(共43张PPT)
第1单元 第3课
算法的设计与优化
（湘科版）五年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结和单元小结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
信息社会责任
要遵守算法的应用保证公平、平等，如机器学习模型中的数据偏见，并且在收集和使用数据时保障用户的隐私。
在准备生日宴菜单时，能够用新思想来改进现有的算法，使其在速度效率、解决问题的能力、适应性等方面得到提升。
能够明确算法设计过程并优化算法，运用于生活中的实际问题，以此提高效率，感知算法优化的价值。
在完成算法的设计并优化时，我们需要考虑数据的准确性、完整性和有效性，确保信息能够支持正确的推理与决策。
02
新知导入
02
新知导入
活动背景
准备一顿丰盛的生日宴可不是一件容易的事。备菜、煮饭、做菜等多道工序，需要安排得有条不紊，才能在有限的时间内完成任务。如果没有合理的规划设计，就会手忙脚乱，顾此失彼。如何对这个过程进行设计和优化，提高效率，做到井并有条呢
02
新知导入
活动目标
了解算法设计的基本过程。
了解算法优化的价值。
03
新知讲解
一、设计简单的算法
在日常生活中,人们根据解决问题的需要设计算法。以简单的泡茶为例，泡茶需要六个基本步骤，要在最短时间内完成泡茶，如何合理安排这些步骤最为关键。
03
新知讲解
泡茶的基本步骤
03
新知讲解
用表格列出泡茶的每个步骤所耗费的时间和相关的制约条件，并用色块长短代表耗时长短，这样就把泡茶过程抽象为色块的排列问题。
03
新知讲解
分解问题时，可以去掉一些不重要的信息，如茶壶的颜色、茶叶的品种等，只留下关键信息，如各步骤的耗时、先后顺序等，并用色块和排列顺序表示问题的关键要素。这个过程叫作抽象和建模。
03
新知讲解
简而言之，抽象是简化问题，去除细节，关注问题的核心特征。通过抽象，我们能更容易地理解复杂的系统或现象。
建模是将实际问题转化为数学或计算机模型，从而使用算法或数学方法解决实际问题。建模往往涉及选择适当的变量、约束条件，并确定解决问题的方法。
03
新知讲解
解决问题的算法往往并不唯一。可以尝试通过列举的方式，找出泡茶问题的多种算法。
03
新知讲解
要烧水，必须先洗水壶，再接水。
所以，第1种方法不行。
提高运行效率：通过优化算法的时间复杂度和空间复杂度，可以显著减少计算所需的时间和内存资源。
解决大规模问题：优化后的算法能够处理更大规模的数据和问题，这对大数据处理尤为重要。
节省资源：优化算法可以减少计算资源的消耗，例如减少CPU时间、内存使用等，适用于资源有限的环境。
03
新知讲解
优化算法带来的好处
提高系统性能：优化算法不仅能提高单一任务的效率，还能提高整个系统的响应速度和处理能力。
增强可扩展性：优化过的算法能够更好地应对数据量或问题规模的增加，从而提高系统的可扩展性。
降低成本：优化后的算法能够减少硬件资源的消耗，节约成本，尤其在云计算环境下尤为明显。
03
新知讲解
优化算法带来的好处
03
新知讲解
二、对算法进行优化
不同的算法效率不同，有优劣之分。在泡茶问题中，可以简单地用耗时来评价算法的效率，耗时越短，效率越高。
如果在烧水的过程中，完成洗茶杯、找茶叶两个步骤，总耗时为11分钟，能节约3分钟时间。
03
新知讲解
信息链接
烧水、洗茶杯、找茶叶三个步骤依次完成的方式被称为串行，而在烧水的同时，完成洗茶杯、找茶叶步骤的方式被称为并行。在泡茶算法中，采用并行的方式节约了时间，提高了效率。
03
新知讲解
1.如下图所示，生活中运用并行方式提高效率的例子很多，请列举一些类似的案例。
