基于循序漸進(jìn)方式的Python-turtle庫(kù)教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：本文針對(duì)turtle繪圖一堂課的實(shí)踐教學(xué)，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，全面覆蓋turtle知識(shí)點(diǎn)，以循序漸進(jìn)方式將內(nèi)容綜合融入其中，結(jié)合線上線下混合式課堂，引導(dǎo)學(xué)生找到解決問(wèn)題的方法，極大地提高了學(xué)生的編程興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動(dòng)；循序漸進(jìn)；線上線下混合課堂；turtle庫(kù)

中圖分類號(hào)：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 論文編號(hào)：1674-2117（2024）08-0071-05

引言

Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言因具有“開(kāi)源、共享、通用”等特征，擁有豐富多元的計(jì)算生態(tài)，而成為許多高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)首選的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言課程。[1-2]筆者根據(jù)教學(xué)實(shí)踐提出了“課前1+課中2+課后4”的線上線下混合教學(xué)模式，即：課前教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容及任務(wù)布置1學(xué)時(shí)的自主預(yù)習(xí)，用來(lái)初步了解教學(xué)內(nèi)容；課中教師授課2學(xué)時(shí)；課后學(xué)生至少花4學(xué)時(shí)來(lái)鞏固與消化課堂內(nèi)容，充足的時(shí)間投入是學(xué)好該課程的必要條件。同時(shí)，筆者采取循序漸進(jìn)的教學(xué)方式，通過(guò)環(huán)環(huán)相扣，由淺入深，引導(dǎo)學(xué)生不斷思考，解決問(wèn)題，最后形成一個(gè)完整的知識(shí)構(gòu)架。這種教學(xué)方式能集中學(xué)生注意力，讓學(xué)生在問(wèn)題解決的過(guò)程中獲得學(xué)習(xí)成就感，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生使用程序解決問(wèn)題的能力，同時(shí)提升創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。

基于循序漸進(jìn)方式的Python-turtle庫(kù)教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)內(nèi)容

turtle是Python內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，turtle海龜繪圖體系是入門級(jí)的圖形繪制函數(shù)庫(kù)。其原理是利用一個(gè)小海龜，從坐標(biāo)系原點(diǎn)（0，0）位置開(kāi)始，根據(jù)一組函數(shù)指令的控制，在平面坐標(biāo)系中爬行，由爬行軌跡構(gòu)建圖形。turtle庫(kù)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)包括認(rèn)識(shí)turtle庫(kù)、畫布設(shè)置、畫筆控制、運(yùn)動(dòng)控制、方向控制和圖形效果等六個(gè)方面。

2.教學(xué)模式

混合式課堂的教學(xué)過(guò)程分為課前、課中、課后三個(gè)部分。課前，教師以知識(shí)導(dǎo)圖為提綱，上傳基礎(chǔ)知識(shí)講解視頻，并設(shè)置明確的任務(wù)導(dǎo)入，讓學(xué)生帶著任務(wù)去預(yù)習(xí)。課中，教師主導(dǎo)課堂，以循序漸進(jìn)方式，從最初的海龜動(dòng)起來(lái)到海龜行走自如，設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程和教學(xué)情境，通過(guò)提問(wèn)交流、小組討論、學(xué)生演示等方式進(jìn)行課堂內(nèi)化。課后，教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況分析和總結(jié)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)布置具有拓展性的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的提高與擴(kuò)展；通過(guò)教學(xué)反饋與評(píng)價(jià)，不斷改進(jìn)，提高質(zhì)量與教學(xué)效率，利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和雨課堂，完成翻轉(zhuǎn)課堂模式的混合式教學(xué)模式。教學(xué)策略與流程如下頁(yè)圖1所示。

3.基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)的循序漸進(jìn)教學(xué)實(shí)施

任務(wù)一：海龜動(dòng)起來(lái)（繪制正方形）

①任務(wù)要求：讓海龜動(dòng)起來(lái)，從原點(diǎn)處向東出發(fā)，每向前爬行100像素后左轉(zhuǎn)90°，回到起點(diǎn)停止。

