二值量的使用與響應(yīng)時(shí)間研究

主持人手記：本專欄主要介紹信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課當(dāng)中的典型案例，并期望這些案例能夠促進(jìn)信息技術(shù)課程學(xué)科合法性的提升、豐富信息技術(shù)課的教學(xué)內(nèi)容、拓展信息技術(shù)教師的課程設(shè)計(jì)視野。對(duì)此欄目有任何好的主意或建議，請(qǐng)發(fā)送稿件至towujunjie@163.com（主持人）或tougao1@chinaitedu.cn（雜志社）。

之前的系列文章中，我們已經(jīng)完成了兩個(gè)大的單元，第一個(gè)單元是信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的核心概念和過(guò)程，第二個(gè)單元是信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)所需要的程序基礎(chǔ)，從上期的案例開(kāi)始，我們進(jìn)入了對(duì)二值量的具體研究。二值量的最顯著的作用是標(biāo)志著一種常見(jiàn)的有兩種狀態(tài)的事物的當(dāng)前狀態(tài)，而二值量本身，可以用作邏輯判斷的條件，二值量之間的組合可以用于表示更多種不同的狀態(tài)，這一點(diǎn)在下一個(gè)單元“信息的編碼”中會(huì)闡述得更為詳盡。在二值量這個(gè)單元，我們主要了解二值量進(jìn)入電腦之后計(jì)算機(jī)處理二值量的基本原理，這個(gè)原理包括上期一個(gè)案例已經(jīng)描述過(guò)的邏輯判斷，和本案例中將要討論的默認(rèn)值、狀態(tài)的可維持性和響應(yīng)時(shí)間。

● 二值量的默認(rèn)值和狀態(tài)的可維持性

二值量的默認(rèn)值是指在不干預(yù)的情況下一個(gè)二值量的默認(rèn)狀態(tài)，如鍵盤(pán)在默認(rèn)狀態(tài)下是不被按下的，鍵盤(pán)和鼠標(biāo)左鍵這種觸發(fā)按鈕，狀態(tài)改變后會(huì)自動(dòng)地回到初始狀態(tài)，其初始狀態(tài)就是默認(rèn)值，而對(duì)于電燈開(kāi)關(guān)、電閘這類狀態(tài)切換開(kāi)關(guān)，它們切換到某一個(gè)狀態(tài)之后，該狀態(tài)可以維持，那么究竟哪個(gè)狀態(tài)為默認(rèn)狀態(tài)，則視需要而定，如從節(jié)電的角度來(lái)看，電燈開(kāi)關(guān)的默認(rèn)值應(yīng)為斷開(kāi)，從生活便利的角度看，電閘的默認(rèn)值應(yīng)為閉合。

● 二值量的響應(yīng)時(shí)間

我們首先研究人對(duì)于一個(gè)二值量的響應(yīng)時(shí)間，在生活中，我們可以通過(guò)感知、判斷進(jìn)而改變它的狀態(tài)，如我們按下一個(gè)按鈕再松開(kāi)這個(gè)按鈕，實(shí)際上這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了如下判斷，為了簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，我們用Scratch來(lái)代替流程圖（如圖1），這其中經(jīng)歷了兩次經(jīng)典的感測(cè)與控制的流程：感知─判斷─執(zhí)行。而每經(jīng)歷一個(gè)流程都是人對(duì)按鈕作出的一次響應(yīng)，這個(gè)時(shí)間稱之為響應(yīng)時(shí)間。改變二值量的狀態(tài)所需要的時(shí)間即稱為二值量的響應(yīng)時(shí)間。

使用圖2這個(gè)比較“麻煩”的程序，可以測(cè)出人對(duì)于空格鍵狀態(tài)這個(gè)二值量的改變的過(guò)程中，二值量每一次發(fā)生改變的瞬間。t1表示的是人執(zhí)行空格鍵按下的瞬間的時(shí)刻，t2表示的是人執(zhí)行空格鍵彈起的瞬間的時(shí)刻，t3表示的是人再次按下空格鍵的時(shí)刻，t4表示的是人再次使空格鍵彈起的時(shí)刻，我們不難發(fā)現(xiàn)圖1中的按下空格鍵的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該為t3-t2，彈起按鈕的響應(yīng)時(shí)間為t4-t3。

