树莓派“图解”高中Python会考题二例

牟晓东

高中信息技术会考对Python语言的基本语法应用及程序代码的补充解析提出了一定要求，除了通过选择题对变量名命名规则、表达式运算结果的求解等基本知识点进行考查外，还有通过阅读程序段来写出运行结果的方式，或是根据题意进行程序代码的补充填写的方式。在Python的学习备考过程中，如果能够结合树莓派开源硬件编程，将程序的运行结果进行“图解”——以一种更为直观的方式来“看”程序，无疑会极大提高学生学习编程的兴趣。在此以“‘只有一人说谎’的抓小偷”逻辑判断和简易“十进制转二进制”两道Python会考题为例：

有四个嫌疑人甲乙丙丁涉嫌偷盗，可以肯定的是其中一人就是小偷。在警察审讯过程中，甲说：“不是我！”乙说：“是丙干的！”丙说：“是丁干的！”丁说：“丙在冤枉我！”如果他们四人当中只有一人说了假话，请编程判断谁是小偷。

在进行Python代码运行的单纯文字结果输出基础上，将树莓派安装上四支不同颜色的LED灯分别代表甲乙丙丁四个嫌疑人进行“图解”，最终实现程序精准控制某LED灯亮起，对应此嫌疑人为真正的小偷。

首先，将古德微扩展板正确安装于树莓派上;接着，将红色、绿色、黄色和蓝色四支LED灯均按照“长腿正、短腿负”的原则，分别插接至扩展板的5号、6号、12号和16号插孔（对应甲乙丙丁四个嫌疑人）;最后，插接上电源线为树莓派供电启动系统（如图1）。

通过Windows的“远程桌面连接”输入树莓派的IP地址，进入后点击“编程”—“ThonnyPythonIDE”菜单开始代码编程。

首先，通过“from gpiozero import LEDBoard”语句，实现从GPIOZero库中导入LEDBoard类;接着，使用“LEDs = LEDBoard（5，6，12，16）”语句来组建四支LED灯的“灯阵”，其中的参数“5，6，12，16”即对应各LED灯所插入树莓派的引脚号;然后，建立嫌疑人变量列表：“persons = [‘甲’，‘乙’，‘丙’，‘丁’]”，注意其中数据的次序是与红色、绿色、黄色和蓝色LED燈一一严格对应的;再建立一个for循环结构对persons列表所存储的四个数据进行“遍历”，变量flag的值为一个逻辑值的运算表达式：“flag = （thief！=‘甲’） + （thief==‘丙’） + （thief==‘丁’） + （thief！=‘丁’）”——Python运算时会将逻辑真（True）的值设为1、将逻辑假（False）的值设为0，该行代码是根据题意分别将甲乙丙丁四个嫌疑人的“口供”进行了Python化“转译”;如果四个逻辑值相加的结果是3的话（三个人说的是真话），则先打印输出真正的小偷：“print（‘嫌疑犯是：’，thief）”，再将该嫌疑人所对应的LED灯“点亮”：“LEDs.on（persons.index（thief））”，其中的“index（thief）”是作为变量persons列表数据引用索引序号（如图2）。

将程序代码保存为Catch_Thief.py文件，点击“Run”按钮运行程序进行检测，下方的程序输出结果显示为：“嫌疑犯是：丙”，同时树莓派上的第三支黄色LED灯也会亮起（如图3）。此时，程序中的变量flag的值为3（if条件成立），变量thief的值是“丙”，而“persons.index（thief）”的值为索引号2，它作为LEDs.on的参数时就会对应亮起树莓派12号引脚上的第三支黄色LED灯。

对于会考中经常涉及的较小数字进制转换问题，比如16以内的十进制数（相当于一个十六进制位）转二进制数，完全不必使用“除以2倒序余”法，可以直接尝试“8421”分解组合求和法，使用不同位的“权数”进行两种进制间的快速任意相互转换。比如：给出一个十进制数6，通过“8421”直接分解为“4+2”，对应写出二进制结果是“110”;如果是十进制数9，则分解为“8+1”，对应的二进制数就是“1001”。如果待转换的十进制数大于15，则在“8421”的基础上依次向左扩充一位“16”，再不够就再扩充第二位“32”……

保持上一道题的树莓派及四支LED灯等实验器材和连接方式不变，设定“8421”的对应数位分别是从高位到低位的红色、绿色、黄色和蓝色LED灯，相当于四个二进制位，最大可“图解”表示的十进制数为15（对应十六进制的F）。对于程序将用户从键盘上接收到的十进制数，转换为四位的二进制数后，将对应数位是1的LED灯“点亮”，而数位为0的则保持熄灭状态。

在PythonIDE中仍然先使用“from gpiozero import LEDBoard”语句，从GPIOZero库中导入LEDBoard类，同样是再组建LED“灯阵”：“LEDs = LEDBoard（5，6，12，16）”;接着，通过input（）和int（）函数为变量My_Decimal赋值，实现接收用户从键盘上输入的任意一个16以内的十进制整数：“My_Decimal = int（input（“请输入一个16以内的十进制整数：”））”;语句“My_Binary = format（My_Decimal，‘b’）”的作用是为变量My_Binary赋值，该值是通过format将变量My_Decimal的值转换为对应的二进制“数”——特别要注意这是一个字符串类型的数据;考虑到用户输入的十进制数如果是“大于等于0且小于等于7”时，转换出的二进制字符串数据是不足四位的（1位、2位或3位），此时无法与树莓派的四支LED灯阵一一对应，因此必须要对二进制字符串数据进行高位“补零”操作——建立变量My_Binary_4，为其赋值为“My_Binary.rjust（4，‘0’）”，即通过rjust右对齐来实现四位数据的构建。

接下来，建立一个for循环，通过range（4）实现从第1至第3的四次循环，依次判断变量My_Binary_4中所存储的四位字符串型二进制数是否有1：“if My_Binary_4[i]==‘1’：”;条件成立的话，则控制对应编号的LED灯发光：“LEDs.on（i）”;最后，将用户输入的十进制整数和转换后的二进制数通过print进行输出：“print（‘十进制整数’，My_Decimal，‘转换为二进制数是：’，My_Binary）”（如图4）。

将程序保存为Decimal2Binary.py文件，点击“Run”按鈕运行进行两次测试：第一次在“请输入一个16以内的十进制整数：”提示后输入6，回车后发现树莓派上的中间绿色和黄色LED亮起，同时程序下方也有“十进制整数6转换为二进制数是：110”的提示输出;第二次测试数字9，回车后会亮起两侧的红色和蓝色LED灯，同时提示信息会显示为“十进制整数9转换为二进制数是：1001”（如图5），实现了简易“十进制转二进制”的图解过程。

程序本身只是简单地实现了将一个0至15的十进制整数转换为二进制数输出及对应的LED灯发光或是熄灭的图解功能，既没有对用户从键盘上输入的数据进行一定的“容错”判断处理（比如输入了小数或是超过15的整数），也没有加入循环控制用户的多次测试（程序运行一次只能测试一个数据），均可以考虑进行程序的进一步完善。同时，也可以尝试另一种相似的图解方式，比如使用for循环（range（16）），依次将0～15这十六个十进制整数均转换为对应的二进制数，每隔一段时间（比如3秒钟）就输出一组数据，同时也会控制树莓派上的LED“灯阵”进行对应的亮灯、关灯显示，实现四个二进制数位从“全灭”（0000）到“全亮”（1111）进制数据转换的动态演示，大家不妨一试。