樹莓派“圖解”高中Python會考題二例

牟曉東

高中信息技術(shù)會考對Python語言的基本語法應(yīng)用及程序代碼的補(bǔ)充解析提出了一定要求，除了通過選擇題對變量名命名規(guī)則、表達(dá)式運(yùn)算結(jié)果的求解等基本知識點(diǎn)進(jìn)行考查外，還有通過閱讀程序段來寫出運(yùn)行結(jié)果的方式，或是根據(jù)題意進(jìn)行程序代碼的補(bǔ)充填寫的方式。在Python的學(xué)習(xí)備考過程中，如果能夠結(jié)合樹莓派開源硬件編程，將程序的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行“圖解”——以一種更為直觀的方式來“看”程序，無疑會極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)編程的興趣。在此以“‘只有一人說謊’的抓小偷”邏輯判斷和簡易“十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制”兩道Python會考題為例：

有四個(gè)嫌疑人甲乙丙丁涉嫌偷盜，可以肯定的是其中一人就是小偷。在警察審訊過程中，甲說：“不是我！”乙說：“是丙干的！”丙說：“是丁干的！”丁說：“丙在冤枉我！”如果他們四人當(dāng)中只有一人說了假話，請編程判斷誰是小偷。

在進(jìn)行Python代碼運(yùn)行的單純文字結(jié)果輸出基礎(chǔ)上，將樹莓派安裝上四支不同顏色的LED燈分別代表甲乙丙丁四個(gè)嫌疑人進(jìn)行“圖解”，最終實(shí)現(xiàn)程序精準(zhǔn)控制某LED燈亮起，對應(yīng)此嫌疑人為真正的小偷。

首先，將古德微擴(kuò)展板正確安裝于樹莓派上;接著，將紅色、綠色、黃色和藍(lán)色四支LED燈均按照“長腿正、短腿負(fù)”的原則，分別插接至擴(kuò)展板的5號、6號、12號和16號插孔（對應(yīng)甲乙丙丁四個(gè)嫌疑人）;最后，插接上電源線為樹莓派供電啟動系統(tǒng)（如圖1）。

通過Windows的“遠(yuǎn)程桌面連接”輸入樹莓派的IP地址，進(jìn)入后點(diǎn)擊“編程”—“ThonnyPythonIDE”菜單開始代碼編程。

首先，通過“from gpiozero import LEDBoard”語句，實(shí)現(xiàn)從GPIOZero庫中導(dǎo)入LEDBoard類;接著，使用“LEDs = LEDBoard（5，6，12，16）”語句來組建四支LED燈的“燈陣”，其中的參數(shù)“5，6，12，16”即對應(yīng)各LED燈所插入樹莓派的引腳號;然后，建立嫌疑人變量列表：“persons = [‘甲’，‘乙’，‘丙’，‘丁’]”，注意其中數(shù)據(jù)的次序是與紅色、綠色、黃色和藍(lán)色LED燈一一嚴(yán)格對應(yīng)的;再建立一個(gè)for循環(huán)結(jié)構(gòu)對persons列表所存儲的四個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行“遍歷”，變量flag的值為一個(gè)邏輯值的運(yùn)算表達(dá)式：“flag = （thief！=‘甲’） + （thief==‘丙’） + （thief==‘丁’） + （thief！=‘丁’）”——Python運(yùn)算時(shí)會將邏輯真（True）的值設(shè)為1、將邏輯假（False）的值設(shè)為0，該行代碼是根據(jù)題意分別將甲乙丙丁四個(gè)嫌疑人的“口供”進(jìn)行了Python化“轉(zhuǎn)譯”;如果四個(gè)邏輯值相加的結(jié)果是3的話（三個(gè)人說的是真話），則先打印輸出真正的小偷：“print（‘嫌疑犯是：’，thief）”，再將該嫌疑人所對應(yīng)的LED燈“點(diǎn)亮”：“LEDs.on（persons.index（thief））”，其中的“index（thief）”是作為變量persons列表數(shù)據(jù)引用索引序號（如圖2）。

將程序代碼保存為Catch_Thief.py文件，點(diǎn)擊“Run”按鈕運(yùn)行程序進(jìn)行檢測，下方的程序輸出結(jié)果顯示為：“嫌疑犯是：丙”，同時(shí)樹莓派上的第三支黃色LED燈也會亮起（如圖3）。此時(shí)，程序中的變量flag的值為3（if條件成立），變量thief的值是“丙”，而“persons.index（thief）”的值為索引號2，它作為LEDs.on的參數(shù)時(shí)就會對應(yīng)亮起樹莓派12號引腳上的第三支黃色LED燈。

對于會考中經(jīng)常涉及的較小數(shù)字進(jìn)制轉(zhuǎn)換問題，比如16以內(nèi)的十進(jìn)制數(shù)（相當(dāng)于一個(gè)十六進(jìn)制位）轉(zhuǎn)二進(jìn)制數(shù)，完全不必使用“除以2倒序余”法，可以直接嘗試“8421”分解組合求和法，使用不同位的“權(quán)數(shù)”進(jìn)行兩種進(jìn)制間的快速任意相互轉(zhuǎn)換。比如：給出一個(gè)十進(jìn)制數(shù)6，通過“8421”直接分解為“4+2”，對應(yīng)寫出二進(jìn)制結(jié)果是“110”;如果是十進(jìn)制數(shù)9，則分解為“8+1”，對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)就是“1001”。如果待轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)大于15，則在“8421”的基礎(chǔ)上依次向左擴(kuò)充一位“16”，再不夠就再擴(kuò)充第二位“32”……