復(fù)制上述的代碼，即可測(cè)定一組按下空格和松開(kāi)空格的響應(yīng)時(shí)間，重復(fù)測(cè)量取平均值得出下表的數(shù)據(jù)。

從表中可以看出人松開(kāi)空格的響應(yīng)時(shí)間比按下空格的響應(yīng)時(shí)間要慢很多，這正是說(shuō)明了做一件事情很難，放棄一件事卻很快。

如果我們細(xì)分感測(cè)─判斷─執(zhí)行的時(shí)間，使用圖3所示的代碼可以測(cè)出在沒(méi)有偵測(cè)模塊的情況下執(zhí)行500次的時(shí)間的平均值是0.442±0.017秒，這說(shuō)明“將‘計(jì)時(shí)器’加入到鏈表中”每執(zhí)行一次的時(shí)間大概需要0.001秒。

有趣的是，如果仔細(xì)研究鏈表的“執(zhí)行時(shí)間”，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：鏈表的時(shí)間差從第二項(xiàng)開(kāi)始大概為0.001秒，但是第一項(xiàng)為0.061秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他各項(xiàng)。這一穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是一個(gè)挖掘具體數(shù)據(jù)的結(jié)果，如果我們提升順序結(jié)構(gòu)的次數(shù)，執(zhí)行1000次時(shí)，鏈表第二項(xiàng)之后仍然為0.001秒，甚至常常出現(xiàn)0秒的情況，但是第一項(xiàng)為0.319秒，這說(shuō)明這一時(shí)間與順序結(jié)構(gòu)的執(zhí)行次數(shù)有關(guān)。

● Scratch的循環(huán)時(shí)間的測(cè)定

一般來(lái)講，很多Scratch初學(xué)者認(rèn)為圖3所示的程序與圖4是等價(jià)的，而且使用循環(huán)可以使得代碼長(zhǎng)度更短，更易讀。

但是如果我們?cè)俅尾榭存湵怼皥?zhí)行時(shí)間”，會(huì)發(fā)現(xiàn)執(zhí)行500次的時(shí)間大大增加了，由原來(lái)的0.44秒增加至12.52秒，這說(shuō)明每個(gè)循環(huán)時(shí)間會(huì)占用一定的時(shí)間。如果將時(shí)間和循環(huán)次數(shù)制成一個(gè)速度-次數(shù)圖表，如圖5所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)這是一條直線。

這意味著每完成一次循環(huán)，需要額外多消耗0.025秒的時(shí)間，1秒鐘Scratch可以完成40次循環(huán)。這樣，我們?cè)谘芯慷盗康姆磻?yīng)時(shí)間的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了Scratch語(yǔ)言的一個(gè)重要的基礎(chǔ)參數(shù)——循環(huán)時(shí)間。循環(huán)時(shí)間是任何語(yǔ)言的一個(gè)基礎(chǔ)參數(shù)，Scratch1.4的循環(huán)時(shí)間為0.025秒，而改進(jìn)后的Scratch2.0的循環(huán)時(shí)間較Scratch1.4快幾萬(wàn)倍以上，這大大提高了Scratch語(yǔ)言的執(zhí)行效率。

至此，我們用解剖麻雀的方式研究了一個(gè)二值量的響應(yīng)時(shí)間，在對(duì)響應(yīng)時(shí)間的細(xì)致分析和數(shù)據(jù)挖掘中，發(fā)現(xiàn)了Scratch的循環(huán)時(shí)間，并明確了順序結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的差異所在，這個(gè)過(guò)程對(duì)任何程序語(yǔ)言均適用。