斯坦福JSKarel编程机器人使用介绍

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。

本文介绍在Windows PC上如何下载和运行JSKarel版本。

JSKarel 的安装要点

JSKarel依赖Java，因此需要在计算机上安装JDK。

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，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。

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

}

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）。

当你使用循环语句时，避免篱笆桩错误是很重要的，篱笆桩错误是由于没有认识到需要的 move 指令数比街角数少 1。

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！