20244207 2024-2025-2 《Python程序设计》实验四报告

20244207 2024-2025-2 《Python程序设计》实验四报告

课程：《Python程序设计》
班级： 2442
姓名： 赵文萱
学号：20244207
实验教师：王志强
实验日期：2025年5月26日
必修/选修： 公选课

一、实验内容

Python综合应用：爬虫、数据处理、可视化、机器学习、神经网络、游戏、网络安全等。
例如：编写从社交网络爬取数据，实现可视化舆情监控或者情感分析。
例如：利用公开数据集，开展图像分类、恶意软件检测等。
例如：利用Python库，基于OCR技术实现自动化提取图片中数据，并填入excel中。
例如：爬取天气数据，实现自动化微信提醒。
例如：利用爬虫，实现自动化下载网站视频、文件等。
例如：编写小游戏：坦克大战、贪吃蛇、扫雷等等。

二、实验分析

1.需求分析
①基础功能：实现不同形状方块的生成、移动、旋转与下落。
②碰撞检测：判断方块与边界、已堆积方块的碰撞，阻止错误移动。
③消除机制：当某一行被填满时，消除该行并使上方方块下落。
④游戏界面：绘制游戏区域、分数显示、方块预览等。
⑤用户交互：通过键盘控制方块移动、旋转和加速下落。
2.难点分析
①方块旋转：处理不同形状方块在旋转时的坐标变换，避免超出边界或与已有方块重叠。
②碰撞问题：检测方块与游戏边界、底部及其他方块的碰撞。
③消除与下落：消除已满的行并让剩余方块下落。

三、实验设计和过程

1.点击终端，输入“pip install pygame”，完成Pycharm环境搭建。

2.用import导入pygame库，用于游戏开发，导入random库用于随机生成方块。用pygame.init()初始化Pygame库，加载所有Pygame模块。定义窗口尺寸为宽300px，高600px，定义方块尺寸为30px，便于后续坐标计算。pygame.display.set_mode((SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT))表示创建一个指定尺寸的游戏窗口。用pygame.display.set_caption("俄罗斯方块")设置游戏窗口的标题。

3.我学习了RGB的工作原理，了解到每种颜色都有一个强度值，通常用0到255之间的数字表示。0表示该颜色完全关闭，255表示该颜色完全开启。例如，纯红色可以表示为RGB(255, 0, 0)，纯绿色是RGB(0, 255, 0)，纯蓝色是RGB(0, 0, 255)。当三种颜色强度都为0时，得到黑色RGB(0, 0, 0)；都为255时，得到白色RGB(255, 255, 255)。通过改变红、绿、蓝三种颜色的强度组合，就可以创建出各种不同的颜色。
于是我用RGB值定义背景为黑色、网格为灰色，并定义了7种方块颜色，与后续SHAPES中的形状一一对应（比如COLORS[0]对应I型）。

4.我使用字典SHAPES定义不同类型方块的形状及其旋转形态。这里我学习了二维数组，以便描述俄罗斯方块的形状和旋转形态。1表示该位置有方块，0或省略表示空白。矩阵的行对应形状的垂直方向（y轴），列对应水平方向（x轴）。形状的初始位置根据矩阵的宽度（列数）计算，确保水平居中。旋转形态通过切换矩阵实现，每个形状包含1个或多个旋转形态矩阵。以图中的直线型“I”型为例，[1, 1, 1, 1]表示1行×4列，即水平直线。[1]，[1]，[1]，[1]表示4行×1列，即垂直直线，以此类推设计7个方块形状。每个形状的旋转形态数量不同（如I型有2种，J型有4种），通过索引切换旋转状态。

5.创建一个二维列表grid，表示游戏区域的网格。grid[y][x]表示坐标(x,y)处的方块颜色，None表示空，非None为颜色值。网格为10列20行，每个单元格初始值为None。当方块落下并固定后，对应的单元格将存储方块对象。这个是用于记录已固定的方块，判断移动和旋转时是否与已有方块重叠并进行满行消除。

