開源硬件算法設計中時間控制的策略與教育價值

摘" 要：新課標背景下的開源硬件算法設計教學中，要考慮時間控制問題，注重算法編程與硬件的連接執行、軟硬件的銜接和協調、硬件的響應速度和執行效率問題，特別是時間編程模塊的有效應用和控制。教學中要加強對學生時序控制的計算思維的鍛煉，讓學生理解抽象概念，提高邏輯思維和時間管理能力，引導學生將編程應用于實際問題的解決和創新，提升適應未來發展需要的必備素養。

關鍵詞：信息科技；開源硬件；編程；時間控制；計算思維

文章編號：1671-489X（2025）03-00-03

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.03.0

0" 引言

開源硬件在信息科技教育中發揮著重要的作用，為教與學開辟了相對簡單的途徑，為完成《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱新課標）中的“過程與控制”“身邊的算法”提供了合適的工具選擇，有助于提升學生計算思維能力品質。在開源硬件教學實踐過程中，要注重算法編程、機器語言編譯與硬件的連接執行，也不能忽略軟硬件的銜接和協調以及硬件的響應速度與執行效率問題，尤其要重視時間編程模塊的有效應用和控制，加強對學生時序控制的計算思維的鍛煉，注重培養學生在真實情境中解決問題的能力，提升以學生發展為中心的核心素養。

1" 開源硬件在編程過程中的時間控制設計

應用

在基于硬件的圖形化編程中有“等待1秒”的命令模塊，類似還有“等待直到”和時鐘控制等模塊語句，都能實現時間控制的功能。從表象上看，時間控制反映在硬件的整體響應速度和執行效率上。動作速度和效率對于不同類型的開源硬件開發有不同的重要性，例如：生產線上的工業機器人需要快速、準確地執行重復任務，提高生產效率，對動作速度和準確性要求非常高；服務型機器人需要在與人類互動時保持安全和平穩的動作，對動作的平穩和精準要求超過對速度的要求。因此，開源硬件的時間控制非常重要，合適的時間控制，讓程序編寫邏輯性更強，與硬件匹配度更高，無差錯輸出到硬件的機器語言更高效；合適的時間控制，讓硬件動作更加流暢，避免運行報錯、硬件運行不平穩或是無響應動作的情況，符合人類設計和審美需求。

1.1" 主動設計應激時間

受限于硬件的應激反應靈敏性，開源硬件的應激時間的程序編寫要充分考慮硬件極限參數和傳輸反應。如舵機的控制與時間模塊的關系，舵機的控制涉及確定舵機應該停留在特定位置的時間長度，使用時間模塊確定舵機何時應該開始移動、移動到特定位置后停留多長時間再移動到下一個位置。在開源硬件中，常規使用的舵機的控制一般需要一個20 ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5 ms范圍內的角度控制脈沖部分[1]，一般為0.22/60°或0.18/60°，當更改角度控制脈沖的寬度太快時，舵機可能反應不過來。因此，時間模塊在舵機控制系統中起著重要作用，確保舵機按照預期的方式進行移動和停留。應激時間的實踐測算，包括從傳感器受激，到承擔動作反饋的硬件反應的時間延時，再到完成預計劃動作的時間間隔。再如DHT11溫濕度傳感器供電電壓為3～5.5 V，傳感器上電后，要等待1 s越過不穩定狀態，在此期間無須發送任何指令。微處理器與DHT11之間的通信和同步，采用單總線數據格式，一次通信時間是4 ms左右，溫濕度傳感器的初始響應時間是6～30 s。在圖形化編程過程中，單純的信息顯示采用間隔1 s采集信息一次，通過循環語句的執行時讓主控板與傳感器之間有頻率匹配的間歇，符合人性化的信息采集需求，也防止無時間控制干預下的硬件發熱現象。

1.2" 有效預留等待時間

根據具體的應用場景和需求，選擇合適的時間庫函數并結合硬件控制的需求進行編程，在程序中有時需要進行一些延時操作，如等待傳感器穩定、執行某項功能后需要等待一段時間等。如掌控板在Mind+編程環境下，擴展導入網絡模塊連接到Wi-Fi網絡，需要“等待直到”網絡連接成功。在實踐中，程序需要等待網絡連接建立、傳感器讀數穩定后才能執行下一步操作。設置等待時間后，要確保程序正確地執行后續操作、訪問所需網絡資源。

再如擴展導入物聯網模塊時，會出現需要“等待直到”的設置。在連接物聯網設備時，要確保有足夠的等待時間應對網絡延遲或網絡不穩定的情況，保障連接的順利進行。一些物聯網設備需要一定時間響應連接請求，因此，設置等待時間非常重要，不僅可以為建立連接提供額外的時間，確保在嘗試連接之后給設備充分的響應時間，而且超時后，通過重試機制，可以多次持續嘗試連接，直至成功建立連接。這樣可以提高物聯網應用程序的穩定性和可靠性，避免連接過程中的各種異常情況。此外，基于MQTT協議的物聯網雙向信息交流，發送消息也需要預留等待時間，否則會出現數據丟失或卡頓。

