Python turtle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，作图模型简单强大，能够让程序设计初学者很快编写出趣味生动的作图程序，极大提高编程学习的兴趣和积极性，在练习过程中培养和提高计算思维。除了绘制图形之外，Python turtle 模块还具有基本的交互功能，加上学习门槛低，又是Python 语言内置的标准模块，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，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，并介绍turtle 模块的深入编程，以供创意编程的教学参考，也可用于高中Python 程序设计课程的教学案例。

 

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本作品是一个通过鼠标控制的交互游戏。程序运行后，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，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，如果接住苹果，则加10分，分数在窗口左下角实时更新显示，但如果未能接住苹果使其掉出窗口下沿的话，则惩罚性地减100分。由于苹果产生的位置和速度均为随机，数量不定，惩罚性减分幅度大，游戏还是有相当难度的，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，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，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，如程序中的第17行。

12    # 接苹果的篮子

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，这样，当用户用鼠标点击这个海龟并进行拖动的时候，会触发drag事件，实现调用basket.goto函数，并将事件发生时海龟的坐标作为参数传递给basket.goto函数，从而实现鼠标拖动到哪里，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，都可以绑定处理函数，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，如程序中的第14行，海龟model的clone方法，可以将model对象复制1个，赋值给basket，克隆会产生新的海龟对象，并且保留原海龟对象的所有属性值。利用克隆功能，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，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，如程序中的第13、15行，由于鼠标交互需要整体拖动一个图形，我们就可以将一个海龟的形状设置为这个图形，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，从代码可以看出，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，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，如程序中的第43行，设定好红色苹果形状的海龟mould作为印模，可以在海龟当前位置上留下自身的形状。即便移走海龟，这个形状仍然保持在原地。

40           # 苹果下落，并用印模画出苹果

41           apple[1] -= apple[2]

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

43           mould.stamp()

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

 

数学对象可视化：玫瑰曲线

本作品通过玫瑰曲线的数学定义，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，此外还有fillcolor设置填充色，color同时设置画笔色与填充色，shapesize设置画笔形状大小等函数。例如程序10—11行。

10    rose.pencolor('red')

11    rose.pensize(7)

第2个是设置动画移动速度，如第12行设置其为最快。

12    rose.speed('fastest')

物理仿真：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（正比于速度）作用，进行斜抛运动，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，以及小球的运动路线，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('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个是更改形状与形状大小。

12    ball = turtle.Turtle('circle')

13    ball.shapesize(R / 10)

 

地球空间信息可视化：地图绘制

本作品结合了shapefile库（通过pip install pyshp安装）的功能，读取ESRI Shapefile（shp）地图矢量图文件，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，读取

3      

4      turtle.tracer(0) # 海龟加速，无动画

47    turtle.update()

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

17    turtle.setup(w + 20, h + 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，turtle中要绘制复杂边界的区域，并对其内部进行上色时，使用begin_fill与end_fill函数标记区域边界的起止，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 = 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.end_fill()

42               map_pen.penup()

43               new_polygon = True

 

生物学仿真：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，通过捕捉少量的个体进行标记并放回，一段时间后重新捕捉，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，并且即时地进行数量估算，与实际数量进行对比，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，通过turtle.tracer(0)关闭动画效果，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           'Actual: %d\nEstimated: %s = %s' % (N, n_calc, formula), font=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，在标准的Python语言发行版中，内置了入门快、表现力强的turtle模块，让初学者通过几行代码就能绘出精美的图形，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，本文展示了艺术化的数字图形之外，在基础教育中各学科创意编程的实例，希望以此抛砖引玉，读者们可以创作出更多面向科学探索的创意编程作品。