5 activités visuelles avec le langage Python portant sur les notions transversales de programmation de seconde
N.D.L.R : Cet article pourra évidemment inspirer les collègues enseignant en SNT. Mais son ambition est de s’adresser surtout à l’ensemble des élèves de Seconde, au travers des activités transversales de cette classe.
Présentation des activités
Voici 5 activités visuelles de programmation en Python qui couvrent les notions transversales de la classe de seconde générale et technologique.
Deux d’entre elles utilisent le module turtle descendant du langage Logo qui initie depuis les années 60 les enfants à la programmation. Les trois autres s’appuient sur le module pixel, développé par l’université de Lille 3, qui permet d’obtenir des images pixelisées évolutives (une présentation de ce module est proposé en annexe).
Ces activités sont présentées dans l’ordre où je les propose en classe. Seule une partie de mes élèves font les deux dernières.
- le TP Space invaders est mon premier TP de l’année scolaire de seconde, il introduit de façon détaillée les notions de variable, boucle bornée (boucle for) et de fonction. Une partie de mes élèves voient toutes ces notions dès la première heure, mais deux heures sont nécessaires pour que ce soit le cas d’une majorité d’élèves. Il utilise le module pixel.
- le TP Fond marin porte également sur les notions de variable, boucle bornée (boucle for) et de fonction. Il peut servir à parler de la notion de modularité qui est plus développée dans le TP immeuble. Il utilise le module turtle en proposant des dessins un peu plus élaborés que les formes géométriques habituellement proposées. Il insiste sur la variable utilisée lorsqu’on utilise une boucle for. En limitant le nombre de lignes de code utilisé, il force à utiliser cette variable au lieu d’en définir une nouvelle et insiste sur les valeurs que prend cette variable à chaque appel. Contrairement à ce que je craignais, mes élèves n’ont pas été gênés par le côté répétitif de cette activité.
- le TP Rantanplan est un exercice classique qui permet d’obtenir une image du triangle de Sierpinski à partir du dessin de milieux successifx. Cette version utilise le module pixel. Les notions utilisées sont la variable, la boucle et la conditionnelle. Cela permet également d’utiliser la formule des coordonnées du milieu de 2 points.
- le TP Coquillage tueur est inspiré de l’article d’Accromath : des coquillages aux pelages. Il fait suite a une activité débranchée que l’IREM de Besançon avait proposée lors d’une fête de la science aux classes de primaire et qui avait beaucoup plu. Il est d’ailleurs souvent nécessaire de passer par le papier pour que les élèves comprennent et appliquent correctement l’algorithme proposé. Il utilise le module pixel et porte sur les notions de variable, de boucle for et de conditionnelle. On peut également s’en servir pour parler de la notion de suite (en effet chaque ligne est construite à partir de la précédente).
- le TP Immeubles est né d’une idée d’Adrien Willm. Il est le pendant du TP Fond marin : dans chaque cas, le programme principal utilise des fonctions définies dans un autre fichier. Dans le cas du TP Fond marin, les élèves écrivent le programme principal et n’ont besoin que de regarder la documentation associée aux fonctions déjà définies. Dans le TP Immeubles, les élèves doivent écrire les fonctions intermédiaires ce qui les obligent à respecter leur spécifications, car sinon les fonctions qui les appellent ne produisent pas le résultat attendu. Ce TP utilise également le module turtle, il porte sur la notion de variable, de boucle, de conditionnelle et de fonction.
De l’inattendu
Après avoir fini l’activité Fond marin, certains élèves ont déploré que les poissons de profil ne sourient pas. "Ils font la tête vos poissons, madame. On peut les changer ?". Voici le résultat qui a provoqué un bon rire collectif.
Prolongation du TP Coquillage tueur
Avec une perforatrice qui découpe des triangles isocèles de 4 cm de base et 4 cm de hauteur, nous avons décoré le mur de fond d’une de nos salles en reprenant le principe de construction du TP Coquillage tueur.
