Python繪圖專題
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在七年級的Scratch單元中，我們曾經使用畫筆積木來繪製有規律的圖案，同樣地，這些圖案也可以用Python的Turtle繪圖模組來實作。這個模組之所以命名為Turtle，概念是源自於 Seymour Papert 和 Wally Feurzig 於1966 年所創造用來引導孩子們學習程式設計的海龜繪圖(Logo)程式語言。
一個Python模組是一個檔案，內含Python程式指令，可以提供其他Python程式應用。只要匯入模組，就可以使用在模組裡事先定義的函式或變數。例如：匯入 turtle 模組後，就可以使用 Screen()方法來產生畫布，或是使用 Turtle() 方法產生一個海龜進行繪圖，這二個方法都是在 turtle 模組裡定義的。
### Turtle繪圖座標
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:bulb:小提示
import 匯入
forward 往前
right 右邊
screen 螢幕
turtle 海龜
exit 離開
click 點擊
range 範圍
:::
透過import turtle(匯入turtle繪圖模組)這行敘述的執行，Python就會多知道了許多關於海龜繪圖的指令。首先，執行 window = turtle.Screen()及 john = turtle.Turtle()這二行指令，你可以想像在 x-y 平面上，有一隻叫做 john 的海龜(Python預設圖案是箭頭)位於原點(0,0)的位置。
Python是一個物件導向的程式語言，利用「點」符號可以使用模組裡的資料，例如使用 turtle 模組裡的 Turtle()方法可以寫成 turtle.Turtle()，以中文來解讀意思是：「在 turtle 模組中，取用名為 Turtle 的方法」。這個方法會傳回一個海龜物件，我們將這個物件指定給 john 這個變數來儲存，你也可以為你的海龜取一個英文名字。
在執行了 window=turtle.Screen()這行指令之後， window 這個變數就會儲存一個畫布物件，並且繼承 turtle 模組事先定義的畫布物件的屬性與方法。在使用物件的屬性或方法時，會是使用`.`語法，可以解讀為中文字`的`，而屬性與方法的差別，在於呼叫方法時會帶有`()`(小括號)，有時候小括號中會帶有參數傳入給方法進行運算。例如：呼叫設定畫布大小的方法，可以寫成window.setup(480,360)，解讀為中文即是畫布的大小設定為寬480像素，高360像素。呼叫設定畫布顏色的方法，可以寫成window.bgcolor("lightgreen")，解讀為中文即 是畫布的背景色設為淺綠色。在設定畫布背景顏色時，顏色名稱前後要加上單引號或是雙引號，代表它是一個字串，如果沒有加引號，Python會把它當做是變數名稱。
接著，再執行 john.forward(100)，這隻叫做 john 的海龜將朝它所面對的方向(預設是x軸正方向)前進100個像素，並且隨著它的移動會畫出一條線段。執行 john.right(90) 指令，這隻海龜就會在原地右轉90度。配合 forward 和 right 這二個指令，我們就可以來用Python練習一下畫方形。
## 畫方形
```python=
import turtle # 匯入turtle套件，允許我們使用turtle指令
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
:::warning
:bulb:小提示
檔案命名不可以是 turtle.py， 否則會和內建的 turtle 模組名稱互相衝突。
:::
:::warning
:bulb:小提示
`#`號後面的文字代表程式註解，Python會忽略它不去執行，程式註解通常是使用自然語言來描述。
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還記得我們在Scratch中(七年級上冊第70頁)怎麼用計次式迴圈來簡化畫方形的程式碼嗎?同樣的，我們在Python中也可以使用計次式迴圈來簡化程式。
在Scratch中，移動與右轉積木是被嵌入在重複積木中，在Python中，如何表達移動與右轉指令是被嵌入在for迴圈中呢?它是靠文字的縮排來表達。你可以使用空白字元或是tab字元來縮排程式碼，這樣Python就會知道哪裡指令是被包含在迴圈中執行的。要注意的是，縮排時選擇使用空白字元或tab字元時，要使用一致的方法，兩者不能混用，若是混用，雖然眼睛無法分辨其差別，但是Python還是能夠認得他們是不同的字元。
### for迴圈
```python=
for i in [0,1,2,3]: # 計次式迴圈，重複執行4次
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
```
`for`和`in`是Python的關鍵字，兩者之間可以放置使用者自訂的變數，而`in`後面接著一個序列，在這個例子中，我們使用了串列 (list)，它是序列的其中一種。for迴圈會依序從序列中取得元素，並且將元素指定給前面自訂的迴圈變數(此例為`i`)，再執行迴圈裡的內容，直到序列每一元素都被取出過為止。
在Python中，串列(List)是有序的物件集合，具有索引特性，功能類似我們在八年級中學到的陣列(在Scratch中稱為清單)。串列的長度可以變動。要建立串列，可以使用`[]`(中括號)，串列中每個元素，使用`,`(逗號) 來區隔。
在上面的例子中，迴圈變數`i`是用來控制迴圈執行的次數，我們並沒有在迴圈中使用到這個變數`i`。另外，我們創造了包含0,1,2,3等4個數字的串列，你也可以使用range()這個Python內建函式來產生這個有規則的整數串列，例如輸入range(4)便會產生一個從0開始，小於4的整數串列，它會回傳[0, 1, 2, 3]這個串列，所以上面的程式碼可以寫成：
```python=
for i in range(4): # 計次式迴圈，重複執行4次