开动脑筋
多车道设计减少交通拥堵
机场设置多个安检通道
03
新知讲解
1.如下图所示，生活中运用并行方式提高效率的例子很多，请列举一些类似的案例。
开动脑筋
快递分拣中心 ：快递包裹到达分拣中心后，会被分成不同的区域和批次进行处理。多个工作人员或机器同时对不同区域的包裹进行扫描、分类和分拣，使得快递能够快速准确地送达目的地，提高了物流配送的效率。
03
新知讲解
1.如下图所示，生活中运用并行方式提高效率的例子很多，请列举一些类似的案例。
开动脑筋
医院挂号就诊 ：医院通常会设置多个挂号窗口和诊室。患者在不同的挂号窗口同时进行挂号操作，然后可以到不同的诊室同时就诊，避免了患者集中在一个窗口或诊室造成的长时间等待，提高了医疗服务的效率。
03
新知讲解
2.想一想如何进一步优化泡茶过程。
开动脑筋
要想进一步缩短总耗时，只能想办法缩短洗水壶、接水、烧水和沏茶的时间。其中，烧水是所有步骤中最耗时的，可视为泡茶问题中的“瓶颈”“。
瓶颈”一般是指关键性的限制因素。瓶颈大小决定着瓶中液体流出的速度，找到并解决算法中的“瓶颈”问题，就能大大提高算法的效率。
03
新知讲解
信息链接
为解决午餐排队时间过长的问题,同学们认真地进行了调查。他们发现，由于莱品比较丰富，学生点餐选择菜品环节耗时较多。针对这个“瓶颈”，他们筛选出一些同学们最喜欢的菜品组合，并与食堂协商专设几个固定菜品组合的窗口。这样就实现了就餐分流，加快了取餐速度,缓解了排队问题。
03
新知讲解
小红为妈妈准备的生日宴菜单：辣椒炒肉、西红柿炒鸡蛋、海带炖排骨和凉拌黄瓜。
探究实践
洗菜 30分钟
西红柿炒鸡蛋 10分钟
切菜 20分钟
海带炖排骨60分钟
03
新知讲解
小红为妈妈准备的生日宴菜单：辣椒炒肉、西红柿炒鸡蛋、海带炖排骨和凉拌黄瓜。
探究实践
辣椒炒肉 15 分钟
凉拌黄瓜 15 分钟
淘米2分钟
煮饭 40 分钟
03
新知讲解
1.小组合作，尝试设计完成生日宴耗时最短的算法。
探究实践
淘米是煮饭的前置步骤，必须先淘米才能煮饭，且煮饭不需要一直盯着，在煮饭的同时可以进行其他任务。
洗菜、切菜和做菜可以并行安排。
所以总共花费的时间就是淘米时间加上煮饭时间再加上海带炖排骨超出煮饭和洗菜切菜时间的部分（这里煮饭和洗菜切菜时间覆盖了做其他菜的时间，无需额外计算），即2+60=62分钟。
03
新知讲解
2.假设小红找弟弟当小帮手，弟弟可以完成洗菜、煮饭和凉拌黄瓜的任务，可以缩短多长时间
探究实践
找弟弟后，弟弟洗菜30分钟、煮饭40分钟（并行按40算）、凉拌黄瓜15分钟，小红做海带炖排骨60分钟（同时做辣椒炒肉15分钟和西红柿炒鸡蛋10分钟），因为煮饭和洗菜并行取40分钟，做海带炖排骨60分钟包含做其他菜时间，凉拌黄瓜15分钟可与做菜并行一部分，实际总时间为52分钟，因此可以缩短10分钟。
03
新知讲解
练习提升
1、算法优化的目的是 。
2、说一说:有哪些合理安排学习、运动、娱乐和劳动时间，提高效率的好方法
番茄工作法: 每25分钟集中精力工作，然后休息5分钟，每4个番茄时间后长时间休息（15-30分钟）。
时间区块法: 将一天分为不同的时间块，每块时间用于特定活动，如工作、运动、休息等。
优先级划分法: 根据重要性和紧急性划分任务，优先处理高优先级的任务。
提高算法的效率，降低时间和空间复杂度
03
新知讲解
开拓视野
华罗庚的“统筹法”
日常生活中，我们常常需要在有限的时间内解决许多问题。面对这些挑战，有的人能做到有条不素、从容不迫，有的人却手忙脚乱、应接不暇。为什么会有这种差异呢
