书名：Python少儿趣味编程：海龟绘图
ISBN：978-7-115-58444-1
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著 李 强
责任编辑 吴晋瑜
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这是一本介绍在Python中使用海龟绘图工具的书。本书先带领读者认识Python编程语言，了解Python的特点，然后在此基础上引入turtle模块（俗称“海龟绘图”）的相关内容，让读者大致了解该模块的功能。随后，本书给出了多个示例，帮助读者加深对for循环、变量、数据类型、布尔类型和条件语句、while循环以及自定义函数等概念的理解。最后，本书给出了两个完整的经典程序示例，并详细解释了程序代码的具体意义和作用，还运用turtle模块绘制了一个可爱的机器猫。
本书适合小学高年级和初中各年级的读者自学，也适合零编程基础的读者阅读参考。
《Python少儿趣味编程》一书自2019年出版以来，多次重印，并且得到了不少读者的好评。与此同时，我也收到一些读者的反馈，表示通过这本书学习Python虽然有一定的趣味性，但还是存在一定的学习难度，尤其是对于孩子而言难度还不小。在我看来，这种困难主要是由两方面因素导致的：一方面，Python编程比Scratch编程的图形化程度低一些，入门难度自然要高出不少；另一方面，在学习Python编程的过程中，必须学习和掌握更多编程基本概念，例如变量、数据类型、循环、条件、函数等。那么，如何通过可视化的方式来帮助小读者更好地理解和学习基本的编程概念，进而培养和训练他们的计算思维，成为少儿编程教育工作者面临的一个难题。
我的儿子李若瑜建议我写一本关于Python中海龟绘图工具的书，这也是他在学习Python的时候感觉最为有趣的内容。在经过数月的讨论后，我最终决定编写一本《Python少儿趣味编程》的海龟绘图版。Python标准库中有个turtle模块，俗称“海龟绘图”，它提供了一些简单的绘图工具，可用于在标准的应用程序窗口中绘制各种图形。海龟绘图方式非常简单、直观，就像有一只尾巴上蘸着颜料的小海龟在计算机屏幕上爬行，随着它的移动就能画出线条来。使用turtle模块，我们只用几行代码就能创建出令人印象深刻的视觉效果，还可以跟随海龟的移动轨迹看到每行代码是如何影响它的移动的。这些特点决定了“海龟绘图”是小朋友和初学者学习Python编程的首选工具。
本书采用海龟绘图，以图形化的方式帮助读者学习Python编程的基本知识和技能。在写作本书的过程中，我们先着重介绍Python编程的基本概念和知识点，并以turtle模块为工具来展示如何在编程中使用这些概念和知识，力图通过生动形象、富有趣味性的方式来帮助读者快速学习和掌握Python编程。
本书各章的主要内容如下。
第1章 认识Python，主要带领读者认识Python编程语言，了解Python的特点，学习如何安装Python，并且编写一个简单的Hello World程序。本章还介绍了Python自带的IDE——IDLE，展示了IDLE的一些功能，这些功能是我们学习编程时经常要用到的。
第2章 认识小海龟，首先介绍了LOGO语言和模块的概念，讲解了如何在Python中导入模块，接下来介绍了Python中的小海龟——turtle模块，包括turtle绘图体系、布局和坐标体系等。最后以列表的形式给出了turtle函数的概览，让读者大致了解turtle的功能。
第3章 海龟绘图初体验，带领读者体验海龟绘图的功能。本章首先介绍了如何创建画布、移动海龟和控制画笔，还介绍了色彩的控制；最后，用海龟绘图绘制了一个奥运五环。
第4章 for循环，主要介绍for循环。先通过海龟绘图的示例，展示了不采用循环绘制4个圆的过程；然后介绍了循环的概念、程序的3种常用结构、算法和流程图的概念及其用法；接下来，正式引入for循环，展示了如何用for循环完成4个圆的绘制，并通过扩展程序帮助读者理解for循环的概念及其用法。
第5章 变量，变量在程序中随处可见，也是必须了解和掌握的基本编程概念。本章首先介绍了变量的概念、变量的命名规则，展示了变量的赋值方式；然后，通过海龟绘图程序展示如何使用变量来绘制螺旋线。本章还介绍了内置函数的概念，并通过内置函数来改进螺旋线绘制程序。
第6章 数据类型，介绍了Python中的数字、字符串、列表等数据类型，并且通过程序展示了与这些数据类型相关的操作和函数。贯穿本章，我们分别用海龟绘图展示了应用每一种数据类型的示例。
