程序员陪孩子,你还可以这么干……

封面

周末在家,儿子闹着要玩游戏,让玩吧,不利于健康,不让玩吧,扛不住他折腾,于是想,不如一起搞个小游戏玩玩!

之前给他编过猜数字掷骰子 游戏,现在已经没有吸引力了,就对他说:“我们来玩个迷宫游戏吧。”

果不其然,有了兴趣,于是和他一起设计实现起来,现在一起看看我们是怎么做的吧,说不定也能成为一个陪娃神器~

先一睹为快: 效果

构思

迷宫游戏,相对比较简单,设置好地图,然后用递归算法来寻找出口,并将过程显示出来,增强趣味性。

不如想到需要让孩子一起参与,选择了绘图程序 Turtle 作为实现工具。

这样就可以先在纸上绘制一个迷宫,然后编写成代码,让 Turtle 去绘制,因为孩子用笔画过,所以在实现代码时,他可以充分参与,不仅是为了得到最终的游戏,而且更是享受制作过程,开发编程思维,说不定省了一笔不小的少儿编程费用哈哈哈~

首先和孩子一起制作迷宫,在纸上画出 5 X 5 的小格子,然后,让他在格子中画一条通路,像这样:

绘制迷宫

然后,将这幅图转化为一个迷宫矩阵,用 1 表示墙,用 空格 表示通路,需要注意的是网格每条边线都是墙,连通部分的墙需要打通,成为路。

这时可以和他一起来实现,比如让他用自己的积木等摆设一个迷宫,而我们来做数字化转化,最后转化成的结果是:

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
        1       1 1 1
1 1 1   1   1   1 1 1
1       1   1       1
1   1 1 1   1 1 1   1
1       1   1       1
1 1 1   1   1   1 1 1
1       1   1       1
1   1 1 1   1 1 1   1
1           1 1 1   1
1 1 1 1 1 1 1 1 1   1

如果孩子看不清楚,可以将路径表示出来 哈哈哈:

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
->_____ 1 _____ 1 1 1
1 1 1 | 1 | 1 | 1 1 1
1 ____| 1 | 1 |___  1
1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1
1 |____ 1 | 1 ____| 1
1 1 1 | 1 | 1 | 1 1 1
1 ____| 1 | 1 |____ 1
1 | 1 1 1 | 1 1 1 | 1
1 |_______| 1 1 1 | 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1\|/1

做完了迷宫数字化,就需要将迷宫在电脑上表示出来了。

绘制迷宫

之所以选择 Turtle,就是因为它会像用笔做图画一样,可以让孩子充分参与。

找出一张纸,用刚才整理的迷宫数字化结果作为指导绘图,遇到 1 就画一个小方格,遇到 空格 就跳过,可以和孩子一起画,主要是让他体会过程中的规律。

好了,趁他绘制的时候,我们来实现绘制代码吧。

首先需要知道 Turtle 的一些特点:

  1. Turtle 的初始坐标在屏幕中心,可以将屏幕分成平面坐标系的四个象限
  2. Turtle 画笔默认的移动最小单位是一个像素,因此需要做坐标点的初始化
  3. Turtle 画笔移动都是相对于笔尖的朝向的,因此需要特别注意笔尖朝向

实现的方式和孩子用笔画是一样的,从第一个格子画起:

效果

下面看看代码:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
def drawCenteredBox(self, x, y, color):
    self.t.up()
    self.t.goto(x - 0.5,    y - 0.5)
    self.t.color('black', color)
    self.t.setheading(90)
    self.t.down()
    self.t.begin_fill()
    for _ in range(4):
        self.t.forward(1)
        self.t.right(90)
    self.t.end_fill()
    update()
  • drawCenteredBox 是 迷宫类 Maze 的成员方法,self 指的就是迷宫类本身,可以暂时将其理解为全局变量
  • self.t 是一个 Turtle 模块实例,可以理解成画笔
  • up 方法表示抬起笔尖
  • goto 方法的作用是移动到指定的位置,这里需要移动到指定位置的左下角,所以各自减去了 0.5(这里做了坐标值转化,后面会有说明)
  • color 表示设置颜色,两个参数分别是笔的颜色和填充颜色
  • setheading 表示让笔尖朝上,即将笔尖朝向 90 度
  • down 表示落下笔尖,意思是随后的移动相当于绘制
  • begin_fill 表示准备填充,也就是它会把从调用起到调用 end_fill 为止所绘制的区域做填充
  • 然后是循环四次,用来绘制方格,循环内,每次向前(笔尖朝向)绘制一个单位,向右转 90 度,这样就绘制好了一个方格
  • end_fill 即为填充当前绘制的方格
  • update 表示更新一下绘图区域

看看这个过程,是不是和孩子手工绘制一模一样!

