資源簡介

(共27張PPT)
（義務教育版）五年級
全一冊
第30課
生命游戲的算法
學習目標
激趣導入
學習活動
思考-討論
實踐探究
課堂小結
拓展-提升
單元主題
單元主題
單元名稱 課名稱 核心內容
第八單元 人工智能中的算法 第28 課 　認識決策樹算法 人工智能應用中的決策樹算法，決策樹算法的應用場景。
第 29 課 智能工具再體驗 生成式人工智能及其應用。
第 30 課 　生命游戲有規則 生命游戲中的進化規則及其算法思想。
學習目標
激趣導入
【趣味故事】
在遙遠的數字王國里，有一片神秘的土地。在這片土地上，生活著一群特殊的 “居民”。它們沒有實體的身體，卻有著自己的生存法則。有一天，一個勇敢的小數字探險家來到了這片土地，他發現這些 “居民” 的生活方式非常奇特，它們的誕生、繁衍和消亡都遵循著一套神秘的規律。
同學們，你們想不想知道這個規律是什么？
激趣導入
【建構】
這個規律就是我們今天要學習的生命游戲算法。
讓我們跟隨小數字探險家的腳步，一起去揭開這個神秘算法的秘密 。
學習活動
學習活動
活動1：生命游戲中的算法規則
一
學習活動
一、生命游戲中的算法規則
最初的生命游戲模擬的是一種原始形態的“生命”如何按照特定的規則一代接一代地進行演化，并由此得名。
在生命游戲中，有很多小方塊，每個小方塊都有兩種狀態。我們可以把這些小方塊看作是燈泡，兩種狀態分別對應著燈泡的“點亮”或“熄滅”。
學習活動
一、生命游戲中的算法規則
游戲開始時，在一個平面網格中，可以設置若干個點亮的燈泡，表示原始狀態的“初始構型”，下圖所示就是一個初始構型的例子。接著設定表示進化的“代”數，這兩個部分構成算法的輸入。
學習活動
一、生命游戲中的算法規則
生命游戲的算法規則（即進化規則）可以歸納為兩條。
規則 1 ：一個點亮的燈泡周圍有 2 個或 3 個點亮的燈泡，就會繼續點亮；它周圍有少于 2 個或多于 3 個點亮的燈泡，就會熄滅。
例如，下圖中心位置的燈泡，用規則 1 來檢查它周圍的狀態，也就是作用規則 1，發現它仍然可以保持點亮狀態。
學習活動
一、生命游戲中的算法規則
生命游戲的算法規則（即進化規則）可以歸納為兩條。
規則 2：一個熄滅的燈泡周圍剛好有 3 個點亮的燈泡，才會被點亮。否則，它周圍有少于 3 個或多于 3 個點亮的燈泡，就會保持熄滅狀態。
例如，下圖中心位置的燈泡，作用規則 2 后保持熄滅狀態。
學習活動
一、生命游戲中的算法規則
【注意】
作用規則到指定的代數后進化就會停止，停止之后的網格構型就可以認為是算法的輸出。
學習活動
活動2：體驗生命游戲進化規則
二
學習活動
二、體驗生命游戲進化規則
以下圖中的 4 個初始構型為例，進一步學習了解如何作用這些規則。
*（注：圖中的綠色方格代表點亮狀態，空白代表熄滅狀態）
學習活動
二、體驗生命游戲進化規則
第 1 步：把圖中的 4 個構型作用于進化規則，完成第一代進化。
例如，左上角的構型有三個點亮的燈泡，作用規則 1 后，一個繼續點亮、兩個變成熄滅狀態。同時作用規則 2 后中間一個被點亮。
圖中的橙色和藍色用來臨時表示進化的過程，橙色方格表示該位置即將由點亮變為熄滅，藍色表示該位置即將由熄滅變成點亮。
學習活動
二、體驗生命游戲進化規則
下圖是對 4 個初始構型分別作用一輪進化規則后的狀態。
學習活動
二、體驗生命游戲進化規則
第 2 步：把第一代進化的結果作為初始構型，繼續作用進化規則，就會得到第二代、第三代，也會產生一些更有趣的現象。
例如，對第一代進化后右下角的構型繼續作用規則，得到第二代、第三代的進化結果，如下圖所示。
思考-討論
二、體驗生命游戲進化規則
【想一想】
同學們，到現在為止，你們有沒有發現什么規律？
學習活動
二、體驗生命游戲進化規則
【小試牛刀】
繼續用其他幾個構型嘗試，觀察發生的變化。
學習活動
活動3：試玩“生命游戲”程序
三
實踐探究
三、試玩“生命游戲”程序
【玩一玩】
第 1 步：打開“生命游戲”的 Python 程序。
第 2 步：運行這個程序，試著玩一玩。
第 3 步：觀察、體會游戲中的算法及其進化規則。
實踐探究
【附——參考程序】
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.animation as animation
def update(frame_num, img, board, N):
new_board = board.copy()
for i in range(N):
for j in range(N):
total = int((board[i, (j - 1) % N] + board[i, (j + 1) % N] +
board[(i - 1) % N, j] + board[(i + 1) % N, j] +
board[(i - 1) % N, (j - 1) % N] + board[(i - 1) % N, (j + 1) % N] +
board[(i + 1) % N, (j - 1) % N] + board[(i + 1) % N, (j + 1) % N]))
if board[i, j] == 1 and (total < 2 or total > 3):
new_board[i, j] = 0
elif board[i, j] == 0 and total == 3:
new_board[i, j] = 1
img.set_data(new_board)
board[:] = new_board[:]
return img,
def main():
N = 50
update_interval = 50
board = np.random.choice([0, 1], N * N, p=[0.2, 0.8]).reshape(N, N)
fig, ax = plt.subplots()
img = ax.imshow(board, interpolation='nearest')
ani = animation.FuncAnimation(fig, update, fargs=(img, board, N,),
frames=100,
interval=update_interval,
save_count=50)
plt.show()
if __name__ == '__main__':
main()
課堂小結
2
體驗生命游戲進化規則
3
試玩“生命游戲”程序
1
生命游戲中的算法規則
第 1 步：把圖中的 4 個構型作用于進化規則，完成第一代進化。
第 2 步：把第一代進化的結果作為初始構型，繼續作用進化規則，就會得到第二代、第三代，也會產生一些更有趣的現象。
第 3 步：繼續用其他幾個構型嘗試，觀察發生的變化。
規則 1 ：一個點亮的燈泡周圍有2個或3個點亮的燈泡，就會繼續點亮；它周圍有少于2個或多于3個點亮的燈泡，就會熄滅。
規則 2：一個熄滅的燈泡周圍剛好有3個點亮的燈泡，才會被點亮。否則，它周圍有少于3個或多于3個點亮的燈泡，就會保持熄滅狀態。
拓展-提升
使用生成式人工智能工具，輸入下面的語句，閱讀獲得的內容，進一步了解生命游戲的規則。
為我解釋生命游戲，要有簡單的說明性實例，適合青少年閱讀。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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