用Boson Kit制作“找朋友機”

謝作如 肖筱

學科關鍵詞：物理、數學、技術、藝術

在某雜志上看到一個有趣的案例，一位國外科學教師設計了以“找朋友機”為主題用來教學電路的相關課程。“找朋友機”的功能非常有趣，給九年級學生提供了一個自行設計、測試和搭建復雜電路的機會，而這一電路又利于學生理解，十分適合學生進行創作。按照雜志的評價是“涉及重要的工程學主題和核心的科學內容”的案例。

有趣的是，就在看到這個案例的前幾天，我們拿到了上海DFRobot公司設計的Boson Kit套件。在這個套件的支持下，“找朋友機”成為一個連小學生都能理解并且制作的作品。

功能分析

找朋友機，顧名思義就是幫助我們找朋友的機器，它通過辨別兩人的愛好、特點來判斷兩人是否能夠成為朋友。其實，它本質上就是串聯和并聯電路，陌生人將符合自己條件的開關閉合，如果小燈能夠亮起，就代表可以成為朋友。例如，謝集小朋友愛打籃球，愛看《喜羊羊》和《西游記》，并且住在鹿城區，他的找朋友機作品需要設計四個開關，分別代表（A）喜歡打籃球，（B）住在鹿城區，（C）喜歡看《喜羊羊》，（D）喜歡看《西游記》。只要對方選擇了特定的某個或某些選項，那么他們就可以成為朋友了。而這些選項之間是有著一定的邏輯關系的。如果對方選擇了（A）喜歡打籃球和（B）住在鹿城區，那么他們就可以一起出來打籃球，并可以成為朋友。但是如果對方只選擇了（A）喜歡打籃球而并沒有選擇（B）住在鹿城區，那么很遺憾，雖然彼此愛好相同但是住得太遠，不能一起出來打籃球，就不能成為朋友。也就是說（A）和（B）的開關必須同時閉合才能夠成為朋友，所以這兩個開關必須是串聯的，兩個開關同時閉合電路才聯通。而（C）喜歡看《喜羊羊》和（D）喜歡看《西游記》就是“或”的關系，只要閉合其中一個開關，電路就連通了。因為只要對方喜歡其中一個，我們就可以一起看劇聊天了，也就是說我們需要把這兩個開關設計成并聯的。

規劃制作

在制作之前，我們必須要給學生講清楚找朋友機的原理和內部的邏輯。主要是講清楚“與”是同時滿足兩個條件才能成為朋友；而“或”是只要滿足其中一個條件就可以成為朋友了。下面用一個簡單的示意圖表示一下“找朋友機”的原理（如圖1）。

在弄明白了找朋友機的原理之后，接下來的工作就簡單多了。因為Boson Kit不僅提供了多個按鈕、LED模塊和蜂鳴器模塊，還提供了“與（AND）”“或（OR）”“非（NOT）”等邏輯模塊。我們只要按照邏輯規劃出線路，然后適當加以包裝，就可以完成一個有趣的“找朋友機”了。

線路搭建

我們選擇用普通的按鈕來代表選項，只要對方按下按鈕，就代表他選擇了這個選項，小燈亮起代表成為朋友，因此我們需要的元件如表1所示。

我們把這些元件按照之前設定的邏輯連接起來就可以了，參考電路如圖2所示。

從這個電路連接圖可以看出，A和B是AND關系，需要兩個都按下，與其對應的LED模塊就能亮起；C和D是OR關系，任何一個按鈕按下，與其對應的LED模塊都能亮起。當然，這個電路不是唯一的，如果覺得這個電路用到了兩個LED模塊看起來不“爽”，還可以有好幾種辦法來改造。

其一，可以再加一個“OR”模塊。如下頁圖3所示，輸入的模塊就合并在一起了，而輸出的LED只需要一個就可以了。另外，如果覺得用3IO的電源板太浪費，也可以換成1IO的電源板。

其二，可以試試“OR”在電源板的右邊，也就是輸出模塊的方向，把兩個輸入合并為一個輸出。

或許，你還有很多辦法。如果動手能力好，可以自己用杜邦線連接起來。如果覺得就亮個LED太無趣，還可以加個蜂鳴器模塊，用分離器模塊連接起來（如下頁圖4）。

外形搭建

“找朋友機”的基本功能已經實現了，我們用一個漂亮的紙盒把它包裝起來就可以了。注意在安裝按鈕的時候要把按鈕模塊的塑料小帽拆下來，在紙盒上打一個小孔，把按鈕木塊在小孔兩端安裝起來，這樣會比較美觀。我們制作的“找朋友機”外觀如圖5所示。

隱含的數學知識

在計算機科學里，我們用數字“0”和“1”表示輸入和輸出值：“0”代表假，如不按按鈕和小燈不亮；“1”代表真，如按下按鈕和小燈亮起。我們把邏輯事件輸入和輸出之間全部可能狀態列成一個表格，就成了真值表，下面看看我們的三個邏輯模塊的真值表。

“邏輯與”相當于生活中說的“并且”，就是兩個條件都同時成立的情況下“邏輯與”的運算結果才為“真”。A和B表示兩個輸入，Y為輸出，其真值表（X表示1或者0）如表2所示。

“邏輯或”相當于生活中說的“或者”，就是兩個條件只要其中一個成立，“邏輯與”的運算結果就為“真”。A和B表示其兩個輸入，Y為輸出，其真值表如表3所示。

通過我們的嘗試，可以看出用“找朋友機”之類的案例，能很好地提高學生的學習興趣。而且，“找朋友機”是一個跨學科的案例，除了技術和藝術之外，還涵蓋了物理的電路、數學的邏輯和工程學。如果更換不同的元件，如把按鈕換成撥碼開關或者觸摸傳感器，這個作品會更加好玩。

通過這個案例，我們也了解了Boson Kit的作用，不用編程，就能讓沒有簡單電路知識的小學生制作出相對復雜的作品，而且幾乎能支持所有的Arduino兼容的傳感器。我們知道，如果充分利用“與”“或”“非”這三個邏輯模塊，理論上可以做出非常復雜的作品，如加法器、比較器等。接下來幾期，我們還會繼續用Boson Kit做幾件好玩的作品。

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