在考慮硬件反應時間和真實環境中的不確定因素后，加入適當的時間等待控制，需要進行狀態監測，掌握當前運行階段。如基于ESP32和ESP8266的掌控板，在連接Wi-Fi網絡或是物聯網過程中，需要在屏幕上監督連接狀態并跟蹤動作運行實時情況。加入屏顯信息內容，如“正在連接中……”“網絡連接成功”等，通過實時交互顯示設置，讓用戶能夠及時了解當前狀態，提前掌握操作反應情況，及時發現、排查異常問題。

1.3" 優化硬件編程的時間算法

雖然計算機能快速完成運算處理，但開源硬件的計算處理能力相對有限，輸入數據的規模和算法效率都會顯著影響處理器資源。因此，為了確保程序能夠高效運行，必須著重考慮算法效率。時間復雜度（評估執行程序所需的時間）和空間復雜度（評估執行程序所需的存儲空間）是衡量算法效率的主要指標，決定了程序對處理器和計算機內存的使用程度。設計算法時，要先考慮系統環境，然后權衡時間復雜度和空間復雜度，選取一個平衡點。

開源硬件的程序編寫過程中，算法執行所耗費的時間不僅取決于算法本身的效率，還受到硬件反應時間、物聯網等多方面因素的綜合影響，需要通過實驗操作進行測算，尋找更優化的算法。同時，算法執行所耗費的時間與算法中語句的執行次數成正比，特別是多重循環和函數嵌套調動等，會占用運行內存空間，影響硬件對各種資源（如處理器、內存等）的利用方式。

優化算法可以提高開源硬件的性能，顯著提升硬件的運行效率，進而更高效地執行任務。一些算法還可以幫助硬件在執行任務時降低功耗，這對于移動設備或電池供電的設備尤為重要。算法的設計應盡可能充分利用并行處理能力。對于多核處理器或GPU等硬件，合理的算法設計能夠更有效地實現并行計算，顯著提升運行效率。

2" 基于開源硬件的時間控制策略

在基于開源硬件的算法設計和具體編程開始之前，要制定一個明確的計劃，確定每個階段需要完成的任務和相應的時間分配，保證整個編程時間控制在預定的時間框架內。通過優化編程代碼，盡量減少循環和計算次數，提高程序的運行效率和響應速度。利用多線程技術，將不同的任務分配給不同的線程，實現并行處理，提高整體的反應速度。合理使用緩存減少數據的讀取和寫入次數，減少硬件訪問的延遲。在適當的時機提前加載數據或進行必要的計算，減少實際需要響應的時間。編程過程中應定期進行時間管理的反思與調整，評估是否能夠按計劃完成工作。如果出現偏差，需要找到原因并調整時間控制策略。根據硬件的特性和性能需求，調整硬件的參數設置，如時鐘頻率、緩存大小等，從而獲得更好的響應時間性能。

2.1" 軟硬件匹配運行過程中的時間設置

在開源硬件的算法設計中，通常會將軟硬件配合與運行評價視為一個整體，實現緊密集成與協同工作，不能將它們視為相互獨立的兩個部分。緊密集成和配合讓開源硬件在軟件設計使用過程中具有更大的靈活性和定制性。首先，要了解硬件的性能指標，包括處理速度、存儲容量、傳輸帶寬等參數，這些指標直接影響程序的執行效率和響應速度；其次，要考慮硬件設備的傳輸反應時間，即數據輸入和輸出的延遲情況，以便在編寫程序時進行合理的優化和預處理；最后，要預判硬件可能存在的故障和錯誤，設計相應的容錯機制，及時處理異常情況并采取必要的應急措施。

2.2" 兼顧穩定性與運行效率

確保硬件在長時間運行和重復使用中保持穩定和高效，首先，需要綜合考量、分析硬件組件的質量、耐用性與散熱能力等因素，避免程序編寫和運行過程中受到意外因素的影響；其次，需要關注硬件與特定程序或編程語言的兼容性，包括對硬件接口、數據傳輸速率等方面的檢驗，確保在編寫程序時可以順利地與硬件進行交互和通信；再次，需要關注硬件在程序運行過程中對異常情況的處理能力，包括對輸入錯誤、通信故障、傳感器故障等情況的應對機制，保障程序穩定運行，并提供適當的錯誤提示和處理措施；最后，需要關注硬件在程序編寫過程中的性能表現，進行必要的監測和優化，包括對硬件資源占用情況、功耗、響應速度等指標的評估和改進，確保程序能夠在硬件上穩定、高效地運行。