6.封装方块的形状、旋转状态、位置和颜色，使代码结构化，便于复用和维护。len(self.matrix[0])为当前形态的宽度，居中位置为10//2 - 4//2 = 5-2=3，即x=3，从第3列开始，y=0确保方块从顶部开始下落。我用到了rotate（），用 old_rotation 记录旋转前的索引，以便后续回退。用self.rotation_index + 1指向下一个旋转形态（如从0→1，1→2）len(self.rotations)表示取模运算实现循环切换（如形态数为4时，索引3→0）。根据新索引从 rotations 列表中获取对应的形态矩阵，更新 self.matrix。

7.将移动到底部的方块位置和颜色存入grid，标记为已固定，用于后续的碰撞检测和满行判断。clear_lines筛选未填满的行，使用列表推导式保留至少有一个空单元格的行。再计算消除行数，原网格有20行，剩余行数为len(new_grid)，差值即为消除的满行数，比如消除2行，就是cleared_lines=2。

8.用draw_grid绘制网格的边框和已固定的方块。 j * BLOCK_SIZE和i * BLOCK_SIZE将网格坐标（j,i）转换为像素坐标，确保位置准确。这样可以实时绘制当前移动的方块，跟随键盘操作或自动下落更新位置。通过piece.x和piece.y获取方块的当前网格坐标，结合单元格偏移量（j,i）计算像素位置，确保方块在网格中正确显示。

9.输入clock用于控制游戏帧率（clock.tick(60)限制为60FPS）。我用fall_time和fall_speed实现方块自动下落的定时器逻辑。初始方块随机选择形状，确保每次游戏开局不同。

10.左右键：调用move(dx, 0)水平移动方块；下键：调用move(0, 1)加速下落；上键：调用rotate()旋转方块。通过valid_space()在move()和rotate()内部自动处理碰撞检测。

11.每fall_speed毫秒（500ms）触发一次自动下落（move(0, 1)）。若下落失败（move()返回False），说明方块已无法移动，则将方块固定到grid（add_piece_to_grid），检查并消除满行（clear_lines）。创建随机形状的新方块，若新方块生成时与已有方块重叠（valid_space返回False），说明游戏区域已满，结束循环（running=False）。

12.最后设计程序入口，确保当脚本直接运行时，执行main()函数，启动游戏，避免模块导入时意外触发游戏运行。

13.展示结果：

点击查看代码

import pygame
import random


pygame.init()
SCREEN_WIDTH = 300
SCREEN_HEIGHT = 600
BLOCK_SIZE = 30

screen = pygame.display.set_mode((SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT))
pygame.display.set_caption("俄罗斯方块")


BLACK = (0, 0, 0)
GRAY = (128, 128, 128)
WHITE = (255, 255, 255)
COLORS = [
    (0, 255, 255),
    (0, 0, 255),
    (255, 165, 0),
    (255, 255, 0),
    (0, 255, 0),
    (128, 0, 128),
    (255, 0, 0)
]


SHAPES = {
    'I': [
        [[1, 1, 1, 1]],
        [[1],
         [1],
         [1],
         [1]]
    ],
    'J': [
        [[1, 0, 0],
         [1, 1, 1]],
        [[1, 1],
         [1, 0],
         [1, 0]],
        [[1, 1, 1],
         [0, 0, 1]],
        [[0, 1],
         [0, 1],
         [1, 1]]
    ],
    'L': [
        [[0, 0, 1],
         [1, 1, 1]],
        [[1, 0],
         [1, 0],
         [1, 1]],
        [[1, 1, 1],
         [1, 0, 0]],
        [[1, 1],
         [0, 1],
         [0, 1]]
    ],
    'O': [
        [[1, 1],
         [1, 1]]
    ],
    'S': [
        [[0, 1, 1],
         [1, 1, 0]],
        [[1, 0],
         [1, 1],
         [0, 1]]
    ],
    'T': [
        [[0, 1, 0],
         [1, 1, 1]],
        [[1, 0],
         [1, 1],
         [1, 0]],
        [[1, 1, 1],
         [0, 1, 0]],
        [[0, 1],
         [1, 1],
         [0, 1]]
    ],
    'Z': [
        [[1, 1, 0],
         [0, 1, 1]],
        [[0, 1],
         [1, 1],
         [1, 0]]
    ]
}


