斯坦福JSKarel編程機(jī)器人使用介紹

為了避免被編程語言固有的復(fù)雜性所困擾，有一個(gè)被稱為卡雷爾（Karel）機(jī)器人的微型世界（microworld）的簡化環(huán)境，可以讓編程初學(xué)者從中學(xué)習(xí)理解編程的基本概念，而不必掌握大量無關(guān)的細(xì)節(jié)，讓編程初學(xué)者更容易理解編程的要點(diǎn)和思維方式。

斯坦福Karel是一門面向初學(xué)者的教學(xué)編程語言。先看一個(gè)在 Karel世界里的走迷宮效果：

一、Karel簡介

Karel 是一個(gè)非常簡單的編程機(jī)器人，最早由是斯坦福大學(xué)的研究生理查德·帕蒂（Richard Pattis）研制推出，帕蒂以捷克劇作家卡雷爾·恰佩克（Karel?apek）的名字命名他的機(jī)器人為 Karel?？梢酝ㄟ^一組指令指揮 Karel 在它的世界里執(zhí)行某些任務(wù)。Karel 的編程語言的規(guī)則與其他更復(fù)雜的語言類似。不同之處在于 Karel 的編程語言非常小，復(fù)雜度較低，你可以通過它學(xué)習(xí)編程解決問題的本質(zhì)。

JSKarel的安裝要點(diǎn)

本文介紹的時(shí)Windows PC上如何下載和運(yùn)行JSKarel。JSKarel依賴Java，因此需要在計(jì)算機(jī)上安裝JDK。

若想省事可以到 https://download.csdn.net/download/cnds123/88440832 下載使用。

或

進(jìn)入cs106j網(wǎng)站http://cs106j.stanford.edu 點(diǎn)擊Software（軟件）鏈接。

您將看到JDK的兩個(gè)鏈接(針對32位版本或64位版本)。您應(yīng)該單擊適合您的Windows版本的版本。

因?yàn)槲业腜C安裝的是64位的Windows10操作系統(tǒng)，因此選用64-bit版本JDK，執(zhí)行典型安裝，并按照給出的其余說明完成安裝。

再下載JSKarel for Windows。這個(gè)不需要安裝雙擊打開。

JSKarel解釋器窗口

雙擊JSKarel（JSKarel.jar）就啟動(dòng)了JSKarel解釋器（interpreter）窗口分為四個(gè)部分，參見下圖：

標(biāo)題欄下，是菜單欄。

左上角，你可以看到卡雷爾的“世界查看器”區(qū)域，它可以讓你看到Karel（卡雷爾）運(yùn)行情況。進(jìn)入編輯世界（Edit World）”狀態(tài)時(shí)，你也可以在此區(qū)域用來創(chuàng)建一個(gè)Karel世界或編輯已存在的Karel世界。保存的文件擴(kuò)展名為.w。

左下側(cè) 是Console window（控制臺(tái)窗口），允許您輸入函數(shù)調(diào)用并觀察它們?nèi)绾斡绊慘arel（卡雷爾）的世界。這是一個(gè)交互式窗口，在>提示符后，輸入指令回車JSKarel解釋器立即執(zhí)行。

右側(cè)是“程序編輯器”窗口，在這里您可以輸入新程序并編輯現(xiàn)有程序。保存的程序文件擴(kuò)展名為.k。世界文件的名稱（以.w為擴(kuò)展名）與程序文件（以.k為擴(kuò)展名）的名稱相匹配?！救绻募伙@示文件擴(kuò)展名（后綴），請?jiān)诓僮飨到y(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置（具體方法可上網(wǎng)檢索“怎么顯示文件擴(kuò)展名”）】

底部包含控制條，其中包含一組圖標(biāo)——可稱為控制按鈕，允許您控制解釋器的操作。

菜單欄中的一些命令項(xiàng)和控制條上的一些控制按鈕功能重復(fù)。

二、JSKarel的使用

Karel 的世界

Karel? 的世界由從西向東的大街（street）和從南向北的大道（avenue ）所定義。大街和大道的交叉點(diǎn)叫作街角（corner ）。Karel 只能被放置在一個(gè)街角，必須面對四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的羅盤方向之一（北、東、南、西）。在下面的示例世界中，Karel 在第1 大街和第1 大道的街角處，并且面向東方。

