基于時序控制優化計算思維訓練的策略與實踐

摘要：本文提出，在落實《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的過程中，應引導學生深入對時序控制解決問題能力的理解和應用，用項目式、模塊化的方式切割分解、組合、重復子問題，發現問題解決中的規律和模式，在線性化的流程模式中求解復雜問題，以真實問題或項目驅動，建構知識，提升問題解決能力。通過對時間控制、執行順序、變化趨勢、應激驅動的思考，完成對學生計算思維的訓練和提升，并將其遷移用于解決其他問題，為后續復雜算法的應用、計算思維的高階發展打下堅實的基礎。

關鍵詞：時序控制；算法；計算思維

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）23-0000-04

引言

時序控制是與時間控制命令模塊相關和關注時間順序或事件序列處理的技術，時序控制過程涉及對事件、動作或任務進程按順序組織和執行。時序算法是實現時序控制的算法，偏向與時間相關的數據進行趨勢預測、實時系統和事件驅動、周期性分析、并發控制順序執行操作特征，包括股票價格、溫度記錄或網絡流量和自動駕駛汽車中的障礙物檢測和避免，以及硬件精準測控下的應激反應時間、多傳感器間協調的先后執行順序等，適合訓練學生的計算思維，培養學生的時間觀念，幫助學生理解程序結構，提升自動化、系統化思維邏輯，塑造條理清晰的解決問題風格。

在《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）中，學科邏輯主線之一的“算法”，是學習和掌握解決問題的思路和方法，理解、設計、實施算法的思維過程即計算思維，它強調問題求解的操作過程和機器實現，其本質是抽象和自動化。在計算思維的培養、訓練和提升過程中，順序執行有利于增強學生的理解和邏輯思維能力，時間命令模塊控制下的程序設計有利于學生對軟硬件間輸出結果的信息交互與科學原理的理解，特別是圖形化編程中積木式模塊指令的累積以及開源硬件數字化創新過程中程式化的呈現與表達。在這種自上而下的順序化解決問題最基本的算法結構中，時序控制用項目式、模塊化的方式切割分解、組合、重復子問題，發現問題解決中的規律和模式，在線性化的流程模式中求解復雜問題，為后續復雜算法的應用、計算思維的高階發展打下堅實的基礎。

時序控制的教學實踐應用

在利用傳感器與環境的數據信息交互中，會產生系列化的源碼信息，在獲取、分析、應用、分享的過程中，大量數據被逐一進行遍歷處理，而以數字形式表達信息及其應用背后的科學原理、思維方法、處理過程和工程實現，是信息科技學科教學的重點。這其中時序控制和時序算法的理解與應用，能加強對計算思維的鍛煉與提升。在常見的圖形化編程中，條件控制語句、循環語句等組成順序化執行的基本單元，“等待1秒”“等待直到”的命令模塊以及時鐘控制等模塊語句實現了時間控制的功能。在教學實踐中引入時間和順序的觀念可以引導學生掌握問題解決的全過程，理解簡單算法，還可以訓練和發展學生的計算思維。遞歸是一種特殊的時序控制形式，函數遞歸是函數自身調用自身，通過分解問題為子問題提供解決復雜問題的有效方法，引入遞歸可以幫助學生理解如何將大問題分解成可管理的小問題。在某些情況下，算法的執行可能由外部事件觸發，而不是簡單的順序執行。在多線程或分布式系統中，多個任務可能同時執行，這需要對同步和異步操作有深入的理解。合適的時間控制，在問題描述和解決過程中，是一種初步的邏輯思維，即從整體系統層面去思考項目全過程中的邏輯性、嚴謹性和全面性。在數智化作品中應體現“以人為本，服務至上”的設計理念，照顧到每一個相關主體參數和每一個執行細節，以及與自動化智能硬件的匹配度，讓人機對話界面和機器硬件動作更接近人性化需求。這些細節性基礎項目算法設計，為學生后續解決復雜問題做了鋪墊。加強對時序控制的理解和訓練，是一個入門的計算思維的訓練過程，理解順序邏輯，逐漸形成流程化的意識習慣，提高學生的思維能力，是計算思維前期養成和訓練的基礎。

