二值量的使用和邏輯判斷

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）。

二值量在Scratch語(yǔ)言的定義體系中用 符號(hào)表示，意思是只有兩種情況：成立或者不成立，二值量一般用于邏輯判斷的條件。在偵測(cè)模塊中，如果從人和計(jì)算機(jī)交互的角度來(lái)分類，程序偵測(cè)到的信息可以分為兩類，一類是程序內(nèi)部可以引用計(jì)算機(jī)內(nèi)置的一些信息，與人對(duì)計(jì)算機(jī)操作沒(méi)有直接關(guān)系；另一類是人在操作計(jì)算機(jī)的過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)的外設(shè)向計(jì)算機(jī)輸入的信息，這一系列操作包括：按下鍵盤、移動(dòng)鼠標(biāo)、用麥克風(fēng)說(shuō)話、用攝像頭拍攝圖片……這些信息都可以分為二值量和多值量?jī)深悾娤卤怼?/p>

● 二值量與電路邏輯

二值量用于描述物體處于的兩種狀態(tài)，并且只有這兩種狀態(tài)，如圖1所示的一個(gè)簡(jiǎn)單電路，開關(guān)有兩種狀態(tài)“閉合”、“斷開”，燈也有兩種狀態(tài)“亮”、“滅”。

圖1

開關(guān)和燈只有兩種狀態(tài)，意味著使用非邏輯 的狀態(tài)“閉合不成立”等價(jià)于“斷開”，同理“滅不成立”也等價(jià)于“亮”，反之亦然。在這個(gè)電路中，導(dǎo)線的使用使得燈和開關(guān)處于一個(gè)邏輯關(guān)系中，即“開關(guān)閉合燈亮，開關(guān)斷開燈滅”，這個(gè)關(guān)系可以用圖2所示的鼠標(biāo)是否按下控制角色“燈亮”還是“燈滅”來(lái)表示。

角色“燈”只有兩個(gè)造型，即燈亮和燈滅，這個(gè)過(guò)程與電路1是等價(jià)的。我們常常會(huì)驚訝于自然規(guī)律給程序設(shè)計(jì)的啟示，事實(shí)上很多程序是對(duì)自然規(guī)律的抽象和模擬，幸運(yùn)的是抽象和模擬的過(guò)程，往往會(huì)加深我們對(duì)規(guī)律的理解。

圖3所示的兩個(gè)開關(guān)串聯(lián)起來(lái)控制一個(gè)燈，這個(gè)控制關(guān)系，可以用電路圖表示出來(lái)。這個(gè)控制關(guān)系可以用編程實(shí)現(xiàn)，其中開關(guān)S1與按鍵1對(duì)應(yīng)，開關(guān)S2與按鍵2對(duì)應(yīng)，這種控制關(guān)系可以用圖4所示的程序?qū)崿F(xiàn)。

圖3

圖4

圖4中程序邏輯中的“與邏輯 ”與兩個(gè)開關(guān)傳感器的串聯(lián)相對(duì)應(yīng)，同樣，兩個(gè)開關(guān)并聯(lián)與程序中的“或邏輯 ”相對(duì)應(yīng)，和下頁(yè)圖5所示。

電路中開關(guān)可以分為兩種，一種稱為狀態(tài)切換開關(guān)，另一種稱為狀態(tài)觸發(fā)按鈕，切換開關(guān)改變狀態(tài)之后可以維持該狀態(tài)，觸發(fā)按鈕按下之后開關(guān)狀態(tài)改變，但是開關(guān)的轉(zhuǎn)臺(tái)馬上會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，如圖6所示。

電腦鍵盤上的每個(gè)鍵和鼠標(biāo)的左鍵和右鍵都是狀態(tài)觸發(fā)按鈕，圖7所示的程序可以把按鍵A的控制邏輯變?yōu)橐粋€(gè)狀態(tài)切換開關(guān)，讓程序在燈亮和燈滅之間切換。

● 傳感器板當(dāng)中的二值量與單選器的制作

圖8所示的是教育部教育裝備研究與發(fā)展中心研制的改進(jìn)版的Scratch傳感器板，其所有偵測(cè)值如圖8右側(cè)所示，A、B、C、D四個(gè)端口都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的二值量狀態(tài)，當(dāng)A端口的兩個(gè)夾子閉合時(shí)，判斷成立，兩個(gè)夾子可以視為狀態(tài)切換開關(guān)。其中E端口在電路結(jié)構(gòu)上和按鈕并聯(lián)，因此E端口閉合與按下按鈕等價(jià)，都可以使成立。

圖8

接下來(lái)，我們假定一個(gè)情境，假如需要制作一個(gè)單選器，用來(lái)作為一個(gè)答題系統(tǒng)的輸入裝置，如果回答與答案一致，即判斷回答正確。很顯然圖9所示的程序回答了問(wèn)題，但是我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A和B端口同時(shí)閉合時(shí)，答案為AB的閃爍，這說(shuō)明圖9的程序還不夠嚴(yán)謹(jǐn)。

我們?cè)敿?xì)分析一下什么是“只有端口A已連接”，這意味著端口B、C、D“已連接不成立”，這個(gè)邏輯判斷需要使用非邏輯和與邏輯，如圖10所示。

圖10

“只有A已連接”除了可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)保證，還可以通過(guò)硬件設(shè)計(jì)來(lái)完成，如圖11所示。紙杯的四個(gè)側(cè)面粘接了四片銅箔，彼此分離，它們分別與A、B、C、D的紅色的代表正極的夾子相連，而負(fù)極連接到一個(gè)粘有銅箔的塑料吸管上，這樣吸管與A處的銅箔連接時(shí)，保證不會(huì)與B、C、D接觸，這樣就實(shí)現(xiàn)了單選的效果。

● 對(duì)傳感器板的仿真

由于很多學(xué)校可能沒(méi)有傳感器板，即使目前傳感器板的價(jià)格降到200元左右，恐怕一時(shí)之間還難以滿足教學(xué)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了Scratch傳感器板的仿真版，如圖12所示。

我們使用Scratch的另一個(gè)版本BYOB開發(fā)了這一系統(tǒng)，用ZXCVN，分別指代端口ABCDE，由于在BYOB中可以自建模塊，我們通過(guò)圖13所示的程序?qū)存IZ被按下，虛擬化為傳感器A已連接。

這樣，可以通過(guò)虛擬化的程序來(lái)仿真?zhèn)鞲衅靼宓膱?zhí)行效果。這樣做從教學(xué)效果來(lái)看，不及真實(shí)的傳感器板，但是如果傳感器板難以做到每位學(xué)生一套，還是具有一定的輔助作用的。該軟件的下載地址為www.edumaker.org。