斯坦福JSKarel编程机器人使用介绍
为了避免被编程语言固有的复杂性所困扰,有一个被称为卡雷尔(Karel)机器人的微型世界(microworld)的简化环境,可以让编程初学者从中学习理解编程的基本概念,而不必掌握大量无关的细节,让编程初学者更容易理解编程的要点和思维方式。
斯坦福Karel是一门面向初学者的教学编程语言。先看一个在 Karel世界里的走迷宫效果:
一、Karel简介
Karel 是一个非常简单的编程机器人,最早由是斯坦福大学的研究生理查德·帕蒂(Richard Pattis)研制推出,帕蒂以捷克剧作家卡雷尔·恰佩克(KarelČapek)的名字命名他的机器人为 Karel。可以通过一组指令指挥 Karel 在它的世界里执行某些任务。Karel 的编程语言的规则与其他更复杂的语言类似。不同之处在于 Karel 的编程语言非常小,复杂度较低,你可以通过它学习编程解决问题的本质。
JSKarel的安装要点
本文介绍的时Windows PC上如何下载和运行JSKarel。JSKarel依赖Java,因此需要在计算机上安装JDK。
若想省事可以到 https://download.csdn.net/download/cnds123/88440832 下载使用。
或
进入cs106j网站http://cs106j.stanford.edu 点击Software(软件)链接。
您将看到JDK的两个链接(针对32位版本或64位版本)。您应该单击适合您的Windows版本的版本。
因为我的PC安装的是64位的Windows10操作系统,因此选用64-bit版本JDK,执行典型安装,并按照给出的其余说明完成安装。
再下载JSKarel for Windows。这个不需要安装双击打开。
JSKarel解释器窗口
双击JSKarel(JSKarel.jar)就启动了JSKarel解释器(interpreter)窗口分为四个部分,参见下图:
标题栏下,是菜单栏。
左上角,你可以看到卡雷尔的“世界查看器”区域,它可以让你看到Karel(卡雷尔)运行情况。进入编辑世界(Edit World)”状态时,你也可以在此区域用来创建一个Karel世界或编辑已存在的Karel世界。保存的文件扩展名为.w。
左下侧 是Console window(控制台窗口),允许您输入函数调用并观察它们如何影响Karel(卡雷尔)的世界。这是一个交互式窗口,在>提示符后,输入指令回车JSKarel解释器立即执行。
右侧是“程序编辑器”窗口,在这里您可以输入新程序并编辑现有程序。保存的程序文件扩展名为.k。世界文件的名称(以.w为扩展名)与程序文件(以.k为扩展名)的名称相匹配。【如果文件不显示文件扩展名(后缀),请在操作系统中进行设置(具体方法可上网检索“怎么显示文件扩展名”)】
底部包含控制条,其中包含一组图标——可称为控制按钮,允许您控制解释器的操作。
菜单栏中的一些命令项和控制条上的一些控制按钮功能重复。
二、JSKarel的使用
Karel 的世界
Karel 的世界由从西向东的大街(street)和从南向北的大道(avenue )所定义。大街和大道的交叉点叫作街角(corner )。Karel 只能被放置在一个街角,必须面对四个标准的罗盘方向之一(北、东、南、西)。在下面的示例世界中,Karel 在第1 大街和第1 大道的街角处,并且面向东方。
例子中可以看到Karel 的世界的其他几个组成部分。Karel 前面那个灰色的 菱形物体是一个蜂鸣器(beeper )。当Karel 和蜂鸣器在同一个街角时,才能听到这些声音。例如,图中此时,Karel 并未意识到蜂鸣器的存在,只有当Karel 移动到下一个街角时才会发现它。图中的实线是墙壁(wall )。Karel 的世界总是由边缘的墙壁包裹着,并且也可能包含内墙。
创建和编辑世界
你需要知道的另一件事——特别是如果你计划参加卡雷尔竞赛的话——是如何创建新的世界和编辑现有的世界。
使用“编辑世界”(Edit World)按钮会弹出编辑调色板(palette),其中包含一堆图标,允许您编辑当前世界。
•调色板右侧的大方块包含一对数字,允许您指定世界的大小。如果你点击这个图标,你可以输入一个新的尺寸,它由两个用x隔开的整数组成。第一个整数是道(列数)的数量;第二个整数是街(行数)的数目。改变世界的大小会删除所有方块和内墙,所以你需要在编辑之前设置世界的大小。最大的世界大小为50x50。
•按钮允许您创建和删除墙壁。要创建墙壁,请选择绘制墙壁工具。如果你去地图上,点击街角之间的空间,墙壁将在这些空间创建。如果你以后需要拆除这些墙,你可以点击擦除墙工具,然后回到地图,以消除不需要的墙。
•五个蜂鸣器形状的工具允许您更改正方形上的蜂鸣器数量。空的蜂鸣器工具会在您选择的任何街角放置一个蜂鸣器。标有+和–符号的工具会添加一个蜂鸣器或从街角中删除一个。标有0和∞的工具将拐角处的蜂鸣器计数分别设置为0或无穷大。如果您选择其中一个工具,然后单击工具区域中的蜂鸣器袋图标,您可以调整Karel袋子中的蜂鸣器数量。
