Python turtle的多學科創意編程

陳斌　陳天翔

Python語言中內置的海龜作圖turtle模塊設計巧妙，作圖模型簡單強大，能夠讓程序設計初學者很快編寫出趣味生動的作圖程序，極大提高編程學習的興趣和積極性，在練習過程中培養和提高計算思維。除了繪制圖形之外，Python turtle模塊還具有基本的交互功能，加上學習門檻低，又是Python語言內置的標準模塊，所以非常適合作為創意編程的學習和開發平臺。本文以Python turtle模塊為核心，展示和分析交互游戲、數學對象可視化等學科領域的創意編程實例，并介紹turtle模塊的深入編程，以供創意編程的教學參考，也可用于高中Python程序設計課程的教學案例。

本文實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

本作品是一個通過鼠標控制的交互游戲。程序運行后，在turtle窗口中會有隨機數量和位置的紅色蘋果從頂端向下掉落，掉落速度各不相同。用戶需要通過鼠標拖動窗口中間的三角形狀“托籃”接住每一個蘋果。托籃可以在窗口中隨意移功，如果接住蘋果，則加10分，分數在窗口左下角實時更新顯示，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。由于蘋果產生的位置和速度均為隨機，數量不定，懲罰性減分幅度大，游戲還是有相當難度的，想一直保持正分不太容易。最后點擊關閉窗口即可退出游戲。游戲運行效果如圖1所示。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有5個。

第1個是海龜繪圖加速功能，通過在程序前部加tracer方法調用禁止動畫顯示。

將海龜basket的拖動事件綁定到basket的goto函數，這樣，當用戶用鼠標點擊這個海龜并進行拖動的時候，會觸發drag事件，實現調用basket.goto函數，并將事件發生時海龜的坐標作為參數傳遞給basket. goto函數，從而實現鼠標拖動到哪里，海龜asket就跟到哪里的交互效果。海龜的鼠標交互事件還有點擊事件onclick、釋放事件nrelease，都可以綁定處理函數，從而實現點擊、釋放鼠標各個按鈕的交互。

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

第4個是海龜形狀設定功能，如程序中的第13、15行，由于鼠標交互需要整體拖動一個圖形，我們就可以將一個海龜的形狀設置為這個圖形，實現圖形的動畫和接受鼠標拖動事件。第13行在程序中用addshape函數添加注冊1個名字為“basket”的形狀，從代碼可以看出，這是1個以海龜坐標為中心的倒三角形。第15行用shape函數將海龜basket設置成名稱為“basket”的形狀。

我們也可以用shape函數將海龜的形狀改為turtle模塊內置的形狀，如箭頭"arrowl"、海龜"turtle"、圓"circle"、方形"square"、三角形"triangle"和經典形狀"classic"。

第5個是海龜的“蓋戳”復印功能，如程序中的第43行，設定好紅色蘋果形狀的海龜mould作為印模，可以在海龜當前位置上留下自身的形狀。即便移走海龜，這個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函數將返回一個stampid，如果需要清除這個形狀，則可以調用clearstamp豳數清除指定stampid的形狀，或者調用clearstamps函數清除所有形狀。

程序代碼分析

程序可以分為2個部分：第1-28行為初始化部分，第30-57行為循環體部分。

初始化部分中，第1-2行導入了必要的運行庫。

1 import turtle， time

2 form random import randrange

第4-7行關閉了turtle的動畫效果，并創建了基礎的畫筆對象，用于后續的復制。

4 turtle.tracer（0）

5 model=turtle.Turtle（ ）

6 model.hideturtle（）

7 model.penup（）

第9-10行設置了幾個游戲參數。

9 FPS=30 #每秒30幀刷新率

10 FREQ=FPS//2#平均每秒生成2個蘋果

第12-18行創建了果籃對象，將其設置為自定義形狀，并綁定至鼠標拖動事件上。

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函數綁定到鼠標拖動事件上

18 basket.showturtle（）

第20-23行創建了繪制蘋果印模的畫筆對象，并設置了其顏色與形狀。

20 #用來顯示蘋果的印模

21 mould=model.clone（）

22 mouldcolor（'red'）

23 mould.shape（'circle'）

第25-28行創建了繪制得分文字的畫筆，設置了顏色與位置。

26 board = model.clone（）

27 board.goto（-300，-300）

28 board.color（'blue'）

循環體部分前聲明了蘋果列表與當前得分，隨后進入無限循環;循環體內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，根據隨機數值確定當前幀是否生成蘋果，并將相應生成的蘋果加入列表內，每個對象記錄了橫縱坐標與下落速度。