D’autres ont été plus ambitieux :
TP Space invaders
Le but de ce Tp est d’écrire un programme avec le langage Python qui permet de dessiner un ensemble de space invaders colorés.
Présentation du jeu Space Invaders
Space Invaders est un jeu vidéo développé par la société japonaise Taito, sorti en 1978 sur borne d’arcade.
- (source Cadeau insolite.fr)
Le principe est de détruire des vagues d’aliens au moyen d’un canon laser en se déplaçant horizontalement sur l’écran. Il fait partie des classiques du jeu vidéo au même titre que Pac-Man et d’autres de ses contemporains. Il contribue à élargir l’industrie du jeu vidéo au niveau mondial. Space Invaders rencontre un énorme succès populaire. Après sa sortie au Japon, il aurait entraîné une pénurie de pièces de 100 yens. En 2007, Taito annonce que le jeu a rapporté 500 millions de dollars de recettes depuis sa parution.
La représentation par des pixels des aliens dans le jeu devient une icône médiatique pour symboliser le monde des jeux vidéo.
Dessiner un pixel
À faire : Téléchargez l’archive spaceinvaders.zip et décompressez-la dans votre espace personnel.
- spaceinvaders.zip
Vous ne devez jamais modifier les fichiers pixel.py et pixelSP.py.
À faire : Ouvrez le fichier spaceinvader.py dans un éditeur Python et exécutez-le, vous devez voir une fenêtre s’ouvrir sur laquelle il n’y a qu’un pixel vert.
À faire : Essayez de modifier la couleur de ce pixel, voici les couleurs qui sont prédéfinies : vert, bleu, rose, jaune, violat, turquoise, rouge, vertjaune, orange
À faire : Dessiner un pixel sur la même ligne à droite du pixel déjà présent dans la fenêtre.
Si vous n’arrivez pas à faire cette partie, regardez la vidéo d’aide
Dessiner ligne à ligne un space invader
Choisissez un space invader et une couleur parmi ces modèles
À faire : Commencer à dessiner les 3 premières lignes de votre space invader en commençant par la première ligne, puis la seconde, puis la troisième :
Par exemple
C’est un peu répétitif, il est possible d’aller plus vite.
Les instructions pour dessiner la deuxième ligne sont :
dessine_pixel(2,2)
dessine_pixel(3,2)
dessine_pixel(4,2)
dessine_pixel(5,2)
dessine_pixel(6,2)On remarque que seul le premier chiffre (qui représente la colonne) change d’une instruction à l’autre. Il varie en prenant successivement les valeurs 2, 3 , 4, 5 et 6. On va le remplacer par une variable k, on a alors l’instruction :
dessine_pixel(k,2)
Il faut maintenant indiquer comment varie la variable k, elle varie en prenant successivement les valeurs 2, 3 , 4, 5 et 6. On l’indique à l’ordinateur de la façon suivante :
for k in [2,3,4,5,6] :
dessine_pixel(k,2)Ces deux lignes de code remplacent les 5 lignes de code précédentes. Entre les crochets, il faut bien indiquer toutes les valeurs prises successivement par k. Il faut bien décaler la seconde ligne par rapport à la première.
Dans mon exemple, la première ligne du space invader peut être dessinée par le code suivant :
for k in [3,5] :
dessine_pixel(k,1)Et la troisième par :
for k in [1,2,3,4,5,6,7] :
dessine_pixel(k,3)À faire : Dessiner toutes les lignes de votre space invader en utilisant des instructions for. Pour que le dessin soit plus rapide remplacez toutes les fonctions dessine_pixel par dessine_pixel_rapide.
Si vous n’arrivez pas à faire cette partie, regardez la vidéo d’aide
Couleurs RVB
Python utilise le code couleur RVB pour définir les couleurs. Ce système de couleurs a été créé en 1931 par la commission internationale de l’éclairage, il est utilisé pour les écrans d’ordinateur.
Un écran est composé de pixels, chaque pixel intègre 3 diodes une rouge, une verte et une bleue.
