基于時序控制優(yōu)化計算思維訓(xùn)練的策略與實踐

摘要：本文提出，在落實《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的過程中，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生深入對時序控制解決問題能力的理解和應(yīng)用，用項目式、模塊化的方式切割分解、組合、重復(fù)子問題，發(fā)現(xiàn)問題解決中的規(guī)律和模式，在線性化的流程模式中求解復(fù)雜問題，以真實問題或項目驅(qū)動，建構(gòu)知識，提升問題解決能力。通過對時間控制、執(zhí)行順序、變化趨勢、應(yīng)激驅(qū)動的思考，完成對學(xué)生計算思維的訓(xùn)練和提升，并將其遷移用于解決其他問題，為后續(xù)復(fù)雜算法的應(yīng)用、計算思維的高階發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：時序控制；算法；計算思維

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)和關(guān)注時間順序或事件序列處理的技術(shù)，時序控制過程涉及對事件、動作或任務(wù)進(jìn)程按順序組織和執(zhí)行。時序算法是實現(xiàn)時序控制的算法，偏向與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢預(yù)測、實時系統(tǒng)和事件驅(qū)動、周期性分析、并發(fā)控制順序執(zhí)行操作特征，包括股票價格、溫度記錄或網(wǎng)絡(luò)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(zhǔn)測控下的應(yīng)激反應(yīng)時間、多傳感器間協(xié)調(diào)的先后執(zhí)行順序等，適合訓(xùn)練學(xué)生的計算思維，培養(yǎng)學(xué)生的時間觀念，幫助學(xué)生理解程序結(jié)構(gòu)，提升自動化、系統(tǒng)化思維邏輯，塑造條理清晰的解決問題風(fēng)格。

在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）中，學(xué)科邏輯主線之一的“算法”，是學(xué)習(xí)和掌握解決問題的思路和方法，理解、設(shè)計、實施算法的思維過程即計算思維，它強(qiáng)調(diào)問題求解的操作過程和機(jī)器實現(xiàn)，其本質(zhì)是抽象和自動化。在計算思維的培養(yǎng)、訓(xùn)練和提升過程中，順序執(zhí)行有利于增強(qiáng)學(xué)生的理解和邏輯思維能力，時間命令模塊控制下的程序設(shè)計有利于學(xué)生對軟硬件間輸出結(jié)果的信息交互與科學(xué)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(shù)字化創(chuàng)新過程中程式化的呈現(xiàn)與表達(dá)。在這種自上而下的順序化解決問題最基本的算法結(jié)構(gòu)中，時序控制用項目式、模塊化的方式切割分解、組合、重復(fù)子問題，發(fā)現(xiàn)問題解決中的規(guī)律和模式，在線性化的流程模式中求解復(fù)雜問題，為后續(xù)復(fù)雜算法的應(yīng)用、計算思維的高階發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

