基于时序控制优化计算思维训练的策略与实践

摘要：本文提出，在落实《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的过程中，应引导学生深入对时序控制解决问题能力的理解和应用，用项目式、模块化的方式切割分解、组合、重复子问题，发现问题解决中的规律和模式，在线性化的流程模式中求解复杂问题，以真实问题或项目驱动，建构知识，提升问题解决能力。通过对时间控制、执行顺序、变化趋势、应激驱动的思考，完成对学生计算思维的训练和提升，并将其迁移用于解决其他问题，为后续复杂算法的应用、计算思维的高阶发展打下坚实的基础。

关键词：时序控制；算法；计算思维

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）23-0000-04

引言

时序控制是与时间控制命令模块相关和关注时间顺序或事件序列处理的技术，时序控制过程涉及对事件、动作或任务进程按顺序组织和执行。时序算法是实现时序控制的算法，偏向与时间相关的数据进行趋势预测、实时系统和事件驱动、周期性分析、并发控制顺序执行操作特征，包括股票价格、温度记录或网络流量和自动驾驶汽车中的障碍物检测和避免，以及硬件精准测控下的应激反应时间、多传感器间协调的先后执行顺序等，适合训练学生的计算思维，培养学生的时间观念，帮助学生理解程序结构，提升自动化、系统化思维逻辑，塑造条理清晰的解决问题风格。

在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）中，学科逻辑主线之一的“算法”，是学习和掌握解决问题的思路和方法，理解、设计、实施算法的思维过程即计算思维，它强调问题求解的操作过程和机器实现，其本质是抽象和自动化。在计算思维的培养、训练和提升过程中，顺序执行有利于增强学生的理解和逻辑思维能力，时间命令模块控制下的程序设计有利于学生对软硬件间输出结果的信息交互与科学原理的理解，特别是图形化编程中积木式模块指令的累积以及开源硬件数字化创新过程中程式化的呈现与表达。在这种自上而下的顺序化解决问题最基本的算法结构中，时序控制用项目式、模块化的方式切割分解、组合、重复子问题，发现问题解决中的规律和模式，在线性化的流程模式中求解复杂问题，为后续复杂算法的应用、计算思维的高阶发展打下坚实的基础。

时序控制的教学实践应用

在利用传感器与环境的数据信息交互中，会产生系列化的源码信息，在获取、分析、应用、分享的过程中，大量数据被逐一进行遍历处理，而以数字形式表达信息及其应用背后的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现，是信息科技学科教学的重点。这其中时序控制和时序算法的理解与应用，能加强对计算思维的锻炼与提升。在常见的图形化编程中，条件控制语句、循环语句等组成顺序化执行的基本单元，“等待1秒”“等待直到”的命令模块以及时钟控制等模块语句实现了时间控制的功能。在教学实践中引入时间和顺序的观念可以引导学生掌握问题解决的全过程，理解简单算法，还可以训练和发展学生的计算思维。递归是一种特殊的时序控制形式，函数递归是函数自身调用自身，通过分解问题为子问题提供解决复杂问题的有效方法，引入递归可以帮助学生理解如何将大问题分解成可管理的小问题。在某些情况下，算法的执行可能由外部事件触发，而不是简单的顺序执行。在多线程或分布式系统中，多个任务可能同时执行，这需要对同步和异步操作有深入的理解。合适的时间控制，在问题描述和解决过程中，是一种初步的逻辑思维，即从整体系统层面去思考项目全过程中的逻辑性、严谨性和全面性。在数智化作品中应体现“以人为本，服务至上”的设计理念，照顾到每一个相关主体参数和每一个执行细节，以及与自动化智能硬件的匹配度，让人机对话界面和机器硬件动作更接近人性化需求。这些细节性基础项目算法设计，为学生后续解决复杂问题做了铺垫。加强对时序控制的理解和训练，是一个入门的计算思维的训练过程，理解顺序逻辑，逐渐形成流程化的意识习惯，提高学生的思维能力，是计算思维前期养成和训练的基础。