现在遍历整个迷宫矩阵,不断调用 drawCenteredBox 就可以绘制出迷宫了:

效果

代码如下:

1
2
3
4
5
def drawMaze(self):
    for y in range(self.rowsInMaze):
        for x in range(self.columnsInMaze):
            if self.mazelist[y][x] == 1:
                self.drawCenteredBox(x + self.xTranslate, -y + self.yTranslate, 'tan')
  • rowsInMazecolumnsInMaze 表示迷宫矩阵的行和列
  • tan沙漠迷彩色的颜色名称

走出迷宫

迷宫绘制好了,如何走出出呢?

可以先问问孩子,让他想想办法。

实现思路也很简单,就是超一个方向走,如果是墙,就换一个方向,如果不是墙,就继续走下去,如此往复……

但是,这里可以和孩子做个预演,比如迷宫很大的时候,记不住走过哪些路怎么办?

探索了一条路,走不通,返回后,不记得走过哪些路,这是非常危险的事情,如果有种方法可以记住走过的路,就好了。

这里我给儿子讲了一下忒修斯大战牛头怪的古希腊神话传说,启发他想出好的方法。

如何用代码实现呢,只要在迷宫矩阵种,标记一下走过的路就可以了:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
PART_OF_PATH = 0
OBSTACLE = 1
TRIED = 3
DEAD_END = 4

def search(maze, startRow, startColumn):  # 从指定的点开始搜索
    if maze[startRow][startColumn] == OBSTACLE:
        return False
    if maze[startRow][startColumn] == TRIED:
        return False
    if maze.isExit(startRow, startColumn):
        maze.updatePosition(startRow, startColumn, PART_OF_PATH)
        return True

    maze.updatePosition(startRow, startColumn, TRIED)

    found = search(maze, startRow-1, startColumn) or \
            search(maze, startRow, startColumn-1) or \
            search(maze, startRow+1, startColumn) or \
            search(maze, startRow, startColumn+1)
    if found:
        maze.updatePosition(startRow, startColumn, PART_OF_PATH)
    else:
        maze.updatePosition(startRow, startColumn, DEAD_END)

    return found

因为使用了递归方式,所以代码比较简短,我们来看看:

  • PART_OF_PATHOBSTACLETRIEDDEAD_END 是四个全局变量,分别表示迷宫矩阵中的通路,墙,探索过的路和死路
  • search 方法用于探索迷宫,接受一个迷宫对象,和起始位置
  • 然后看看指定的位置是否为墙、或者是走过的,以及是否是出口
  • 然后继续探索,讲指定的位置标记为已走过
  • 接下来朝四个方向探索,分别是像西、向东、向南、向北
  • 每个方向的探索都是递归的调用 search 方法
  • 如果探索的结果是找到了出口,就将当前的位置标记为路线,否则标记为死路

这里还需要看看 updatePosition 方法的实现:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
def updatePosition(self, row, col, val=None):
    if val:
        self.mazelist[row][col] = val
    self.moveTurtle(col, row)

    if val == PART_OF_PATH:
        color = 'green'
    elif val == OBSTACLE:
        color = 'red'
    elif val == TRIED:
        color = 'black'
    elif val == DEAD_END:
        color = 'red'
    else:
        color = None

    if color:
        self.dropBreadcrumb(color)

def moveTurtle(self, x, y):
        self.t.up()
        self.t.setheading(self.t.towards(x+self.xTranslate, -y+self.yTranslate))
        self.t.goto(x+self.xTranslate, -y+self.yTranslate)

def dropBreadcrumb(self, color):
    self.t.dot(color)
  • updatePosition 方法本身不复杂,首先对迷宫矩阵做标记,然后将笔尖移动到指定的点,之后判断标记的值,在指定的点上画点
  • 移动的方法是 moveTurtle,首先抬起笔尖,然后将笔尖转向将要移动过去的点
  • Turtle 的 towards 方法会计算一个笔尖当前点到指定点之间的一个夹角,作用是让笔尖转向要移动过去的点,其中 xTranslateyTranslate 是在坐标系中像素点的偏移量(后面会有说明)
  • Turtle 的 dot 方法作用是绘制一个点