②任務(wù)目標(biāo)：初識(shí)turtle圖形繪制；了解畫布；重點(diǎn)熟悉turtle繪圖坐標(biāo)系統(tǒng)；感受海龜爬行軌跡。

③任務(wù)分析：turtle繪圖有絕對(duì)角度坐標(biāo)和海龜角度坐標(biāo)。絕對(duì)角度坐標(biāo)是以海龜為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，分為四個(gè)象限，用（x，y）來(lái)表示具體位置，如圖2（a）所示，使用turtle.goto（x，y）語(yǔ)句海龜移動(dòng)到絕對(duì)位置（x，y）點(diǎn)處；海龜角度坐標(biāo)是以海龜當(dāng)前點(diǎn)為起點(diǎn)，分前后左右，如圖2（b）所示，海龜使用turtle.forward（d）、turtle.left（angle）、turtle.right（angle）等方法做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

具體實(shí)現(xiàn)以順序結(jié)構(gòu)逐條執(zhí)行語(yǔ)句，每向前爬行100像素，向左轉(zhuǎn)90°，讓學(xué)生先熟悉turtle繪圖畫布及坐標(biāo)系統(tǒng)，掌握畫筆運(yùn)動(dòng)命令，以直觀的思維方式感受海龜?shù)呐佬羞^(guò)程，然后繪制出正方形。參考代碼及其運(yùn)行效果如圖3所示。

任務(wù)二：繪制以原點(diǎn)為中心點(diǎn)的正方形

①任務(wù)要求：繪制以原點(diǎn)為中心點(diǎn)的正方形，正方形各條邊分別對(duì)應(yīng)紅、綠、藍(lán)和紫色。

②任務(wù)目標(biāo)：重點(diǎn)掌握畫筆起落；改進(jìn)任務(wù)一中代碼冗余；復(fù)習(xí)與鞏固列表或元組的應(yīng)用。

③任務(wù)分析：任務(wù)二是對(duì)任務(wù)一的改進(jìn)與提高，從任務(wù)一中的代碼可以看出，其中語(yǔ)句t.fd（100）;t.left（90）重復(fù)四次，引導(dǎo)學(xué)生使用循環(huán)結(jié)構(gòu)；若要使每一條線的畫筆顏色發(fā)生變化，就既要使用循環(huán)來(lái)控制畫線，又要讓畫線顏色變化，由此引導(dǎo)列表知識(shí)的引入。列表是有序序列，可以通過(guò)索引號(hào)來(lái)訪問(wèn)列表中的元素。因此，可以使用列表來(lái)存儲(chǔ)顏色，每繪制一條邊從列表中通過(guò)索引號(hào)取得對(duì)應(yīng)顏色；任務(wù)中要求正方形中心點(diǎn)在原點(diǎn)，由此引入penup（）或pendown（）方法，實(shí)現(xiàn)在畫筆的抬筆、落筆時(shí)的運(yùn)動(dòng)控制。任務(wù)二參考代碼及運(yùn)行效果如下頁(yè)圖4所示。

任務(wù)三：繪制紅色框線綠色填充的正方形

①任務(wù)要求：繪制紅色框線綠色填充的正方形（中心點(diǎn)位置不作要求）。

②任務(wù)目標(biāo)：掌握畫筆顏色控制命令pencolor（）、fillcolor（）、begin_fill（）、end_fill（）和color（）；掌握畫筆顏色的RGB體系。

