Решаване на прост лабиринт
Този урок се фокусира върху алгоритмичното мислене и програмирането. Учениците проектират прост лабиринт 4 × 4.
- Научете как систематично да анализирате проблем по такъв начин, че да бъде изведен алгоритъм за неговото решаване
- Научете за използването на такива алгоритми за решаване на реални проблеми.
- Научете за приложенията на такива алгоритми, за да започнете със света на алгоритмите за роботика, изкуствения интелект и т.н.
Възрастови нива: 14-18
Строителни материали (за всеки екип)
Необходими материали (достатъчно материали за всеки екип, за да изгради 12 -инчов лабиринт на квадрат с 2 инча)
- За база:
- Картон
- Картон
- За стени:
- Листове от пяна
- Гофриран картон
- стиропор
- Картон
Учителски ресурс
Design Challenge
Вие сте екип от инженери, изправени пред предизвикателството да изберете материали и да изградите лабиринт. Дизайнът на лабиринта ще бъде осигурен. Готовият лабиринт трябва да бъде не повече от 30 см квадрат и височина 2 инча. Той трябва да съдържа 16 клетки и да има начало (източник) и край (местоназначение).
Критерии
- Съдържа 16 клетки
- Копирано от предоставения дизайн
- Има източник (начало) в долния ляв ъгъл на лабиринта и дестинация (край) в горния десен ъгъл на лабиринта
Ограничения
- Не повече от 30 см квадратни и 2 инча високи
- Използвайте само предоставените материали
- Екипите могат да търгуват с неограничени материали
- Разбийте класа на екипи от 2-4.
- Раздайте работен лист „Решаване на прост лабиринт“, както и няколко листа хартия за скициране на дизайни.
- Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“. За да зададете сцена, покажете на учениците всеки видеоклип на робот, който решава микровъзлабилка/лабиринт (вижте раздела „Копаене по -дълбоко“). Накарайте учениците да помислят какво всъщност кара роботите да се движат към дестинацията сами. Това ще им помогне да се запознаят с разбирането на алгоритмите.
- Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
- Споделете снимката на лабиринта, показана в секцията „Материали“ под „Учителски ресурс“. Кажете на учениците, че тяхното предизвикателство е да определят какви материали ще използват, за да проектират същия лабиринт. Докато обмислят своя дизайн, те трябва да помислят за стъпките, които ще бъдат необходими на робота, за да завърши лабиринта, и да документират как са номерирани тези стъпки. Те също трябва да определят начало и край на лабиринта.
- Предоставете на всеки екип своите материали.
- Обявете времето, необходимо за проектиране и изграждане (препоръчително 1 час).
- Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
- Учениците се срещат и разработват план за изграждане на своя лабиринт. Те се договарят за материалите, които ще им трябват, и пишат/изготвят своя план. Екипите могат да търгуват неограничени материали с други екипи, за да разработят своя списък с идеални части.
- Екипите изграждат своите лабиринти. Те трябва да отбележат началото с лабиринта (източника) и края на лабиринта (дестинацията) с маркер. След това те трябва да номерират редовете на лабиринта, започващи с „1“ за „източника“ и да се придвижват през долния ред и след това да преминат към следващия ред. „Дестинацията“ трябва да бъде означена с „16.“ Диаграма на номерирането е показана в ресурсите за учители.
- Накарайте учениците да си представят, че робот се движи през лабиринта им от „източника“ до „дестинацията“. Те трябва да помислят какво вижда роботът и да документират пътя, по който роботът ще поеме, като запишат последователността от числа. Докато учениците документират пътя, помолете ги да обмислят:
- Роботът знае ли предварително номерата и знае ли номера на дестинацията, който трябва да достигне, преди да спре?
- Стартира ли роботът от източника и проверява дали пътят е отворен, гледайки надясно, наляво, отпред и назад, преди да се премести? След като намери отворения път, той се премества в следващата клетка? Когато достигне следващата клетка, тя проверява дали тази клетка е „16?“ Ако не е, ще провери ли отново пътя и ще премине напред към празна клетка, докато достигне „16“, след което ще спре?
- Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
- За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.
Разширение
Като разширена дейност, накарайте учениците да променят лабиринта от стандартния дизайн на свой собствен. Насърчете ги да мислят за всякакви модификации, които техните алгоритми ще изискват за новия лабиринт. Споменете, че може да искат да внимават да не проектират лабиринт с задънени улици или бримки. Ако техният дизайн съдържа тези, алгоритъмът ще трябва да води запис на предишния път. Когато има само един път, трябва да се запише само предишната клетка.
Отражение на ученика (инженерна тетрадка)
- Успяхте ли да изградите лабиринта въз основа на дадената ви фигура? Ако не, защо?
- Успяхте ли да стигнете до решението за лабиринта? С други думи, успяхте ли да дадете на робота подходящи „инструкции“, така че да може да достигне дестинацията? Ако не, защо?
- Преговаряли ли сте за някакви материални сделки с други екипи? Как работи този процес при вас?
- След като започнахте да изграждате лабиринта, решихте ли да смените материали или да добавите още материали?
- Смятате ли, че инженерите трябва да се придържат към първоначалния си план по време на строителството? Защо?
- Смятате ли, че етапът „изграждане“ ви е помогнал да визуализирате проблема много ясно? Ако да, как ви помогна при решаването на проблема?
- Ако работехте сами, бихте ли успели да завършите проекта по -лесно? Обяснете.
- Въз основа на тази дейност какво мислите за разработването на алгоритми? Обяснете.
Модификация на времето
Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.
Изминаха толкова много години, откакто възникна предизвикателството на роботите за решаване на лабиринт. Толкова много хора в миналото са разработвали и демонстрирали различни модели за едно и също. Ако мислите за основната констатация на проблема, ще ви напомнят за дните ви от детството, когато сте били предизвикани да помогнете на мишка да намери своя път към дестинацията, в лабиринт. Лабиринтът получи сложна структура, докато израствахте !!! ... И така, представяли ли сте си истински сценарий, при който можете да направите мишка достатъчно интелигентна, за да разреши лабиринта сама? Тъй като технологията еволюира по -нататък, така че да могат да се развиват интелигентни роботи, този проблем си има своето място. Ето защо микромишката се превърна в стандартна констатация за проблем. Можете да се върнете у дома и да потърсите декларацията за проблема, или дори да потърсите в YouTube видеоклипове, където хората демонстрират свои собствени ботове, решаващи лабиринта. Хей!! Не става въпрос само за решаване на лабиринта, но и за решаване в най -кратки срокове ... О !! Да, проблемът се усложнява с порастването .. Но, за да започнете със света на „изкуствения интелект и роботиката“, нека помислим за един прост лабиринт и да преминем към крайната мисия. Може да забравите за хардуерната част. Има нещо, което няма граници; това е нашето въображение, начинът ни на мислене за решаване на проблем. Да !! Всичко е свързано с разработването на софтуер. Разработването на софтуер за такива дейности се основава само на алгоритми. Между другото, какво е алгоритъм ?? Това не е нищо друго освен процедура „стъпка по стъпка“ при изпълнение на мисия. И така, готови ли сте да се справите с проблема?
- Алгоритъм: Набор от насоки, които описват как да се изпълни дадена задача. Мислете за алгоритъма като инструкции стъпка по стъпка, които създават предвидим модел в набор от числа или в редове код.
- Изкуствен интелект: Теорията и развитието на компютърни системи, способни да изпълняват задачи, които обикновено изискват човешки интелект, като визуално възприятие, разпознаване на реч, вземане на решения и превод между езици.
- Ограничения: Ограничения с материал, време, размер на екипа и т.н.
- Критерии: Условия, на които дизайнът трябва да отговаря, като общия му размер и др.
- Инженери: изобретатели и решаващи проблеми на света. Двадесет и пет основни специалности са признати в инженерството (вижте инфографиката).
- Процес на инженерно проектиране: Процесните инженери използват за решаване на проблеми.
- Инженерни навици на ума (EHM): Шест уникални начина, по които инженерите мислят.
