摘" 要：新課標(biāo)背景下的開源硬件算法設(shè)計教學(xué)中，要考慮時間控制問題，注重算法編程與硬件的連接執(zhí)行、軟硬件的銜接和協(xié)調(diào)、硬件的響應(yīng)速度和執(zhí)行效率問題，特別是時間編程模塊的有效應(yīng)用和控制。教學(xué)中要加強(qiáng)對學(xué)生時序控制的計算思維的鍛煉，讓學(xué)生理解抽象概念，提高邏輯思維和時間管理能力，引導(dǎo)學(xué)生將編程應(yīng)用于實際問題的解決和創(chuàng)新，提升適應(yīng)未來發(fā)展需要的必備素養(yǎng)。

關(guān)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(fā)揮著重要的作用，為教與學(xué)開辟了相對簡單的途徑，為完成《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(xué)生計算思維能力品質(zhì)。在開源硬件教學(xué)實踐過程中，要注重算法編程、機(jī)器語言編譯與硬件的連接執(zhí)行，也不能忽略軟硬件的銜接和協(xié)調(diào)以及硬件的響應(yīng)速度與執(zhí)行效率問題，尤其要重視時間編程模塊的有效應(yīng)用和控制，加強(qiáng)對學(xué)生時序控制的計算思維的鍛煉，注重培養(yǎng)學(xué)生在真實情境中解決問題的能力，提升以學(xué)生發(fā)展為中心的核心素養(yǎng)。

1" 開源硬件在編程過程中的時間控制設(shè)計

應(yīng)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(xiàn)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(yīng)速度和執(zhí)行效率上。動作速度和效率對于不同類型的開源硬件開發(fā)有不同的重要性，例如：生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人需要快速、準(zhǔn)確地執(zhí)行重復(fù)任務(wù)，提高生產(chǎn)效率，對動作速度和準(zhǔn)確性要求非常高；服務(wù)型機(jī)器人需要在與人類互動時保持安全和平穩(wěn)的動作，對動作的平穩(wěn)和精準(zhǔn)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(qiáng)，與硬件匹配度更高，無差錯輸出到硬件的機(jī)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(wěn)或是無響應(yīng)動作的情況，符合人類設(shè)計和審美需求。

1.1" 主動設(shè)計應(yīng)激時間

受限于硬件的應(yīng)激反應(yīng)靈敏性，開源硬件的應(yīng)激時間的程序編寫要充分考慮硬件極限參數(shù)和傳輸反應(yīng)。如舵機(jī)的控制與時間模塊的關(guān)系，舵機(jī)的控制涉及確定舵機(jī)應(yīng)該停留在特定位置的時間長度，使用時間模塊確定舵機(jī)何時應(yīng)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(guī)使用的舵機(jī)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(nèi)的角度控制脈沖部分[1]，一般為0.22/60°或0.18/60°，當(dāng)更改角度控制脈沖的寬度太快時，舵機(jī)可能反應(yīng)不過來。因此，時間模塊在舵機(jī)控制系統(tǒng)中起著重要作用，確保舵機(jī)按照預(yù)期的方式進(jìn)行移動和停留。應(yīng)激時間的實踐測算，包括從傳感器受激，到承擔(dān)動作反饋的硬件反應(yīng)的時間延時，再到完成預(yù)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(wěn)定狀態(tài)，在此期間無須發(fā)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(shù)據(jù)格式，一次通信時間是4 ms左右，溫濕度傳感器的初始響應(yīng)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(huán)語句的執(zhí)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(yù)下的硬件發(fā)熱現(xiàn)象。

1.2" 有效預(yù)留等待時間

根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求，選擇合適的時間庫函數(shù)并結(jié)合硬件控制的需求進(jìn)行編程，在程序中有時需要進(jìn)行一些延時操作，如等待傳感器穩(wěn)定、執(zhí)行某項功能后需要等待一段時間等。如掌控板在Mind+編程環(huán)境下，擴(kuò)展導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)模塊連接到Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，需要“等待直到”網(wǎng)絡(luò)連接成功。在實踐中，程序需要等待網(wǎng)絡(luò)連接建立、傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后才能執(zhí)行下一步操作。設(shè)置等待時間后，要確保程序正確地執(zhí)行后續(xù)操作、訪問所需網(wǎng)絡(luò)資源。

再如擴(kuò)展導(dǎo)入物聯(lián)網(wǎng)模塊時，會出現(xiàn)需要“等待直到”的設(shè)置。在連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時，要確保有足夠的等待時間應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)延遲或網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的情況，保障連接的順利進(jìn)行。一些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要一定時間響應(yīng)連接請求，因此，設(shè)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(shè)備充分的響應(yīng)時間，而且超時后，通過重試機(jī)制，可以多次持續(xù)嘗試連接，直至成功建立連接。這樣可以提高物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的穩(wěn)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(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)雙向信息交流，發(fā)送消息也需要預(yù)留等待時間，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或卡頓。