時序控制與計算思維訓練

1.認識與抽象

在新課標學段目標中，第一學段的內容有“信息交流與分享”“信息隱私與安全”和“數字設備體驗”。這一學段的教學，應在全新的數字化環境中，讓學生適應信息交流與分享方式、思維方式，形成操作行為規范意識。①通過生活中的掃碼點餐、刷臉進門等案例，啟發“條件”觸動下的數字設備應用，滲透選擇判斷和條件循環的編程結構和算法基礎。②從用圖符的方式進行情感表達，過渡到用圖符表達解題過程和實施步驟的線性流程，再上升到過程與算法流程圖的基礎表達等，使學生逐步接受用圖符來抽象并描述事物和項目問題。③通過“如何管理自己生活中的各種信息”，進一步了解信息的多種表示方式以及數據存在的形式，初步具備管理信息的能力，訓練信息管理與控制的意識。④體驗數字設備解決問題的過程，通過智能可穿戴設備（如智能手環、智能衣物、智能紐扣）、智能電子設備等，開拓學生視野，加深對數字社會下新的思維方式的理解。⑤對給定的簡單任務，能識別任務實施的主要步驟，在實際應用中，能按照操作流程使用數字設備，并能說出操作步驟。這樣要求的目的是進行抽象化，以及用步驟的概念來代替計算程序結構的時間先后順序邏輯，形成操作和設計的思維萌芽（計算思維得以啟迪并初步應用）。在這一學段的教學中，教師應在認識的基礎上進行抽象，概括出事物的本質規律，并在抽象的過程中進行創新與創造，使學生擺脫固有思維定式。

2.選擇與分解

第二學段的內容有“在線學習與生活”“數據與編碼”和“數據編碼探秘”。在這一學段中要求學生能根據需要選用合適的數字設備解決問題，并簡單地說明理由，將問題進行分解，并用文字或圖示進行描述。在選用合適的數字設備后簡單地說明理由，是語言組織的過程，即思維過程中生成的外在表達和輸出結果的呈現。用文字或圖示描述也是在訓練學生進行問題的分解、抽象、邏輯化思維的過程。在簡單問題解決的過程中，形成分解問題的意識，用邏輯圖例說明觀點，按照一定的規則表達與交流信息，是內化后形成的自我知識與經驗，把問題劃分是計算思維中的分解理念，也是這一學段計算思維培養目標中的重點。在這一學段的教學中，教師應通過多個內容的學習與實踐，讓學生學會在解決問題的過程中理解條件選擇，并根據選擇的理由呈現出選擇的結果，同時不斷將問題進行分解細化，逐步訓練計算思維。

3.算法與過程

第三學段的內容有“身邊的算法”“過程與控制”和“小型系統模型”。在這一學段的教學中，應通過生活中的實例，了解算法的特征和效率。用自然語言、流程圖等方式描述算法，其中流程圖以直觀表達思路的優勢幫助理解程序，即將問題細分為多個實質性的問題片段，并生成實施步驟，形成算法結構化控制過程，直接將算法的設計與實現應用在知識與能力的實現過程中，形成計算思維密集提升階段。

4.綜合與遷移

第四學段的內容有“互聯網應用與創新”“物聯網實踐與探索”“人工智能與智慧社會”和“互聯智能設計”。在互聯網以及物聯網中，進一步檢驗數據處理和應用的方法與過程，理解人工智能，運用計算思維方法解決學習和生活中的各種問題，并能遷移到其他更多相似的場景應用中，這是復雜計算思維的生成。在這一學段的教學中，不再是生活中已有情境的模仿，不再要求對細節技能的熟練程度以及理解細節的處理方法等，教師應開始“嘗試創作”，引導學生動腦筋思考，發揮能力進行“原始創新”，開啟抽象、模型建立、構思的高階思維。

時序控制與計算思維的提升

隨著人工智能和物聯網的發展，在智能設備、自動化系統和實時數據處理中，時序控制特別是對時間的精確控制和管理將是關鍵。未來的時序控制設計將更加智能化，包括對時區、夏令時和日期格式的智能識別和處理，更加精確的時間同步技術，以確保各種設備和系統的時間一致性，以及對時間序列數據和模式的預測和分析能力，包括無人駕駛、萬物互聯、物流鏈等，以支持更復雜的時間相關任務和決策。為適應時代要求，把握學習提升的機會，在教育實踐過程中，教師應利用時序控制，有效啟發和提升學生的計算思維。

