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《普通高中课程标准实验教科书·数学3》第一章“算法初步”简介

编辑: 路逍遥 关键词: 高中数学 来源: 记忆方法网

  算法是高中数学课程中的新增内容,其思想是非常重要的,但并不神秘。例如,运用消元法解二元一次方程组、求最大公因数等的过程就是算法。一般地,机械式地按照某种确定的步骤行事,通过一系列小的简单计算操作完成复杂计算的过程,被人们称为“算法”过程。例如,人们很容易完成的基本计算是一位数的加、减、乘和进位借位等,复杂计算过程实际上都是通过这些操作,按照一定的工作次序与步骤,组合完成的。

  一、内容与课程学习目标

  算法是数学及其应用的重要组成部分,是计算科学的重要基础。随着现代信息技术的飞速发展,算法在科学技术、社会发展中发挥着越来越大的作用,并日益融入社会生活的许多方面,算法思想已经成为现代人应具备的一种数学素养。需要特别指出的是,中国古代数学中蕴涵了丰富的算法思想。在本章中,学生将在义务教育阶段初步感受算法思想的基础上,结合对具体数学实例的分析,体验程序框图在解决问题中的作用;通过模仿、操作、探索,学习设计程序框图表达解决问题的过程;体会算法的基本思想以及算法的重要性和有效性,发展有条理的思考与表达的能力,提高逻辑思维能力。

  具体来说,通过本章的学习,应当使学生达到以下目标:

  1.算法的含义、程序框图

  (1)通过对解决具体问题过程与步骤的分析(如:二元一次方程组求解等问题),体会算法的思想,了解算法的含义。

  (2)通过模仿、操作、探索,经历设计程序框图表达解决问题的过程。在具体问题的解决过程中(如:三元一次方程组求解等问题),理解程序框图的三种基本逻辑结构:顺序、条件分支、循环。

  2.基本算法语句

  经历将具体问题的程序框图转化为程序语句的过程,理解几种基本算法语句——输入语句、输出语句、赋值语句、条件语句、循环语句,体会算法的基本思想。

  3.通过阅读中国古代数学中的算法案例,体会中国古代数学对世界数学发展的贡献,增强民族自豪感。

  二、内容安排

  本章包括3节,约需12课时,具体内容和课时分配(仅供参考)如下:

  1.1 算法与程序框图                                       约2课时

  1.2 基本算法语句                                         约3课时

  1.3 算法案例                                             约6课时

  阅读与思考   割圆术

  小 结                                                    约1课时

  本章知识结构如下:

  

  1.中学数学中的算法内容和其它内容是密切联系在一起的,比如线性方程组的求解、数列的求和等。具体来说,需要通过模仿、操作、探索,学习设计程序框图表达解决问题的过程,体会算法的基本思想和含义,理解算法的基本结构和基本算法语句,并了解中国古代数学中的算法。

  2.本章集中解决算法的一些基本问题,比如通过实例让学生体会和理解算法的含义,通过模仿、操作、探索,经历通过设计程序框图表达解决问题的过程,了解算法语言的基本构成,理解几种基本算法语句——输入语句、输出语句、赋值语句、条件语句、循环语句,并通过阅读中国古代数学中的算法案例,体会中国古代数学对世界数学发展的贡献。

  3.一般算法由顺序、条件和循环三种基本结构组成。顺序结构是由若干个依次执行的处理步骤组成的,这是任何一个算法都离不开的基本主体结构。例如,下面的算法就是典型的顺序结构。

  一个三角形的三边边长分别为2、3、4,设计一个算法,求出它的面积。

  算法分析:

  第一步:输入3个数2、3、4。

  第二步:计算。

  第三步:计算三角形的面积。

  第四步:输出s的值。

  条件结构是以条件的判断为起始点,根据条件是否成立而决定执行哪一个处理步骤。例如,下面的例题就要求我们做出判断。

  任意给定3个正实数,设计一个算法求分别以这3个数为三边边长的三角形的面积。

  算法分析:

  第一步:输入3个数a、b、c。

  第二步:判断a、b、c是否能构成三角形。

  第三步:如果能构成三角形,计算和三角形的面积。

  第四步:输出s的值或者“无法构成三角形”的信息。

  循环结构是指在算法设计中,从某处开始有规律地反复执行某一处理步骤,这个处理步骤称为循环体。循环体的执行次数由一个控制循环条件决定。满足条件反复做,不满足则停止。

  循环结构分为两种──当型(while型)和直到型(until型)。当型循环在执行循环体前对控制循环条件进行判断,当条件满足时反复做,不满足停止;直到型循环在执行了一次循环体之后,对控制循环条件进行判断,当条件不满足时反复做,满足则停止。

    下面的例子分别用当型和直到型算法解决同一个问题。

  例如,画出求1 + 2 +… + 100的程序框图。

  程序框图:

  

      “WHILE型循环”                              “UNTIL型循环”

  4.“算法是计算机科学的基础”,计算机完成任何一项任务都需要算法。但是,用自然语言或程序框图描述的算法计算机是无法“理解”的,我们还需要将算法用计算机能够理解的语言表达出来,通常这称为程序设计,所用的语言称为程序设计语言(programming language)。程序设计语言由一些有特定含义的程序语句构成,与算法程序框图的三种基本结构相对应,任何程序设计语言都包含输入输出语句 、赋值语句、条件语句和循环语句。不同的程序设计语言有不同的语句形式和语法规则,但基本结构是相同的。正是由于这样的原因,在研究算法的时候,有时并不很关心算法语句是否用得是某种精确的程序语言,而采用基本结构相同的更为简便易懂的语言形式,有人称之为伪代码。