時序控制的教學(xué)實踐應(yīng)用

在利用傳感器與環(huán)境的數(shù)據(jù)信息交互中，會產(chǎn)生系列化的源碼信息，在獲取、分析、應(yīng)用、分享的過程中，大量數(shù)據(jù)被逐一進(jìn)行遍歷處理，而以數(shù)字形式表達(dá)信息及其應(yīng)用背后的科學(xué)原理、思維方法、處理過程和工程實現(xiàn)，是信息科技學(xué)科教學(xué)的重點。這其中時序控制和時序算法的理解與應(yīng)用，能加強(qiáng)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(huán)語句等組成順序化執(zhí)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(xiàn)了時間控制的功能。在教學(xué)實踐中引入時間和順序的觀念可以引導(dǎo)學(xué)生掌握問題解決的全過程，理解簡單算法，還可以訓(xùn)練和發(fā)展學(xué)生的計算思維。遞歸是一種特殊的時序控制形式，函數(shù)遞歸是函數(shù)自身調(diào)用自身，通過分解問題為子問題提供解決復(fù)雜問題的有效方法，引入遞歸可以幫助學(xué)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(zhí)行可能由外部事件觸發(fā)，而不是簡單的順序執(zhí)行。在多線程或分布式系統(tǒng)中，多個任務(wù)可能同時執(zhí)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(tǒng)層面去思考項目全過程中的邏輯性、嚴(yán)謹(jǐn)性和全面性。在數(shù)智化作品中應(yīng)體現(xiàn)“以人為本，服務(wù)至上”的設(shè)計理念，照顧到每一個相關(guān)主體參數(shù)和每一個執(zhí)行細(xì)節(jié)，以及與自動化智能硬件的匹配度，讓人機(jī)對話界面和機(jī)器硬件動作更接近人性化需求。這些細(xì)節(jié)性基礎(chǔ)項目算法設(shè)計，為學(xué)生后續(xù)解決復(fù)雜問題做了鋪墊。加強(qiáng)對時序控制的理解和訓(xùn)練，是一個入門的計算思維的訓(xùn)練過程，理解順序邏輯，逐漸形成流程化的意識習(xí)慣，提高學(xué)生的思維能力，是計算思維前期養(yǎng)成和訓(xùn)練的基礎(chǔ)。

時序控制與計算思維訓(xùn)練

1.認(rèn)識與抽象

在新課標(biāo)學(xué)段目標(biāo)中，第一學(xué)段的內(nèi)容有“信息交流與分享”“信息隱私與安全”和“數(shù)字設(shè)備體驗”。這一學(xué)段的教學(xué)，應(yīng)在全新的數(shù)字化環(huán)境中，讓學(xué)生適應(yīng)信息交流與分享方式、思維方式，形成操作行為規(guī)范意識。①通過生活中的掃碼點餐、刷臉進(jìn)門等案例，啟發(fā)“條件”觸動下的數(shù)字設(shè)備應(yīng)用，滲透選擇判斷和條件循環(huán)的編程結(jié)構(gòu)和算法基礎(chǔ)。②從用圖符的方式進(jìn)行情感表達(dá)，過渡到用圖符表達(dá)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(chǔ)表達(dá)等，使學(xué)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(jìn)一步了解信息的多種表示方式以及數(shù)據(jù)存在的形式，初步具備管理信息的能力，訓(xùn)練信息管理與控制的意識。④體驗數(shù)字設(shè)備解決問題的過程，通過智能可穿戴設(shè)備（如智能手環(huán)、智能衣物、智能紐扣）、智能電子設(shè)備等，開拓學(xué)生視野，加深對數(shù)字社會下新的思維方式的理解。⑤對給定的簡單任務(wù)，能識別任務(wù)實施的主要步驟，在實際應(yīng)用中，能按照操作流程使用數(shù)字設(shè)備，并能說出操作步驟。這樣要求的目的是進(jìn)行抽象化，以及用步驟的概念來代替計算程序結(jié)構(gòu)的時間先后順序邏輯，形成操作和設(shè)計的思維萌芽（計算思維得以啟迪并初步應(yīng)用）。在這一學(xué)段的教學(xué)中，教師應(yīng)在認(rèn)識的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽象，概括出事物的本質(zhì)規(guī)律，并在抽象的過程中進(jìn)行創(chuàng)新與創(chuàng)造，使學(xué)生擺脫固有思維定式。