grid = [[None for _ in range(10)] for _ in range(20)]

class Piece:
    def __init__(self, shape):
        self.shape = shape
        self.rotations = SHAPES[shape]
        self.rotation_index = 0
        self.matrix = self.rotations[self.rotation_index]
        self.x = 10 // 2 - len(self.matrix[0]) // 2
        self.y = 0
        self.color = COLORS[list(SHAPES.keys()).index(shape)]

    def rotate(self):
        # 尝试旋转
        old_rotation = self.rotation_index
        self.rotation_index = (self.rotation_index + 1) % len(self.rotations)
        self.matrix = self.rotations[self.rotation_index]
        if not valid_space(self):
            self.rotation_index = old_rotation
            self.matrix = self.rotations[self.rotation_index]

    def move(self, dx, dy):

        old_x = self.x
        old_y = self.y
        self.x += dx
        self.y += dy
        if not valid_space(self):
            self.x = old_x
            self.y = old_y
            return False
        return True

def valid_space(piece):
    for i, row in enumerate(piece.matrix):
        for j, cell in enumerate(row):
            if cell:
                x = piece.x + j
                y = piece.y + i
                if x < 0 or x >= 10 or y < 0 or y >= 20:
                    return False
                if grid[y][x]:
                    return False
    return True

def add_piece_to_grid(piece):
    for i, row in enumerate(piece.matrix):
        for j, cell in enumerate(row):
            if cell:
                grid[piece.y + i][piece.x + j] = piece.color

def clear_lines():
    global grid
    new_grid = [row for row in grid if any(cell is None for cell in row)]
    cleared_lines = 20 - len(new_grid)
    for _ in range(cleared_lines):
        new_grid.insert(0, [None for _ in range(10)])
    grid = new_grid
    return cleared_lines

def draw_grid():

    for i in range(20):
        for j in range(10):
            rect = pygame.Rect(j * BLOCK_SIZE, i * BLOCK_SIZE, BLOCK_SIZE, BLOCK_SIZE)
            pygame.draw.rect(screen, GRAY, rect, 1)
            if grid[i][j]:
                pygame.draw.rect(screen, grid[i][j], rect)

def draw_piece(piece):
    for i, row in enumerate(piece.matrix):
        for j, cell in enumerate(row):
            if cell:
                rect = pygame.Rect((piece.x + j) * BLOCK_SIZE, (piece.y + i) * BLOCK_SIZE, BLOCK_SIZE, BLOCK_SIZE)
                pygame.draw.rect(screen, piece.color, rect)

def main():
    clock = pygame.time.Clock()
    fall_time = 0
    fall_speed = 500 # 毫秒

    current_piece = Piece(random.choice(list(SHAPES.keys())))
    running = True

    while running:
        dt = clock.tick(60)
        fall_time += dt

        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False

            if event.type == pygame.KEYDOWN:
                if event.key == pygame.K_LEFT:
                    current_piece.move(-1, 0)
                elif event.key == pygame.K_RIGHT:
                    current_piece.move(1, 0)
                elif event.key == pygame.K_DOWN:

                    if not current_piece.move(0, 1):
                        pass
                elif event.key == pygame.K_UP:
                    current_piece.rotate()

        if fall_time > fall_speed:
            fall_time = 0
            if not current_piece.move(0, 1):

                add_piece_to_grid(current_piece)
                clear_lines()

                current_piece = Piece(random.choice(list(SHAPES.keys())))
                if not valid_space(current_piece):
                    running = False

        screen.fill(BLACK)
        draw_grid()
        draw_piece(current_piece)
        pygame.display.update()

    pygame.quit()

if __name__ == "__main__":
    main()