  5.中国古代数学中算法的内容是非常丰富的,比如,中国古代数学著作《九章算术》中介绍了下述“约分术”:

  “可半者半之,不可半者,副置分母、子之数,以少减多,更相减损,求其等也。以等数约之。”

  意思是说:若分子、分母全是偶数,则把分子、分母分别置于两边,然后由较大的数减去较小的数,并辗转相减,直到两边所得的数相等,就用这个数(等数)来约分。这个数就是分子和分母的最大公约数。

  “约分术”实际上给出了求任意两个数的最大公约数的一种算法,被后人称为“更相减损术”。这种方法与欧氏算法异曲同工,本质上是相同的。

  在中国古代数学中,中学生能够很容易理解的内容还有熟知的割圆术、多项式求值的秦九韶算法等。

  算法内容反映了时代的特点,同时也是中国数学课程内容的新特色。中国古代数学以算法为主要特征,取得了举世公认的伟大成就。现代信息技术的发展使算法重新焕发了前所未有的生机和活力,算法进入中学数学课程,既反映了时代的要求,也是中国古代数学思想在一个新的层次上的复兴,也就成为了中国数学课程的一个新的特色。

  三、编写中考虑的几个问题

  1.强调通过案例引导学生认识算法的本质

  算法的概念并没有一个统一的定义,教科书从丰富的实例出发,自始至终贯彻“通过对解决具体问题过程与步骤的分析(如二元一次方程组求解等问题),体会算法的思想,了解算法的含义”的要求,力求使学生能够对算法本质有所认识。自然语言、程序框图和算法语言是表达算法的三种形式,教科书通过简单的实例来说明程序框图和算法语言的使用,抓住了算法表示的核心内容,不追求完整。算法案例的处理也遵循了这一原则,重在对案例的算法的分析,案例的选择也主要从算法的典型性、与以往知识的连续性和可接受性的角度出发,使学生能够通过案例的学习进一步理解算法的本质。

  2.突出与其他部分内容的联系,体现算法的基本思想

  教科书中例题的选取注意体现与已经学过的内容的联系,比如一元二次方程、二元二次方程的解法过程,用二分法求方程的近似解,递推数列求和等等。力求通过这样的联系使学生认识到算法思想的重要性,并逐步能够应用算法思想解决一些实际问题。

  3.强调学生的实践

  算法是实践性很强的内容,只有通过学生自己的亲身实践,让学生亲自去解决几个算法设计的问题,才能使学生体会算法的基本思想,学会一些基本逻辑结构和语句。因此,在教科书编写过程中,特别强调了通过实例让学生体会和理解算法的含义,通过模仿、操作、探索,经历通过设计程序框图表达解决问题的过程,了解算法语言的基本构成,理解几种基本算法语句。

  四、对教学的几个建议

  1.准确把握算法内容的教学要求

  算法一方面具有具体化、程序化、机械化的特点,同时又有高度抽象性、概括性和精确性。对于一个具体算法而言,从算法分析到算法语言的实现,任何一个疏漏或错误都将导致算法的失败。算法是思维的条理化、逻辑化。

  算法既重视“算则”,更重视“算理”。对于算法而言,一步一步的程序化步骤,即“算则”固然重要,但这些步骤的依据,即“算理”有着更基本的作用,“算理”是“算则”的基础,“算则”是“算理”的表现。

  算法思想可以贯穿于整个中学数学内容之中,有丰富的层次递进的素材,而在算法的具体实现上又可以和信息技术相联系,因而,算法有利于培养学生理性精神和实践能力,是实施探究性学习的良好素材。

  根据对算法的上述理解,以及“标准”对算法的定位,教学中应当把体会算法的基本思想、提高学生逻辑思维能力作为重点,即教学过程中,应当以教科书中提供的案例为载体,引导学生在设计程序框图、将程序框图转化为程序语句的实践中,体会算法的含义,学会如何用程序框图表达解决问题的思路,而不要将本章内容简单处理成程序语言的学习和程序设计。

  2.算法教学必须通过实例进行,应尽量使用信息技术

  前已指出,算法的操作性很强,因此算法教学应当强调学生的动手实践。教学中应当充分应用教科书中提供的实例,使学生在解决具体问题的过程中学习一些基本逻辑结构和算法语句。

  算法内容是将数学中的算法与计算机技术建立联系,形式化地表示算法。为了有条理地、清晰地表达算法,往往需要将解决问题的过程整理成程序框图;为了能在计算机上实现,又要将自然语言或程序框图翻译成计算机语言。因此,如果能让学生上机,算法设计的整个过程就可以得到完整的体现,学生可以及时看到自己设计的算法的可行性、有效性,这不但可以很好地激发学生的兴趣,而且还能提高学习效果。因此,有条件的学校,应鼓励学生尽可能上机尝试。

  3.算法思想应渗透在整个高中数学课程中

  算法除作为本模块的内容之外,其思想方法应渗透在高中数学课程其他有关内容中,鼓励学生尽可能地运用算法解决相关问题。在教学中,要体现数学与算法的有机结合,在学习相应的内容(如制作随机数表、三角函数表、数列、不等式等)的过程中,有意识地引导学生体会算法思想,使他们看到数学在算法设计中的作用,以及掌握算法思想对于提高数学能力的重要性。


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