看一下效果:

走出迷宫

更大的挑战

当孩子看到自己做的迷宫,被小乌龟走出来时,别提有多开心了。

不过,没多久,他就想要更复杂的迷宫,有多条分支的迷宫。

显然有手工的方式有点困难,而且无趣。需要让程序自动生成迷宫。

本来想大干一场,突然想到之前 豆豆 写的一篇关于迷宫文章,找来一看,刚好有迷宫生成算法,太好了。

关于如何动态生成迷宫,请参加 豆豆的文章,其中有详细说明

分析代码之后,将其中的迷宫类移植过来,生成的结果之间导入到笔者写的迷宫类中,将迷宫规模设置为 100 X 100,震撼了:

巨型迷宫

看着小乌龟在巨大的迷宫中蹒跚,还有种莫名的悲伤~

有了有了迷宫生成工具,就很多好玩的了:

  • 如何让乌龟更快的找到出路
  • 如何让乌龟随机出现在迷宫中
  • 如何动态设置迷宫的出入口
  • ……

对这些问题,我们一一做了实现,孩子在整个过程中,积极参与,时不时因为好的想法而手舞足蹈,不亦乐乎……

感兴趣的读者可以回复关键字,获得源码,研究一下解决方案,期待与你交流。

关于坐标系设置

前面留了几个坑,是关于 Turtle 坐标系的,这里统一做下说明。

第一个问题,坐标单位

默认情况下,Turtle 的坐标单位是一个像素,如果要放大显示的华,需要计算出来我们使用的单元相当于多少个像素,然后每次计算坐标时都得考虑到这个值,当现实区域发生变化时还得调整这个数值,非常麻烦,而且容易出错。

所以 Turtle 提供了一个设置我们自己坐标单位的方法 setworldcoordinates,它接受四个参数,分别是坐标系中,左下角的点 x坐标,y坐标,和 右上角的 x坐标、y坐标。

如果将左下角设置为 (-5, -5),右上角设置为 (5, 5),那么 Turtle 就会将坐标原点设置在屏幕中心,并将屏幕分割成 10 X 10 的方块,每个块的边长,相当于一个坐标单位,也就是说,当我们说将笔尖移动到 (3, 4) 这个坐标点时,Turtle 就会从屏幕中心向右移动三个单位,再向上移动4个单位。

这样就非常方便了,无论屏幕大小如何,像素大小如何,Turtle 都会按照我们的指令,做出正确的响应。

另一个问题是 两个偏移量 xTranslateyTranslate

分别是这样计算得到的:

1
2
self.xTranslate = -columnsInMaze/2
self.yTranslate = rowsInMaze/2

存在的意义就是从行和列值中,转化为 Turtle 坐标系的值,比如行列表示法中,(0, 0) 点,在我们变换后的 10 X 10 的坐标系中,对应的坐标点是 (-5, 5)。

因为我们查找数据时用行列表示法比较方便,但在坐标系中,以原点为基准表示比较方便。

总结

好了,关于 Turtle 实现的迷宫就介绍到这里,只是简单说明了实现思路,和孩子的互动,代码实现中还要需要细节和问题,限于篇幅,没有展开,有兴趣的读者可以下载源码,自己跑跑试试,也许还要更好玩的想法,欢迎在评论去交流。

我们学习代码不仅可以用来解决问题,完成工作,更多的时候还可以用了娱乐和陪伴孩子,在这个过程中,给予孩子的不仅仅是陪伴,还要处理问题的方式,以及生活的态度。

比心!

参考代码

https://github.com/JustDoPython/python-examples/tree/master/taiyangxue/mazegame

Python Geek Tech wechat
欢迎订阅 Python 技术,这里分享关于 Python 的一切。