•四个卡Karel(卡雷尔)形状的工具允许您改变卡雷尔面对的方向。如果您需要将Karel移动到新的起始位置,请单击世界视图中的Karel并将其拖动到某个新位置。如果你需要把蜂鸣器放在Karel所在的街角,你必须先把Karel移到另一个街角,调整蜂鸣器的数量,然后把Karel移回来。
•各种颜色的方块可以让你画出卡雷尔世界的各个街角。
•当你完成后,你可以选择Save World工具将新世界保存到文件中。用 “不要保存世界”工具将更新后的世界返回给卡雷尔解释器,但不会将其保存在文件中。保存的文件名扩展名为.w。
上面介绍了控制条上“编辑世界”(Edit World)按钮的功能,下面介绍其他按钮的功能。
Reset按钮,完成Karel Console(Karel控制台)的重置。
控制条左侧的按钮是Load按钮,它会弹出一个对话框,允许您选择要编辑的程序。装载.k扩展名的程序文件,也会自动加载.w扩展名的世界文件。世界文件的名称(以.w为扩展名)与程序文件(以.k为扩展名)的名称相匹配。
控制条右端的Compile按钮触发编译过程。编译过程发现存在问题时,将突出显示这一行,并弹出错误对话框,例如:
这种类型的错误被称为语法错误,因为您所做的事情违反了语法规则。语法错误通常很容易发现,因为JSKarel解释器会帮您找到它们。
保存程序,可用Save按钮。
在尝试运行程序之前,保存文件以便将更改记录在文件系统中。
运行程序
有两种方法可以在程序编译成功后运行它。
第一种方法是使用控制台窗口输入主函数的名称,后面跟着指示函数调用的空括号。
第二种方法通过单击Run按钮获得相同的结果。
在运行时,可能发生错误,称为逻辑错误。例如:
与语法错误不同,编译器对逻辑错误提供的帮助相对较少。你写的程序是完全合法的——遵循了语言的语法规则,只是没有做正确的事情——不能正确解决问题。
调试(Debugging)
由于程序员的某些逻辑错误而不能给出正确结果的程序被称为有bug。消除这些错误的过程称为调试。调试是一种只有通过实践才能掌握的技能。在试图找到程序错误时,了解程序正在做什么比了解程序没有做什么重要得多。
通过观察程序的运行,就可以获得关于程序正在做什么的大量信息。“速度”按钮包括一个类似速度表的指针,您可以在按钮中拖动它来更改速度。如果你把拨盘向左转,卡瑞尔就会跑得更慢。如果你把它向右转,它会跑得更快。放慢卡雷尔的速度可能会有所帮助,这样你就可以更仔细地观察程序的运行情况。
一个更有用的调试策略是让Karel解释器一步一步地运行程序,这样你就可以看到它在做什么。单击编辑器窗口左侧的灰色区域,可以在某一特定行停止程序。如果该行对应于程序语句,Karel编辑器将在该行上放置一个断点(您可以通过再次单击来清除现有断点),这将迫使解释器在程序中遇到该行时停止。这时,您可以使用两种工具中的任何一种来逐步完成您的程序。
Step按钮使卡雷尔解释器前进一步,如果当前行是Karel的原始命令(primitive commands)之一,那么Karel只是执行它并等待下一个命令。如果当前行是您定义的函数,Karel会启动调用该函数的过程,然后在执行第一行之前再次停止。
Step Over按钮使卡雷尔解释器执行突出显示的行,如果当前行是Karel的原始命令(primitive commands)之一,则此按钮的行为与Step按钮完全相同。如果当前行是您定义的函数,那么Karel会在停止之前执行整个函数调用。其特性(feature)允许您一次执行整个函数。
console window(控制台窗口)的使用
Console window(控制台窗口),允许您输入函数调用并观察它们如何影响Karel(卡雷尔)的世界。这是一个交互式窗口,在>提示符后,输入指令回车JSKarel解释器立即执行。
在此窗口中可以运行Karel 的内置函数(每个内置函数也称为一条指令)和用户自定义函数。
JSKarel程序设计
注释(comment)
注释是一些向读者解释程序操作的文本。在 Karel 中,注释以字符 /* 开头,并以字符 */ 结尾。如:
/* Comment text */
目前版注释文字不支持中文。
Karel 的内置函数
Karel 运行程序时执行的操作称为函数(function)。Karel 的内置函数有4个:
Karel 的活动有特定的限制。如果 Karel 试图做一些非法的事情,如穿过墙壁或拾起一个不存在的蜂鸣器,则会出现错误状态(error condition)。每当出现错误时,Karel 都会显示一条消息,说明哪里出错了,并停止执行程序。
使用库函数
对于最常见的操作,以一种方便其他程序重用的方式存储它们是有意义的。在计算机科学中,有用的函数和其他程序组件的集合称为程序库或库(library)。例如,turnRight函数——向右转和同样有用的 turnAround函数——旋转 180 度,都包含在一个名为 turns 的特殊 Karel 程序库,你可以在程序开始处简单地引入一行代码:
"use turns";
学习 Karel 编程就是要弄清楚如何使用 Karel 有限的操作集来解决特定问题。
解决一个编程问题,通常第一个任务就是弄清楚如何把整个问题分解成更小的部分。更小的部分称为子问题(subproblem),每个子问题都可以作为一个单独的函数来实现。这个过程叫作分解策略(decomposition)。分解策略是程序员用来管理复杂性的最强大的策略之一。
Karel 编程语言具有定义新函数的能力。当你有一个用于执行某些有用的任务(比如向右转)的操作序列时,可以给这个序列起个名称。用一个新名称封装指令序列的操作称为定义函数(defining a function),也称为用户自定义函数。定义函数的格式如下:
function name() {
函数体
}
函数定义以function开始,name是函数名称,可由你命名,{ }内是函数体,每行是一个Karel 的内置函数或库函数或另外的定义函数,行尾是分号(;)。用户一旦定义了函数,就可以像使用内置函数一样使用了。
Karel 编程语言的控制语句(control statement)
有以下两类:
1. 条件语句(conditional statement)。条件语句指定程序中的某些语句仅在特定条件成立时才执行。在 Karel 中,使用 if 语句指定条件执行。
if (条件测试) {
当条件为真时执行的一些一句
}
或者
if (条件测试) {
当条件为真时执行的一些一句
} else {
当条件为假时执行的一些一句
}
可以被 Karel 测试的条件如下:
2. 循环语句或迭代语句(iterative statement)。循环语句指定程序中的某些语句应该重复执行,形成程序员所谓的循环(loop)。Karel 支持两种循环语句,一种是 repeat语句,它允许你按固定次数重复执行一组指令;另一种是 while 语句,它允许你只要某些条件保持不变,可以重复执行一组指令。
repeat 语句如下所示:
repeat ( 重复的次数 ) {
需要重复执行的语句
}
while 语句的通用形式如下所示:
while ( 条件测试 ) {
需要重复执行的语句
}
下面给出一个repeat 语句示例:
先设计一个Karel走台阶的世界,用单击“编辑世界”(Edit World)按钮,在世界查看器区域设计,参见上图。
然后,在“程序编辑器”编写程序代码:
/* Karel takes the steps */import "turns";
function Move01(){move();repeat(3){Move02(); /* Calling custom functions */}
}/* custom functions */
function Move02(){turnLeft();move();turnRight();move();
}
现在,你可以运行试试。
至此,JSKarel语言的语法讲完了。现在你可以用来解决卡雷尔(Karel)机器人的微型世界(microworld)的问题了。当你面临一个复杂的编程问题时,找出如何将问题分解为多个部分通常是你最重要的任务之一。最有成效的策略之一被称为逐步求精法(stepwise refinement),它从问题的整体角度出发来解决问题。把整个问题分解成几个部分,然后解决每个部分,如果有必要的话,部分仍可以再进一步分解。
在解决问题过程中,不可避免的会遇到程序缺陷,也被称为程序有bug,消除这些错误的过程称为调试(Debugging)。可参见前面的介绍。
在计算机科学中,算法是一种解决方案策略。算法是该领域最重要的研究课题之一。解决特定问题通常需要相当大的创造力,设计解决方案策略的过程传统上称为算法设计(algorithmic design)。
现在,以开头演示的 Karel世界里的走迷宫效果为例介绍,其迷宫世界如下所示:
Karel 的工作是在迷宫的走廊里穿行,直到找到标示出口的蜂鸣器。然而,该程序必须足够通用,以解决任何无环路迷宫情况。
对于没有环路的任何迷宫(实际上迷宫只需要满足在 Karel 初始位置上没有环路环绕),你可以使用一个简单的策略,叫作右手法则(right-hand rule)。你可以把右手放在墙壁上,然后穿过迷宫,始终保持你的手不从墙壁上拿开。另一种表达这种策略的方法是一步一步地走迷宫,总是选择最右边的路径。在 Karel 中,右手法则的程序可以很容易地用一个函数实现:
function SolveMaze() {while (noBeepersPresent()) {turnRight();while (frontIsBlocked()) {turnLeft();}move();}
}
在外层 while 循环的开始,Karel 向右转以检查该路径是否可用。然后内层 while循环向左转,直到前面没有阻挡。当这种情况发生时,Karel 就继续前进,整个过程一直持续到 Karel 到达标示迷宫终点的蜂鸣器处。
OK!