我国著名数学家华罗庚用一个“烧水泡茶”的简单例子，形象地揭示了其中的奥秘，指出了统筹的重要性。华罗庚致力于在工农业生产中推广科学的“统筹法”，让科学的方法在生产实际中发挥巨大的威力，取得了增产、降耗、提质的效果。
03
新知讲解
开拓视野
华罗庚的“统筹法”
04
课堂练习
一、选择题
1、以下哪种方法适用于优化回溯法的效率？
A. 并行计算 B. 动态规划 C. 剪枝 D. 贪心算法
2、分治法的一个例子是
A. 归并排序 B. 快速排序
C. 矩阵乘法 D. 以上所有
3、简化问题，去除细节，关注问题的核心特征是指：
A.抽象 B.开关量 C.建模 D.程序化
C
D
A
04
课堂练习
二、判断题
1、解决问题的算法往往并不唯一。
2、优化算法并不能降低成本。
3、算法优化的目标是提高算法的时间复杂度和空间复杂度。
4、贪心算法在每一步都选择局部最优解，以期获得全局最优解。
5、优化后的算法能够处理更大规模的数据和问题，这对大数据处理尤为重要。
√
X
√
X
√
05
拓展延伸
算法设计技巧
分治法 (Divide and Conquer) :分治法通过将问题分解为子问题，再递归地解决每个子问题，最后合并结果。常见的应用场景包括排序算法（如归并排序、快速排序）以及一些数值计算问题（如矩阵乘法）。
适用场景: 当问题能够分解为子问题，且子问题的解能够有效合并时，使用分治法。比如大规模数据处理、图像处理等。
05
拓展延伸
算法设计技巧
动态规划 (Dynamic Programming, DP):动态规划是一种通过将问题分解成重叠子问题并存储其解来减少重复计算的技术。适用于最优化问题，如背包问题、最长公共子序列等。
适用场景： 适用于有重叠子问题和最优子结构的情况，如路径问题、序列匹配问题、资源分配问题等。
05
拓展延伸
算法设计技巧
贪心算法 (Greedy Algorithm):贪心算法每次选择当前看起来最优的解，而不考虑全局最优。它通常较为简单，但不一定能得到全局最优解。常见的贪心算法有活动选择问题、霍夫曼编码、最小生成树（Kruskal、Prim）。
适用场景: 当局部最优解可以推导出全局最优解时使用，如图算法中的最短路径、最小生成树问题等。
05
拓展延伸
算法优化策略
剪枝 (Pruning):
剪枝是在搜索过程中删除一些无意义的分支，从而减少计算量。常用于回溯法和深度优先搜索（DFS）中。
缓存 (Caching):
缓存是一种保存已经计算过的结果，避免重复计算的方法，通常用于动态规划和递归算法中。
05
拓展延伸
算法优化策略
并行计算 (Parallel Computing):
并行计算通过多处理器并行执行任务，显著提高效率，尤其适用于大规模数据处理、图像处理、机器学习等问题。
05
拓展延伸
单元回顾与评价
【单 元 回 顾】
05
拓展延伸
单元回顾与评价
【交 流 评 价】
1.同学之间相互交流，分享各自的收获。
2.评一评，画一画。(最高为5颗★)
06
课堂总结
1
引入新知内容
算法的设计与优化
2
学习设计简单的算法
3
对算法进行优化
4
课堂总结和单元小结
5
进行相关知识拓展
1
2
3
4
5
07
板书设计
算法的设计与优化
1、进行新知引入
2、学习设计简单的算法
3、对算法进行优化
4、课堂总结和单元小结
5、进行知识拓展
课后作业。
1、设计算法解决问题。
2、完成单元总结。
08
课后作业
1、设计并实现一个分治算法解决矩阵乘法问题，分析其时间复杂度。
2、总结本单元所学内容，用300字介绍你认识的算法。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine
