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# 用 BBC micro:bit 學 Python：免費、免安裝的完全入門指南
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作：Alan Wang, Feb 2021
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本指南採用 [GNU 3.0 通用公共授權](https://www.chinasona.org/gnu/gnulgpl-v3-tc.html)
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## 關於本指南
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這份指南不是替兒童而寫，而是有興趣使用 BBC micro:bit 開發板為媒介來學習 Python 語言的成人或青少年。
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現有的書籍或網路教材，在談及 micro:bit 的 Python 教學時，多半著重在 micro:bit 的功能和相關的範例，卻鮮少深入 Python 的語言特色。這份指南的目的是借用 micro:bit 的硬體特色來介紹 Python 的重要概念，好讓學習者將來能將之應用在正式的 Python 程式開發。
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至於 micro:bit 是什麼、為什麼現在要學 Python，這些在網路上已經有非常多討論，這裡就不再贅述。
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## 閱讀本指南所需的準備
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本指南會使用 2020 年 10 月後上市的新版 [micro:bit V2](https://microbit.org/zh-tw/new-microbit/)，但大部分程式碼也適用於 V1。筆者推薦使用 V2，因為價格相近但規格更佳，有更多記憶體執行 Python 直譯器。
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你也需要 micro USB 線以及一台有 Google Chrome 瀏覽器的電腦，就這樣。不須安裝其他東西。
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### Python 編輯器
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打開 https://python.microbit.org/v/2 ：
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這是 micro:bit 官方提供的線上版瀏覽器，雖然簡單，但就本指南的目的來說夠用了。後面有機會的話，筆者會在談如何使用其他 Python 編輯器。
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畫面上方有五個大按鈕：
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* Download/Flash (下載/燒錄)
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* Connect/Disconnect (連線/解除連線)
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* Load/Save (上載檔案/存檔)
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* Open Serial/Close Serial (打開 REPL/關閉 REPL)
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* Help (線上說明)
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按鈕的內容會因與 micro:bit 連線與否而有所不同。
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### 與 micro:bit 連線和燒錄第一支程式／韌體
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Python 是直譯式語言，這表示程式運作的地方必須裝有直譯器。幸好，官方編輯器簡化了這個流程：你從編輯器下載的 .hex 程式檔中，有一部分會包著 micro:bit 用的 Python 韌體，剩下的則是你寫的程式（又稱草稿碼）。即使你的 micro:bit 之前並沒有安裝 Python 韌體，只要燒錄一次程式就會自動完成韌體安裝。這也使得第一次燒錄──或者在使用過其他語言後重新燒錄──Python 會花較久的時間。
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> micro:bit 使用的 Python 實際上是 Micropython──設計給記憶體有限的開發版的 Python 版本。Micropython 本身就有好幾種版本，針對不同類型的開發板而作，不過它們都是是以 Python 3.4 為基礎。所以，Python 3.4 擁有的核心語言功能，在 micro:bit 都是可以使用的。
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那麼，我們就來燒錄一支程式，直接用官方編輯器一打開就出現的程式即可：
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```python
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# Add your Python code here. E.g.
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from microbit import *
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while True:
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display.scroll('Hello, World!')
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display.show(Image.HEART)
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sleep(2000)
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```
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將 micro:bit 接上電腦，然後按畫面中的 **Connect**，讓 Chrome 瀏覽器跟你的裝置連線：
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連線後按 **Flash**。等待程式燒錄作業結束。
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> 較近期的 micro:bit 的韌體支援 WebUSB，讓瀏覽器能跟 USB 裝置連線，這麼一來編輯器就能直接下載程式到 micro:bit 上。現在市售的 micro:bit 應該都有新韌體了；但若你沒辦法連線，請用 Download 下載 .hex 檔後複製／貼上到 micro:bit 的 USB 磁碟區。
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## REPL 互動介面
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想學 Python，就不可不知 **REPL**（Read-Eval-Print Loop，讀取-求值-輸出循環）。簡單說，這是 Python 直譯器的互動介面，能讓開發者用來做簡單的測試、探索 Python 的功能、讀取程式的回應等等，不管在電腦或開發板上，對程式開發者來說都是很實用的工具。因此後面在講解 Python 入門時，我們會先在 REPL 下來示範。
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在 micro:bit 連線的情況下，點編輯器的 **Open Serial**，然後點按鈕下方右側的「Send CTRL-C for REPL」或直接在鍵盤上按 Ctrl+C。你應該會看到以下畫面：
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這幾行文字
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```
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MicroPython v1.13 on 2020-12-21; micro:bit v2.0.0-beta.3 with nRF52833
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Type "help()" for more information.