③任務(wù)分析：顯示屏顯示的顏色是R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）互相組合形成的，每種顏色取值范圍是0～255的整數(shù)或0～1的小數(shù)，在Python中默認(rèn)是采用0～1的小數(shù)來(lái)表示RGB每種顏色的值。R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）數(shù)值大小不同成份的組合構(gòu)成五顏六色，turtle繪圖中的RGB色彩體系如右表所示。

pencolor（colorstr）和fillcolor（colorstr）分別對(duì)應(yīng)畫筆顏色和填充顏色，也可以使用color（colorstr1，colorstr2）進(jìn)行設(shè)置，其中，函數(shù)中的參數(shù)colorstr（或colorstr1、colorstr2）可以直接使用顏色字符串常量，如turtle.pencolor（\"green\"）或者RGB數(shù)值三元組，如turtle.pencolor（（0，1，0））或者turtle.pencolor（0，1，0）。在使用填充時(shí)有begin_fill（）和end_fill（）兩個(gè)相關(guān)方法，類似是否填充的開(kāi)關(guān)。任務(wù)三參考代碼及運(yùn)行效果如圖5所示。

任務(wù)四：繪制正方形陣列

①任務(wù)要求：以原點(diǎn)為中心點(diǎn)，繪制n個(gè)正方形陣列，由內(nèi)到外第1個(gè)正方形邊長(zhǎng)為20像素，第2個(gè)邊長(zhǎng)為40像素，第3個(gè)邊長(zhǎng)為60，依次類推，下一個(gè)正方形邊長(zhǎng)在前一個(gè)正方形邊長(zhǎng)基礎(chǔ)上增加20像素。

②任務(wù)目標(biāo)：重點(diǎn)是函數(shù)的創(chuàng)建與調(diào)用；循環(huán)語(yǔ)句與range（）函數(shù)；進(jìn)一步強(qiáng)化畫筆起落控制。

③任務(wù)分析：繪制多個(gè)以原點(diǎn)為中心的正方形，構(gòu)成正方形陣列。因此，每繪制完一個(gè)正方形都要抬筆，將海龜移動(dòng)到落筆繪制起點(diǎn)位置，起點(diǎn)位置可以在y=x直線上；引入函數(shù)的使用、自定義函數(shù)paint（）、函數(shù)的功能繪制一個(gè)正方形；繪制多個(gè)正方形，使用循環(huán)，因此，自然引入計(jì)數(shù)循環(huán)range（）函數(shù)。自定義函數(shù)的引入，使雙重循環(huán)結(jié)構(gòu)程序更簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)更清晰可讀、可理解，在前三個(gè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，在知識(shí)的綜合應(yīng)用上再遞進(jìn)一層次。任務(wù)四參考代碼及運(yùn)行效果如下頁(yè)圖6所示。

任務(wù)五：繪制五彩正方形陣列

①任務(wù)要求：在任務(wù)四的基礎(chǔ)上修改，繪制五彩正方形陣列，即不同顏色的正方形。

②任務(wù)目標(biāo)：熟悉random庫(kù)的使用；熟悉顏色模式與畫筆顏色pencolor（）參數(shù)設(shè)置。

③任務(wù)分析：任務(wù)五與任務(wù)四的區(qū)別只是畫筆顏色的變化，在任務(wù)二中是使用列表來(lái)存放預(yù)置顏色，但這里顏色未明確。turtle繪圖顏色體系除了使用字符常量來(lái)表示，也可以使用RGB模式，其中RGB模式下其參數(shù)是在一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，由此，引入random庫(kù)，random庫(kù)中的randint（）方法隨機(jī)產(chǎn)生[a，b]范圍內(nèi)整數(shù)，random（）方法隨機(jī)產(chǎn)生[0，1）范圍內(nèi)小數(shù)。具體使用整數(shù)形式還是0～1·內(nèi)小數(shù)，與turtle.colormode（）保持一致即可，系統(tǒng)默認(rèn)為RGB體系為1。通過(guò)任務(wù)練習(xí)，讓學(xué)生理解屬性之間的相互約束與協(xié)調(diào)關(guān)系。任務(wù)五參考代碼及運(yùn)行效果如圖7所示。