例子中可以看到Karel? 的世界的其他幾個(gè)組成部分。Karel 前面那個(gè)灰色的 菱形物體是一個(gè)蜂鳴器（beeper ）。當(dāng)Karel 和蜂鳴器在同一個(gè)街角時(shí)，才能聽到這些聲音。例如，圖中此時(shí)，Karel 并未意識到蜂鳴器的存在，只有當(dāng)Karel 移動(dòng)到下一個(gè)街角時(shí)才會(huì)發(fā)現(xiàn)它。圖中的實(shí)線是墻壁（wall ）。Karel? 的世界總是由邊緣的墻壁包裹著，并且也可能包含內(nèi)墻。

創(chuàng)建和編輯世界

你需要知道的另一件事——特別是如果你計(jì)劃參加卡雷爾競賽的話——是如何創(chuàng)建新的世界和編輯現(xiàn)有的世界。

使用“編輯世界”（Edit World）按鈕會(huì)彈出編輯調(diào)色板（palette），其中包含一堆圖標(biāo)，允許您編輯當(dāng)前世界。

?調(diào)色板右側(cè)的大方塊包含一對數(shù)字，允許您指定世界的大小。如果你點(diǎn)擊這個(gè)圖標(biāo)，你可以輸入一個(gè)新的尺寸，它由兩個(gè)用x隔開的整數(shù)組成。第一個(gè)整數(shù)是道（列數(shù)）的數(shù)量;第二個(gè)整數(shù)是街（行數(shù)）的數(shù)目。改變世界的大小會(huì)刪除所有方塊和內(nèi)墻，所以你需要在編輯之前設(shè)置世界的大小。最大的世界大小為50x50。

?按鈕允許您創(chuàng)建和刪除墻壁。要?jiǎng)?chuàng)建墻壁，請選擇繪制墻壁工具。如果你去地圖上，點(diǎn)擊街角之間的空間，墻壁將在這些空間創(chuàng)建。如果你以后需要拆除這些墻，你可以點(diǎn)擊擦除墻工具，然后回到地圖，以消除不需要的墻。

?五個(gè)蜂鳴器形狀的工具允許您更改正方形上的蜂鳴器數(shù)量?？盏姆澍Q器工具會(huì)在您選擇的任何街角放置一個(gè)蜂鳴器。標(biāo)有+和–符號的工具會(huì)添加一個(gè)蜂鳴器或從街角中刪除一個(gè)。標(biāo)有0和∞的工具將拐角處的蜂鳴器計(jì)數(shù)分別設(shè)置為0或無窮大。如果您選擇其中一個(gè)工具，然后單擊工具區(qū)域中的蜂鳴器袋圖標(biāo)，您可以調(diào)整Karel袋子中的蜂鳴器數(shù)量。

?四個(gè)卡Karel（卡雷爾）形狀的工具允許您改變卡雷爾面對的方向。如果您需要將Karel移動(dòng)到新的起始位置，請單擊世界視圖中的Karel并將其拖動(dòng)到某個(gè)新位置。如果你需要把蜂鳴器放在Karel所在的街角，你必須先把Karel移到另一個(gè)街角，調(diào)整蜂鳴器的數(shù)量，然后把Karel移回來。

?各種顏色的方塊可以讓你畫出卡雷爾世界的各個(gè)街角。

?當(dāng)你完成后，你可以選擇Save World工具將新世界保存到文件中。用 “不要保存世界”工具將更新后的世界返回給卡雷爾解釋器，但不會(huì)將其保存在文件中。保存的文件名擴(kuò)展名為.w。