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>>>
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```
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就是 REPL 的提示，類似 Windows 命令提示字元或 Unix 的終端機。它告訴我們 Python 直譯器的版本，並等待我們輸入指令。
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現在於 >>> 後面輸入 ```1 + 2```，並按 Enter：
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```
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MicroPython v1.13 on 2020-12-21; micro:bit v2.0.0-beta.3 with nRF52833
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Type "help()" for more information.
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>>> 1 + 2
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3
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```
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可以發現 Python 直譯器解讀了你輸入的程式，並自動算出答案。
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## Python 基礎：運算式
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在 Python 中，程式碼可分為兩類：**陳述（statement）**與**運算式（expression）**。這兩者都會執行某個功能，但運算式本身也代表某個值，比如前面的 ```1 + 2``` 會得到 ```3```。
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運算式可以放在其他運算式中，而 Python 有很多會傳回值的東西都可以當成運算式的一部分。最簡單的運算式由值和**運算元（operator）**構成，例如上面的算式有數字 1 和 2，中間是加號運算元（+）。
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我們先來看 Python 常用的運算元：
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功能 | Python 運算元
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--- | ---
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加 | +
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減 | -
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乘 | *
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除 | /
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整數除 | //
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餘數除 | %
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次方 | **
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小括號 | ()
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在 REPL 中試試看：
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```
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>>> 2 + 3
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5
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>>> 2 - 3
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-1
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>>> 2 * 3
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6
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>>> 10 / 3
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3.333333
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>>> 10 // 3
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3
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>>> 10 % 3
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1
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>>> 2 ** 3
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8
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>>> 10 / (2 + 3)
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2.0
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```
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> 數字與運算元之間一定要有空格嗎？不用，甚至打一堆空格都無所謂，但留一個空格是最美觀的。
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## Python 基礎：資料型別
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前面的運算式，其實只使用到數字而已。而在 Python 中，不同的資料有不同的**型別（type）**，而型別決定了資料（以及你對資料）能做哪些事。
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Python 最基本的幾種型別為：
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型別 | 範例
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int (整數) | 42
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float (浮點數) | 3.14159
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str (字串) | "test"
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bool (布林值) | True/False
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NoneType (無值) | None
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### 整數與浮點數
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以上面的運算元來說，整數（無小數點）和浮點數（有小數點）是可以放在一起運算的，而取決於運算元，結果會是整數或浮點數。例如，整數用 / 相除會得到浮點數, 用 // 相除卻會得到整數。
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如果用 // 時算式裡有浮點數呢？這樣就還是會得到浮點數：
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```
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>>> 10 // 3.0
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3.0
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```
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### 字串
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字串前後必須用雙引號 (") 或單引號 (') 括起來：
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```
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>>> "This is a string"
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'This is a string'
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```
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Python 預設是用單引號，不過大多時候沒有差別，取決於個人習慣。單引號看起來比較簡潔，但雙引號在多數語言是表示字串的通用用法。其實 Python 還有幾種其他代表字串的變形形式，不過一開始不需要知道。
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當然，字串內容可以打任何語言。不過 micro:bit 的網頁編輯器打中文有點容易亂跳，所以還是打英文吧。
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字串和整數、浮點數最大的差別，在於它們不能放在一起運算：
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```
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>>> 1 + 1
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2
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>>> "1" + "1"
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'11'
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>>> 1 + "1"
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Traceback (most recent call last):
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File "<stdin>", line 1, in <module>
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TypeError: unsupported types for __add__: 'int', 'str'
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>>> "1" + 1
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Traceback (most recent call last):
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File "<stdin>", line 1, in <module>
