用计算思维解决问题的能力。教师要创设必要的信息情境(或问题情境)，为学生提供发现问题的机会，引导学生提出想要解决的项目问题;在学习过程中，要注意提炼用计算机解决问题的具体过程与表现，将其作为学生项目学习的内在线索，让学生经历用计算机解决项目问题的全过程，从中学习算法与程序设计的知识;同时还要注意提供适应学生项目实施需求的数字化学习环境，引导学生利用数字化资源与工具，创造性地解决问题。另外，还要参考前面提供的评价策略，针对各个项目阶段开展不同的评价，通过评价量规，让学生对学习成果和学习效果有清晰的认识。在学习中，不仅要鼓励学生动手实践编写程序、调试运行代码，更要引导学生关注对问题的分析和算法的设计，能够综合应用各种知识(甚至跨学科知识)解决真实问题。