樹莓派“圖解”高中Python會考題二例

牟曉東

高中信息技術會考對Python語言的基本語法應用及程序代碼的補充解析提出了一定要求，除了通過選擇題對變量名命名規則、表達式運算結果的求解等基本知識點進行考查外，還有通過閱讀程序段來寫出運行結果的方式，或是根據題意進行程序代碼的補充填寫的方式。在Python的學習備考過程中，如果能夠結合樹莓派開源硬件編程，將程序的運行結果進行“圖解”——以一種更為直觀的方式來“看”程序，無疑會極大提高學生學習編程的興趣。在此以“‘只有一人說謊’的抓小偷”邏輯判斷和簡易“十進制轉二進制”兩道Python會考題為例：

有四個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！”如果他們四人當中只有一人說了假話，請編程判斷誰是小偷。

在進行Python代碼運行的單純文字結果輸出基礎上，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嫌疑人進行“圖解”，最終實現程序精準控制某LED燈亮起，對應此嫌疑人為真正的小偷。

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

通過Windows的“遠程桌面連接”輸入樹莓派的IP地址，進入后點擊“編程”—“ThonnyPythonIDE”菜單開始代碼編程。

首先，通過“from gpiozero import LEDBoard”語句，實現從GPIOZero庫中導入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“5，6，12，16”即對應各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’]”，注意其中數據的次序是與紅色、綠色、黃色和藍色LED燈一一嚴格對應的;再建立一個for循環結構對persons列表所存儲的四個數據進行“遍歷”，變量flag的值為一個邏輯值的運算表達式：“flag = （thief！=‘甲’） + （thief==‘丙’） + （thief==‘丁’） + （thief！=‘丁’）”——Python運算時會將邏輯真（True）的值設為1、將邏輯假（False）的值設為0，該行代碼是根據題意分別將甲乙丙丁四個嫌疑人的“口供”進行了Python化“轉譯”;如果四個邏輯值相加的結果是3的話（三個人說的是真話），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的LED燈“點亮”：“LEDs.on（persons.index（thief））”，其中的“index（thief）”是作為變量persons列表數據引用索引序號（如圖2）。

將程序代碼保存為Catch_Thief.py文件，點擊“Run”按鈕運行程序進行檢測，下方的程序輸出結果顯示為：“嫌疑犯是：丙”，同時樹莓派上的第三支黃色LED燈也會亮起（如圖3）。此時，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的參數時就會對應亮起樹莓派12號引腳上的第三支黃色LED燈。

對于會考中經常涉及的較小數字進制轉換問題，比如16以內的十進制數（相當于一個十六進制位）轉二進制數，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“權數”進行兩種進制間的快速任意相互轉換。比如：給出一個十進制數6，通過“8421”直接分解為“4+2”，對應寫出二進制結果是“110”;如果是十進制數9，則分解為“8+1”，對應的二進制數就是“1001”。如果待轉換的十進制數大于15，則在“8421”的基礎上依次向左擴充一位“16”，再不夠就再擴充第二位“32”……

保持上一道題的樹莓派及四支LED燈等實驗器材和連接方式不變，設定“8421”的對應數位分別是從高位到低位的紅色、綠色、黃色和藍色LED燈，相當于四個二進制位，最大可“圖解”表示的十進制數為15（對應十六進制的F）。對于程序將用戶從鍵盤上接收到的十進制數，轉換為四位的二進制數后，將對應數位是1的LED燈“點亮”，而數位為0的則保持熄滅狀態。

在PythonIDE中仍然先使用“from gpiozero import LEDBoard”語句，從GPIOZero庫中導入LEDBoard類，同樣是再組建LED“燈陣”：“LEDs = LEDBoard（5，6，12，16）”;接著，通過input（）和int（）函數為變量My_Decimal賦值，實現接收用戶從鍵盤上輸入的任意一個16以內的十進制整數：“My_Decimal = int（input（“請輸入一個16以內的十進制整數：”））”;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的值轉換為對應的二進制“數”——特別要注意這是一個字符串類型的數據;考慮到用戶輸入的十進制數如果是“大于等于0且小于等于7”時，轉換出的二進制字符串數據是不足四位的（1位、2位或3位），此時無法與樹莓派的四支LED燈陣一一對應，因此必須要對二進制字符串數據進行高位“補零”操作——建立變量My_Binary_4，為其賦值為“My_Binary.rjust（4，‘0’）”，即通過rjust右對齊來實現四位數據的構建。

接下來，建立一個for循環，通過range（4）實現從第1至第3的四次循環，依次判斷變量My_Binary_4中所存儲的四位字符串型二進制數是否有1：“if My_Binary_4[i]==‘1’：”;條件成立的話，則控制對應編號的LED燈發光：“LEDs.on（i）”;最后，將用戶輸入的十進制整數和轉換后的二進制數通過print進行輸出：“print（‘十進制整數’，My_Decimal，‘轉換為二進制數是：’，My_Binary）”（如圖4）。

將程序保存為Decimal2Binary.py文件，點擊“Run”按鈕運行進行兩次測試：第一次在“請輸入一個16以內的十進制整數：”提示后輸入6，回車后發現樹莓派上的中間綠色和黃色LED亮起，同時程序下方也有“十進制整數6轉換為二進制數是：110”的提示輸出;第二次測試數字9，回車后會亮起兩側的紅色和藍色LED燈，同時提示信息會顯示為“十進制整數9轉換為二進制數是：1001”（如圖5），實現了簡易“十進制轉二進制”的圖解過程。

程序本身只是簡單地實現了將一個0至15的十進制整數轉換為二進制數輸出及對應的LED燈發光或是熄滅的圖解功能，既沒有對用戶從鍵盤上輸入的數據進行一定的“容錯”判斷處理（比如輸入了小數或是超過15的整數），也沒有加入循環控制用戶的多次測試（程序運行一次只能測試一個數據），均可以考慮進行程序的進一步完善。同時，也可以嘗試另一種相似的圖解方式，比如使用for循環（range（16）），依次將0～15這十六個十進制整數均轉換為對應的二進制數，每隔一段時間（比如3秒鐘）就輸出一組數據，同時也會控制樹莓派上的LED“燈陣”進行對應的亮燈、關燈顯示，實現四個二進制數位從“全滅”（0000）到“全亮”（1111）進制數據轉換的動態演示，大家不妨一試。