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TypeError: can't convert 'int' object to str implicitly
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```
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當你把數字寫在用 " 或 ' 括起來的字串中，那些數字就是字串而不是數字了。當你對兩個字串使用 + 號，這些字串只會直接連在一起。
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這顯示了 + 運算元對數值和字串的意義是不一樣的，所以你嘗試執行 ```1 + "1"``` 或 ```"1" + 1``` 就產生錯誤了。之後我們會再談到怎麼藉由轉換資料型別的方式，好讓它們可以一起運算。
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> 執行遇到問題時，Python 直譯器會顯示錯誤訊息，告訴你錯誤發生的行數（由於我們在使用 REPL 介面，所以位置是第 1 行）以及原因（TypeError，型別錯誤）。這時我們就可以根據這些訊息來嘗試排解錯誤（除錯）。
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### 布林值
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布林值（Boolean）就是「是／否」或「真／假」的二元結果，在 Python 中這兩個值分別是 True 和 False（第一個字一定大寫），主要用在邏輯判斷用途，這些後面會再探討。
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Python 的布林值同時也是一種特殊的數值，0 和 None 就等於 False，除此以外的其他任何數字則等於 True。
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### None
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None 是個特殊的值，代表沒有值的意思。你用到它的機會非常少，但有些 Python 功能會把它當成沒有值時的預設值。
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## Python 基礎概念：變數
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### 宣告變數
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**變數（variable）**是用來在程式中記住資料的方法，就像是解數學方程式時的 X 或 Y。變數會有一個值，而這個值是可以隨意改變的。
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在 Python 中，若要宣告（define）一個新變數，辦法是用 =（指派運算元）號指定或賦予一個值給某個名稱：
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```
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>>> a = 1
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```
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此舉建立了名為 a 的變數，值為整數 1。
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```
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>>> a
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1
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>>> a + 3
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4
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```
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如果用 = 指定新的值給 a，它的值會隨之改變：
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```
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>>> a = 2
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>>> a
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2
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>>> a * 3
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6
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```
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你甚至可以這樣寫：
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```
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>>> a = 1
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>>> a
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1
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>>> a = a + 4
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>>> a
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5
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```
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請記住 = 號不是數學上的等於，而是**將其右邊的值指定給左邊**。一開始 a 的值為 1，然後我們指定新的值 a + 4（也就是 5） 給 a。因此 = 完成運算後，a 就變成 5 了。
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最後，來按編輯器的 **Close serial** 關閉 REPL 介面，然後重開（記得按 Ctrl+C），並再次輸入 ```a``` 查詢其值：
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```
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>>> a
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Traceback (most recent call last):
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File "<stdin>", line 1, in <module>
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NameError: name 'a' isn't defined
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```
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現在產生了錯誤，說名稱 a 未定義。這是因為重開 REPL 後，變數 a 就在記憶體裡消失了。
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後面我們在執行完整的程式時，每次重新執行的效果就等同於重新啟動 REPL，所以你得在程式裡適當的地方宣告變數，後面的程式使用它時才不會遇到問題。
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### Python 變數是個「路牌」
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現在要來講一個比較難懂、但仍然非常重要的觀念，因為這能解釋 Python 變數在賦值時的獨特特性。
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在許多程式語言中，變數是個容器，實際上就是記憶體裡的一個空間，然後把值存在那裡面。既然是事先指定的空間，你只能用它來儲存特定類型的資料。但 Python 的做法卻剛好相反：值本身已經存在於記憶體中某處了，你所做的其實是做一個「路牌」來指向它。
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以 ```a = 1``` 為例，整數 1 其實已經存在於記憶體內，我們只是新增一個名稱 a 來代表它：
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```
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a ---> 1
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```
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而當你執行 ```a = 2``` 時，路牌 a 會指向記憶體中的整數 2。這時整數 1 仍然存在，只是除了直接寫出 1 以外，我們沒有別的方式能引用 1。
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```
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1
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a ---> 2
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```
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> 整數 1 和 2 等等是特例，它們是 Python 一開始就擁有的資料。有些資料則是由使用者在執行程式期間建立的。
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換言之，變數可以任意指向任何資料，就算途中改變資料的類型也無謂：
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```
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>>> a = 1
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>>> a
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1
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>>> a = "test"
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>>> a
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'test'
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```
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上面 a 一開始是整數，後來變成字串了。要注意的是，在同一支程式裡太任意更改變數指向的資料類型，只會把程式搞得更複雜而已。最好還是把不同功能的變數分開宣告，讀起來也比較容易懂。
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### Python 變數的命名規則
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Python 變數的命名非常自由，除了不能用數字開頭以外，可以隨意混搭字母、數字和底線：
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```