第7章 布尔类型和条件语句，介绍了布尔类型、比较运算符和布尔运算符，然后穿插介绍了缩进的作用以及常见的缩进问题，最后介绍了条件语句及其用法。本章比较特殊，没有涉及海龟绘图的示例，当然，本章内容对于编写复杂的程序以及养成良好的编程习惯很重要。
第8章 while循环，通过海龟绘图展示了while循环的用法，并介绍了break语句、continue语句在while循环中的用法。
第9章 自定义函数，介绍了自定义函数的概念，以及函数的结构、编写和调用的方法、函数的参数和返回值，最后通过海龟绘图的示例展示了函数的用法。
第10章和第11章 选取了海龟绘图的两个经典程序示例，也是两个较为完整的例子，分别是圆舞程序和时钟程序。虽然这两章的体例较为特殊，并不直接介绍任何具体的知识点，而是主要解释程序代码的具体意义和作用，但是，分析程序始终是学习和掌握编程的一种重要方法。在分析程序的过程中，我们也会用到很多学过的或者新的知识点。
第12章 绘制机器猫，详细介绍了如何使用海龟绘图来绘制一个可爱的机器猫形象，会用到模块导入、函数调用、自定义函数等知识。
本书有以下几个特色。
● 用海龟绘图形象化、可视化地讲解Python编程。正如前面所提到的，本书最大的特点是以海龟绘图作为工具，通过程序运行结果的可视化来降低学习Python编程的门槛，提高读者的阅读兴趣。
● 理论和实际结合，知识和应用结合。注重编程基础知识和概念的讲解，并用海龟绘图的示例来展示这些基础知识和概念的应用。
● 兼顾示例的简单性和复杂性。本书既包括与具体知识点结合的简单示例，也包括完整的可运行程序示例的分析和讲解。读者既能够学习和掌握基础知识，也能够通过大的程序示例进一步巩固所学内容。
本书在介绍Python编程知识时，遵循“知识点够用就好”的原则，不额外增加读者的阅读和学习负担。因此，本书既适合小学高年级读者和初中各年级读者自学，也适合零编程基础的读者阅读参考。
感谢选择本书的读者，你们的需求、反馈、信任和支持，是我不断改进提高、编写更好的技术图书的原动力。
感谢我的家人，父母、妻子以及儿子和女儿。特别感谢我的儿子李若瑜，本书的创意就来自于他，他阅读了本书所有的内容并尝试编写其中的程序示例后提出了宝贵的反馈意见，让我得以不断地完善和改进书稿。
虽然我在编写本书的过程中认真思考内容结构，细致准备案例素材，但难免仍有不足之处，请读者在阅读和学习的过程中及时反馈（reejohn@sohu.com），帮助我不断改进本书。
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如今，我们的生活中随处可见计算机的应用。写文章、制作PPT、打电子游戏、QQ聊天、上网购物等都离不开计算机，甚至手机里的各种应用，如微信、GPS导航等，也都离不开计算机。可是，你是否想过，计算机是如何帮助我们完成各种各样的任务的呢？
其实，计算机是通过程序来完成具体任务的。程序（program）是一组计算机能识别和执行的指令，它运行于电子计算机上，以满足人们的需求。更直白地说，计算机程序是一种软件，是使用计算机编程语言编写的指令，用于告诉计算机如何一步一步执行任务，从而达到最终的目的。使用某种计算机编程语言，经过分析、设计、编码、测试、调试等步骤，编写出程序以解决特定问题的过程，就叫作程序设计或编程（programming）。因此，要控制计算机方便、快捷地实现各种功能，我们必须学习程序设计，也就是编程。而要编写程序代码，我们必须“讲”计算机能懂的语言，为此，我们首先要选择并学习一种计算机编程语言。
计算机编程语言的发展大概有几十年的历史。在这期间，编程语言经历了从低级语言向高级语言发展的过程。这里所说的“低级语言”和“高级语言”，并不是指语言的功能和水平等方面的差异，而是指编程语言与人类自身语言接近程度上的区别。低级语言更接近于机器语言，计算机理解起来比较容易，人类理解起来比较困难；高级语言的语法和表达方式更接近于人类自身的语言，它需要通过一种称为“编译器”和“解释器”的东西（你可以把编译器和解释器想象成翻译人员）将其转换为计算机比较容易理解的机器语言，才能执行。
程序正是用诸如Python、C++、Ruby或JavaScript这样的编程语言来编写的。这些语言让我们得以和计算机“对话”，并且向它们发布命令。打一个比方，我们是如何训练一只狗的呢？当我们说“坐下”的时候，它蹲着；当我们说“说话”的时候，它叫两声。这只狗能够理解这些简单的命令，但是，对于我们所说的其他的大多数话，它就不懂了。
类似地，计算机也有局限性，但是确实能够执行你用它们的语言发布的指令。在本书中，我们将学习Python语言，这是一种简单而强大的编程语言。未来，在高中和大学阶段，Python语言会作为计算机科学课程的入门课。因此，我们通过现在的学习，可以给将来打下一个较好的基础。
