Programmieren I: Programmieren mit TurtleGraphics [KSR Wiki]

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====== Programmieren I: Programmieren mit TurtleGraphics ======

===== - Einführung =====

Ein Computer ist zunächst einfach mal eine Maschine, die wahnsinnig schnell arbeiten (rechnen) kann. Damit man zum Beispiel ein Spiel spielen können, muss irgend jemand dem Computer also sagen, was er denn genau zu tun hat. Jemand muss also ein **Computerprogramm**, oder **Code**, schreiben. Dieses besteht aus //Befehlen, die der Computer auszuführen// hat. Damit der Computer auch versteht, was er machen soll, müssen Programmierer und Computer 'die gleiche Sprache' sprechen. Es gibt sehr viele unterschiedliche solche Programmiersprachen mit unterschiedlichen Anwendungsbereiechen und Vor- und Nachteilen.

Wir wählen hier die Programmiersprache **Python**. Im Jahre 2020 ist diese Sprache sicher in der Top 3 der wichtigsten Programmiersprachen - wenn nicht sogar auf dem ersten Platz. Dazu kommt, dass Python im Vergleich zu anderen Sprachen, z.B. C\+\+ (C Plus Plus), Java oder C# (C Sharp) relativ einfach zu erlernen ist. 

Wenn wir einen Satz mit vielen Schreibfelern und Grammatikfehler lesen, so sind wir meist trotzdem in der Lage, den Satz zu verstehen. Im Gegensatz zu uns hat ein Computer aber keine Intelligenz und ist deshalb nicht in der Lage, einen Text selbst zu interpretieren. Ein Computer kann ein Programm nur ausführen, wenn es gar keine Fehler, sogenannte **Bugs**, hat. Es ist deshalb ganz wichtig, dass man sich an die formalen Vorgaben der Programmiersprache hält.

Wie gesagt werden wir in der Programmiersprache Python programmieren. Wir brauchen aber noch ein Programm, um unseren Code zu schreiben und auszuführen, eine sogenannte **IDE (Integrated Development Environment, auf Deutsch Entwicklungsumgebung)**. Dazu wählen wir die IDE **TigerJython**.


==== Installation ==== 

=== Web Tiger Jython ===
Am einfachsten ist es, Programme direkt im Web zu schreiben: auf https://webtigerpython.ethz.ch/.

Um ein Programm abzuspeichern, musst es heruntergeladen werden.

=== Tiger Jython ===

Alternativ steht ein installierbares Programm bereit, das auch _offline_ funktioniert. Gehe auf die Website [[https://www.tjgroup.ch/index.php?site=download|TigerJython]] und lade die passende Version von TigerJython für dein Betriebssystem hinunter und installiere diese.

*Tipp:* Wahrscheinlich benötigst du die 64-bit Version

*Achtung Mac User:* Mac User befolgen für die Installation die Schritte auf folgender Seite: [[https://www.tjgroup.ch/index.php?site=installMac]]

==== Entwicklungsumgebung ==== 

Das Menu in TigerJython oben links sieht aus wie folgt:

{{:fms_tigerjython:tigerjython_ide.png?nolink&300|}}

Die wichtigsten Befehle, die du in TigerJython brauchst, sind die vier Symbole ganz links:

  * **Neues Projekt** erstellen (Ctrl+N)
  * Bestehendes Projekt **öffnen** (Ctrl+O)
  * **Speichern** (Ctrl+S)
  * Programm **ausführen** (F5)

Du solltest dir angewöhnen, möglichst wenig mit der Maus zu machen und anstelle die Tastatur benutzen. Besonders die Taste F5 (Programm ausführen) ist sehr praktisch.


==== Aufgaben ====

   * In jedem Kapitel gibt es ein **Set an Aufgaben**. Jedes Set ist mit einem Buchstaben gekennzeichnet.
   * Erstelle an einem Ort auf deinem Computer, der mit OneDrive synchronisiert wird, einen Ordner für die Informatik und darin einen Unterordner für dieses Thema, z.B.: `Informatik\Programmieren 1\`
   * Erstelle für **jede Aufgabe eine eigene Datei**. Benenne diese nach dem folgenden Schema: Aufgabe B2 in Datei `aufgabe_B_2`
   * Für einige Aufgaben wird es **Musterlösungen** geben, aber nicht für alle. Falls du dir unsicher bist: Frage bei der Lehrperson nach.
   * Du bist **selbst verantwortlich**, dass du alle Aufgaben gelöst hast.