En modulant l’intensité lumineuse de chaque diode, on peut afficher n’importe quelle couleur visible, on parle de synthèse additive : le mélange de la lumière des 3 diodes créé la couleur.
Le nombre de niveaux possibles pour chaque composante est de 256, soit 256 × 256 × 256 = 16 millions de couleurs.
- (source inconnue)
En suivant ce lien, vous verrez le code couleur RVB de très nombreuses couleurs classées par nuances.
Attention le module pixel que nous utilisons donne à chaque composante une couleur entre 0 et 1 au lieu de 0 255, il faut donc diviser les valeurs précédents par 255 pour obtenir le bon codage.
Un dégradé de space invaders
À faire : Remplacer le choix de la couleur (vert() dans le fichier initial) par couleur(1,0.8,0.7).
À faire : Dessiner un quadrillage de spaces invaders ayant des couleurs différentes suivant les colonnes comme dans l’exemple suivant :
À faire : Dessiner un quadrillage de spaces invaders ayant des couleurs différentes suivant les colonnes et les lignes comme dans l’exemple suivant :
TP Fond marin
Le but de ce TP est de reproduire le fond marin suivant
en travaillant :
- sur les boucles for et notamment les variables introduites par ces boucles,
- les appels de fonction et notamment leurs arguments qui sont décrits dans leurs prototypes
et en limitant le nombre de lignes du programme.
Dans ce TP vous ne devez rajoutez aucune instruction setposition, goto, setx, sety, setheading.
I Présentation des fichiers de ce TP
- Fond_marin.zip
Téléchargez Fond_marin.zip, puis décompressez-le dans votre dossier personnel. Un dossier Fond_marin apparaît dans lequel il y a 4 fichiers.
Vous ne modifierez et n’exécuterez que progprinc.py.
Exécutez progprinc.py, vous devez voir :
II Le programme principal
Afin que la tortue dessine plus vite, n’hésitez pas à commenter les parties du programme sur lesquelles vous ne travaillez pas.
TP Rantaplan
Le but de ce TP est de dessiner une figure géométrique étonnante en suivant une règle de construction très simple.
Introduction
Pendant qu’Averell finit de manger, les trois autres Dalton prennent l’air dans un champ. Rantanplan traîne aussi dans le champ.
Les trois Dalton appellent simultanément le chien qui se dirige aléatoirement vers l’un d’eux.
Trahi par sa mémoire défaillante, il s’arrête au milieu de son trajet et creuse un trou.
Les trois Dalton le rappellent, il repart au hasard vers l’un d’eux , s’arrête à mi-chemin, creuse un trou et ainsi de suite.
Le but de ce tp est de visualiser la figure représentant l’ensemble des trous faits par Rantanplan.
Situation de départ
On considère que le champ est de forme rectangulaire et mesure 101 pixels de large par 88 de hauteur.
À faire : Téléchargez l’archive rantanplan.zip et décompressez-la dans votre espace personnel.
- rantanplan.zip
Vous ne devez pas jamais modifier les fichiers pixel.py et pixelRantanplan.py.
À faire : Complétez la figure obtenue en exécutant rantanplan.py sachant que Jack en rouge (1,86) et William en bleu (99,86). De plus Rantanplan en noir s’est placé entre Jack et William.
Vous devez obtenir :
Premier déplacement de Rantanplan
À faire : Modifiez le fichier rantanplan.py pour faire apparaître le premier déplacement de Rantanplan. Comme il se dirige aléatoirement vers Joe, Jack ou William, son premier trou varie d’une exécution à l’autre. En exécutant plusieurs fois votre programme, vous devez obtenir au moins une fois chacune des figures suivantes :
TP Coquillage tueur
Certains coquillages de la famille des conus ont des motifs très étonnants
qui rappellent la fractale appelée triangle de Sierpinski
Le but de ce Tp est d’essayer de simuler à l’aide du langage Python les motifs de ces coquillages.
