《人工智能初步》狀態(tài)空間表示法1

狀態(tài)空間表示法（1）

姓名：趙忠萍學(xué)科：信息技術(shù)單位：天津市第三中學(xué)電話/p>

課題：狀態(tài)空間表示法一、教學(xué)目標(biāo)：（一）知識(shí)與技能：理解狀態(tài)和算符（操作）的概念。認(rèn)識(shí)狀態(tài)空間圖，會(huì)采用狀態(tài)空間表示法表示具體問題，并畫出狀態(tài)空間圖。掌握狀態(tài)空間表示法的基本思想。（二）過(guò)程與方法：通過(guò)三數(shù)碼問題，使學(xué)生理解狀態(tài)和操作這兩個(gè)概念。讓學(xué)生在八數(shù)碼問題中動(dòng)手實(shí)踐，畫出問題中的狀態(tài)與操作，并認(rèn)識(shí)什么是狀態(tài)空間圖及其特點(diǎn)。帶領(lǐng)學(xué)生分析二階梵塔問題，引導(dǎo)學(xué)生嘗試采用狀態(tài)空間表示法表示該問題，并畫出狀態(tài)空間圖。（三）情感態(tài)度與價(jià)值觀：初步培養(yǎng)學(xué)生把自然語(yǔ)言描述的實(shí)際問題利用計(jì)算機(jī)可以理解和接受的字母或符號(hào)表示出來(lái)的能力，并使學(xué)生在動(dòng)手實(shí)踐與問題解決中形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度。二、教學(xué)環(huán)境：多媒體網(wǎng)絡(luò)教室三、教材分析:本節(jié)是選修模塊《人工智能初步》第二單元第二節(jié)狀態(tài)空間表示法第1課時(shí)。本單元介紹了知識(shí)的基本概念、分類和幾種主要的知識(shí)表示方法。力求使學(xué)生對(duì)知識(shí)表示方法有初步的了解和認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)用知識(shí)表示方法表示具體問題。而本節(jié)所介紹的狀態(tài)空間表示法是全單元的重點(diǎn)。因此我在教學(xué)中先后設(shè)計(jì)了三數(shù)碼問題、八數(shù)碼問題、二階梵塔問題、圍繞解決這三個(gè)實(shí)際問題，由淺入深，使學(xué)生主動(dòng)參與、動(dòng)手動(dòng)腦，以此落實(shí)教學(xué)目標(biāo)。四、學(xué)生分析：本課的授課對(duì)象是高一學(xué)生，他們經(jīng)過(guò)本單元第一節(jié)的學(xué)習(xí)，已初步了解了知識(shí)的概念、知識(shí)的分類、知識(shí)的表示方法等基本問題。但對(duì)于“狀態(tài)空間表示法”還是零起點(diǎn)，從未學(xué)習(xí)過(guò)采用某種知識(shí)表示方法表示具體的問題?；诖耍仪擅畹卦O(shè)計(jì)一些讓學(xué)生“動(dòng)”起來(lái)的例子，讓學(xué)生在例子中理解抽象的基本概念，在習(xí)題中鞏固理論，并引導(dǎo)學(xué)生嘗試采用狀態(tài)空間表示法表示具體問題，并畫出狀態(tài)空間圖，使學(xué)生對(duì)狀態(tài)空間表示法有整體的認(rèn)識(shí)。五、學(xué)時(shí)安排：1課時(shí)六、教學(xué)過(guò)程：教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)創(chuàng)設(shè)情境導(dǎo)入(手拿一個(gè)氣球)同學(xué)看我手中的氣球，現(xiàn)在呈癟的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)充氣變?yōu)楣牡臓顟B(tài)。我的操作和氣球的兩種狀態(tài)可用下圖直觀表示:

水有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三種狀態(tài)，在一定的溫度作用下可互相轉(zhuǎn)化?？捎孟聢D直觀表示：

這里的“狀態(tài)”用來(lái)描述事物在某一特定時(shí)刻的某些特征。前面我們學(xué)習(xí)了：要使機(jī)器能夠模擬、拓展、延伸人類的智能行為，首先要讓機(jī)器人具有知識(shí)，可是這種知識(shí)如何用計(jì)算機(jī)能夠理解和利用的方式表示出來(lái)呢？這節(jié)課我們來(lái)學(xué)習(xí)狀態(tài)空間表示法，嘗試用這種方法表示具體問題，再畫出直觀的狀態(tài)空間圖。明白自然界中的“狀態(tài)”。明確本次課的教學(xué)內(nèi)容。三數(shù)碼問題三數(shù)碼問題：(理解狀態(tài)和操作)321132初始狀態(tài)目標(biāo)狀態(tài)請(qǐng)學(xué)生在學(xué)案上，動(dòng)筆畫一畫，要求一次移動(dòng)一個(gè)數(shù)，只允許上、下、左、右移動(dòng)，從初始狀態(tài)出發(fā)會(huì)經(jīng)過(guò)幾種狀態(tài)格局實(shí)現(xiàn)目標(biāo)?（每移動(dòng)一個(gè)數(shù)，就畫一個(gè)四宮格。）講解狀態(tài)是表示問題求解過(guò)程中每一步問題狀況的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。講解算符(操作)是從一種狀態(tài)變換為另外一種狀態(tài)的手段。動(dòng)手畫一畫完成學(xué)案第1題。明白：在這個(gè)問題中，每一個(gè)格局即為問題的一種“狀態(tài)”；每一步“走子”就是一步“操作”可將一種格局變?yōu)榱硪环N格局。3.理解狀態(tài)和操作這兩個(gè)概念。八數(shù)碼問題八數(shù)碼問題：（認(rèn)識(shí)狀態(tài)空間圖）