2.選擇與分解

第二學(xué)段的內(nèi)容有“在線學(xué)習(xí)與生活”“數(shù)據(jù)與編碼”和“數(shù)據(jù)編碼探秘”。在這一學(xué)段中要求學(xué)生能根據(jù)需要選用合適的數(shù)字設(shè)備解決問題，并簡單地說明理由，將問題進(jìn)行分解，并用文字或圖示進(jìn)行描述。在選用合適的數(shù)字設(shè)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(dá)和輸出結(jié)果的呈現(xiàn)。用文字或圖示描述也是在訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)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(guī)則表達(dá)與交流信息，是內(nèi)化后形成的自我知識與經(jīng)驗，把問題劃分是計算思維中的分解理念，也是這一學(xué)段計算思維培養(yǎng)目標(biāo)中的重點。在這一學(xué)段的教學(xué)中，教師應(yīng)通過多個內(nèi)容的學(xué)習(xí)與實踐，讓學(xué)生學(xué)會在解決問題的過程中理解條件選擇，并根據(jù)選擇的理由呈現(xiàn)出選擇的結(jié)果，同時不斷將問題進(jìn)行分解細(xì)化，逐步訓(xùn)練計算思維。

3.算法與過程

第三學(xué)段的內(nèi)容有“身邊的算法”“過程與控制”和“小型系統(tǒng)模型”。在這一學(xué)段的教學(xué)中，應(yīng)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(dá)思路的優(yōu)勢幫助理解程序，即將問題細(xì)分為多個實質(zhì)性的問題片段，并生成實施步驟，形成算法結(jié)構(gòu)化控制過程，直接將算法的設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)用在知識與能力的實現(xiàn)過程中，形成計算思維密集提升階段。

4.綜合與遷移

第四學(xué)段的內(nèi)容有“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”“物聯(lián)網(wǎng)實踐與探索”“人工智能與智慧社會”和“互聯(lián)智能設(shè)計”。在互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)一步檢驗數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的方法與過程，理解人工智能，運(yùn)用計算思維方法解決學(xué)習(xí)和生活中的各種問題，并能遷移到其他更多相似的場景應(yīng)用中，這是復(fù)雜計算思維的生成。在這一學(xué)段的教學(xué)中，不再是生活中已有情境的模仿，不再要求對細(xì)節(jié)技能的熟練程度以及理解細(xì)節(jié)的處理方法等，教師應(yīng)開始“嘗試創(chuàng)作”，引導(dǎo)學(xué)生動腦筋思考，發(fā)揮能力進(jìn)行“原始創(chuàng)新”，開啟抽象、模型建立、構(gòu)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(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在智能設(shè)備、自動化系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)處理中，時序控制特別是對時間的精確控制和管理將是關(guān)鍵。未來的時序控制設(shè)計將更加智能化，包括對時區(qū)、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(shù)，以確保各種設(shè)備和系統(tǒng)的時間一致性，以及對時間序列數(shù)據(jù)和模式的預(yù)測和分析能力，包括無人駕駛、萬物互聯(lián)、物流鏈等，以支持更復(fù)雜的時間相關(guān)任務(wù)和決策。為適應(yīng)時代要求，把握學(xué)習(xí)提升的機(jī)會，在教育實踐過程中，教師應(yīng)利用時序控制，有效啟發(fā)和提升學(xué)生的計算思維。

1.對時間控制的思考

時間控制考慮任務(wù)執(zhí)行所需的時間間隔、事件的觸發(fā)時間以及設(shè)計解決問題的效率。它既涉及代碼層面的具體實現(xiàn)，也涉及整體架構(gòu)的設(shè)計。時間控制意味著需要考慮如何在有限的時間內(nèi)完成任務(wù)，這要求能夠有效地分析問題、制訂解決方案，并將其轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的程序，通過編程中的時間控制，學(xué)生需要不斷嘗試、調(diào)整和優(yōu)化時間控制的方法，反復(fù)試驗和調(diào)試，學(xué)會解決問題，并培養(yǎng)耐心和毅力。在利用時間控制進(jìn)行程序設(shè)計的過程中，應(yīng)鼓勵學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新，以提高他們的創(chuàng)新意識和對技術(shù)發(fā)展的敏感度。在具體的應(yīng)用情境下，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)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(xiàn)特定的功能和效果，將問題中關(guān)于時間的序列用線性化的手段分解，從中提煉規(guī)律性和價值呈現(xiàn)的算法，從而培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)造性思維。