在考慮硬件反應(yīng)時間和真實環(huán)境中的不確定因素后，加入適當(dāng)?shù)臅r間等待控制，需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，掌握當(dāng)前運行階段。如基于ESP32和ESP8266的掌控板，在連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或是物聯(lián)網(wǎng)過程中，需要在屏幕上監(jiān)督連接狀態(tài)并跟蹤動作運行實時情況。加入屏顯信息內(nèi)容，如“正在連接中……”“網(wǎng)絡(luò)連接成功”等，通過實時交互顯示設(shè)置，讓用戶能夠及時了解當(dāng)前狀態(tài)，提前掌握操作反應(yīng)情況，及時發(fā)現(xiàn)、排查異常問題。

1.3" 優(yōu)化硬件編程的時間算法

雖然計算機(jī)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(shù)據(jù)的規(guī)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(fù)雜度（評估執(zhí)行程序所需的時間）和空間復(fù)雜度（評估執(zhí)行程序所需的存儲空間）是衡量算法效率的主要指標(biāo)，決定了程序?qū)μ幚砥骱陀嬎銠C(jī)內(nèi)存的使用程度。設(shè)計算法時，要先考慮系統(tǒng)環(huán)境，然后權(quán)衡時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，選取一個平衡點。

開源硬件的程序編寫過程中，算法執(zhí)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(yīng)時間、物聯(lián)網(wǎng)等多方面因素的綜合影響，需要通過實驗操作進(jìn)行測算，尋找更優(yōu)化的算法。同時，算法執(zhí)行所耗費的時間與算法中語句的執(zhí)行次數(shù)成正比，特別是多重循環(huán)和函數(shù)嵌套調(diào)動等，會占用運行內(nèi)存空間，影響硬件對各種資源（如處理器、內(nèi)存等）的利用方式。

優(yōu)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(jìn)而更高效地執(zhí)行任務(wù)。一些算法還可以幫助硬件在執(zhí)行任務(wù)時降低功耗，這對于移動設(shè)備或電池供電的設(shè)備尤為重要。算法的設(shè)計應(yīng)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(shè)計能夠更有效地實現(xiàn)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(shè)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(wù)和相應(yīng)的時間分配，保證整個編程時間控制在預(yù)定的時間框架內(nèi)。通過優(yōu)化編程代碼，盡量減少循環(huán)和計算次數(shù)，提高程序的運行效率和響應(yīng)速度。利用多線程技術(shù)，將不同的任務(wù)分配給不同的線程，實現(xiàn)并行處理，提高整體的反應(yīng)速度。合理使用緩存減少數(shù)據(jù)的讀取和寫入次數(shù)，減少硬件訪問的延遲。在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)提前加載數(shù)據(jù)或進(jìn)行必要的計算，減少實際需要響應(yīng)的時間。編程過程中應(yīng)定期進(jìn)行時間管理的反思與調(diào)整，評估是否能夠按計劃完成工作。如果出現(xiàn)偏差，需要找到原因并調(diào)整時間控制策略。根據(jù)硬件的特性和性能需求，調(diào)整硬件的參數(shù)設(shè)置，如時鐘頻率、緩存大小等，從而獲得更好的響應(yīng)時間性能。

2.1" 軟硬件匹配運行過程中的時間設(shè)置

在開源硬件的算法設(shè)計中，通常會將軟硬件配合與運行評價視為一個整體，實現(xiàn)緊密集成與協(xié)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(shè)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(biāo)，包括處理速度、存儲容量、傳輸帶寬等參數(shù)，這些指標(biāo)直接影響程序的執(zhí)行效率和響應(yīng)速度；其次，要考慮硬件設(shè)備的傳輸反應(yīng)時間，即數(shù)據(jù)輸入和輸出的延遲情況，以便在編寫程序時進(jìn)行合理的優(yōu)化和預(yù)處理；最后，要預(yù)判硬件可能存在的故障和錯誤，設(shè)計相應(yīng)的容錯機(jī)制，及時處理異常情況并采取必要的應(yīng)急措施。

2.2" 兼顧穩(wěn)定性與運行效率

確保硬件在長時間運行和重復(fù)使用中保持穩(wěn)定和高效，首先，需要綜合考量、分析硬件組件的質(zhì)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(guān)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(shù)據(jù)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(jìn)行交互和通信；再次，需要關(guān)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(yīng)對機(jī)制，保障程序穩(wěn)定運行，并提供適當(dāng)?shù)腻e誤提示和處理措施；最后，需要關(guān)注硬件在程序編寫過程中的性能表現(xiàn)，進(jìn)行必要的監(jiān)測和優(yōu)化，包括對硬件資源占用情況、功耗、響應(yīng)速度等指標(biāo)的評估和改進(jìn)，確保程序能夠在硬件上穩(wěn)定、高效地運行。

