陳斌　陳天翔

Python語言中內(nèi)置的海龜作圖turtle模塊設(shè)計(jì)巧妙，作圖模型簡單強(qiáng)大，能夠讓程序設(shè)計(jì)初學(xué)者很快編寫出趣味生動(dòng)的作圖程序，極大提高編程學(xué)習(xí)的興趣和積極性，在練習(xí)過程中培養(yǎng)和提高計(jì)算思維。除了繪制圖形之外，Python turtle模塊還具有基本的交互功能，加上學(xué)習(xí)門檻低，又是Python語言內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)模塊，所以非常適合作為創(chuàng)意編程的學(xué)習(xí)和開發(fā)平臺(tái)。本文以Python turtle模塊為核心，展示和分析交互游戲、數(shù)學(xué)對象可視化等學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)意編程實(shí)例，并介紹turtle模塊的深入編程，以供創(chuàng)意編程的教學(xué)參考，也可用于高中Python程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)案例。

本文實(shí)例所涉及的代碼和截圖，均可通過鏈 接（https：//github. com/chbpku/bdfz.courses/wiki）訪問獲取。

交互游戲：接蘋果

本作品是一個(gè)通過鼠標(biāo)控制的交互游戲。程序運(yùn)行后，在turtle窗口中會(huì)有隨機(jī)數(shù)量和位置的紅色蘋果從頂端向下掉落，掉落速度各不相同。用戶需要通過鼠標(biāo)拖動(dòng)窗口中間的三角形狀“托籃”接住每一個(gè)蘋果。托籃可以在窗口中隨意移功，如果接住蘋果，則加10分，分?jǐn)?shù)在窗口左下角實(shí)時(shí)更新顯示，但如果未能接住蘋果使其掉出窗口下沿的話，則懲罰性地減100分。由于蘋果產(chǎn)生的位置和速度均為隨機(jī)，數(shù)量不定，懲罰性減分幅度大，游戲還是有相當(dāng)難度的，想一直保持正分不太容易。最后點(diǎn)擊關(guān)閉窗口即可退出游戲。游戲運(yùn)行效果如圖1所示。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有5個(gè)。

第1個(gè)是海龜繪圖加速功能，通過在程序前部加tracer方法調(diào)用禁止動(dòng)畫顯示。

將海龜basket的拖動(dòng)事件綁定到basket的goto函數(shù)，這樣，當(dāng)用戶用鼠標(biāo)點(diǎn)擊這個(gè)海龜并進(jìn)行拖動(dòng)的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)drag事件，實(shí)現(xiàn)調(diào)用basket.goto函數(shù)，并將事件發(fā)生時(shí)海龜?shù)淖鴺?biāo)作為參數(shù)傳遞給basket. goto函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)拖動(dòng)到哪里，海龜asket就跟到哪里的交互效果。海龜?shù)氖髽?biāo)交互事件還有點(diǎn)擊事件onclick、釋放事件nrelease，都可以綁定處理函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊、釋放鼠標(biāo)各個(gè)按鈕的交互。

第3個(gè)是海龜克隆功能，如程序中的第14行，海龜model的clone方法，可以將model對象復(fù)制1個(gè)，賦值給basket，克隆會(huì)產(chǎn)生新的海龜對象，并且保留原海龜對象的所有屬性值。利用克隆功能，能夠很方便地復(fù)制出相互獨(dú)立而又具有相同初始屬性的多個(gè)海龜，這些海龜后續(xù)修改屬性并不會(huì)相互影響。

第4個(gè)是海龜形狀設(shè)定功能，如程序中的第13、15行，由于鼠標(biāo)交互需要整體拖動(dòng)一個(gè)圖形，我們就可以將一個(gè)海龜?shù)男螤钤O(shè)置為這個(gè)圖形，實(shí)現(xiàn)圖形的動(dòng)畫和接受鼠標(biāo)拖動(dòng)事件。第13行在程序中用addshape函數(shù)添加注冊1個(gè)名字為“basket”的形狀，從代碼可以看出，這是1個(gè)以海龜坐標(biāo)為中心的倒三角形。第15行用shape函數(shù)將海龜basket設(shè)置成名稱為“basket”的形狀。

我們也可以用shape函數(shù)將海龜?shù)男螤罡臑閠urtle模塊內(nèi)置的形狀，如箭頭"arrowl"、海龜"turtle"、圓"circle"、方形"square"、三角形"triangle"和經(jīng)典形狀"classic"。

第5個(gè)是海龜?shù)摹吧w戳”復(fù)印功能，如程序中的第43行，設(shè)定好紅色蘋果形狀的海龜mould作為印模，可以在海龜當(dāng)前位置上留下自身的形狀。即便移走海龜，這個(gè)形狀仍然保持在原地。