請(qǐng)問從初始狀態(tài)出發(fā)，移動(dòng)一個(gè)數(shù)，接下來(lái)會(huì)有幾種走法？（學(xué)生回答四種）沿著每種狀態(tài)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)走下去，是不是都有可能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)？請(qǐng)分組嘗試。要求：從第1層中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，把接下來(lái)所有可能的走法都畫出來(lái)，畫到第4層為止，看看哪一組找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。全班學(xué)生分為四組，每組派一名代表選擇一個(gè)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，看看哪一組找到目標(biāo)狀態(tài)。2．學(xué)生動(dòng)筆畫一畫，分組完成學(xué)案第2題。認(rèn)識(shí)狀態(tài)空間圖1．（小結(jié)）把每組畫出的圖結(jié)合到一起，就是這個(gè)問題的狀態(tài)空間圖（局部）。2．廣播八數(shù)碼問題的局部狀態(tài)空間圖，同時(shí)講解狀態(tài)空間圖的特點(diǎn)。通過(guò)動(dòng)手練習(xí)，與教師的講解，學(xué)生認(rèn)識(shí)了什么是狀態(tài)空間圖：1．它是一個(gè)有向圖。2．節(jié)點(diǎn)表示求解過(guò)程中可能的狀態(tài)。3．節(jié)點(diǎn)間的每條邊（?。┍硎舅惴?。小結(jié)1．狀態(tài)空間表示法：是用“狀態(tài)”和“操作”來(lái)表示問題的一種方法。2．講解為什么要采用這種表示法表示問題？1．掌握狀態(tài)空間表示法的基本思想。2．使學(xué)生明白用自然語(yǔ)言描述問題，計(jì)算機(jī)是無(wú)法理解的。采用狀態(tài)空間表示法可把自然語(yǔ)言描述的實(shí)際問題利用計(jì)算機(jī)可以理解和利用的字母或符號(hào)表示出來(lái)，并畫出狀態(tài)空間圖。這樣，就有利于下一步編程了。二階梵塔問題二階梵塔問題：(嘗試采用狀態(tài)空間表示法表示該問題)有三根寶石柱，在1號(hào)柱上穿有A、B兩個(gè)金盤，A小于B，A位于B的上面。要求把這兩個(gè)金盤全部移到另一根柱上，規(guī)定每次只能移動(dòng)一個(gè)盤子，任何時(shí)刻都不能使B位于A的上面。

1．把如下圖所示的文件發(fā)給學(xué)生，請(qǐng)學(xué)生通過(guò)移動(dòng)金盤列出二階梵塔問題的全部狀態(tài)。

2．講解狀態(tài)：用二元組(A，B)表示問題的狀態(tài)；A表示金盤A所在的柱號(hào)；B表示金盤B所在的柱號(hào)。講解算符：用A(i，j)、B(i，j)表示操作；A(i，j)表示把A盤從第i號(hào)柱移到第j號(hào)柱上；B(i，j)表示把B盤從第i號(hào)柱移到第j號(hào)柱上。3．畫狀態(tài)空間圖：（只帶領(lǐng)學(xué)生畫出一部分）

……1．移動(dòng)金盤。學(xué)生完成后如下圖所示：

2．完成學(xué)案第3題：（1）請(qǐng)表示出該問題的全部狀態(tài)：S0=(，)，S1=(1，)，S2=(1，)S3=()，S4=(2，)，S5=(，3)S6=()，S7=(3，)，S8=(3，)（2）請(qǐng)表示出該問題的全部操作：A(1),A(1),A(1),A(2),A(3),A(3)B(1),B(1),B(2),B(2),B(3),B(3)（3）請(qǐng)把狀態(tài)空間圖補(bǔ)充完整：

小結(jié)帶領(lǐng)學(xué)生總結(jié)二階梵塔問題：初始狀態(tài)集合：S={S0}操作集合：F={A(1,2),A(1,3),A(2,1),A(2,3),A(3,1),A(3,2)B(1,2),B(1,3),B(2,1),B(2,3),B(3,1),B(3,2)}目標(biāo)狀態(tài)集合：G={S4，S8}學(xué)生由二階梵塔問題進(jìn)一步總結(jié)出：狀態(tài)空間包括三部分（突破難點(diǎn)）：(S,F,G)S—初始狀態(tài)集合F—操作集合G—目標(biāo)狀態(tài)集合