Python是吉多·范罗苏姆（Guido Van Rossum）在20世纪80年代后期开发的一种功能强大、过程式的、面向对象的、功能完备的编程语言。Python这个名字来自于一个名为“Monty Python”的戏剧团体。
人们使用Python语言进行各种应用开发，包括游戏软件开发、Web开发、桌面GUI开发以及教育和科学计算应用开发。近年来，Python甚至成了最受欢迎的开发人工智能应用的语言之一，在图像处理、自然语言处理和神经网络等众多领域一展身手。当前，Python已经成为最流行的编程语言之一，在各种编程语言排行榜中位居前列。Python之所以很流行，主要是归功于它的简单性和健壮性，当然还有很多其他的因素。囿于篇幅，此处不再赘述。
对于初学者来说，Python是一款既容易学又相当有用的编程语言。相对于其他语言，Python的代码相当易读，并且它有命令行程序，可供用户输入指令并运行程序。Python的一些功能对于辅助学习过程很有效，例如，用户可以通过把一些简单的动画组织起来制作自己的游戏。其中的turtle模块的灵感来自于海龟作图（20世纪60年代由LOGO语言使用），专门用于教育。此外，tkinter模块是Tk图形界面的接口，可以用来很容易地创建一些图形和动画程序。简单易学使得Python成为青少年学习计算机编程的首选语言。在本书中，我们也将带领读者学习Python turtle模块的用法，并且会用Python编写一款有趣的游戏，让读者体会到学习Python编程的乐趣和成就感！
Python的语法很简单，因而学习和理解Python编程很容易。和其他编程语言相比，Python代码更简短、易懂。此外，Python中的一些任务很容易实现。例如，要交换两个数字，用Python很容易编写：(a, b)= (b, a)。学习某种新的东西是一项耗费精力且复杂的任务，然而Python语法的简单性大大降低了它的学习难度。此外，用Python编写的项目也很容易为人们所理解。Python的代码精练而高效，因而易于理解和管理。
Python另一个显著的特点是，它拥有大量的第三方模块和库。这是Python拥有非常广泛的应用领域的一个重要原因。Python有很多第三方的模块用于完成Web开发。例如，基于Python的Django是一款非常流行的Web开发框架，支持干净而快速地开发，支持HTML、Emails、FTP等应用，因此成为Web开发的不错选择。结合第三方模块和库的功能和支持，Python也可以广泛用于GUI开发和移动应用开发，例如，Kivy可以用于开发多触点的应用程序。Python还拥有强大的支持科学计算和分析的库——SciPy用于工程和数学，IPython用于并行计算等。SciPy还提供了和MATLAB类似的功能，并且能够用于处理多维数组。
Python还有如下一些特点和优点。
● Python有自己管理内存和相关对象的方式。在Python中创建一个对象时，内存会被动态地分配给它。当对象的生命周期结束时，其占用的内存会被收回。Python的内存管理使得程序更加高效。
● Python具有很强的可移植性，故使用Python编写的程序几乎可以在所有已知的平台（如Windows、Linux或macOS等）上运行。
● Python是免费的。Python并不是收费软件。谁都可以下载各种各样可用的Python编译器。发布用Python编写的代码也不会有法律问题。
● Python拥有庞大的用户群体。Python开发者和使用者已经在互联网上形成了一个活跃的专业社群，身处世界各地的程序员在一起探讨、交流学习和使用Python的经验。互联网上有很多与Python有关的信息，还有许多Python讨论组，这些都促进了Python语言的学习和传播。
既然Python有这么多的好处，那还等什么呢？我们先开始第一步，下载和安装Python吧！
要安装Python，通常需要去Python官方网站下载所需版本的安装文件，如图1-1所示。
图1-1
如果单击导航栏中的Downloads菜单，就可以看到适合各种操作系统的下载链接，如图1-2所示。可以看到，适合Windows系统的新版本是3.10.0。我们可以直接单击“Python3.10.0”按钮进行下载。
图1-2
也可以单击左侧的Windows，在下载页面中选择需要下载的Python版本，如图1-3所示。
图1-3
这里选择下载（写作本书时的）新版本Python 3.10.0，下载完成后，在图1-4所示的文件夹下可以看到一个安装文件。
图1-4