上面介紹了控制條上“編輯世界”（Edit World）按鈕的功能，下面介紹其他按鈕的功能。

Reset按鈕，完成Karel Console（Karel控制臺(tái)）的重置。

控制條左側(cè)的按鈕是Load按鈕，它會(huì)彈出一個(gè)對話框，允許您選擇要編輯的程序。裝載.k擴(kuò)展名的程序文件，也會(huì)自動(dòng)加載.w擴(kuò)展名的世界文件。世界文件的名稱（以.w為擴(kuò)展名）與程序文件（以.k為擴(kuò)展名）的名稱相匹配。

控制條右端的Compile按鈕觸發(fā)編譯過程。編譯過程發(fā)現(xiàn)存在問題時(shí)，將突出顯示這一行，并彈出錯(cuò)誤對話框，例如：

這種類型的錯(cuò)誤被稱為語法錯(cuò)誤，因?yàn)槟龅氖虑檫`反了語法規(guī)則。語法錯(cuò)誤通常很容易發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镴SKarel解釋器會(huì)幫您找到它們。

保存程序，可用Save按鈕。

在嘗試運(yùn)行程序之前，保存文件以便將更改記錄在文件系統(tǒng)中。

運(yùn)行程序

有兩種方法可以在程序編譯成功后運(yùn)行它。

第一種方法是使用控制臺(tái)窗口輸入主函數(shù)的名稱，后面跟著指示函數(shù)調(diào)用的空括號。

第二種方法通過單擊Run按鈕獲得相同的結(jié)果。

在運(yùn)行時(shí)，可能發(fā)生錯(cuò)誤，稱為邏輯錯(cuò)誤。例如：

與語法錯(cuò)誤不同，編譯器對邏輯錯(cuò)誤提供的幫助相對較少。你寫的程序是完全合法的——遵循了語言的語法規(guī)則，只是沒有做正確的事情——不能正確解決問題。

調(diào)試（Debugging）

由于程序員的某些邏輯錯(cuò)誤而不能給出正確結(jié)果的程序被稱為有bug。消除這些錯(cuò)誤的過程稱為調(diào)試。調(diào)試是一種只有通過實(shí)踐才能掌握的技能。在試圖找到程序錯(cuò)誤時(shí)，了解程序正在做什么比了解程序沒有做什么重要得多。

通過觀察程序的運(yùn)行，就可以獲得關(guān)于程序正在做什么的大量信息?！八俣取卑粹o包括一個(gè)類似速度表的指針，您可以在按鈕中拖動(dòng)它來更改速度。如果你把撥盤向左轉(zhuǎn)，卡瑞爾就會(huì)跑得更慢。如果你把它向右轉(zhuǎn)，它會(huì)跑得更快。放慢卡雷爾的速度可能會(huì)有所幫助，這樣你就可以更仔細(xì)地觀察程序的運(yùn)行情況。

一個(gè)更有用的調(diào)試策略是讓Karel解釋器一步一步地運(yùn)行程序，這樣你就可以看到它在做什么。單擊編輯器窗口左側(cè)的灰色區(qū)域，可以在某一特定行停止程序。如果該行對應(yīng)于程序語句，Karel編輯器將在該行上放置一個(gè)斷點(diǎn)（您可以通過再次單擊來清除現(xiàn)有斷點(diǎn)），這將迫使解釋器在程序中遇到該行時(shí)停止。這時(shí)，您可以使用兩種工具中的任何一種來逐步完成您的程序。

Step按鈕使卡雷爾解釋器前進(jìn)一步，如果當(dāng)前行是Karel的原始命令（primitive commands）之一，那么Karel只是執(zhí)行它并等待下一個(gè)命令。如果當(dāng)前行是您定義的函數(shù)，Karel會(huì)啟動(dòng)調(diào)用該函數(shù)的過程，然后在執(zhí)行第一行之前再次停止。