时序控制与计算思维训练

1.认识与抽象

在新课标学段目标中，第一学段的内容有“信息交流与分享”“信息隐私与安全”和“数字设备体验”。这一学段的教学，应在全新的数字化环境中，让学生适应信息交流与分享方式、思维方式，形成操作行为规范意识。①通过生活中的扫码点餐、刷脸进门等案例，启发“条件”触动下的数字设备应用，渗透选择判断和条件循环的编程结构和算法基础。②从用图符的方式进行情感表达，过渡到用图符表达解题过程和实施步骤的线性流程，再上升到过程与算法流程图的基础表达等，使学生逐步接受用图符来抽象并描述事物和项目问题。③通过“如何管理自己生活中的各种信息”，进一步了解信息的多种表示方式以及数据存在的形式，初步具备管理信息的能力，训练信息管理与控制的意识。④体验数字设备解决问题的过程，通过智能可穿戴设备（如智能手环、智能衣物、智能纽扣）、智能电子设备等，开拓学生视野，加深对数字社会下新的思维方式的理解。⑤对给定的简单任务，能识别任务实施的主要步骤，在实际应用中，能按照操作流程使用数字设备，并能说出操作步骤。这样要求的目的是进行抽象化，以及用步骤的概念来代替计算程序结构的时间先后顺序逻辑，形成操作和设计的思维萌芽（计算思维得以启迪并初步应用）。在这一学段的教学中，教师应在认识的基础上进行抽象，概括出事物的本质规律，并在抽象的过程中进行创新与创造，使学生摆脱固有思维定式。

2.选择与分解

第二学段的内容有“在线学习与生活”“数据与编码”和“数据编码探秘”。在这一学段中要求学生能根据需要选用合适的数字设备解决问题，并简单地说明理由，将问题进行分解，并用文字或图示进行描述。在选用合适的数字设备后简单地说明理由，是语言组织的过程，即思维过程中生成的外在表达和输出结果的呈现。用文字或图示描述也是在训练学生进行问题的分解、抽象、逻辑化思维的过程。在简单问题解决的过程中，形成分解问题的意识，用逻辑图例说明观点，按照一定的规则表达与交流信息，是内化后形成的自我知识与经验，把问题划分是计算思维中的分解理念，也是这一学段计算思维培养目标中的重点。在这一学段的教学中，教师应通过多个内容的学习与实践，让学生学会在解决问题的过程中理解条件选择，并根据选择的理由呈现出选择的结果，同时不断将问题进行分解细化，逐步训练计算思维。

3.算法与过程

第三学段的内容有“身边的算法”“过程与控制”和“小型系统模型”。在这一学段的教学中，应通过生活中的实例，了解算法的特征和效率。用自然语言、流程图等方式描述算法，其中流程图以直观表达思路的优势帮助理解程序，即将问题细分为多个实质性的问题片段，并生成实施步骤，形成算法结构化控制过程，直接将算法的设计与实现应用在知识与能力的实现过程中，形成计算思维密集提升阶段。

4.综合与迁移

第四学段的内容有“互联网应用与创新”“物联网实践与探索”“人工智能与智慧社会”和“互联智能设计”。在互联网以及物联网中，进一步检验数据处理和应用的方法与过程，理解人工智能，运用计算思维方法解决学习和生活中的各种问题，并能迁移到其他更多相似的场景应用中，这是复杂计算思维的生成。在这一学段的教学中，不再是生活中已有情境的模仿，不再要求对细节技能的熟练程度以及理解细节的处理方法等，教师应开始“尝试创作”，引导学生动脑筋思考，发挥能力进行“原始创新”，开启抽象、模型建立、构思的高阶思维。

时序控制与计算思维的提升

随着人工智能和物联网的发展，在智能设备、自动化系统和实时数据处理中，时序控制特别是对时间的精确控制和管理将是关键。未来的时序控制设计将更加智能化，包括对时区、夏令时和日期格式的智能识别和处理，更加精确的时间同步技术，以确保各种设备和系统的时间一致性，以及对时间序列数据和模式的预测和分析能力，包括无人驾驶、万物互联、物流链等，以支持更复杂的时间相关任务和决策。为适应时代要求，把握学习提升的机会，在教育实践过程中，教师应利用时序控制，有效启发和提升学生的计算思维。

1.对时间控制的思考

时间控制考虑任务执行所需的时间间隔、事件的触发时间以及设计解决问题的效率。它既涉及代码层面的具体实现，也涉及整体架构的设计。时间控制意味着需要考虑如何在有限的时间内完成任务，这要求能够有效地分析问题、制订解决方案，并将其转化为可执行的程序，通过编程中的时间控制，学生需要不断尝试、调整和优化时间控制的方法，反复试验和调试，学会解决问题，并培养耐心和毅力。在利用时间控制进行程序设计的过程中，应鼓励学生进行创新，以提高他们的创新意识和对技术发展的敏感度。在具体的应用情境下，教师应引导学生巧妙处理时间控制问题涉及的各种问题，积极思考如何利用时间控制来实现特定的功能和效果，将问题中关于时间的序列用线性化的手段分解，从中提炼规律性和价值呈现的算法，从而培养学生的问题解决能力和创造性思维。

