謝作如 肖筱

學(xué)科關(guān)鍵詞：物理、數(shù)學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)

在某雜志上看到一個(gè)有趣的案例，一位國(guó)外科學(xué)教師設(shè)計(jì)了以“找朋友機(jī)”為主題用來(lái)教學(xué)電路的相關(guān)課程。“找朋友機(jī)”的功能非常有趣，給九年級(jí)學(xué)生提供了一個(gè)自行設(shè)計(jì)、測(cè)試和搭建復(fù)雜電路的機(jī)會(huì)，而這一電路又利于學(xué)生理解，十分適合學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)作。按照雜志的評(píng)價(jià)是“涉及重要的工程學(xué)主題和核心的科學(xué)內(nèi)容”的案例。

有趣的是，就在看到這個(gè)案例的前幾天，我們拿到了上海DFRobot公司設(shè)計(jì)的Boson Kit套件。在這個(gè)套件的支持下，“找朋友機(jī)”成為一個(gè)連小學(xué)生都能理解并且制作的作品。

功能分析

找朋友機(jī)，顧名思義就是幫助我們找朋友的機(jī)器，它通過(guò)辨別兩人的愛(ài)好、特點(diǎn)來(lái)判斷兩人是否能夠成為朋友。其實(shí)，它本質(zhì)上就是串聯(lián)和并聯(lián)電路，陌生人將符合自己條件的開(kāi)關(guān)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(ài)打籃球，愛(ài)看《喜羊羊》和《西游記》，并且住在鹿城區(qū)，他的找朋友機(jī)作品需要設(shè)計(jì)四個(gè)開(kāi)關(guān)，分別代表（A）喜歡打籃球，（B）住在鹿城區(qū)，（C）喜歡看《喜羊羊》，（D）喜歡看《西游記》。只要對(duì)方選擇了特定的某個(gè)或某些選項(xiàng)，那么他們就可以成為朋友了。而這些選項(xiàng)之間是有著一定的邏輯關(guān)系的。如果對(duì)方選擇了（A）喜歡打籃球和（B）住在鹿城區(qū)，那么他們就可以一起出來(lái)打籃球，并可以成為朋友。但是如果對(duì)方只選擇了（A）喜歡打籃球而并沒(méi)有選擇（B）住在鹿城區(qū)，那么很遺憾，雖然彼此愛(ài)好相同但是住得太遠(yuǎn)，不能一起出來(lái)打籃球，就不能成為朋友。也就是說(shuō)（A）和（B）的開(kāi)關(guān)必須同時(shí)閉合才能夠成為朋友，所以這兩個(gè)開(kāi)關(guān)必須是串聯(lián)的，兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合電路才聯(lián)通。而（C）喜歡看《喜羊羊》和（D）喜歡看《西游記》就是“或”的關(guān)系，只要閉合其中一個(gè)開(kāi)關(guān)，電路就連通了。因?yàn)橹灰獙?duì)方喜歡其中一個(gè)，我們就可以一起看劇聊天了，也就是說(shuō)我們需要把這兩個(gè)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)成并聯(lián)的。

規(guī)劃制作

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

在弄明白了找朋友機(jī)的原理之后，接下來(lái)的工作就簡(jiǎn)單多了。因?yàn)锽oson Kit不僅提供了多個(gè)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(guī)劃出線路，然后適當(dāng)加以包裝，就可以完成一個(gè)有趣的“找朋友機(jī)”了。

線路搭建

我們選擇用普通的按鈕來(lái)代表選項(xiàng)，只要對(duì)方按下按鈕，就代表他選擇了這個(gè)選項(xiàng)，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(shè)定的邏輯連接起來(lái)就可以了，參考電路如圖2所示。

從這個(gè)電路連接圖可以看出，A和B是AND關(guān)系，需要兩個(gè)都按下，與其對(duì)應(yīng)的LED模塊就能亮起；C和D是OR關(guān)系，任何一個(gè)按鈕按下，與其對(duì)應(yīng)的LED模塊都能亮起。當(dāng)然，這個(gè)電路不是唯一的，如果覺(jué)得這個(gè)電路用到了兩個(gè)LED模塊看起來(lái)不“爽”，還可以有好幾種辦法來(lái)改造。

其一，可以再加一個(gè)“OR”模塊。如下頁(yè)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(gè)就可以了。另外，如果覺(jué)得用3IO的電源板太浪費(fèi)，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(gè)輸入合并為一個(gè)輸出。

或許，你還有很多辦法。如果動(dòng)手能力好，可以自己用杜邦線連接起來(lái)。如果覺(jué)得就亮個(gè)LED太無(wú)趣，還可以加個(gè)蜂鳴器模塊，用分離器模塊連接起來(lái)（如下頁(yè)圖4）。

外形搭建

“找朋友機(jī)”的基本功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，我們用一個(gè)漂亮的紙盒把它包裝起來(lái)就可以了。注意在安裝按鈕的時(shí)候要把按鈕模塊的塑料小帽拆下來(lái)，在紙盒上打一個(gè)小孔，把按鈕木塊在小孔兩端安裝起來(lái)，這樣會(huì)比較美觀。我們制作的“找朋友機(jī)”外觀如圖5所示。

隱含的數(shù)學(xué)知識(shí)

在計(jì)算機(jī)科學(xué)里，我們用數(shù)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(tài)列成一個(gè)表格，就成了真值表，下面看看我們的三個(gè)邏輯模塊的真值表。

“邏輯與”相當(dāng)于生活中說(shuō)的“并且”，就是兩個(gè)條件都同時(shí)成立的情況下“邏輯與”的運(yùn)算結(jié)果才為“真”。A和B表示兩個(gè)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(dāng)于生活中說(shuō)的“或者”，就是兩個(gè)條件只要其中一個(gè)成立，“邏輯與”的運(yùn)算結(jié)果就為“真”。A和B表示其兩個(gè)輸入，Y為輸出，其真值表如表3所示。

通過(guò)我們的嘗試，可以看出用“找朋友機(jī)”之類的案例，能很好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而且，“找朋友機(jī)”是一個(gè)跨學(xué)科的案例，除了技術(shù)和藝術(shù)之外，還涵蓋了物理的電路、數(shù)學(xué)的邏輯和工程學(xué)。如果更換不同的元件，如把按鈕換成撥碼開(kāi)關(guān)或者觸摸傳感器，這個(gè)作品會(huì)更加好玩。

通過(guò)這個(gè)案例，我們也了解了Boson Kit的作用，不用編程，就能讓沒(méi)有簡(jiǎn)單電路知識(shí)的小學(xué)生制作出相對(duì)復(fù)雜的作品，而且?guī)缀跄苤С炙械腁rduino兼容的傳感器。我們知道，如果充分利用“與”“或”“非”這三個(gè)邏輯模塊，理論上可以做出非常復(fù)雜的作品，如加法器、比較器等。接下來(lái)幾期，我們還會(huì)繼續(xù)用Boson Kit做幾件好玩的作品。

如果對(duì)相關(guān)內(nèi)容感興趣，請(qǐng)關(guān)注主持人博客。