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為b_x與b_y，隨后遍歷蘋果列表中每個對象。

38 b_x. b_y=basket.pos（）

39 for apple in apples：

對每個蘋果，在40-43行，首先使其下落相應高度，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行中判斷了每個蘋果的位置，若在籃子內則加分并移除;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前得分，并刷新屏幕呈現內容，最后按幀率停頓相應時間。

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，以下創意編程實例中的“程序代碼分析”部分，請訪問雜志官網閱讀。】

數學對象可視化：玫瑰曲線

本作品通過玫瑰曲線的數學定義，使用turtle庫繪制出來。通過改變代碼內參數可繪制不同的玫瑰曲線。程序運行結果如圖2。

turtle功能

本作品涉及的turtle功能有2個。

第1個是通過pencolor與pensize函數設置畫筆顏色與大小，此外還有fillcolor設

置填充色，color同時設置畫筆色與填充色，shapesize設置畫筆形狀大小等函數。例如程序10-11行。

10 rose.pencolor（'red'）

11 rose.pensize（7）

第2個是設置動畫移動速度，如第12行設置其為最快。

12 rose.speed（'fastest'）

數學財象可視化：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行呈現。程序運行效果如圖3。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有2個。

第1個是取消動畫效果與手動更新。

3 turtle.tracer（0）#取消動畫加快繪圖速度

35 turtle.update（）#與tracer配合使用

第2個是turtle中的顏色系統，不僅可以指定RGB值設置顏色，也包括很多由顏色名稱預置的顏色，如"sky blue"與"snow";此外，可以通過bgcolor設置畫布顏色，以及begin_fill與end_fill填充多邊形內部。

4 turtle.bgcolor（'sky blue'）

26

snow.flllcolor（'snow'）

27 snow.begin_fill（）

數學對象可視化：蒙特卡洛法求圓周率

本作品模擬了經典的平面授點求圓周率的過程，將投點的過程與相應的估算圓周率通過turtle可視化為動畫。程序運行效果如圖4。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有4個。

首先是繪圖加速功能，通過turtle.tracer（0）關閉動畫效果，輔以手動的turtle。update（）更新畫面。

3

turtle.tracer（0）

42

#刷新屏幕

43

turtle.update（）

其次是移動系統，包括坐標移動函數goto，前進轉向等控制方式forward. left等，以及預定義的軌跡移動，如circle函數。

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個是dot畫點的功能，可以輸入參數指定點大小與顏色。

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小球受到重力與空氣阻尼（正比于速度）作用，進行斜拋運動，并在墻面與地面發生彈性碰撞的現象。通過turtle庫可視化了墻面與地面的位置，以及小球的運動路線，并且保留繪制了小球從發射到減速停止的運動軌跡。程序運行效果如圖5。

turtle功能

本作品涉及到的turtle功能主要有3個。

第1個是繪制加速和千動更新畫面。

3

turtle.tracer（0）

42

turtle.update（）

第2個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。程序運行效果如圖6。

turtle功能

本作品涉及的turtle功能有3個。

第1個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，無動畫

47 turtle.update（）

第2個是turtle畫布的設置，包括第17行設置窗口寬高，與第21行謾置坐標系。

17 turtle.setup（w+20，h+30）

18

19 #將海龜坐標系設置為與地圖坐標相同

20

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

21

turtle. setworldcoordinates（ *layer. bbox）

第3個是多邊形的繪制與上色，turtle中要繪制復雜邊界的區域，并對其內部進行上色時，使用begin_fill與end_fill函數標記區域邊界的起止，在落筆前調用beginfill（）并在結束繪制后調用end_fill（）就會根據畫筆當前通過color或fillcolor函數設置的填充顏色對其間經過的區域進行上色。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

生物學仿真：標記重捕法

櫟記重捕法是生物學上用于研究一個地區種群數量的方法，通過捕捉少量的個體進行標記并放回，一段時間后重新捕捉，并通過重捕數、重捕的標記數與標記總數估算出整個種群的數量。本作品通過turtle可視化了標記重捕法中標記、放回、重捕的動態過程，并且即時地進行數量估算，與實際數量進行對比，將估算公式與結果以文字形式輸出。程序運行截圖如圖7。

turtle功能

本作品涉及到的turtle模塊功能主要有4個。

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

4

turtle.tracer（0）

75

turtle.update（）

其次是基礎的坐標移動與畫線功能。

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個是dot畫點的功能。

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、功能強大而又對初學者友好的通用型編程語言，在標準的Python語言發行版中，內置了入門快、表現力強的turtle模塊，讓初學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行鍵盤鼠標的交互。Python語言及turtle模塊的組合非常適合初學者進行創意編程的起點和創作工具，本文展示了藝術化的數字圖形之外，在基礎教育中各學科創意編程的實例，希望以此拋磚引玉，讀者們可以創作出更多面向科學探索的創意編程作品。