==== Tipps ====

   * Im Dossier gibt es viele kleine **Code-Beispiele**. Tippe diese jeweils //von Hand ab// und versuche, alles zu //verstehen//. Wenn du den Code per Copy-Paste kopierst, lernst du gar nichts!
   * Verwende **Shortcuts**:
      * Ctrl+S: Speichern (mache dies regelmässig!)
      * Generell: Benutze die Maus so wenig wie möglich!

===== - Einfache Bewegungen =====

Kreiere ein neues Projekt und nenne es `turtle_01.py` und füge diesem folgenden Inhalt hinzu:

<code python>
from turtle import *

fritz = Turtle()

fritz.forward(100)
</code>

Verwende anstelle von *fritz* deinen Namen (keine Bindestriche im Namen!)

Erklärung der Zeilen:
  - Zuerst musst du das *Modul `turtle` importieren*, damit wir mit Turtlegrafik arbeiten können.
  - Erzeuge einen neuen Turtle mit einem Namen. Man nennt dieses auch ein *Turtle-Objekt*.
  - Gib deinem Turtle den Befehl, 100 Pixel vorwärts zu laufen.

Du kannst deinem Turtle nun auch sagen, er soll sich um einen gewissen Winkel drehen oder rückwärts laufen. Die wichtigsten Befehle sind die folgenden. Jedem Befehl muss der Name der Turtle (im Beispiel `fritz`) und ein Punkt vorangestellt werden. Viele weitere Befehle finden sich auf der  [[gf_informatik:programmieren_i:turtle_summary]].

^ Befehl ^ Beschreibung ^
| `forward(s)` | `s` Schritte (in Pixel) vorwärts bewegen         |
| `back(s)`  | `s` Schritte rückwärts bewegen                   |
| `right(w)`   | um den Winkel `w` (in Grad) nach rechts drehen   |
| `left(w)`    | um den Winkel `w` nach links drehen              |
| `home()`     | setzt Turtle in die Mitte des Fensters mit Richtung nach oben |
| `hideturtle()`     | Turtle versteckt sich, darauf folgende Befehle werden ohne Animation ausgeführt |

Um die Turtle an eine andere Stelle zu bewegen, brauchst du die folgenden Befehle:

^ Befehl ^ Erklärung^
| `setpos(-100,50)` | Setzt Turtle an Position (-100,50) |
| `setx(30)`     | setzt x-Koordinate der Turtle (senkrechte Verschiebung) |
| `sety(30)`     | setzt y-Koordinate der Turtle (horizontale Verschiebung) |
| `up()` | Hebt den Stift, es wird also **nicht gezeichnet** |
| `down()` | Setzt Stift wieder ab, es wird also wieder **gezeichnet** |

Achtung: im WebTigerJython bleibt der Stift unten bei `setpos()`, für einen unsichtbaren Sprung musst du wie folgt vorgehen:

<code python>
fritz.up()    # Stift hochheben
fritz.setpos(100, 200)  # Springen
fritz.down()  # Stift wieder auf die Leinwand senken
</code>

Du willst mehr machen? Dann findest du viele weitere Funktionen in der [[https://docs.python.org/3/library/turtle.html#turtle-methods|offiziellen Python-Turtle-Dokumentation]].
==== Aufgaben A ====

=== Aufgabe A1 ===

Mache dich mit all diesen **Befehlen vertraut** und probiere sie aus.

=== Aufgabe A2 ===

Programmiere deine Turtle so, dass es ein **Quadrat** abläuft.

=== Aufgabe A3 ===

Programmiere deine Turtle so, dass er **deinen Namen**, Spitznamen oder zumindest deine Initialen abläuft.