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
```
所以上面使用循序結構的畫方形的14行程式碼可以改寫成以下使用重複結構的9行程式碼：
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
for i in range(4): # 重複執行4次
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
## 擴散方形
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
for i in range(1,21): # 重複執行20次
john.forward(i*10) # 告訴海龜往前走10+i*10個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
:::warning
:bulb:小提示
range(1,5)會產生一個從1開始，小於5的整數串列，它會回傳[1, 2, 3, 4]這個串列，所以要產生從1開始，到20結束的串列要寫成 range(1, 21)。
:::
## 旋轉方形
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
for i in range(12): # 外層迴圈，重複執行12次
for j in range(4): # 內層迴圈，重複執行4次
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
john.right(30) # 告訴海龜右轉30度
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
## 平行方形(1)
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
window.setup(480, 360)
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
john.penup() # 提筆
john.goto(-140, -20) # 告訴海龜定位到(-140,-20)的位置
for i in range(6): # 重複執行6次
john.pendown() # 下筆
for j in range(4): # 重複執行4次
john.forward(30) # 告訴海龜往前走30個單位
john.right(90) # 告訴海龜右轉90度
john.penup() # 提筆
john.forward(60) # 告訴海龜往前走60個單位
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
:::warning
:bulb:小提示
sum 加總
return 返回
definition 定義
print 印出
draw 繪畫
triangle 三角形
square 正方形
star 星星
goto 前往
pen 筆
down 下
up 上
none 沒有
:::
在八年級我們曾經使用過Scratch的自訂函式積木來進行程式的模組化設計，在Pythoh中也有相對應的概念。透過函式的撰寫，我們可以將主程式拆解成一個一個的小模組，然後分別去完成後，此外，也可以重複使用這些小模組。
在Python中要定義函式(副程式)，是使用def來定義，例如，以下是兩數相加的函式定義：
```python=
def sum(a, b): # 定義兩數相加的函式
return a+b # 傳回兩數相加的和
print(sum(2,3)) # 顯示 5
print(sum(6,9)) # 顯示 15
```
在上例中，sum是函式名稱，a與b為參數(Parameter)名稱，如果要傳回值則使用return，如果函式執行完畢但沒有使用return傳回值，則傳回None。
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
def draw_triangle(t, size): # 定義畫三角形函式
t.pendown() # 下筆
for i in range(3): # 重複執行3次
t.forward(size) # 告訴海龜往前走size個單位
t.right(120) # 告訴海龜右轉120度
t.penup() # 提筆
def draw_square(t, size): # 定義畫正方形函式
t.pendown() # 下筆
for i in range(4): # 重複執行4次
t.forward(size) # 告訴海龜往前走size個單位
t.right(90) # 告訴海龜右轉90度
t.penup() # 提筆
def draw_star(t, size): # 定義畫星星函式
t.pendown() # 下筆
for i in range(5): # 重複執行5次
t.forward(size) # 告訴海龜往前走size個單位
t.right(144) # 告訴海龜右轉144度
t.penup() # 提筆
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
window.setup(480, 360) # 設定畫布大小為寬480像素，高360像素
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
john.penup() # 提筆
john.goto(-150,0) # 告訴海龜定位到(150, 0)的位置
draw_triangle(john, 50) # 畫一個長度50個單位的三角形
john.forward(80) # 告訴海龜往前走80個單位
draw_square(john, 50) # 畫一個長度50個單位的正方形
john.forward(80) # 告訴海龜往前走80個單位
draw_star(john, 50) # 畫一個長度50個單位的星星
john.forward(80) # 告訴海龜往前走80個單位
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