2.3" 注重開源硬件效率的整體規(guī)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(fā)和調(diào)試的效率。如開源硬件社區(qū)提供了大量的資源和支持，可以幫助開發(fā)者快速解決問題并加快開發(fā)進(jìn)度。開源硬件通常具有良好的兼容性，可以與多種開發(fā)環(huán)境和工具無縫集成，降低開發(fā)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(xiàn)復(fù)雜的功能，提高開發(fā)效率。此外，開發(fā)者社區(qū)可以為開發(fā)者提供寶貴的建議和指導(dǎo)，幫助開發(fā)者在編寫程序時避免常見的錯誤和陷阱，節(jié)約調(diào)試和修改程序的時間，讓開發(fā)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(guī)劃，還需要從全局規(guī)劃設(shè)計上明確項目目標(biāo)與需求，清晰界定開源硬件的使用場景，確定硬件必須實現(xiàn)的功能和性能指標(biāo)。如用于數(shù)據(jù)采集的開源硬件，要明確采集數(shù)據(jù)的類型（模擬量、數(shù)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(fù)責(zé)特定任務(wù)，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信等，不僅可以提高代碼可讀性，還方便后續(xù)維護(hù)與功能擴(kuò)展。針對數(shù)據(jù)處理任務(wù)，選擇或設(shè)計高效算法，避免使用復(fù)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(wù)的執(zhí)行順序與時間消耗，而這種時間控制邏輯在啟發(fā)學(xué)生的計算思維中發(fā)揮著重要作用。在教學(xué)過程中應(yīng)借助開源硬件的整體應(yīng)用開發(fā)，讓學(xué)生體驗過程與控制的場景，驗證解決問題的過程，并將所學(xué)遷移到其他問題的解決中，初步具備應(yīng)用信息科技解決問題的能力[2]。

3.1" 理解抽象概念和培養(yǎng)邏輯思維

時間控制要求學(xué)生在編程過程中明確各個任務(wù)的執(zhí)行順序，評估任務(wù)執(zhí)行所需時間，并在程序中合理安排這些任務(wù)的執(zhí)行順序，考慮代碼的執(zhí)行順序、時間間隔與事件觸發(fā)時間，設(shè)計解決問題的方法和步驟的算法。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和對時間概念的抽象理解能力，讓他們學(xué)會從整體上思考問題，分析任務(wù)之間的關(guān)聯(lián)與依賴關(guān)系，將復(fù)雜的問題分解成簡單的步驟，學(xué)會組織和表達(dá)清晰的思維，逐步提高邏輯推理能力，增強(qiáng)創(chuàng)造力。

3.2" 培養(yǎng)時間管理能力

良好的時間管理能力可以幫助學(xué)生更好地平衡學(xué)業(yè)、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(chǎn)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(xué)習(xí)效率。時間管理能力幫助學(xué)生養(yǎng)成自律和計劃性的習(xí)慣，學(xué)會合理分配、安排時間和任務(wù)，能夠培養(yǎng)學(xué)生的自律性和責(zé)任感，給任務(wù)設(shè)定清晰明確的目標(biāo)和優(yōu)先級，提高效率，確保在規(guī)定時間內(nèi)完成工作。良好的時間管理能力對學(xué)生未來職業(yè)發(fā)展和生活至關(guān)重要。

3.3" 提高實踐問題解決能力

學(xué)生在處理時間控制問題的過程中需要應(yīng)對各種問題的挑戰(zhàn)有利于培養(yǎng)問題解決能力和創(chuàng)造性思維，思考如何利用時間控制來實現(xiàn)特定的功能和效果。通過將時間控制與硬件實際情況相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將編程應(yīng)用于實際問題的解決和創(chuàng)新，培養(yǎng)實際應(yīng)用能力和對技術(shù)的深入理解。時間控制要求在限定時間內(nèi)高效完成任務(wù)，因此，學(xué)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(zhuǎn)化為實際可運行的程序。在編程實踐中，學(xué)生需要反復(fù)嘗試、調(diào)整和優(yōu)化時間控制設(shè)計，培養(yǎng)耐心、毅力和堅韌不拔的品質(zhì)。此外，基于開源硬件算法設(shè)計中的時間控制還能激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，促使他們不斷探索新的可能性，提升對技術(shù)發(fā)展的敏感度和創(chuàng)新意識。

4" 結(jié)束語

隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，時間的精確控制和管理在智能設(shè)備、自動化系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)處理中變得至關(guān)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(shù)。新課標(biāo)背景下的信息科技教育，基于開源硬件算法設(shè)計中的時間控制既是一種技巧策略，也是一種意識和素養(yǎng)。在人才培養(yǎng)面臨新挑戰(zhàn)的背景下，要切實落實新課標(biāo)中的教育要求，培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來發(fā)展的正確價值觀、必備品格和關(guān)鍵能力，確保課程育人導(dǎo)向的有效實施[3]。

5" 參考文獻(xiàn)

[1] 邢東洋.超聲波雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2022（10）：185-188.

[2] 吳蘭岸，莫雅晶，李香勇，等.義務(wù)教育信息科技課程的時代價值、實踐邏輯與現(xiàn)實挑戰(zhàn)[J].教學(xué)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(xué)[J].中國信息技術(shù)教育，2023（9）：4.

*項目來源：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）。

作者簡介：楊炳會，高級教師，省級骨干教師。