2.3" 注重開源硬件效率的整體規劃

開源硬件在程序編寫過程中，通過提供詳盡的文檔和豐富的示例代碼，可以顯著提升開發和調試的效率。如開源硬件社區提供了大量的資源和支持，可以幫助開發者快速解決問題并加快開發進度。開源硬件通常具有良好的兼容性，可以與多種開發環境和工具無縫集成，降低開發者在配置和適配硬件方面的時間投入。開源硬件具有的豐富功能模塊和接口，可以通過簡單的引用庫或API快速實現復雜的功能，提高開發效率。此外，開發者社區可以為開發者提供寶貴的建議和指導，幫助開發者在編寫程序時避免常見的錯誤和陷阱，節約調試和修改程序的時間，讓開發者更專注于程序本身的邏輯和功能。

注重開源硬件效率的整體規劃，還需要從全局規劃設計上明確項目目標與需求，清晰界定開源硬件的使用場景，確定硬件必須實現的功能和性能指標。如用于數據采集的開源硬件，要明確采集數據的類型（模擬量、數字量）、精度、采樣頻率等。遵循模塊化編程思想，將程序按功能劃分為獨立模塊，每個模塊負責特定任務，如數據采集、數據處理、通信等，不僅可以提高代碼可讀性，還方便后續維護與功能擴展。針對數據處理任務，選擇或設計高效算法，避免使用復雜度高、效率低的算法，以減少計算時間和資源消耗。

3" 時間控制在編程過程中的教育價值

在編程中，時間控制是一項重要技能，涉及合理安排和管理任務的執行順序與時間消耗，而這種時間控制邏輯在啟發學生的計算思維中發揮著重要作用。在教學過程中應借助開源硬件的整體應用開發，讓學生體驗過程與控制的場景，驗證解決問題的過程，并將所學遷移到其他問題的解決中，初步具備應用信息科技解決問題的能力[2]。

3.1" 理解抽象概念和培養邏輯思維

時間控制要求學生在編程過程中明確各個任務的執行順序，評估任務執行所需時間，并在程序中合理安排這些任務的執行順序，考慮代碼的執行順序、時間間隔與事件觸發時間，設計解決問題的方法和步驟的算法。這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，讓他們學會從整體上思考問題，分析任務之間的關聯與依賴關系，將復雜的問題分解成簡單的步驟，學會組織和表達清晰的思維，逐步提高邏輯推理能力，增強創造力。

3.2" 培養時間管理能力

良好的時間管理能力可以幫助學生更好地平衡學業、社交活動和個人興趣愛好。有效地管理時間能避免因時間壓力而產生的焦慮和壓力，擺脫焦慮情緒，有利于保持心理健康，提高學習效率。時間管理能力幫助學生養成自律和計劃性的習慣，學會合理分配、安排時間和任務，能夠培養學生的自律性和責任感，給任務設定清晰明確的目標和優先級，提高效率，確保在規定時間內完成工作。良好的時間管理能力對學生未來職業發展和生活至關重要。

3.3" 提高實踐問題解決能力

學生在處理時間控制問題的過程中需要應對各種問題的挑戰有利于培養問題解決能力和創造性思維，思考如何利用時間控制來實現特定的功能和效果。通過將時間控制與硬件實際情況相結合，引導學生將編程應用于實際問題的解決和創新，培養實際應用能力和對技術的深入理解。時間控制要求在限定時間內高效完成任務，因此，學生不僅要具備分析問題和制定解決方案的能力，還要能將其轉化為實際可運行的程序。在編程實踐中，學生需要反復嘗試、調整和優化時間控制設計，培養耐心、毅力和堅韌不拔的品質。此外，基于開源硬件算法設計中的時間控制還能激發學生的創新思維，促使他們不斷探索新的可能性，提升對技術發展的敏感度和創新意識。

4" 結束語

隨著人工智能和物聯網的發展，時間的精確控制和管理在智能設備、自動化系統和實時數據處理中變得至關重要。未來的時間控制模塊會更加智能化，具備更加精確的時間同步技術。新課標背景下的信息科技教育，基于開源硬件算法設計中的時間控制既是一種技巧策略，也是一種意識和素養。在人才培養面臨新挑戰的背景下，要切實落實新課標中的教育要求，培養學生適應未來發展的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，確保課程育人導向的有效實施[3]。

5" 參考文獻

[1] 邢東洋.超聲波雷達預警系統的設計和實現[J].科學技術創新，2022（10）：185-188.

[2] 吳蘭岸，莫雅晶，李香勇，等.義務教育信息科技課程的時代價值、實踐邏輯與現實挑戰[J].教學與管理，2024（6）：87-91.

[3] 劉向永.義教信息科技新課程實施：過程與控制教學[J].中國信息技術教育，2023（9）：4.

*項目來源：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）。

作者簡介：楊炳會，高級教師，省級骨干教師。