任務(wù)六：繪制愛(ài)心

①任務(wù)要求：繪制愛(ài)心形狀。

②任務(wù)目標(biāo)：熟悉circle（）方法的使用；培養(yǎng)分析和創(chuàng)新能力。

③任務(wù)分析：

方法一，從圖形效果分析，turtle中沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)愛(ài)心圖形的繪制，通過(guò)拆解與分析，愛(ài)心圖形可以拆分為兩個(gè)半圓和兩條直線的組成，填充顏色即可。半圓的繪制最直接的是使用circle（）方法，根據(jù)特殊到一般的方法，首先可以選擇比較特例的參數(shù)來(lái)繪制，即愛(ài)心由一個(gè)正方形和兩個(gè)半圓構(gòu)成。海龜在左轉(zhuǎn)135°后向前進(jìn)2R像素（R為圓的半徑），然后以R為半徑順時(shí)針畫半圓，在畫右半圓前海龜須左轉(zhuǎn)90°，在繪制好右半圓后，再向前進(jìn)2R像素，回到起點(diǎn)。

方法二，圓弧的繪制除了用circle（）外，還可以使用fd（）方法繪制，在前進(jìn)中逐步地轉(zhuǎn)角度，繪制效果就是曲線。使用循環(huán)語(yǔ)句，循環(huán)的次數(shù)與每次轉(zhuǎn)角相關(guān)。如果循環(huán)180次，則每次轉(zhuǎn)角1°，繪制出半圓曲線，若每次轉(zhuǎn)角2°，則繪制出看似圓的曲線。這種方法的難點(diǎn)是海龜在直行多少像素后再開(kāi)始繪制半圓曲線。示例中給出的參考代碼計(jì)算公式為π*R=180，推得d=180/π*2，參考代碼如上頁(yè)圖8所示。

任務(wù)七：繪制分形樹(shù)

①任務(wù)要求：應(yīng)用遞歸思想繪制分形樹(shù)。

②任務(wù)目標(biāo)：深入理解遞歸函數(shù)；培養(yǎng)程序設(shè)計(jì)思維。

③任務(wù)分析：遞歸可以把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)與原問(wèn)題相似的規(guī)模較小的問(wèn)題，通過(guò)自己調(diào)用自己，找到最終解決這個(gè)問(wèn)題的條件，這個(gè)條件即為遞歸的出口，達(dá)到條件返回。遞歸函數(shù)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中難以理解及運(yùn)用的難點(diǎn)之處，通過(guò)本任務(wù)的實(shí)踐練習(xí)，理解遞歸函數(shù)的原理與使用方法。圖9為深度為3的分形樹(shù)，分析每個(gè)分支節(jié)點(diǎn)處，發(fā)現(xiàn)每個(gè)分支具有相同的結(jié)構(gòu)，每右轉(zhuǎn)角度?后，繪制一個(gè)枝干，枝干逐步變短，設(shè)定最后一個(gè)枝干的長(zhǎng)度為遞歸出口。因此，使用遞歸思想繪制，參考代碼如圖10所示。

4.課后擴(kuò)展

課后作業(yè)是擴(kuò)展學(xué)習(xí)的途徑，學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)，發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，編程創(chuàng)作一幅有新意的畫面。通過(guò)給學(xué)生布置這種開(kāi)放性的任務(wù)，啟發(fā)學(xué)生理解并發(fā)展與其專業(yè)或者興趣相關(guān)的其他領(lǐng)域的新想法和新觀念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，相對(duì)數(shù)學(xué)方法的編程，圖形案例教學(xué)通過(guò)循序漸進(jìn)的方式，以解決具體問(wèn)題為導(dǎo)向，更能吸引學(xué)生的注意力，使其對(duì)編程產(chǎn)生興趣，建立編程學(xué)習(xí)的信心。

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作者簡(jiǎn)介：尹建新，女，副教授，研究方向?yàn)橹悄軋D像識(shí)別、機(jī)器視覺(jué)。

基金項(xiàng)目：浙江省“十四五”教學(xué)改革項(xiàng)目（jg20220344）；全國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（2023-AFCEC-116）；2023教育部產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（230701416280935）。