保持上一道題的樹莓派及四支LED燈等實(shí)驗(yàn)器材和連接方式不變，設(shè)定“8421”的對應(yīng)數(shù)位分別是從高位到低位的紅色、綠色、黃色和藍(lán)色LED燈，相當(dāng)于四個(gè)二進(jìn)制位，最大可“圖解”表示的十進(jìn)制數(shù)為15（對應(yīng)十六進(jìn)制的F）。對于程序?qū)⒂脩魪逆I盤上接收到的十進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換為四位的二進(jìn)制數(shù)后，將對應(yīng)數(shù)位是1的LED燈“點(diǎn)亮”，而數(shù)位為0的則保持熄滅狀態(tài)。

在PythonIDE中仍然先使用“from gpiozero import LEDBoard”語句，從GPIOZero庫中導(dǎo)入LEDBoard類，同樣是再組建LED“燈陣”：“LEDs = LEDBoard（5，6，12，16）”;接著，通過input（）和int（）函數(shù)為變量My_Decimal賦值，實(shí)現(xiàn)接收用戶從鍵盤上輸入的任意一個(gè)16以內(nèi)的十進(jìn)制整數(shù)：“My_Decimal = int（input（“請輸入一個(gè)16以內(nèi)的十進(jìn)制整數(shù)：”））”;語句“My_Binary = format（My_Decimal，‘b’）”的作用是為變量My_Binary賦值，該值是通過format將變量My_Decimal的值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制“數(shù)”——特別要注意這是一個(gè)字符串類型的數(shù)據(jù);考慮到用戶輸入的十進(jìn)制數(shù)如果是“大于等于0且小于等于7”時(shí)，轉(zhuǎn)換出的二進(jìn)制字符串?dāng)?shù)據(jù)是不足四位的（1位、2位或3位），此時(shí)無法與樹莓派的四支LED燈陣一一對應(yīng)，因此必須要對二進(jìn)制字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行高位“補(bǔ)零”操作——建立變量My_Binary_4，為其賦值為“My_Binary.rjust（4，‘0’）”，即通過rjust右對齊來實(shí)現(xiàn)四位數(shù)據(jù)的構(gòu)建。

接下來，建立一個(gè)for循環(huán)，通過range（4）實(shí)現(xiàn)從第1至第3的四次循環(huán)，依次判斷變量My_Binary_4中所存儲的四位字符串型二進(jìn)制數(shù)是否有1：“if My_Binary_4[i]==‘1’：”;條件成立的話，則控制對應(yīng)編號的LED燈發(fā)光：“LEDs.on（i）”;最后，將用戶輸入的十進(jìn)制整數(shù)和轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)通過print進(jìn)行輸出：“print（‘十進(jìn)制整數(shù)’，My_Decimal，‘轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)是：’，My_Binary）”（如圖4）。

將程序保存為Decimal2Binary.py文件，點(diǎn)擊“Run”按鈕運(yùn)行進(jìn)行兩次測試：第一次在“請輸入一個(gè)16以內(nèi)的十進(jìn)制整數(shù)：”提示后輸入6，回車后發(fā)現(xiàn)樹莓派上的中間綠色和黃色LED亮起，同時(shí)程序下方也有“十進(jìn)制整數(shù)6轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)是：110”的提示輸出;第二次測試數(shù)字9，回車后會亮起兩側(cè)的紅色和藍(lán)色LED燈，同時(shí)提示信息會顯示為“十進(jìn)制整數(shù)9轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)是：1001”（如圖5），實(shí)現(xiàn)了簡易“十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制”的圖解過程。

程序本身只是簡單地實(shí)現(xiàn)了將一個(gè)0至15的十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)輸出及對應(yīng)的LED燈發(fā)光或是熄滅的圖解功能，既沒有對用戶從鍵盤上輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的“容錯(cuò)”判斷處理（比如輸入了小數(shù)或是超過15的整數(shù)），也沒有加入循環(huán)控制用戶的多次測試（程序運(yùn)行一次只能測試一個(gè)數(shù)據(jù)），均可以考慮進(jìn)行程序的進(jìn)一步完善。同時(shí)，也可以嘗試另一種相似的圖解方式，比如使用for循環(huán)（range（16）），依次將0～15這十六個(gè)十進(jìn)制整數(shù)均轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，每隔一段時(shí)間（比如3秒鐘）就輸出一組數(shù)據(jù)，同時(shí)也會控制樹莓派上的LED“燈陣”進(jìn)行對應(yīng)的亮燈、關(guān)燈顯示，實(shí)現(xiàn)四個(gè)二進(jìn)制數(shù)位從“全滅”（0000）到“全亮”（1111）進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的動態(tài)演示，大家不妨一試。