Python仅支持微软产品所支持的生命周期内的Windows版本。这意味着 Python 3.9及之后的版本仅支持Windows 7之后的操作系统。如果需要支持Windows 7或更早的操作系统，请安装低一些的Python版本。
双击“python-3.10.0.exe”，就会看到弹出的安装界面。为简单起见，请勾选“Install launcher for all users（recommended）”和“Add Python 3.10 to PATH”选项，然后直接单击“Install Now”链接，如图1-5所示。
图1-5
选择“Customize installation”，即“自定义安装”，那么就可以选择要安装的功能、安装位置、其他选项或安装后的操作。如果要安装调试符号或二进制文件，就需要选择此选项。
安装时最好勾选“Add Python 3.10 to PATH”，这是因为Windows会根据环境变量path设置的路径去查找python.exe，以及本书后面要用到的一些相关安装工具。所以，如果在安装时没有勾选这个选项，后面还得手动把这些路径添加到path的环境变量中。
然后会看到安装的进度条一直向前推进了，如图1-6所示。
图1-6
这里什么也不需要做，等待一段时间，直到程序安装成功，如图1-7所示。
图1-7
单击“documentation”链接，即可打开Python的帮助文档，如图1-8所示。
图1-8
安装好Python后，在Windows的命令行窗口输入“python”命令，就可以打开Python的Shell命令行窗口，启动交互式解释器，如图1-9所示。
图1-9
接下来，我们就可以在这个命令行窗口直接输入要执行的程序代码了。
单击导航栏中的Downloads菜单，就可以看到，适合macOS系统的新版本也是3.10.0。我们可以直接单击按钮“Download Python 3.10.0”下载，如图1-10所示。
图1-10
下载完成后，就可以看到一个安装文件，如图1-11所示。
图1-11
双击安装文件，就会看到弹出的安装界面，然后直接单击“继续”按钮，如图1-12所示。
图1-12
一直单击“继续”按钮，直到出现“安装”按钮并单击它，如图1-13所示。
图1-13
随后就会看到安装进度条一直向前推进，如图1-14所示。
图1-14
这里什么也不需要做，等待一段时间，直到程序安装成功，如图1-15所示。
图1-15
安装好Python后，在命令行窗口输入“python”命令，就可以打开Python的Shell命令行窗口，启动交互式解释器。
安装好Python之后，我们先通过命令行窗口编写第一个Python程序，并尝试运行一下。
在命令行窗口中输入一行代码“print("Hello World！")”，如图1-16所示。这行代码表示要将“Hello World！”显示到屏幕上。因为本章我们只是介绍代码是什么样子的，所以读者可以不用太在意具体语句的含义（详见第2章）。
图1-16
按Enter键，可以看到屏幕上显示了“Hello World！”，如图1-17所示。
图1-17
简单吧？第一个程序就这样实现了。
Python是区分大小写的语言，所以切勿混淆关键字或者函数名的大小写，例如，print是打印函数，而Print则不是。
对于简单的程序，我们可以在命令行窗口中完成，并且可以非常直观地看到想要的结果。可是，一旦关闭Python并重新打开它，我们就会发现之前编写的代码都丢失了。怎样才能让计算机“记住”我们输入的内容呢？
在实际开发程序时，我们总是要使用某个集成开发环境来写代码，然后将写好的代码保存到一个文件中。这样，想要使用这些代码时，我们就可以打开这个文件并加以运行。这样一来，程序就可以反复执行了。
集成开发环境（Integrated Development Environment，IDE）是一种工具软件，其中包含程序员编写和测试程序所需的基本工具。集成开发环境通常包含源代码编辑器、编译器或解释器以及调试器。
在学习Python编程的过程中，我们少不了要接触IDE。这些Python开发工具可以帮助开发者加快开发速度，提高效率。IDLE是Python自带的集成开发环境，具备基本的IDE功能，包含交互式命令行、编辑器、调试器等基本组件，足以应付大多数简单应用的开发。安装好Python以后，IDLE就自动安装好了，不再需要另行安装。
IDLE 为初学者提供了一个非常简单的开发环境，可供他们轻松地编写和执行Python 程序。IDLE有两个主要的窗口，分别是命令行窗口和编辑器窗口。接下来，我们看一下如何使用IDLE来编写程序。