Règles de la pigmentation des coquillages
Le coquillage croît par son bord, en ajoutant des rangées successives aux rangées déjà formées. Ces croissances successives forment des lignes sur la coquille de l’animal.
Les scientifiques ne comprennent pas bien les mécanismes derrière les phénomènes de pigmentation de ces coquillages. Un modèle, d’origine chimique, a été proposé par Alan Turing en 1952 dans un article célèbre, « The chemical basis of morphogenesis ». Il fait intervenir deux substances chimiques ou morphogènes, l’une appelée activateur, et l’autre inhibiteur, qui réagissent l’une avec l’autre, et qui diffusent au travers des cellules. On parle donc de réaction-diffusion. (source : C. ROUSSEAU, Des coquilles aux pelages, Accromath Vol. 7, Hiver-Printemps 2012.)
Si on considère qu’un coquillage est coloré avec deux couleurs : le noir et le blanc. Un modèle pour connaître la couleur d’un point d’une ligne en connaissant la coloration de la ligne précédente est la suivante : le point est blanc si les deux carrés en diagonale au dessus sont de la même couleur, sinon il est noir.
:
À faire : Sur une feuille quadrillée, colorez quelques carrés de la ligne du haut puis appliquez la règle ci-dessus, pour colorer les lignes suivantes l’une après l’autre.
Modélisation avec le langage Python
On commence par dessiner les motifs d’un coquillage dont la coquille fait 55 carrés de couleur de largeur sur 29 lignes en connaissant la couleur de chaque carré de la première ligne.
La première et la dernière colonne de ce motif seront toujours blanches.
À faire : Téléchargez l’archive Coquillage.zip et décompressez-la dans votre espace personnel.
- Coquillage.zip
Lors de l’exécution du fichier coquillage.py, on obtient la figure suivante où seule la première ligne est colorée :
Vous ne devez pas jamais modifier les fichiers pixel.py et pixelCoquillage.py.
À faire : Colorez les carrés de la deuxième ligne sur un papier en suivant les règles de coloration énoncées précédemment.
Sachant que :
- la fonction petite_fenetre ouvre une fenêtre de 30 lignes et 55 colonnes
- la fonction dessine_pixel(a,b) marque un pixel noir à la colonne a et la ligne b
- la fonction lire(a,b) renvoie la valeur 0 si le pixel de la colonne a et de la ligne b est noir et renvoie 1 sinon.
À faire :Modifiez le fichier coquillage.py pour faire apparaître tous les carrés noirs de la deuxième ligne. Votre programme doit toujours être correct même si on modifie l’emplacement des carrés noirs de la première ligne.
À faire : Modifiez le fichier coquillage.py pour faire apparaître tous les carrés noirs de toutes les lignes.
Pour avoir une modélisation plus importante, on peut utiliser une fenêtre plus grande : 500 colonnes et 250 lignes en utilisant la fonction grande_fenetre au lieu de petite_fenetre.
Jouez sur l’emplacement des carrés noirs de la première ligne pour obtenir différents motifs.
Des coquillages tueurs
En plus d’avoir des motifs surprenants, certains coquillages de la famille des conus sont venimeux et dangereux pour l’homme.
Conus geographus est le coquillage venimeux le plus dangereux connu.
TP Immeubles
Le but de ce Tp est de dessiner des rues avec le module turtle.
Pour cela, on va utiliser de nombreuses fonctions définies dans différents fichiers.
Présentation des fichiers et des fonctions de ce TP
Téléchargez Immeuble.zip, placez-le dans votre dossier NSI, puis décompressez-le.
- immeuble.zip
Un dossier Immeuble apparaît dans lequel il y a 4 fichiers.