=== Aufgabe A4 ===

Wahrscheinlich hast du die letzte Aufgabe (Quadrat ablaufen) so gelöst, dass dein Code aus 4x genau den gleichen vier Zeilen Code besteht. Dies ist zwar richtig, vom Programmierstyle her aber nicht sehr elegant. Mit `repeat` kannst du sagen, dass du einen Codeblock eine gewisse Anzahl mal hintereinander ausführen möchtest:

<code python>
repeat 4:
    # schreibe hier deinen Code
</code>

Bemerkungen:
   * Der Codeblock, welcher mehrfach Wiederholt werden soll muss nach dem `repeat` Befehl **eingerückt** sein, und zwar um genau 4 Leerzeichen (oder 1x Tab).
   * **Kommentare** werden in Python mit `#` gekennzeichnet. Kommentare werden von Python *ignoriert*. Man kann diese z.B. brauchen, um im Code Erklärungen anzufügen, damit jemand andere den Code besser verstehen kann.

Mache eine Kopie deiner Lösung aus Aufgabe A2. Schreibe nun deine Lösung um, indem du den `repeat` Befehl verwendest.

===== - Kreisbogen =====

Um einen Turtle namens *Fritz* einen **Punkt** mit Radius 20 Pixel zeichnen zu lassen, tippe einfach:

<code python>
fritz.dot(20)
</code>

Bisher haben wir unsere Turtles ausschliesslich gerade Linien laufen lassen. Um auf einem **Kreis** zu gehen, verwende den Befehl `circle(radius)`.

<code python>
fritz.circle(20)
</code>

Dabei bestimmt das Argument den Radius des Kreise in Pixel. Ist der Radius positiv, zeichnen im Gegenuhrzeigersinn, ist er negativ im Uhrzeigersinn.

Um einen Teilkreis zu zeichnen, können wir zusätzlich den Winkel zwischen 0 und 360 Grad übergeben.

Zum Beispiel zeichnet man mit dem Befehl `circle(-100, 180)` einen Halbkreis (180 Grad Winkel) mit Radius 100 Pixel im Uhrzeigersinn.

==== Aufgaben B ====

=== Aufgabe B1 ===

Verwende die Befehle `dot(), forward(), right(), left()`, um folgende Figur zu zeichnen:

{{:gf_informatik:s1a4.png?nolink&300|}}

Versuche nun deinen Code zu kurz wie möglich zu schreiben. Vermeide Code-Wiederholungen, arbeite deshalb mit `repeat`.

=== Aufgabe B2 ===

Zeichne mit Hilfe der Befehle `circle()` die nebenstehende Figur.

{{:gf_informatik:a1_6.png?nolink&300|}}

=== Aufgabe B3 ===

Zeichne die folgende Schmetterling-Figur:

{{: gf_informatik:butterfly.png?nolink&250|}}

=== Aufgabe B4 ===

Zeichne die folgenden Figuren;

{{:gf_informatik:s1a123.png?nolink&600|}}

=== Aufgabe B5 ===

Gelingt es dir die nebenstehende Figur in einem Zug zu zeichnen, ohne dass dabei eine Strecke zweimal durchlaufen wird?

{{: gf_informatik:s1a5.png?nolink&200|}}


===== - Farben (**Optional) =====

Wir haben gelernt, wie man mit einem Turtle Figuren zeichnen kann. Nun wollen wir noch etwas Farbe ins Spiel bringen!

==== Flächen füllen ====

Just for fun:
  * Kopiere den folgenden Code nach TigerPython (oder folge [[https://webtigerpython.ethz.ch/?code=NobwRAdghgtgpmAXGGUCWEB0AHAnmAGjABMoAXKJMAYgAIAVAVwCcyAbOWgdzWeNrQxsAe1Zo4rWowj84GThDiNOTVh1ow0ZADoQ6xODFoA5WHAi0A5ADNmWgF6XuvWcwDOZOGzZlMu28JGZCzsnIIikgBU_nZk9rQAvAwhHAAUAJS6unQAYrHxPHy00ADGABa0wgBG5lIytGwYANZutJ4cEWTirH4Qtg6YjNgZMQNucGQibqkAtACsAAwEtIuZffmYxMJcECMQ2bSYR7oAyiXMcOYZmFUA5iXCbKKp2mAXxK9r_XGYD0_MLzAXDKWjgnyy6wGNVuGAA-tY0N49hdsHByLQACyIXS0XG0FFosi0ADM2IseIp33smGsoi4UD4qQAjAsFmsKZSNnZbmUyKkAJxsnF4qmYDjWPlMgAcQshP3MxHhiLYGTAAF8ALpAA|diesem Link]])!
  * Überlege dir bei jedem Codeblock, was dieser tut, und dokumentiere in einem Kommentar!
  * Vergleicht eure Voraussagen zu zweit.
  * Führe den Code aus!
    * Trifft deine Voraussage zu?
  * Ändere den Code ab, um das Bild zu verändern!

<code python>
# Turtle wird importiert und eine neue Turtle mit
# dem Namen 'fritz' wird erstellt.
from turtle import *
fritz = Turtle()

# Fritz wird nach oben und links teleportiert.
fritz.up()
fritz.setpos(-50, 50)
fritz.down()

# ...
Screen().bgcolor("red")
fritz.color("white")

fritz.begin_fill()
repeat 4:
    repeat 3:
        fritz.forward(100)
        fritz.right(90)
    fritz.left(180)
fritz.end_fill()
</code>

Studiere den Code Zeile für Zeile. Stelle sicher, dass du folgende Befehle genau verstehst. 

^ Befehl ^ Erklärung^
| `Screen().bgcolor('red')` | Legt die **Hintergrundfarbe des Bildschirms (_Screen_)** fest.|
| `color('white')` | Legt die **Farbe des Stiftes und der Füllung** fest.|
| `pencolor('red')` | Legt die **Farbe des Stiftes** fest.|
| `fillcolor('blue')` | Legt die **Farbe der Füllung** fest.|
| `begin_fill()` / `end_fill()` | Füllt den ganzen zwischen `begin` und `end` gezeichneten Körper mit der Füllfarbe.|
| `width(10)` | Legt die **Breite des Stiftes** fest (**nur WebTigerJython**).|

==== Aufgaben C ====

Verwende `pencolor` / `fillcolor`, `Screen().bgcolor`, `width` sowie `begin_fill` und `end_fill` um die folgenden Figuren zu zeichnen:

=== Aufgabe C1 ===

Spieglein, Spieglein...

{{:gf_informatik:programmieren_i:pasted:20240906-095752.png?nolink&163}}

<nodisp 1>
++++Lösung|
<code python c1.py>
from turtle import*
 
t = Turtle()
t.hideturtle()

# Farbe und Stiftbreite
t.color("purple")
t.width(5)

# Gefüllter Kreis
t.begin_fill()
t.circle(50)
t.end_fill()

# Griff
t.right(90)
t.forward(75)
t.backward(40)
t.left(90)
t.forward(40)
t.backward(80)
</code>
++++
</nodisp>
=== Aufgabe C2 ===

A star is born - don't forget to `repeat`:

{{:gf_informatik:programmieren_i:pasted:20240906-095842.png?nolink&175}}

<nodisp 1>
++++Lösung|
<code python c2.py>
from turtle import*
 
t = Turtle()
t.hideturtle()  # Versteckt die Turtle und macht das Zeichnen schnell.

# Hintergrund-, Füll- und Stiftfarbe
Screen().bgcolor("lightblue")
t.fillcolor("yellow")
t.pencolor("darkred")
t.width(4)

# Sechs Ecken
t.begin_fill()
repeat 6:
    t.forward(40)
    t.right(120)
    t.forward(40)
    t.left(60)
t.end_fill()
</code>
++++
</nodisp>

=== Aufgabe C3 ===
Here comes the sun!