2.对执行顺序的思考

顺序控制遵循“顺理而有序、和谐而不紊乱”的逻辑，有些事情前后存在依赖、解锁等逻辑关系。时序设计的逻辑性表现为有条理的思考方式，以时间先后顺序进行统筹有助于培养学生的逻辑思维和对时间概念的抽象理解能力。从整体上思考问题，分析任务之间的关联与依赖关系，让学生学会将复杂的问题分解为简单的步骤，学会组织和表达清晰的思维，有助于培养学生的逻辑推理能力以及创造力。在解决问题的过程中，在明确问题后，收集信息，理解情境并确定需要解决的具体问题，分析问题的根源和本质，列出可能的解决方案，即进行初步的简单算法设计。对中小学生来说，学习时序算法，建立简单时间系列的模型理念，以及初步建立问题思考框架与模型化、项目式解决问题的思维方式，有益于培养对抽象问题进行分解的能力。

3.对变化趋势的思考

在时序控制下对已有数据进行对比分析，延伸事务发展的预测与估算，是高阶思维能力的体现。简单预测一个变量与一个自变量之间的关系，是一种线性方程算法，在自动化实现过程中将数学思维转化到计算思维上来，易于系统实现。时序算法应用于多个行业领域，如在解决公共场所的拥挤问题中易拥堵点人流的监控，采用了一种基于ARIMA时间序列算法的人口流量密度的预测模型，用于预测公共交通进出站点人流情况及运营路线情况，达到公共交通的“智慧调度”。再如，将Microsoft时序算法应用在趋势分析及预测预警系统中。

4.对应激驱动的思考

随着数智化水平的不断提升，服务型机器人、协作机器人、自我学习机器人以及一些超大规模应用系统在人机对话交流、应激驱动反应方面各树一帜，凸显了人性化的应激表达，应激驱动的动作灵敏而稳重。从设计思维角度考量，既要符合人性化要求，又要符合机器自动化的执行，这些综合性的设计，是算法统筹下的一种高阶思维（计算思维）的具体应用。另外，多种多样的传感器捕获的大量数据，是对外界环境的应激反馈。这其中条件判断是应激驱动的依据，机器思维处理问题是在不断地选择判断，最终确认输出结果。基于数字化智能主体的应激驱动设计，是不断尝试应用逻辑规则来分析解决问题并设计算法方案，以及根据已知的大数据规则做出合理的结论与预测的过程。对学生来说，应激驱动的思考过程，也是对其计算思维不断训练、养成、提升和高阶应用的过程。

结语

在教学实践中，基于时序控制的教学实施，应将计算思维核心素养渗透到每个教学环节中，从具象的知识和技能中细化计算思维的训练、培养、发展和提升，以最终落实课程育人目标，使学生更好地适应数字时代的社会发展要求。

参考文献：

[1]杨晓哲，刘昕.面向数字素养的义务教育信息科技课程[J].全球教育展望，2022（06）：109-117.

[2]李锋.义务教育信息科技课程“新”在哪[J].中国信息技术教育，2022（11）：9-10.

[3]中华人民共和国教育部.教育部关于印发义务教育课程方案和课程标准（2022年版）的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A26/s8001/202204/t20220420_619921.html.

[4]赵天成，王玉潇，王国臣.基于ARIMA时序算法的车站人流密度预测模型[J].数字通信世界，2020（03）：26-28.

[5]段晓波，高晶晶，胡文平，等.基于Microsoft时序算法的电容器组电容预测及预警[J].电力电容器与无功补偿，2017，38（01）：22-27+34.

[6]徐琴，韩洁.Microsoft时序算法在电子商城中的应用研究[J].电脑知识与技术，2016（04）：243-244.

作者简介：杨炳会，中学高级教师，省级名师网络工作室主持人，研究方向为编程教育、人工智能教育。张玲，宁夏大学教育学院教授，硕士生导师，研究方向为教育技术学基本理论与实践、教育信息化发展与绩效评估、教师专业发展研究与实践等。

本文系宁夏第七届基础教育教学课题“新课标下信息科技跨学科主题的实践研究”研究成果（课题编号：JXKT-JC-07-050）。