- Итерация: Тестването и редизайнът е една итерация. Повторете (многократни итерации).
- Лабиринт: Пътека или колекция от пътеки, обикновено от вход до цел.
- Прототип: Работен модел на решението, което ще се тества.
Интернет връзки
Препоръчителна четене
- http://en.wikipedia.org/wiki/Maze_solving_algorithm
- http://www.astrolog.org/labyrnth/algrithm.htm#solve
Писателска дейност
Прочетете страницата на Уикипедия за алгоритмите за решаване на лабиринти и страницата Астролог за типовете лабиринти и напишете обобщение на различните подходи. Изберете един от подходите и избройте силните му страни по отношение на критерии като сложност (простото е по -добре) и скорост (по -бързо е по -добре)
Привеждане в съответствие с учебните програми
Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:
- Стандарти за научно образование в САЩ (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- Научни стандарти на САЩ от следващо поколение (http://www.nextgenscience.org/)
- Стандарти на Международната асоциация по технологично образование за технологична грамотност (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- Принципите и стандартите за училищна математика на Националния съвет на учителите по математика на САЩ (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- Американски общи основни държавни стандарти за математика (http://www.corestandards.org/Math)
- Асоциация на учителите по компютърни науки K-12 Стандарти за компютърни науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Принципи и стандарти за училищна математика
В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват
Стандарт за геометрия
- Посочете местоположения и опишете пространствените отношения, като използвате координатна геометрия и други представителни системи
- Използвайте визуализация, пространствени разсъждения и геометрично моделиране за решаване на проблеми
Стандарт за решаване на проблеми
- Прилагайте и адаптирайте различни подходящи стратегии за решаване на проблеми.
- Решаване на проблеми, които възникват в математиката и в други контексти.
Представителство
- Използвайте представи за моделиране и интерпретиране на физически, социални и математически явления
Общи основни държавни стандарти за училищна математика 3-8 клас (на възраст 8-14)
Операции и алгебрично мислене
- Генерирайте и анализирайте модели.
- CCSS.Math.Content.4.OA.C.5 Генерирайте модел на число или форма, който следва дадено правило. Идентифицирайте очевидните характеристики на модела, които не са изрични в самото правило. Например, като се има предвид правилото „Добавяне 3“ и началният номер 1, генерирайте термини в получената последователност и забележете, че термините изглежда се редуват между нечетни и четни числа. Обяснете неофициално защо числата ще продължават да се редуват по този начин.
Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти
Природата на технологиите
- Стандарт 2: Студентите ще развият разбиране за основните концепции на технологията.
CSTA K-12 стандарти за компютърни науки 6-9 клас (на възраст 11-14)
- 2 Ниво 2: Компютърни науки и общност (L2)
- Изчислително мислене (CT)
- Определете алгоритъм като последователност от инструкции, които могат да бъдат обработени от компютър.
- Опишете и анализирайте последователност от инструкции, които се следват (напр. Опишете поведението на героя във видеоигра, като се ръководи от правила и алгоритми).
- Разгледайте връзките между елементите на математиката и компютърните науки, включително двоични числа, логика, множества и функции.
- Сътрудничество (CL)
- Съвместно проектирайте, разработвайте, публикувайте и представяйте продукти (например видеоклипове, подкасти, уебсайтове), използвайки технологични ресурси, които демонстрират и съобщават концепциите на учебната програма.
- Сътрудничество с връстници, експерти и други, като се използват съвместни практики, като програмиране по двойки, работа в екипи по проекти и участие в групови активни учебни дейности.
- Излагайте диспозиции, необходими за сътрудничество: предоставяне на полезна обратна връзка, интегриране на обратна връзка, разбиране и приемане на множество гледни точки, социализация.
- Сътрудничество (CL)
- Сътрудничество с връстници, експерти и други, като се използват съвместни практики, като програмиране по двойки, работа в екипи по проекти и участие в групови активни учебни дейности.
- Изчислителна практика и програмиране (CPP)
- Демонстрирайте разбиране на алгоритмите и тяхното практическо приложение.