Step Over按鈕使卡雷爾解釋器執(zhí)行突出顯示的行，如果當(dāng)前行是Karel的原始命令（primitive commands）之一，則此按鈕的行為與Step按鈕完全相同。如果當(dāng)前行是您定義的函數(shù)，那么Karel會(huì)在停止之前執(zhí)行整個(gè)函數(shù)調(diào)用。其特性（feature）允許您一次執(zhí)行整個(gè)函數(shù)。

console window（控制臺(tái)窗口）的使用

Console window（控制臺(tái)窗口），允許您輸入函數(shù)調(diào)用并觀察它們?nèi)绾斡绊慘arel（卡雷爾）的世界。這是一個(gè)交互式窗口，在>提示符后，輸入指令回車JSKarel解釋器立即執(zhí)行。

在此窗口中可以運(yùn)行Karel 的內(nèi)置函數(shù)（每個(gè)內(nèi)置函數(shù)也稱為一條指令）和用戶自定義函數(shù)。

JSKarel程序設(shè)計(jì)

注釋（comment）

注釋是一些向讀者解釋程序操作的文本。在 Karel 中，注釋以字符 /* 開頭，并以字符 */ 結(jié)尾。如：

/* Comment text */

目前版注釋文字不支持中文。

Karel 的內(nèi)置函數(shù)

Karel 運(yùn)行程序時(shí)執(zhí)行的操作稱為函數(shù)（function）。Karel 的內(nèi)置函數(shù)有4個(gè)：

Karel 的活動(dòng)有特定的限制。如果 Karel 試圖做一些非法的事情，如穿過墻壁或拾起一個(gè)不存在的蜂鳴器，則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤狀態(tài)（error condition）。每當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，Karel 都會(huì)顯示一條消息，說明哪里出錯(cuò)了，并停止執(zhí)行程序。

使用庫函數(shù)

對于最常見的操作，以一種方便其他程序重用的方式存儲(chǔ)它們是有意義的。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，有用的函數(shù)和其他程序組件的集合稱為程序庫或庫（library）。例如，turnRight函數(shù)——向右轉(zhuǎn)和同樣有用的 turnAround函數(shù)——旋轉(zhuǎn) 180 度，都包含在一個(gè)名為 turns 的特殊 Karel 程序庫，你可以在程序開始處簡單地引入一行代碼：

"use turns";

學(xué)習(xí) Karel 編程就是要弄清楚如何使用 Karel 有限的操作集來解決特定問題。

解決一個(gè)編程問題，通常第一個(gè)任務(wù)就是弄清楚如何把整個(gè)問題分解成更小的部分。更小的部分稱為子問題（subproblem），每個(gè)子問題都可以作為一個(gè)單獨(dú)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程叫作分解策略（decomposition）。分解策略是程序員用來管理復(fù)雜性的最強(qiáng)大的策略之一。

Karel 編程語言具有定義新函數(shù)的能力。當(dāng)你有一個(gè)用于執(zhí)行某些有用的任務(wù)（比如向右轉(zhuǎn)）的操作序列時(shí)，可以給這個(gè)序列起個(gè)名稱。用一個(gè)新名稱封裝指令序列的操作稱為定義函數(shù)（defining a function），也稱為用戶自定義函數(shù)。定義函數(shù)的格式如下：

function name() {

?? 函數(shù)體

}

函數(shù)定義以function開始，name是函數(shù)名稱，可由你命名，{ }內(nèi)是函數(shù)體，每行是一個(gè)Karel 的內(nèi)置函數(shù)或庫函數(shù)或另外的定義函數(shù)，行尾是分號(;)。用戶一旦定義了函數(shù)，就可以像使用內(nèi)置函數(shù)一樣使用了。

Karel 編程語言的控制語句（control statement）

有以下兩類：

1. 條件語句（conditional statement）。條件語句指定程序中的某些語句僅在特定條件成立時(shí)才執(zhí)行。在 Karel 中，使用 if 語句指定條件執(zhí)行。