【视频作业】

四、实验中遇到的问题和解决过程

-问题1：出现了方块位置偏移、超出屏幕或与网格不对齐的问题。
-问题1解决方案：经过检查发现是由于未统一像素坐标与网格坐标，grid[i][j] 对应屏幕坐标为 (jBLOCK_SIZE, iBLOCK_SIZE)，移动时直接操作像素坐标而非网格索引，self.x += 1 应为网格列数变化，而非像素值。
-问题2：出现了方块穿过了边界和已固定方块的问题。
-问题2解决方案：通过学习资料和网络咨询，发现是因为仅校验方块当前位置，没有涵盖所有单元格，I 型横向时漏检右侧单元格，旋转后未重新计算所有单元格坐标，导致重叠。
这是我的错误代码（仅检查了单元格碰撞）：

点击查看代码

def valid_space(piece):
    x, y = piece.x, piece.y
    return 0 <= x < 10 and 0 <= y < 20 and not grid[y][x]

-问题3：消行后上方方块下落速度异常。
-问题3解决方案：经过反复检查，发现误将非满行剔除any(cell is None) 写成 all(cell is not None)。

五、感悟与思考

1.实验总结
我一直都很想自己设计游戏，在上了一学期的python课后，我尝试通过Python语言结合Pygame库，实现了经典的俄罗斯方块游戏。在完成这次实验的过程中，我遇到不少难题。像Pygame库的图形绘制、方块旋转的坐标变换，还有碰撞检测的算法，都是之前没接触过的内容。我通过查阅Python和Pygame的官方文档，参考GitHub上的开源代码案例，边学边做。遇到问题就去搜索解决方案，经过多次尝试和调整，终于把游戏的初始化、方块逻辑、碰撞检测这些核心模块搭建起来，完成了整个游戏的基本框架。
2.课程总结
经过这段时间的Python课程学习，我在知识储备和能力提升方面都有了很大的收获，对编程也有了更深刻的理解。我掌握了Python编程的基础内容与核心原理。现在，我能够通过编写代码实现许多有趣的小项目，像经典的石头剪刀布游戏，还有猜数字游戏等等，在实践中加深了对编程逻辑的认识。通过学习文件操作相关知识，我可以用Python编辑日记，将所学运用到实际文本处理中，真正体会到编程在生活中的实用性。
函数定义和循环语句的学习，让我有了编写简单应用程序的能力。我不仅学会了如何封装重复使用的代码块，还能通过循环高效处理重复性任务，大大提升了编程效率。在学习过程中，我积累了许多常用函数的使用方法，这些知识让我在编写代码时更加游刃有余。此外，服务端和客户端程序开发的学习虽然几经波折，但也让我对网络编程有了深入了解，收获满满。
逻辑思维能力的培养是这门课程带给我的重要收获。面对问题时，我学会了将实际需求转化为清晰的编程思路，再逐步编写代码实现功能，这个过程让我的思维更加严谨和有条理。在开发服务端和客户端程序时，频繁出现的报错曾让我一度陷入困境，但我没有退缩。通过主动向老师请教，我不仅成功解决了问题，还掌握了实用的调试技巧。这让我明白，在编程的道路上，遇到困难时坚持和积极寻求解决方案是攻克难题的关键。同时，双人合作也锻炼了我的沟通协作能力，与同学交流想法、共同完善代码，让我感受到团队的力量。
3.课程反馈与建议
王老师的教学风格就是我认为的最理想的风格，课上用简单易懂的例子来解释抽象的概念，让我们这些文科生也能轻松理解。课上编写的程序也非常有意思，比如剪刀石头布等等，让我在学习的同时也能收获快乐与成就感，这极大地激发了我对Python学习的热情。课前的抽问环节也有助于我复习上一周的知识，毕竟时隔一周很多细节都记不清了。希望老师能继续保持这样棒的教学方式，让课堂充满活力。如果非要提建议的话，为了让我们能更好地巩固知识，感觉可以在后续课程中增加更多互动环节，比如小组讨论、编程挑战等，让我们在实践中灵活运用所学内容，加深对知识的理解和掌握。

这次Python课程的学习经历让我受益匪浅，感谢王老师的悉心指导。未来，我会继续保持对编程的热爱，不断探索Python世界的奥秘！