1.對時間控制的思考

時間控制考慮任務執行所需的時間間隔、事件的觸發時間以及設計解決問題的效率。它既涉及代碼層面的具體實現，也涉及整體架構的設計。時間控制意味著需要考慮如何在有限的時間內完成任務，這要求能夠有效地分析問題、制訂解決方案，并將其轉化為可執行的程序，通過編程中的時間控制，學生需要不斷嘗試、調整和優化時間控制的方法，反復試驗和調試，學會解決問題，并培養耐心和毅力。在利用時間控制進行程序設計的過程中，應鼓勵學生進行創新，以提高他們的創新意識和對技術發展的敏感度。在具體的應用情境下，教師應引導學生巧妙處理時間控制問題涉及的各種問題，積極思考如何利用時間控制來實現特定的功能和效果，將問題中關于時間的序列用線性化的手段分解，從中提煉規律性和價值呈現的算法，從而培養學生的問題解決能力和創造性思維。

2.對執行順序的思考

順序控制遵循“順理而有序、和諧而不紊亂”的邏輯，有些事情前后存在依賴、解鎖等邏輯關系。時序設計的邏輯性表現為有條理的思考方式，以時間先后順序進行統籌有助于培養學生的邏輯思維和對時間概念的抽象理解能力。從整體上思考問題，分析任務之間的關聯與依賴關系，讓學生學會將復雜的問題分解為簡單的步驟，學會組織和表達清晰的思維，有助于培養學生的邏輯推理能力以及創造力。在解決問題的過程中，在明確問題后，收集信息，理解情境并確定需要解決的具體問題，分析問題的根源和本質，列出可能的解決方案，即進行初步的簡單算法設計。對中小學生來說，學習時序算法，建立簡單時間系列的模型理念，以及初步建立問題思考框架與模型化、項目式解決問題的思維方式，有益于培養對抽象問題進行分解的能力。

3.對變化趨勢的思考

在時序控制下對已有數據進行對比分析，延伸事務發展的預測與估算，是高階思維能力的體現。簡單預測一個變量與一個自變量之間的關系，是一種線性方程算法，在自動化實現過程中將數學思維轉化到計算思維上來，易于系統實現。時序算法應用于多個行業領域，如在解決公共場所的擁擠問題中易擁堵點人流的監控，采用了一種基于ARIMA時間序列算法的人口流量密度的預測模型，用于預測公共交通進出站點人流情況及運營路線情況，達到公共交通的“智慧調度”。再如，將Microsoft時序算法應用在趨勢分析及預測預警系統中。

4.對應激驅動的思考

隨著數智化水平的不斷提升，服務型機器人、協作機器人、自我學習機器人以及一些超大規模應用系統在人機對話交流、應激驅動反應方面各樹一幟，凸顯了人性化的應激表達，應激驅動的動作靈敏而穩重。從設計思維角度考量，既要符合人性化要求，又要符合機器自動化的執行，這些綜合性的設計，是算法統籌下的一種高階思維（計算思維）的具體應用。另外，多種多樣的傳感器捕獲的大量數據，是對外界環境的應激反饋。這其中條件判斷是應激驅動的依據，機器思維處理問題是在不斷地選擇判斷，最終確認輸出結果?；跀底只悄苤黧w的應激驅動設計，是不斷嘗試應用邏輯規則來分析解決問題并設計算法方案，以及根據已知的大數據規則做出合理的結論與預測的過程。對學生來說，應激驅動的思考過程，也是對其計算思維不斷訓練、養成、提升和高階應用的過程。

結語

在教學實踐中，基于時序控制的教學實施，應將計算思維核心素養滲透到每個教學環節中，從具象的知識和技能中細化計算思維的訓練、培養、發展和提升，以最終落實課程育人目標，使學生更好地適應數字時代的社會發展要求。

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作者簡介：楊炳會，中學高級教師，省級名師網絡工作室主持人，研究方向為編程教育、人工智能教育。張玲，寧夏大學教育學院教授，碩士生導師，研究方向為教育技術學基本理論與實踐、教育信息化發展與績效評估、教師專業發展研究與實踐等。

本文系寧夏第七屆基礎教育教學課題“新課標下信息科技跨學科主題的實踐研究”研究成果（課題編號：JXKT-JC-07-050）。