作業(yè)采用狀態(tài)空間表示法表示出：移動(dòng)3個(gè)金盤的問題……（提示用一個(gè)三元組來(lái)表示）思考移動(dòng)4個(gè)金盤的問題……N個(gè)金盤呢？拓展問題，舉一反三?？偨Y(jié)總結(jié)：狀態(tài)空間表示法的基本思想用“狀態(tài)”和“操作”來(lái)表示問題及其變化。在求解問題的過(guò)程中，到底采用什么策略搜索答案？我們將在下一節(jié)課繼續(xù)討論……評(píng)價(jià)要點(diǎn)學(xué)生積極參與課堂的態(tài)度。學(xué)生是否能獨(dú)立完成隨堂練習(xí)題。七、教學(xué)反思：本節(jié)是選修模塊《人工智能初步》第二單元第二節(jié)狀態(tài)空間表示法第1課時(shí)。本節(jié)安排的教學(xué)內(nèi)容很多，容量很大。面對(duì)初學(xué)狀態(tài)空間表示法的學(xué)生，我大膽的打破了教材內(nèi)容，從讓學(xué)生觀察氣球的變化入手，輕松地把學(xué)生帶入教學(xué)內(nèi)容，接著，我精心地設(shè)計(jì)了三個(gè)問題：通過(guò)三數(shù)碼問題，使學(xué)生理解狀態(tài)和操作這兩個(gè)概念；通過(guò)八數(shù)碼問題，讓學(xué)生分組動(dòng)手實(shí)踐，畫出問題中的狀態(tài)與操作，使學(xué)生認(rèn)識(shí)了什么是狀態(tài)空間圖及其特點(diǎn)；最后帶領(lǐng)學(xué)生通過(guò)逐步分析二階梵塔問題，讓學(xué)生嘗試采用狀態(tài)空間表示法表示具體問題，并畫出狀態(tài)空間圖。從而培養(yǎng)學(xué)生把自然語(yǔ)言描述的實(shí)際問題利用計(jì)算機(jī)可以理解和接受的字母或符號(hào)表示出來(lái)的能力，并在動(dòng)手實(shí)踐與分析問題中形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度。值得一提的是：在二階梵塔問題上，學(xué)生表現(xiàn)出“爭(zhēng)先恐后地回答”，這是以往提問時(shí)很少見的情形！另外，為了檢查學(xué)生的落實(shí)情況，我提前設(shè)計(jì)好了一份打印版的學(xué)生課堂練習(xí)題，讓學(xué)生人手一份，打破了以往信息技術(shù)課“只用電腦不用筆”的局面。這節(jié)課總體來(lái)說(shuō)教學(xué)效果非常令人滿意！看來(lái)，“好問題”可以讓“枯燥的理論”變得多姿多彩！也會(huì)讓學(xué)生真正“動(dòng)”起來(lái)！

附板書：第二單元第二節(jié)狀態(tài)空間表示法（1）狀態(tài)：操作（算符）：狀態(tài)：(A，B)算符：A(i，j)、B(i，j)3．狀態(tài)空間圖：有向S0=(1，1)A（1，2）……節(jié)點(diǎn)狀態(tài)B（1，2）……邊操作

……

附學(xué)生課堂練習(xí)題(紙制稿)：

第二單元第二節(jié)狀態(tài)空間表示法（1）學(xué)生姓名__________1、三數(shù)碼問題：(理解狀態(tài)和操作)123321

初始狀態(tài)目標(biāo)狀態(tài)初始狀態(tài)目標(biāo)狀態(tài)2、八數(shù)碼問題：（認(rèn)識(shí)狀態(tài)空間圖）

3、二階梵塔問題：(嘗試采用狀態(tài)空間表示法表示具體問題)有三根寶石柱，在1號(hào)柱上穿有A、B兩個(gè)金盤，A小于B，A位于B的上面。要求把這兩個(gè)金盤全部移到另一根柱上，規(guī)定每次只能移動(dòng)一個(gè)盤子，任何時(shí)刻都不能使B位于A的上面。

目標(biāo)狀態(tài)2目標(biāo)狀態(tài)1目標(biāo)狀態(tài)2目標(biāo)狀態(tài)1初始狀態(tài)狀態(tài)：用二元組(A，B)表示問題的狀態(tài)；A表示金盤A所在的柱號(hào)；（3）請(qǐng)把下面的狀態(tài)空間圖補(bǔ)充完整：B表示金盤B所在的柱號(hào)。（1）請(qǐng)表示出該問題的全部狀態(tài)：S0=(1，1)，S1=(1，2)，S2=(1，3)S3=(2，1)，S4=(2，2)，S5=(2，3)S6=