40 #蘋果下落，并用印模畫出蘋果

41 apple[1] -=apple[2]

42 mould. goto（apple[0]，apple[1]）

43 mould.stamp（）

stamp函數(shù)將返回一個(gè)stampid，如果需要清除這個(gè)形狀，則可以調(diào)用clearstamp豳數(shù)清除指定stampid的形狀，或者調(diào)用clearstamps函數(shù)清除所有形狀。

程序代碼分析

程序可以分為2個(gè)部分：第1-28行為初始化部分，第30-57行為循環(huán)體部分。

初始化部分中，第1-2行導(dǎo)入了必要的運(yùn)行庫。

1 import turtle， time

2 form random import randrange

第4-7行關(guān)閉了turtle的動(dòng)畫效果，并創(chuàng)建了基礎(chǔ)的畫筆對象，用于后續(xù)的復(fù)制。

4 turtle.tracer（0）

5 model=turtle.Turtle（ ）

6 model.hideturtle（）

7 model.penup（）

第9-10行設(shè)置了幾個(gè)游戲參數(shù)。

9 FPS=30 #每秒30幀刷新率

10 FREQ=FPS//2#平均每秒生成2個(gè)蘋果

第12-18行創(chuàng)建了果籃對象，將其設(shè)置為自定義形狀，并綁定至鼠標(biāo)拖動(dòng)事件上。

12 #接蘋果的籃子

13 turtle.addshape（'basket'， （（-100，0），（100，0），（0，-25）））

14 basket=model.clone（）

15 basket.shape（'basket'）

16 basket.setheading（90）

17 basket.ondrag（basket.goto） #把goto函數(shù)綁定到鼠標(biāo)拖動(dòng)事件上

18 basket.showturtle（）

第20-23行創(chuàng)建了繪制蘋果印模的畫筆對象，并設(shè)置了其顏色與形狀。

20 #用來顯示蘋果的印模

21 mould=model.clone（）

22 mouldcolor（'red'）

23 mould.shape（'circle'）

第25-28行創(chuàng)建了繪制得分文字的畫筆，設(shè)置了顏色與位置。

26 board = model.clone（）

27 board.goto（-300，-300）

28 board.color（'blue'）

循環(huán)體部分前聲明了蘋果列表與當(dāng)前得分，隨后進(jìn)入無限循環(huán);循環(huán)體內(nèi)首先清除了上一幀繪制的蘋果。

30 apples=[]

31 score=0

32 while True：

33 mould.clearstamps（）

隨后，根據(jù)隨機(jī)數(shù)值確定當(dāng)前幀是否生成蘋果，并將相應(yīng)生成的蘋果加入列表內(nèi)，每個(gè)對象記錄了橫縱坐標(biāo)與下落速度。

34 if randrange（FREQ）==0：

35 #生成蘋果[x，y，s]加入列表，s是一次下落高度

36 apples.append（[randrange（-350，350），400，5+ randrange（10）]）

38-52行為主要的濤戲邏輯：首先記錄籃子橫縱坐標(biāo)為b_x與b_y，隨后遍歷蘋果列表中每個(gè)對象。

38 b_x. b_y=basket.pos（）

39 for apple in apples：

對每個(gè)蘋果，在40-43行，首先使其下落相應(yīng)高度，并在下落后的位置使用stamp繪制。

40 #蘋果下落，并用印模畫出蘋果

41 apple[1]-=apple[2]

42 mould.goto（apple[0]， apple[1]）

43 mould.stamp（）

之后，44-52行中判斷了每個(gè)蘋果的位置，若在籃子內(nèi)則加分并移除;若落出底邊則扣分并移除。

44 #判斷蘋果的位置

45 if，abs（apple[0]-b_x）<=100 and -<=apple[1]-b_y<=25：

46 #籃子碰上了蘋果，加分

47 score+=10

48 apples.remove（apple）

49 elif apple[1]<-400：

50 #蘋果掉出底線，沒接到，減分

51 score-= 100

52 apples.remove（apple）

最后，在54-57行，由得分板畫筆寫出當(dāng)前得分，并刷新屏幕呈現(xiàn)內(nèi)容，最后按幀率停頓相應(yīng)時(shí)間。

54 board.clear（）

55 board.write（f'SCORE： {score}'，font=（'SYSTEM'， 40，'normal'））

56 turtle.update（）

57 time.sleep（1/FPS）

【因篇幅所限，以下創(chuàng)意編程實(shí)例中的“程序代碼分析”部分，請?jiān)L問雜志官網(wǎng)閱讀?！?/p>

數(shù)學(xué)對象可視化：玫瑰曲線

本作品通過玫瑰曲線的數(shù)學(xué)定義，使用turtle庫繪制出來。通過改變代碼內(nèi)參數(shù)可繪制不同的玫瑰曲線。程序運(yùn)行結(jié)果如圖2。

turtle功能

本作品涉及的turtle功能有2個(gè)。

第1個(gè)是通過pencolor與pensize函數(shù)設(shè)置畫筆顏色與大小，此外還有fillcolor設(shè)

置填充色，color同時(shí)設(shè)置畫筆色與填充色，shapesize設(shè)置畫筆形狀大小等函數(shù)。例如程序10-11行。

10 rose.pencolor（'red'）

11 rose.pensize（7）

第2個(gè)是設(shè)置動(dòng)畫移動(dòng)速度，如第12行設(shè)置其為最快。

12 rose.speed（'fastest'）

數(shù)學(xué)財(cái)象可視化：分形Koch雪花

本作品通過科赫曲線的定義，將3條科赫曲線繪制成為雪花形狀的分形進(jìn)行呈現(xiàn)。程序運(yùn)行效果如圖3。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有2個(gè)。

第1個(gè)是取消動(dòng)畫效果與手動(dòng)更新。

3 turtle.tracer（0）#取消動(dòng)畫加快繪圖速度

35 turtle.update（）#與tracer配合使用

第2個(gè)是turtle中的顏色系統(tǒng)，不僅可以指定RGB值設(shè)置顏色，也包括很多由顏色名稱預(yù)置的顏色，如"sky blue"與"snow";此外，可以通過bgcolor設(shè)置畫布顏色，以及begin_fill與end_fill填充多邊形內(nèi)部。

4 turtle.bgcolor（'sky blue'）

26

snow.flllcolor（'snow'）

27 snow.begin_fill（）

數(shù)學(xué)對象可視化：蒙特卡洛法求圓周率

本作品模擬了經(jīng)典的平面授點(diǎn)求圓周率的過程，將投點(diǎn)的過程與相應(yīng)的估算圓周率通過turtle可視化為動(dòng)畫。程序運(yùn)行效果如圖4。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有4個(gè)。

首先是繪圖加速功能，通過turtle.tracer（0）關(guān)閉動(dòng)畫效果，輔以手動(dòng)的turtle。update（）更新畫面。

3

turtle.tracer（0）

42

#刷新屏幕

43

turtle.update（）

其次是移動(dòng)系統(tǒng)，包括坐標(biāo)移動(dòng)函數(shù)goto，前進(jìn)轉(zhuǎn)向等控制方式forward. left等，以及預(yù)定義的軌跡移動(dòng)，如circle函數(shù)。

14 t.goto（0， -R）

15 t.pendown（）

16 t.circle（R）

17 for i in range（4）：

18

t.forward（R）

19

t.left（90）

20

t.forward（R）

21 t.penup（）

第3個(gè)是dot畫點(diǎn)的功能，可以輸入?yún)?shù)指定點(diǎn)大小與顏色。

29 if x **2+y**2<=R**2：

30 n+=1

31 t.dot（3，'red'）

32 else：

33 t.dont（.，'black'）

最后是write繪制文字的功能。

38

#顯示文字

39

label.clear（）

40

label.write（f'pi～={pi： .6f}（{n：7）：{m 6}），font=FONT）

物理仿真：拋物和碰撞

本作品通過歐拉法逐幀模擬了一個(gè)小球受到重力與空氣阻尼（正比于速度）作用，進(jìn)行斜拋運(yùn)動(dòng)，并在墻面與地面發(fā)生彈性碰撞的現(xiàn)象。通過turtle庫可視化了墻面與地面的位置，以及小球的運(yùn)動(dòng)路線，并且保留繪制了小球從發(fā)射到減速停止的運(yùn)動(dòng)軌跡。程序運(yùn)行效果如圖5。

turtle功能

本作品涉及到的turtle功能主要有3個(gè)。

第1個(gè)是繪制加速和千動(dòng)更新畫面。

3

turtle.tracer（0）

42

turtle.update（）

第2個(gè)是繪制路徑的基本功能。

14 #繪制地面和墻

15 ball.pencolor（'blue'）

16 ball.penup（）

17

ball.goto（-500，GROUND_Y）

18 ball.pendown（）

19

ball.goto（WALL_X，GROUND_Y）

20 ball.goto（WALL_X，500）

第3個(gè)是更改形狀與形狀大小。

12

ball = turtle.Turtle （'circle'）

13 ball.shapesize（R / 10）

地球空間信息可視化：地圖繪制

本作品結(jié)合了shapefile庫（通過pip install pyshp安裝）的功能，讀取ESRI Shapefile （shp）地圖矢量圖文件，并使用turtle庫將其繪制出來。程序運(yùn)行效果如圖6。

turtle功能

本作品涉及的turtle功能有3個(gè)。

第1個(gè)是海龜繪圖加速功能。

1

import turtle， random

2

import shapefile#需要安裝shapefile模塊，讀取

4 turtle.tracer（0） #海龜加速，無動(dòng)畫

47 turtle.update（）

第2個(gè)是turtle畫布的設(shè)置，包括第17行設(shè)置窗口寬高，與第21行謾置坐標(biāo)系。

17 turtle.setup（w+20，h+30）

18

19 #將海龜坐標(biāo)系設(shè)置為與地圖坐標(biāo)相同

20

#turtle. setworldcoordinates （layer.bbox[0]， layer.bbox[l]， layer.bbox[2]， layer bbox[3]）

21

turtle. setworldcoordinates（ *layer. bbox）

第3個(gè)是多邊形的繪制與上色，turtle中要繪制復(fù)雜邊界的區(qū)域，并對其內(nèi)部進(jìn)行上色時(shí)，使用begin_fill與end_fill函數(shù)標(biāo)記區(qū)域邊界的起止，在落筆前調(diào)用beginfill（）并在結(jié)束繪制后調(diào)用end_fill（）就會(huì)根據(jù)畫筆當(dāng)前通過color或fillcolor函數(shù)設(shè)置的填充顏色對其間經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行上色。如代碼中32-43行。

32 for xy in f.shape.points：

33 map_pen.goto（xy）

34 if new_polygon ：

35

start xy

36 map_pen.pendown（）

37 map_pen.fillcolor（random. choice（colors））

38 map_pen.begin_fill（）

39 new_polygon = False

40 elif xy == start：

41 map_pen.endjll（）

42 map_pen.penup（）

43 new_polygon = True

生物學(xué)仿真：標(biāo)記重捕法

櫟記重捕法是生物學(xué)上用于研究一個(gè)地區(qū)種群數(shù)量的方法，通過捕捉少量的個(gè)體進(jìn)行標(biāo)記并放回，一段時(shí)間后重新捕捉，并通過重捕數(shù)、重捕的標(biāo)記數(shù)與標(biāo)記總數(shù)估算出整個(gè)種群的數(shù)量。本作品通過turtle可視化了標(biāo)記重捕法中標(biāo)記、放回、重捕的動(dòng)態(tài)過程，并且即時(shí)地進(jìn)行數(shù)量估算，與實(shí)際數(shù)量進(jìn)行對比，將估算公式與結(jié)果以文字形式輸出。程序運(yùn)行截圖如圖7。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有4個(gè)。

首先是繪圖加速功能，通過turtletracer（0）關(guān)閉動(dòng)畫效果，輔以手動(dòng)的turtle.tracer（0）關(guān)閉動(dòng)畫效果，輔以手動(dòng)的turtle.update（）更新畫面。

4

turtle.tracer（0）

75

turtle.update（）

其次是基礎(chǔ)的坐標(biāo)移動(dòng)與畫線功能。

27

for x in SIZEC， SIZEP：

28

tt.goto（-x， x）

29

tt.pendown（）

30

tt.goto（-x， -x）

31

tt.goto（x， -x）

32

tt.goto（x， x）

33

tt.goto（-x， x）

34

tt.penup（）

第3個(gè)是dot畫點(diǎn)的功能。

59

#繪制

60

t_dot.goto（pos）

61

t_dot.dot（）

最后是write繪制文字的功能。

71

t_text.clear（）

72

t_text.write（

73

'Actual： %＼nEstimated： %s= %s'%（N， n_calc， formula）， font=FON）

Python語言是一種語法簡潔、功能強(qiáng)大而又對初學(xué)者友好的通用型編程語言，在標(biāo)準(zhǔn)的Python語言發(fā)行版中，內(nèi)置了入門快、表現(xiàn)力強(qiáng)的turtle模塊，讓初學(xué)者通過幾行代碼就能繪出精美的圖形，再通過簡單的邏輯即可進(jìn)行鍵盤鼠標(biāo)的交互。Python語言及turtle模塊的組合非常適合初學(xué)者進(jìn)行創(chuàng)意編程的起點(diǎn)和創(chuàng)作工具，本文展示了藝術(shù)化的數(shù)字圖形之外，在基礎(chǔ)教育中各學(xué)科創(chuàng)意編程的實(shí)例，希望以此拋磚引玉，讀者們可以創(chuàng)作出更多面向科學(xué)探索的創(chuàng)意編程作品。