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>>> _Number_01 = 42
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>>> _Number_01
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42
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```
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Python 變數名稱也支援 Unicode，因此用中文、日文或各國語言建立變數名稱都是可行的。使用非 Unicode 特殊字元會產生錯誤。不過，一般習慣上還是會以英數為主，而且最好清楚反映變數本身的用途。
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當然還有一件你不該做的事，就是拿 Python 內建功能的名稱來當變數。這會導致那個名稱指向了你給予的資料，結果等於是把原本的功能蓋掉了，說不定還會導致程式錯誤。
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## Python 基礎：內建函式
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函式（function）是一個功能，就像數學函數一樣可以輸入資料給它，而函式會拿資料來做某件事。有的函式也會傳回處理完的結果。後面我們會再看到 Python 函式是怎麼定義的，但 Python 本身也提供了一系列內建函式，你不需要做任何事就能直接使用它們。
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最常用的內建函式之一是 print()，可以用來把資料輸出到 REPL 介面：
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```
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>>> print(42)
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42
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>>> print("Test")
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'Test'
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>>> print(2 ** 10)
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1024
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```
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要是 REPL 可以直接印出資料、變數和運算式，幹嘛多此一舉呢？這是因為在正式寫程式的時候，你不會寫在 REPL 裡面，而是直接讓 REPL 執行一個，而這時你若想輸出一些資料的話，就必須用 print() 函式。
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函式跟變數一樣有個名稱，這個名稱（路牌）會指向真正的函式：
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```
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>>> print
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<function>
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```
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若要「呼叫」函式，得在這個名稱後面加上小括號。
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如前面所提，如果你用 = 指派一個新的值給 print 這個名稱，原本的函式就找不到了（直到下次重新執行程式、或重開直譯器為止），所以這種行為是能免則免。
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相對的，也有些內建函式主要是讓你在 REPL 介面使用的，用來探索 Python 的功能。下面我們會一一講解。
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## 印出文字 - 模組與函式
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好了，我們花了點時間講解一些 Python 基礎。現在先來看這能怎麼應用在 micro:bit 的功能吧。
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在 REPL 照順序輸入以下兩行指令：
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```
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>>> import microbit
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>>> microbit.display.show(42)
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```
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執行第二行時，。micro:bit 的 5x5 LED 顯示幕會依序顯示 4 和 2。
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接著：
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```
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>>> s = "Test"
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>>> microbit.display.show(s)
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```
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這回 micro:bit 顯示了變數 s 的內容，也就是 Test。
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你也可以直接在 ...show() 裡面寫運算式：
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```
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>>> microbit.display.show(2 ** 10)
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```
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但是，這個功能是個函數嗎？第一行的 import... 是在做什麼呢？
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### 探索 microbit 模組
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模組（module）代表 Python 中一系列特定的功能，歸類在某個名稱底下。在其他語言中，我們會稱模組為函式庫。例如，math 模組含有跟數學計算有關的功能，而 time 模組有些可用於計時和處理時間的功能。
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如前面提過的，micro:bit 的 Python（MicroPython）是經過精簡的版本，所以它的模組不會像正規 Python 那麼多和完整，也有些模組是特別針對開發板的硬體功能而設計。不過，使用方式是完全一樣的。
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在 micro:bit 上，**microbit** 模組囊括了 micro:bit 絕大部分的硬體功能。現在我們來看看它裡面有什麼東西。
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首先要「匯入」microbit 模組：
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```
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>>> import microbit
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```
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你可以想像這是在把模組載入到記憶體中，雖然實際上這更像是在建立一個變數名稱 microbit，它會指向一系列功能。當我們使用這個名字時，Python 會去系統中尋找這模組的檔案，並執行當中的程式功能。
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匯入模組以後，就可以用 help() 函式來調查它的內容：
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```
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>>> help(microbit)
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||
object <module 'microbit'> is of type module
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__name__ -- microbit
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Image -- <class 'MicroBitImage'>
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Sound -- <class 'MicroBitSound'>
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||
SoundEvent -- <class 'MicroBitSoundEvent'>
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||
display -- <MicroBitDisplay>
|
||
button_a -- <MicroBitButton>
|
||
button_b -- <MicroBitButton>
|
||
accelerometer -- <MicroBitAccelerometer>
|
||
compass -- <MicroBitCompass>
|
||
speaker -- <MicroBitSpeakerPin>
|
||
microphone -- <MicroBitMicrophone>
|
||
audio -- <module 'audio'>
|
||
i2c -- <MicroBitI2C>
|
||
uart -- <MicroBitUART>
|
||
spi -- <MicroBitSPI>
|
||
reset -- <function>
|
||
sleep -- <function>
|
||
running_time -- <function>
|
||
panic -- <function>
|
||
temperature -- <function>
|
||
set_volume -- <function>
|
||
ws2812_write -- <function>
|
||
pin0 -- <MicroBitTouchPin>
|
||
pin1 -- <MicroBitTouchPin>
|
||
pin2 -- <MicroBitTouchPin>
|
||
pin3 -- <MicroBitAnalogDigitalPin>
|
||
pin4 -- <MicroBitAnalogDigitalPin>
|
||