## 平行方形(2)
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
def draw_square(t, size): # 定義畫正方形函式
t.pendown() # 下筆
for i in range(4): # 重複執行4次
t.forward(size) # 告訴海龜往前走size個單位
t.right(90) # 告訴海龜右轉90度
t.penup() # 提筆
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
for i in range(6): # 重複執行6次
draw_square(john, 30) # 畫一個長度30個單位的正方形
john.forward(50) # 告訴海龜往前走50個單位
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
## 放大方形
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
def draw_square(t, size): # 定義畫正方形函式
t.pendown() # 下筆
for i in range(4): # 重複執行4次
t.forward(size) # 告訴海龜往前走size個單位
t.right(90) # 告訴海龜右轉90度
t.penup() # 提筆
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
window.setup(480, 360) # 設定畫布大小為寬480像素，高360像素
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
john.penup() # 提筆
john.goto(-120,80) # 告訴海龜定位到(-120,80)的位置
draw_square(john, 50) # 畫一個長度50個單位的正方形
draw_square(john, 100) # 畫一個長度100個單位的正方形
draw_square(john, 150) # 畫一個長度150個單位的正方形
draw_square(john, 200) # 畫一個長度200個單位的正方形
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
:::warning
:bulb:小提示
from 從..地方
random 隨機
integer 整數
speed 速度
:::
## 隨機畫星星
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
from random import randint # 匯入亂數模組，允許我們使用取整數亂數指令
def draw_star(t, size): # 定義畫星星函式
t.pendown() # 下筆
for i in range(5): # 重複執行5次
t.forward(size) # 告訴海龜往前走size個單位
t.right(144) # 告訴海龜右轉144度
t.penup() # 提筆
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
window.setup(480, 360) # 設定畫布大小為寬480像素，高360像素
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
john.speed(8) # 設定海龜的速度為8
for i in range(30): # 重複執行30次
john.penup() # 提筆
x = randint(-200, 200) # 設定變數x為-200~200間的整數亂數
y = randint(-160, 160) # 設定變數y為-160~160間的整數亂數
john.goto(x, y) # 告訴海龜定位到(x,y)的位置
draw_star(john, 50) # 畫一個長度50個單位的星星
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
## 類時鐘(習作)
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
john.penup() # 提筆
john.shape("turtle") # 設定海龜外型
for i in range(12): # 重複執行12次
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.stamp() # 蓋章
john.backward(100) # 告訴海龜往後走100個單位
john.right(30) # 告訴海龜右轉30度
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
## 正多邊形(習作)
```python=
import turtle # 匯入turtle模組，允許我們使用turtle指令
window = turtle.Screen() # 產生畫布以進行畫圖
john = turtle.Turtle() # 建立一個海龜turtle，它的名字叫john
john.penup() # 提筆
john.goto(-50, 180) # 告訴海龜定位到(-50, 180)的位置
john.speed(8) # 設定海龜的速度為8
john.pendown() # 下筆
for i in range(10): # 重複執行10次
for j in range(i+3): # 重複執行i+3次
john.forward(100) # 告訴海龜往前走100個單位
john.right(360/(i+3)) # 告訴海龜右轉某個角度
window.exitonclick() # 等待使用者關閉視窗
```
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