在Windows环境下，有多种方法可以启动IDLE。既可以像前文介绍的那样，在Windows的命令行窗口直接输入“python”命令，打开Python的Shell命令行窗口，也可以通过快捷菜单或桌面图标等方式启动IDLE，如图1-18所示。
图1-18
IDLE启动后的界面如图1-19所示。
图1-19
在IDLE窗口中，可以选择“File”菜单下的“New File”命令，打开一个新的文件窗口，如图1-20所示。
图1-20
这时会弹出一个新的空白窗口，如图1-21所示。
图1-21
可以看到，这个窗口中没有任何内容，有待我们输入命令。我们把这个窗口称为“程序”窗口，以区别于编译器窗口。我们可以在程序窗口中输入需要的指令。这里输入了和前面我们在命令行窗口所输入的相同的代码，即“Print（"Hello World！"）”，如图1-22所示。
图1-22
需要注意的是，这里没有命令行窗口那些“>>>”提示符号，因为这些符号并不是程序的组成部分。编译器窗口通过这些提示符号，就知道我们当前是在编译器窗口工作，但是当我们编辑一个独立的文件时，就需要去掉这些由编译器导入的辅助符号。
接下来，选择“File”菜单下的“Save”命令，保存这个文件。因为是新文件，会弹出“Save As”对话框，我们可以在该对话框中指定文件名和保存位置，如图1-23所示。保存后，文件名会自动显示在屏幕顶部的标题栏中。如果文件中存在尚未保存的内容，标题栏的文件名前后会有星号出现。
图1-23
将文件保存到指定目录下，我们选择的路径是“D:\Python Programs\Ch01”，文件名为“1.1”，如图1-24所示。
图1-24
接下来，怎样运行这个程序呢？选择“Run”菜单中的“Run Module”命令，如图1-25所示。
图1-25
这样就可以得到这个程序的运行结果，在编译器窗口可以看到显示出来的“Hello World！”，如图1-26所示。
图1-26
IDLE具有非常丰富的功能和特色，其中一些很值得我们去了解和体验一下，因为我们在编写程序时很可能会用到它们。
IDLE支持语法高亮显示。所谓“语法高亮显示”，就是针对代码的不同元素，使用不同的颜色进行显示，其应用效果如图1-16 所示。默认情况下，关键字显示为橙色，字符串显示为绿色，定义和解释器的输出显示为蓝色，控制台输出显示为棕色。当我们输入代码时，IDLE会自动应用这些颜色对代码进行突出显示。语法高亮显示的好处是，让用户更容易区分不同的语法元素，也让代码更易阅读。与此同时，语法高亮显示还降低了出错的可能性。比如，如果输入的变量名显示为橙色，那么你就需要注意了，这说明该名称与预留的关键字有冲突，所以必须给变量更换名称。
IDLE还可以实现关键字自动完成。如果用户输入关键字的一部分，例如输入一个P，就可以从“Edit”菜单选择“Expand Word”命令（或者直接按Alt+/组合键），如图1-27所示。
图1-27
这个关键字就可以自动完成，我们在这里得到的是print，如图1-28所示。
图1-28
有时候，我们只记住了函数的开头几个字母，而不记得完整的函数名称，该怎么办？例如，input()函数可以接收标准输入数据，其返回值为string类型。如果我们只是隐约记住了in，而忘记了后边的put，这时就可以选择“Edit”菜单中的“Show Completions”命令（或者直接按Ctrl+Space组合键），如图1-29所示。
图1-29
这时IDLE就会给出若干提示，如图1-30所示。
图1-30
现在只要按Enter键，IDLE就会自动完成此函数名。如果当前选定的函数不是我们想要的函数的话，还可以使用向上、向下的方向键进行查找。
IDLE还有一些其他的功能，这里就不一一详述了，在本书后面用到的时候再进一步介绍。读者如果对IDLE的更多功能感兴趣，可以自行查询一下帮助文档。
这是本书的第1章。在本章中，我们的主要任务是认识Python，了解如何安装Python及其自带的IDE——IDLE的功能和用法。
我们先介绍了程序设计和编程语言的概念，然后介绍了Python这种编程语言，并详细介绍了Python的特点。有了这些知识，我们就能理解为什么要学习Python编程。
接着，本章以Windows操作系统为例，介绍了如何下载和安装Python当前新的版本。本章分别介绍和展示了编写Python程序的方式，即使用命令行和使用IDE这两种方式。IDE是专业程序员编写较大的程序必不可少的工具。我们进一步学习了Python自带的IDE——IDLE的使用方式，了解了IDLE的功能和特点。
学完本章，你应该对Python及其编程工具有了一个初步的认识，为继续学习Python的语法、数据结构、函数等编程知识打下了基础。
