Python turtle的多学科创意编程

陈斌　陈天翔

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功，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。

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。

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asket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nrelease，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"arrowl"、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，如果需要清除這个形状，则可以调用clearstamp豳数清除指定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 form 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 mouldcolor（'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。

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行为主要的涛戏逻辑：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 -<=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。

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同時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'）

数学财象可视化：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。

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.flllcolor（'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授点求圆周率的过程，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。

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.dont（.，'black'）

最后是write绘制文字的功能。

38

#显示文字

39

label.clear（）

40

label.write（f'pi～={pi： .6f}（{n：7）：{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。

turtle功能

本作品涉及到的turtle功能主要有3个。

第1个是绘制加速和千动更新画面。

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行谩置坐标系。

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[l]， 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函數标记区域边界的起止，在落笔前调用beginfill（）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.endjll（）

42 map_pen.penup（）

43 new_polygon = True

生物学仿真：标记重捕法

栎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。

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turtletracer（0）关闭动画效果，辅以手动的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： %＼nEstimated： %s= %s'%（N， n_calc， formula）， font=FON）

Python語言是一种语法简洁、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。