if (條件測試) {

? 當(dāng)條件為真時(shí)執(zhí)行的一些一句

}

或者

if (條件測試) {

? 當(dāng)條件為真時(shí)執(zhí)行的一些一句

} else {

? 當(dāng)條件為假時(shí)執(zhí)行的一些一句

}

可以被 Karel 測試的條件如下：

2. 循環(huán)語句或迭代語句（iterative statement）。循環(huán)語句指定程序中的某些語句應(yīng)該重復(fù)執(zhí)行，形成程序員所謂的循環(huán)（loop）。Karel 支持兩種循環(huán)語句，一種是 repeat語句，它允許你按固定次數(shù)重復(fù)執(zhí)行一組指令；另一種是 while 語句，它允許你只要某些條件保持不變，可以重復(fù)執(zhí)行一組指令。

repeat 語句如下所示：

repeat ( 重復(fù)的次數(shù) ) {

　　需要重復(fù)執(zhí)行的語句

}

while 語句的通用形式如下所示：

while ( 條件測試 ) {

　　需要重復(fù)執(zhí)行的語句

}

下面給出一個(gè)repeat 語句示例：?

先設(shè)計(jì)一個(gè)Karel走臺(tái)階的世界，用單擊“編輯世界”（Edit World）按鈕，在世界查看器區(qū)域設(shè)計(jì)，參見上圖。

然后，在“程序編輯器”編寫程序代碼：

/* Karel takes the steps */

import "turns";
function Move01(){
  move();
  repeat(3){
    Move02(); /* Calling custom functions */
  } 
}

/* custom functions */
function Move02(){
  turnLeft();
  move();
  turnRight();
  move();
}

現(xiàn)在，你可以運(yùn)行試試。

至此，JSKarel語言的語法講完了。現(xiàn)在你可以用來解決卡雷爾（Karel）機(jī)器人的微型世界（microworld）的問題了。當(dāng)你面臨一個(gè)復(fù)雜的編程問題時(shí)，找出如何將問題分解為多個(gè)部分通常是你最重要的任務(wù)之一。最有成效的策略之一被稱為逐步求精法（stepwise refinement），它從問題的整體角度出發(fā)來解決問題。把整個(gè)問題分解成幾個(gè)部分，然后解決每個(gè)部分，如果有必要的話，部分仍可以再進(jìn)一步分解。

在解決問題過程中，不可避免的會(huì)遇到程序缺陷，也被稱為程序有bug，消除這些錯(cuò)誤的過程稱為調(diào)試（Debugging）?？蓞⒁娗懊娴慕榻B。

在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，算法是一種解決方案策略。算法是該領(lǐng)域最重要的研究課題之一。解決特定問題通常需要相當(dāng)大的創(chuàng)造力，設(shè)計(jì)解決方案策略的過程傳統(tǒng)上稱為算法設(shè)計(jì)（algorithmic design）。

現(xiàn)在，以開頭演示的 Karel世界里的走迷宮效果為例介紹，其迷宮世界如下所示：

Karel 的工作是在迷宮的走廊里穿行，直到找到標(biāo)示出口的蜂鳴器。然而，該程序必須足夠通用，以解決任何無環(huán)路迷宮情況。

對于沒有環(huán)路的任何迷宮（實(shí)際上迷宮只需要滿足在 Karel 初始位置上沒有環(huán)路環(huán)繞），你可以使用一個(gè)簡單的策略，叫作右手法則（right-hand rule）。你可以把右手放在墻壁上，然后穿過迷宮，始終保持你的手不從墻壁上拿開。另一種表達(dá)這種策略的方法是一步一步地走迷宮，總是選擇最右邊的路徑。在 Karel 中，右手法則的程序可以很容易地用一個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

function SolveMaze() {
  while (noBeepersPresent()) {
    turnRight();
    while (frontIsBlocked()) {
      turnLeft();
    }
    move();
  }
}

在外層 while 循環(huán)的開始，Karel 向右轉(zhuǎn)以檢查該路徑是否可用。然后內(nèi)層 while循環(huán)向左轉(zhuǎn)，直到前面沒有阻擋。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，Karel 就繼續(xù)前進(jìn)，整個(gè)過程一直持續(xù)到 Karel 到達(dá)標(biāo)示迷宮終點(diǎn)的蜂鳴器處。

OK！文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-742877.html

到了這里，關(guān)于斯坦福JSKarel編程機(jī)器人使用介紹的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！