python创意turtle作品-Python turtle的多学科创意编程

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我是靠谱客的博主怡然牛排，最近开发中收集的这篇文章主要介绍python创意turtle作品-Python turtle的多学科创意编程，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

原标题：Python turtle的多学科创意编程

近日，以"智能时代，逐梦成长”为主题的第5届全国青少年创意编程与智能设计大赛正式开始，本届大赛增加了Python创意编程比赛。《中国科技教育》2019年第6期专题"跟着"小海龟’学Python”栏目，北京大学的陈斌、陈天翔用七个不同学科的案例帮助我们认识Python在科技教育中的应用。

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。

本文实例所涉及的代码和截图，均可通过链接（https://github.com/chbpku/bdfz.courses/wiki）访问获取。

交互游戏：接苹果

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1 所示。

图1

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 importturtle, random

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，这些图 1 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。

程序代码分析

程序可以分为2 个部分：第1—28 行为初始化部分，第30—57 行为循环体部分。

初始化部分中，第1—2 行导入了必要的运行库。

1 import turtle, time

2 from random import randrange

第4—7 行关闭了turtle 的动画效果，并创建了基础的画笔对象，用于后续的复制。

4 turtle.tracer(0)

5 model = turtle.Turtle

6 model.hideturtle

7 model.penup

第9—10 行设置了几个游戏参数。

9 FPS = 30 # 每秒30 帧刷新率

10 FREQ = FPS // 2 # 平均每秒生成2 个苹果

第12—18 行创建了果篮对象，将其设置为自定义形状，并绑定至鼠标拖动事件上。

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

第20—23 行创建了绘制苹果印模的画笔对象，并设置了其颜色与形状。

20 # 用来显示苹果的印模

21 mould = model.clone

22 mould.color('red')

23 mould.shape('circle')

第25—28 行创建了绘制得分文字的画笔，设置了颜色与位置。

25 # 得分显示牌

26 board = model.clone

27 board.goto(-300, -300)

28 board.color('blue')

循环体部分前声明了苹果列表与当前得分，随后进入无限循环；循环体内首先清除了上一帧绘制的苹果。

30 apples = []

31 score = 0

32 while True:

33 mould.clearstamps

随后，根据随机数值确定当前帧是否生成苹果，并将相应生成的苹果加入列表内，每个对象记录了横纵坐标与下落速度。

34 if randrange(FREQ) == 0:

35 # 生成苹果[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 行为主要的游戏逻辑：首先记录篮子横纵坐标为b_x 与b_y，随后遍历苹果列表中每个对象。

38 b_x, b_y = basket.pos

39 for apple in apples:

对每个苹果，在40—43 行，首先使其下落相应高度，并在下落后的位置使用stamp 绘制。

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

之后，44—52 行中判断了每个苹果的位置，若在篮子内则加分并移除；若落出底边则扣分并移除。

44 # 判断苹果的位置

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

46 # 篮子碰上了苹果，加分

47 score += 10

48 apples.remove(apple)

49 elif apple[1] < -400:

50 # 苹果掉出底线，没接到，减分

51 score -= 100

52 apples.remove(apple)

最后，在54—57 行，由得分板画笔写出当前得分，并刷新屏幕呈现内容，最后按帧率停顿相应时间。

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，以下创意编程实例中的"程序代码分析”部分，请访问杂志官网阅读。】

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。程序运行结果如图2。

图2

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')

数学对象可视化：分形Koch 雪花

本作品通过科赫曲线的定义，将3 条科赫曲线绘制成为雪花形状的分形进行呈现。程序运行效果如图3。

图3

turtle 功能

本作品涉及到的turtle 模块功能主要有2个。第1 个是取消动画效果与手动更新。

3 turtle.tracer(0) # 取消动画加快绘图速度

35 turtle.update # 与tracer 配合使用

第2 个是turtle 中的颜色系统，不仅可以指定RGB 值设置颜色，也包括很多由颜色名称预置的颜色，如"sky blue" 与"snow"；此外，可以通过bgcolor 设置画布颜色，以及begin_fill 与end_fill 填充多边形内部。

4 turtle.bgcolor('sky blue')

26 snow.fillcolor('snow')

27 snow.begin_fill

数学对象可视化：蒙特卡洛法求圆周率

本作品模拟了经典的平面投点求圆周率的过程，将投点的过程与相应的估算圆周率通过turtle 可视化为动画。程序运行效果如图4。

图4

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。

3 turtle.tracer(0)

42 # 刷新屏幕

43 turtle.update

其次是移动系统，包括坐标移动函数goto，前进转向等控制方式forward、left 等，以及预定义的轨迹移动，如circle 函数。

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 个是dot 画点的功能，可以输入参数指定点大小与颜色。

29 if x ** 2 + y ** 2 <= R ** 2:

30 n += 1

31 t.dot(3, 'red')

32 else:

33 t.dot(3, 'black')

最后是write 绘制文字的功能。

38 # 显示文字

39 label.clear

40 l a b e l . w r i t e ( f ' p i ~ = { p i : . 6 f }({n:6}:{m:6})', font=FONT)

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。程序运行效果如图5。

图5

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pipinstall pyshp 安装）的功能，读取ESRIShapefile（shp）地图矢量图文件，并使用turtle 库将其绘制出来。程序运行效果如图6。

图6

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

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)

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:

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。程序运行截图如图7。

图7

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: %dnEstimated: %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。

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