2.對執(zhí)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(guān)系。時序設(shè)計的邏輯性表現(xiàn)為有條理的思考方式，以時間先后順序進(jìn)行統(tǒng)籌有助于培養(yǎng)學(xué)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(wù)之間的關(guān)聯(lián)與依賴關(guān)系，讓學(xué)生學(xué)會將復(fù)雜的問題分解為簡單的步驟，學(xué)會組織和表達(dá)清晰的思維，有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力以及創(chuàng)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(zhì)，列出可能的解決方案，即進(jìn)行初步的簡單算法設(shè)計。對中小學(xué)生來說，學(xué)習(xí)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(yǎng)對抽象問題進(jìn)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(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，延伸事務(wù)發(fā)展的預(yù)測與估算，是高階思維能力的體現(xiàn)。簡單預(yù)測一個變量與一個自變量之間的關(guān)系，是一種線性方程算法，在自動化實現(xiàn)過程中將數(shù)學(xué)思維轉(zhuǎn)化到計算思維上來，易于系統(tǒng)實現(xiàn)。時序算法應(yīng)用于多個行業(yè)領(lǐng)域，如在解決公共場所的擁擠問題中易擁堵點人流的監(jiān)控，采用了一種基于ARIMA時間序列算法的人口流量密度的預(yù)測模型，用于預(yù)測公共交通進(jìn)出站點人流情況及運(yùn)營路線情況，達(dá)到公共交通的“智慧調(diào)度”。再如，將Microsoft時序算法應(yīng)用在趨勢分析及預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)中。

4.對應(yīng)激驅(qū)動的思考

隨著數(shù)智化水平的不斷提升，服務(wù)型機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、自我學(xué)習(xí)機(jī)器人以及一些超大規(guī)模應(yīng)用系統(tǒng)在人機(jī)對話交流、應(yīng)激驅(qū)動反應(yīng)方面各樹一幟，凸顯了人性化的應(yīng)激表達(dá)，應(yīng)激驅(qū)動的動作靈敏而穩(wěn)重。從設(shè)計思維角度考量，既要符合人性化要求，又要符合機(jī)器自動化的執(zhí)行，這些綜合性的設(shè)計，是算法統(tǒng)籌下的一種高階思維（計算思維）的具體應(yīng)用。另外，多種多樣的傳感器捕獲的大量數(shù)據(jù)，是對外界環(huán)境的應(yīng)激反饋。這其中條件判斷是應(yīng)激驅(qū)動的依據(jù)，機(jī)器思維處理問題是在不斷地選擇判斷，最終確認(rèn)輸出結(jié)果?；跀?shù)字化智能主體的應(yīng)激驅(qū)動設(shè)計，是不斷嘗試應(yīng)用邏輯規(guī)則來分析解決問題并設(shè)計算法方案，以及根據(jù)已知的大數(shù)據(jù)規(guī)則做出合理的結(jié)論與預(yù)測的過程。對學(xué)生來說，應(yīng)激驅(qū)動的思考過程，也是對其計算思維不斷訓(xùn)練、養(yǎng)成、提升和高階應(yīng)用的過程。

結(jié)語

在教學(xué)實踐中，基于時序控制的教學(xué)實施，應(yīng)將計算思維核心素養(yǎng)滲透到每個教學(xué)環(huán)節(jié)中，從具象的知識和技能中細(xì)化計算思維的訓(xùn)練、培養(yǎng)、發(fā)展和提升，以最終落實課程育人目標(biāo)，使學(xué)生更好地適應(yīng)數(shù)字時代的社會發(fā)展要求。

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作者簡介：楊炳會，中學(xué)高級教師，省級名師網(wǎng)絡(luò)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(xué)教育學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為教育技術(shù)學(xué)基本理論與實踐、教育信息化發(fā)展與績效評估、教師專業(yè)發(fā)展研究與實踐等。

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