pin5 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin6 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin7 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin8 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin9 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin10 -- <MicroBitAnalogDigitalPin>
|
||
pin11 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin12 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin13 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin14 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin15 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin16 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin19 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin20 -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
pin_logo -- <MicroBitTouchOnlyPin>
|
||
pin_speaker -- <MicroBitDigitalPin>
|
||
```
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||
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||
另一個類似的方式是使用 dir() 函式：
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||
```
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>>> dir(microbit)
|
||
['__class__', '__name__', 'Image', 'Sound', 'SoundEvent', 'accelerometer', 'audio', 'button_a', 'button_b', 'compass', 'display', 'i2c', 'microphone', 'panic', 'pin0', 'pin1', 'pin10', 'pin11', 'pin12', 'pin13', 'pin14', 'pin15', 'pin16', 'pin19', 'pin2', 'pin20', 'pin3', 'pin4', 'pin5', 'pin6', 'pin7', 'pin8', 'pin9', 'pin_logo', 'pin_speaker', 'reset', 'running_time', 'set_volume', 'sleep', 'speaker', 'spi', 'temperature', 'uart', 'ws2812_write']
|
||
```
|
||
|
||
如果你想知道一個模組（或者模組內的功能）底下有什麼東西，又覺得花時間開文件麻煩的話，可以很快用 help() 或 dir() 查一下。
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||
現在，micro:bit LED 顯示幕的相關功能都放在 microbit 模組的 display 項目下。我們可以查查看它是什麼：
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||
```
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>>> help(microbit.display)
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object <MicroBitDisplay> is of type MicroBitDisplay
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get_pixel -- <function>
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set_pixel -- <function>
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show -- <function>
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scroll -- <function>
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clear -- <function>
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on -- <function>
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off -- <function>
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is_on -- <function>
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read_light_level -- <function>
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```
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microbit.display（用句號連接）是個物件，它本身也有一些功能，包括 show() 和其他幾個函式。之後我們會再談物件是什麼。
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因此，若你想使用上面的 show() 函式來顯示資料，你得連同模組跟物件的名稱來呼叫它：
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```
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>>> microbit.display.show("Show something")
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```
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> micro:bit 的 LED 顯示幕只能顯示英文、數字和一些標點符號，不支援中文或全形符號等等。
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你甚至可試著呼叫其他函式：
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```
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>>> microbit.display.scroll("Show something")
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```
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你應該會發現，scroll() 正如其名，能在 LED 幕捲動顯示文字，使之變成跑馬燈。
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### 用草稿碼的方式執行程式
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現在，我們要把上面的幾行程式合併起來，讓 micro:bit 能一口氣全部執行。
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關閉 REPL 介面、切回寫程式的介面，清掉原本的程式和換成以下內容：
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```python
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import microbit
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microbit.display.scroll("Hello World!")
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```
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確定編輯器已與 micro:bit 連線，然後按 **Flash** 上傳程式。
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跑馬燈跑完後，你可以按 micro:bit 背面的 reset（重置）鈕來重新啟動板子。你會發現 micro:bit 再次執行了同一支程式，不再需要我們手動輸入。
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> 但 micro:bit 是怎麼執行程式的呢？事實上，你的程式會轉成一個文字檔 main.py 並儲存在 micro:bit 上。當 micro:bit 啟動時，它就會尋找並執行這個檔案的內容。若你按編輯器的 **Load/Save**，就可以瀏覽板子的檔案系統：
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> 可以看到板子上確實有一個 main.py，而這個介面也允許你上傳 .hex 或 .py 檔。.py 是標準的 Python 草稿碼副檔名；這表示你也可以用一般的 Python 編輯器寫程式，儲存成 main.py，然後手動上載到 micro:bit 上。你甚至能藉此上傳額外的模組檔案，但這就是比較進階的主題了。
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### 匯入模組的其他方式
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你可能會覺得，為了使用模組的某個功能，就得寫一長串名稱，未免太麻煩了。
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這時，你可以選擇只「匯入」模組底下的某樣東西：
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```python
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from microbit import display
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display.scroll("Hello World!")
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```
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上面的程式從 microbit 模組單獨匯入 display 物件，於是我們就能直接使用 display 名稱了。（但是你不能寫 ```from microbit.display import scroll```，因為 display 本身不是模組，不適用於這種語法。）要注意的是，現在 microbit 這名稱並沒有被匯入，所以沒辦法使用。
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除此以外，microbit 模組內還有很多其他東西。在網路上的教材中，很常看到會用以下的方式載入 microbit 模組下的所有功能：
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```python
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from microbit import *
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```
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這麼一來，你就能跳過 microbit 名稱和使用它底下的任何東西了。但在一般的 Python 程式設計中，這樣反而不見得是好主意，因為你有可能無意間載入了太多功能，或者有兩個模組的子功能具有同樣的名稱（因此有一邊會蓋掉另一邊）。所以在本教材中，我們還是會很明確的寫出我們要匯入什麼。
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