{{:gf_informatik:pasted:20230905-084624.png?nolink&200}}

<nodisp 1>
++++Lösung|
<code python c3.py>
from turtle import*
 
t = Turtle()
t.hideturtle()

Screen().bgcolor("yellow")
t.color("red")

# Statt ganz vieler Zacken: Linien durchziehen...
t.begin_fill()
repeat 36:
    t.forward(100)
    t.right(130)  # 36*130 ist ein Vielfaches von 360 Grad.
t.end_fill()
</code>
++++
</nodisp>


===== - Lösungen =====

<nodisp 1>
++++Lösungen|
==== Aufgaben A ====

<code python aufgabe_A2.py>
from turtle import *
 
fritz = Turtle()

fritz.forward(100)
fritz.left(90)
fritz.forward(100)
fritz.left(90)
fritz.forward(100)
fritz.left(90)
fritz.forward(100)
fritz.left(90)
</code>


<code python aufgabe_A3.py>
from turtle import *
 
fritz = Turtle()

# Buchstabe: K
fritz.up()
fritz.setpos(-200,-100)
fritz.down()
fritz.forward(200)
fritz.up()
fritz.setpos(-200,0)
fritz.down()
fritz.right(45)
fritz.forward(141)
fritz.up()
fritz.setpos(-200,0)
fritz.down()
fritz.right(90)
fritz.forward(141)

# Buchstabe: S
fritz.up()
fritz.setpos(-50,-100)
fritz.down()
fritz.left(45)
fritz.forward(100)
fritz.left(90)
fritz.forward(100)
fritz.left(90)
fritz.forward(100)
fritz.right(90)
fritz.forward(100)
fritz.right(90)
fritz.forward(100)

# Buchstabe: R
fritz.up()
fritz.setpos(100,-100)
fritz.down()
fritz.left(90)
fritz.forward(200)
fritz.right(90)
fritz.forward(100)
fritz.right(90)
fritz.forward(100)
fritz.right(90)
fritz.forward(100)
fritz.left(135)
fritz.forward(141)
</code>


<code python aufgabe_A4.py>
from turtle import *

fritz = Turtle()

repeat 4:
    fritz.forward(100)
    fritz.left(90)
</code>

==== Aufgaben B ====

<code python aufgabe_B1.py>
from turtle import*

matteo = Turtle()

repeat 2:
    matteo.dot(20)
    matteo.right(45)
    matteo.forward(150)
    matteo.dot(20)
    matteo.right(90)
    matteo.forward(150)
    matteo.left(90+45)
    matteo.dot(20)
</code>


<code python aufgabe_B2.py>
from turtle import *

matteo = Turtle()

fritz.up()
matteo.setX(-300)
fritz.down()

matteo.circle(-300, 180)
matteo.circle(-150, 180)
matteo.circle(-150, 180)
</code>


<code python aufgabe_B3.py>
from turtle import *

matteo = Turtle()

matteo.circle(-100, 360)
matteo.circle(-200, 360)
matteo.circle(-400, 70)
matteo.home()
matteo.circle(100, 360)
matteo.circle(200, 360)
matteo.circle(400, 70)
</code>

<code python aufgabe_B4.py>
from turtle import *

anna = Turtle()
anna.hideturtle()

# 1
fritz.up()
anna.setpos(-350,-100)
fritz.down()

repeat 3:
    anna.forward(200)
    anna.right(120)

# 2
fritz.up()
anna.setpos(-100,-50)
fritz.down()

repeat 6:
    anna.forward(100)
    anna.right(60)

# 3
fritz.up()
anna.setpos(150,-50)
fritz.down()

repeat 2:
    anna.forward(100)
    anna.right(90)
repeat 3:
    anna.forward(100)
    anna.left(90)
</code>

<code python aufgabe_B5.py>
from turtle import *
 
josef = Turtle()
#josef.hideturtle()
fritz.up()
josef.setpos(350,-100)
fritz.down()


m = 200
l = m*sqrt(2)
s = m/sqrt(2)

josef.left(45)
josef.forward(l)
repeat 2:
    josef.right(90)
    josef.forward(s)
josef.right(90)
josef.forward(l)
josef.right(135)
josef.forward(m)
repeat 3:
    josef.right(90)
    josef.forward(m)
</code>
++++
</nodisp>