- porte_fenetre.py est le premier de ces fichiers. C’est dans ce fichier que sont définis les dessins de départ :
- carre qui est déjà définie
- rectangle que vous allez définir au cours de ce tp
- fenetre que vous allez définir au cours de ce tp
- porte que vous allez définir au cours de ce tp
- porte2 qui est déjà définie
- balcon qui est déjà définie
- porte_fenetre que vous allez définir au cours de ce tp
- etage.py utilise les fonctions définies dans porte_fenetre.py. C’est dans ce fichier que sont définis :
- rez_de_chaussee que vous allez définir au cours de ce tp
- etage que vous allez définir au cours de ce tp
- toit qui est déjà définie
- toit2 qui est déjà définie
- descendre qui est déjà définie
- rue.py utilise les fonctions définies dans etage.py. Ce fichier ne sera jamais modifié.
C’est dans ce fichier que sont définis :- maison1 qui est déjà définie
- maison2 qui est déjà définie
- rue1 qui est déjà définie
- rue2 qui est déjà définie
- rue3 qui est déjà définie
- rue4 qui est déjà définie
- progprincipal.py utilise les fonctions définies dans rue.py. C’est le fichier qui est exécuté.
Utilisation des fichiers
Comme écrit précédemment, on ne va exécuter que le fichier progprincipal.py.
a. Premier test
Exécutez le fichier progprincipal.py. Un toit apparaît :
Il s’agit du résultat obtenu quand on appelle la fonction maison1 qui pour l’instant n’affiche qu’un résultat partiel.
b. Deuxième test
On va maintenant tester la fonction carre.
Lisez la description de cette fonction qui est indiquée entre guillemets en utilisant l’instruction help(carre) dans l’interpréteur. Puis, dans le fichier progprincipal.py, commentez la ligne maison1() en ajoutant # devant pour que cette fonction ne soit plus exécutée et écrivez à la ligne suivante carre(15,"blue"), vous appelez ainsi la fonction carre qui est définie dans le porte_fenetre.py.
Comme attendu à l’exécution de progprincipal.py, un carrée bleu de 15 pixels de côté apparaît.
Rappel : pour utiliser une fonction il faut deux choses
- avoir défini la fonction. Cette définition commence par le mot chef def puis le nom de la fonction.
- appeler cette fonction en écrivant son nom puis des parenthèses contenant une valeur pour chacun des arguments de cette fonction.
Complétons les fonctions
Remarque générale : pour tous les motifs sauf l’étage, la position de la tortue au début et à la fin du dessin, ainsi que son orientation (vers la droite) est exactement la même. La tortue revient donc à son point de départ.
Étape 1 : le rectangle et le rez de chaussée
En vous inspirant de la fonction carre, définissez la fonction rectangle.
Testez alors avec progprincipal.py, rectangle(50,100,"pink"). Vous devez voir un rectangle rose apparaître.
Complétez ensuite la fonction rez_de_chaussee pour faire apparaître un rectangle de la couleur choisie de 140 pixels de large et 60 de long.
Testez alors avec progprincipal.py, maison1(), puis, maison2() vous devez obtenir :
puis
Étape 2 : l’étage
Complétez ensuite la fonction etage. La souris doit d’abord monter de 60 pixels avant de dessiner un rectangle de la couleur choisie de 140 pixels de large et 60 de long.
Testez avec progprincipal.py, maison1() puis maison2(), vous devez obtenir :
puis
Étape 3 : les portes arrondies
La fonction porte2 dessine une porte arrondie, elle est déjà définie.
Complétez la fonction rez_de_chaussee pour placer une porte arrondie à gauche à 15 pixels du mur. N’oubliez pas de revenir à la place initiale (en bas à gauche du rectangle).
Testez avec progprincipal.py, maison1() et maison2(), vous devez obtenir :
puis
Étape 4 : les portes simples
Complétez la fonction porte qui dessine une porte rectangulaire de la couleur choisie.
Modifiez la fonction rez_de_chaussee pour placer une porte rectangulaire à gauche à 15 pixels du mur.
Testez avec progprincipal.py, maison1() puis maison2(), vous devez obtenir :
puis
Étape 5 : le choix de la porte
On remplace maintenant l’instruction qui dessine la porte dans rez_de_chaussee par :
if choixporte :
porte(couleurporte)
else :
porte2(couleurporte)
On a alors
puis
Regardez les définitions des deux maisons. