Pythonturtle的多学科创意编程!

Python 语言中内置的海龟作图turtle 模块设计巧妙&＃xff0c;作图模型简单强大&＃xff0c;能够让程序设计初学者很快编写出趣味生动的作图程序&＃xff0c;极大提高编程学习的兴趣和积极性&＃xff0c;在练习过程中培养和提高计算思维。除了绘制图形之外&＃xff0c;Python turtle 模块还具有基本的交互功能&＃xff0c;加上学习门槛低&＃xff0c;又是Python 语言内置的标准模块&＃xff0c;所以非常适合作为创意编程的学习和开发平台。本文以Python turtle 模块为核心&＃xff0c;展示和分析交互游戏、数学对象可视化等学科领域的创意编程实例&＃xff0c;并介绍turtle 模块的深入编程&＃xff0c;以供创意编程的教学参考&＃xff0c;也可用于高中Python 程序设计课程的教学案例。

Python资源共享群&＃xff1a;484031800

本作品是一个通过鼠标控制的交互游戏。程序运行后&＃xff0c;在turtle窗口中会有随机数量和位置的红色苹果从顶端向下掉落&＃xff0c;掉落速度各不相同。用户需要通过鼠标拖动窗口中间的三角形状“托篮”接住每一个苹果。托篮可以在窗口中随意移动&＃xff0c;如果接住苹果&＃xff0c;则加10分&＃xff0c;分数在窗口左下角实时更新显示&＃xff0c;但如果未能接住苹果使其掉出窗口下沿的话&＃xff0c;则惩罚性地减100分。由于苹果产生的位置和速度均为随机&＃xff0c;数量不定&＃xff0c;惩罚性减分幅度大&＃xff0c;游戏还是有相当难度的&＃xff0c;想一直保持正分不太容易。最后点击关闭窗口即可退出游戏。游戏运行效果如图所示。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模块功能主要有5个。

第1个是海龟绘图加速功能&＃xff0c;通过在程序前部加tracer方法调用禁止动画显示。

1      import turtle, random

2               

3      turtle.tracer(0)

并在每帧绘制结束后调用update方法进行屏幕刷新&＃xff0c;让绘制的图形一次性显示在窗口里。

42       # 刷新屏幕

43       turtle.update()

第2个是turtle模块的鼠标交互功能&＃xff0c;如程序中的第17行。

12    # 接苹果的篮子

13    turtle.addshape(&＃39;basket&＃39;, ((-100, 0), (100, 0), (0, -25)))

14    basket &＃61; model.clone()

15    basket.shape(&＃39;basket&＃39;)

16    basket.setheading(90)

17    basket.ondrag(basket.goto) # 把goto函数绑定到鼠标拖动事件上

18    basket.showturtle()

将海龟basket的拖动事件绑定到basket的goto函数&＃xff0c;这样&＃xff0c;当用户用鼠标点击这个海龟并进行拖动的时候&＃xff0c;会触发drag事件&＃xff0c;实现调用basket.goto函数&＃xff0c;并将事件发生时海龟的坐标作为参数传递给basket.goto函数&＃xff0c;从而实现鼠标拖动到哪里&＃xff0c;海龟basket就跟到哪里的交互效果。海龟的鼠标交互事件还有点击事件onclick、释放事件onrelease&＃xff0c;都可以绑定处理函数&＃xff0c;从而实现点击、释放鼠标各个按钮的交互。

第3个是海龟克隆功能&＃xff0c;如程序中的第14行&＃xff0c;海龟model的clone方法&＃xff0c;可以将model对象复制1个&＃xff0c;赋值给basket&＃xff0c;克隆会产生新的海龟对象&＃xff0c;并且保留原海龟对象的所有属性值。利用克隆功能&＃xff0c;能够很方便地复制出相互独立而又具有相同初始属性的多个海龟&＃xff0c;这些海龟后续修改属性并不会相互影响。

第4个是海龟形状设定功能&＃xff0c;如程序中的第13、15行&＃xff0c;由于鼠标交互需要整体拖动一个图形&＃xff0c;我们就可以将一个海龟的形状设置为这个图形&＃xff0c;实现图形的动画和接受鼠标拖动事件。第13行在程序中用addshape函数添加注册1个名字为“basket”的形状&＃xff0c;从代码可以看出&＃xff0c;这是1个以海龟坐标为中心的倒三角形。第15行用shape函数将海龟basket设置成名称为“basket”的形状。

我们也可以用shape函数将海龟的形状改为turtle模块内置的形状&＃xff0c;如箭头"arrow"、海龟"turtle"、圆"circle"、方形"square"、三角形"triangle"和经典形状"classic"。

第5个是海龟的“盖戳”复印功能&＃xff0c;如程序中的第43行&＃xff0c;设定好红色苹果形状的海龟mould作为印模&＃xff0c;可以在海龟当前位置上留下自身的形状。即便移走海龟&＃xff0c;这个形状仍然保持在原地。

40           # 苹果下落&＃xff0c;并用印模画出苹果

41           apple[1] -&＃61; apple[2]

42           mould.goto(apple[0], apple[1])

43           mould.stamp()

stamp函数将返回一个stampid&＃xff0c;如果需要清除这个形状&＃xff0c;则可以调用clearstamp函数清除指定stampid的形状&＃xff0c;或者调用clearstamps函数清除所有形状。

数学对象可视化&＃xff1a;玫瑰曲线

本作品通过玫瑰曲线的数学定义&＃xff0c;使用turtle库绘制出来。通过改变代码内参数可绘制不同的玫瑰曲线。程序运行结果如下图。

turtle功能

本作品涉及的turtle功能有2个。

第1个是通过pencolor与pensize函数设置画笔颜色与大小&＃xff0c;此外还有fillcolor设置填充色&＃xff0c;color同时设置画笔色与填充色&＃xff0c;shapesize设置画笔形状大小等函数。例如程序10—11行。

10    rose.pencolor(&＃39;red&＃39;)

11    rose.pensize(7)

第2个是设置动画移动速度&＃xff0c;如第12行设置其为最快。

12    rose.speed(&＃39;fastest&＃39;)

物理仿真&＃xff1a;抛物和碰撞

本作品通过欧拉法逐帧模拟了一个小球受到重力与空气阻尼&＃xff08;正比于速度&＃xff09;作用&＃xff0c;进行斜抛运动&＃xff0c;并在墙面与地面发生弹性碰撞的现象。通过turtle库可视化了墙面与地面的位置&＃xff0c;以及小球的运动路线&＃xff0c;并且保留绘制了小球从发射到减速停止的运动轨迹。程序运行效果如下图。

turtle功能

本作品涉及到的turtle功能主要有3个。

第1个是绘制加速和手动更新画面。

3      turtle.tracer(0)

42       turtle.update()

第2个是绘制路径的基本功能。

14    # 绘制地面和墙

15    ball.pencolor(&＃39;blue&＃39;)

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个是更改形状与形状大小。

12    ball &＃61; turtle.Turtle(&＃39;circle&＃39;)

13    ball.shapesize(R / 10)

地球空间信息可视化&＃xff1a;地图绘制

本作品结合了shapefile库&＃xff08;通过pip install pyshp安装&＃xff09;的功能&＃xff0c;读取ESRI Shapefile&＃xff08;shp&＃xff09;地图矢量图文件&＃xff0c;并使用turtle库将其绘制出来。程序运行效果如下图。

turtle功能

本作品涉及的turtle功能有3个。

第1个是海龟绘图加速功能。

1      import turtle, random

2   import shapefile # 需要安装shapefile模块&＃xff0c;读取

3      

4      turtle.tracer(0) # 海龟加速&＃xff0c;无动画

47    turtle.update()

第2个是turtle画布的设置&＃xff0c;包括第17行设置窗口宽高&＃xff0c;与第21行设置坐标系。

17    turtle.setup(w &＃43; 20, h &＃43; 30)

18    

19    # 将海龟坐标系设置为与地图坐标相同

20    #turtle.setworldcoordinates(layer.bbox[0], layer.bbox[1], layer.bbox[2], layer.bbox[3])

21    turtle.setworldcoordinates(*layer.bbox)

第3个是多边形的绘制与上色&＃xff0c;turtle中要绘制复杂边界的区域&＃xff0c;并对其内部进行上色时&＃xff0c;使用begin_fill与end_fill函数标记区域边界的起止&＃xff0c;在落笔前调用begin_fill()并在结束绘制后调用end_fill()就会根据画笔当前通过color或fillcolor函数设置的填充颜色对其间经过的区域进行上色。如代码中32—43行。

32       for xy in f.shape.points:

33           map_pen.goto(xy)

34           if new_polygon:

35               start &＃61; xy

36               map_pen.pendown()

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

38               map_pen.begin_fill()

39               new_polygon &＃61; False

40           elif xy &＃61;&＃61; start:

41               map_pen.end_fill()

42               map_pen.penup()

43               new_polygon &＃61; True

生物学仿真&＃xff1a;标记重捕法

标记重捕法是生物学上用于研究一个地区种群数量的方法&＃xff0c;通过捕捉少量的个体进行标记并放回&＃xff0c;一段时间后重新捕捉&＃xff0c;并通过重捕数、重捕的标记数与标记总数估算出整个种群的数量。本作品通过turtle可视化了标记重捕法中标记、放回、重捕的动态过程&＃xff0c;并且即时地进行数量估算&＃xff0c;与实际数量进行对比&＃xff0c;将估算公式与结果以文字形式输出。程序运行截图如下图。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模块功能主要有4个。

首先是绘图加速功能&＃xff0c;通过turtle.tracer(0)关闭动画效果&＃xff0c;辅以手动的turtle.update()更新画面。

4      turtle.tracer(0)

75       turtle.update()

其次是基础的坐标移动与画线功能。

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个是dot画点的功能。

59           # 绘制

60           t_dot.goto(pos)

61           t_dot.dot()

最后是write绘制文字的功能。

71       t_text.clear()

72       t_text.write(

73           &＃39;Actual: %d\nEstimated: %s &＃61; %s&＃39; % (N, n_calc, formula), font&＃61;FONT)

Python语言是一种语法简洁、功能强大而又对初学者友好的通用型编程语言&＃xff0c;在标准的Python语言发行版中&＃xff0c;内置了入门快、表现力强的turtle模块&＃xff0c;让初学者通过几行代码就能绘出精美的图形&＃xff0c;再通过简单的逻辑即可进行键盘鼠标的交互。

Python语言及turtle模块的组合非常适合初学者进行创意编程的起点和创作工具&＃xff0c;本文展示了艺术化的数字图形之外&＃xff0c;在基础教育中各学科创意编程的实例&＃xff0c;希望以此抛砖引玉&＃xff0c;读者们可以创作出更多面向科学探索的创意编程作品。