Проектирайте свой собствен лабиринт и го разрешете ..
Работите като екип от инженери, на които е дадено предизвикателството да проектират лабиринт, използвайки дадените ви материали, и след това да го решат. По това време може би вече сте виждали как изглежда лабиринт и някои интересни роботи за решаване на лабиринт. Преди да скочим в истинската игра, нека започнем с изграждането на лабиринта. Както видяхте, лабиринтът се състои от платформа и стени, монтирани върху нея. След като изградите свой собствен лабиринт с размерите, предложени от вашия учител, ще трябва да разрешите лабиринта - измисляйки стъпка по стъпка процедура, която можете да дадете на робота, така че да може да пътува от източника до местоназначението. Лабиринтът има шестнадесет клетки. Източникът е в долната лява клетка на лабиринта, а дестинацията е в горния десен лабиринт.
Планиране
Като екип обсъдете помежду си как да се изгради лабиринта. Ще трябва да решите какви материали са ви необходими. Можете да ги получите от вашия учител. Можете да връщате материали, да обменяте материали с други екипи. Консултирайте се с вашия учител, ако имате нужда от разяснения или съмнения на този етап.
Изграждане на
Вземете материала, който използвате за платформата, да речем, картона. С помощта на молив или химикалка нарисувайте оформление на лабиринта на платформата. Споделяйте материали с други екипи, за да изградите своя лабиринт. Това е работа в екип и е важно да обсъдите сред членовете на екипа си и да се насладите на духа на работа в екип. Споделете вашите мисли и споделете работата си. Слушайте приятелите си и им помогнете. Не забравяйте да наблюдавате как други екипи са проектирали своя лабиринт и колко различни са лабиринтите в сравнение с вашия.
Решаване
Сега е време да започнете да решавате лабиринта. Преминете по пътя по отношение на номерата на клетките, през които мишката (робот) трябва да пътува до достигането на дестинацията от източника. Сега помислете какво ви накара да стигнете до решението си. Опишете логиката зад вашето решение. Обсъдете с приятелите си и го запишете.
Важно е да мислите за решението като числа. Можете да видите целия лабиринт и да помислите как да стигнете от източника до дестинацията. Вие обаче сте много по -умен от робота. Роботът не може да види дестинацията или да разбере целия лабиринт - роботът просто знае номера на текущата си позиция и номерата на съседните квадратчета, към които може да се премести.
Това е истинският проблем, как описвате решението на робота? Роботът не знае как да разреши лабиринта. Той знае само, че номерът на източника е 1, а дестинацията е 16. Така че трябва да дадете на робота набор от инструкции, така че роботът да достигне дестинацията. Свалете инструкциите; консултирайте се с вашия учител за проверка.
Когато правите това, помислете как би работило вашето решение, ако лабиринтът беше конструиран по различен начин. Лесно е да се проектира решение, ако предварително знаете лабиринта и просто кажете на робота необходимите му ходове. Можете ли обаче да измислите решение, което да работи независимо от модела на лабиринта? Можете ли да измислите начини за тестване на вашето решение?
Оценка
Използвайте този работен лист, за да оцените резултатите на вашия екип в този урок.
- Успяхте ли да изградите лабиринта въз основа на дадената ви фигура? Ако не, защо?
- Успяхте ли да стигнете до решението за лабиринта? С други думи, успяхте ли да дадете на робота подходящи „инструкции“, така че да може да достигне дестинацията? Ако не, защо?
- Преговаряли ли сте за някакви материални сделки с други екипи? Как работи този процес при вас?
- След като започнахте да изграждате лабиринта, решихте ли да смените материали или да добавите още материали?
- Смятате ли, че инженерите трябва да се придържат към първоначалния си план по време на строителството? Защо?
- Смятате ли, че етапът „изграждане“ ви е помогнал да визуализирате проблема много ясно? Ако да, как ви помогна при решаването на проблема?
- Ако работехте сами, бихте ли успели да завършите проекта по -лесно? Обяснете.
- Въз основа на тази дейност какво мислите за разработването на алгоритми? Обяснете.
Превод на план за уроци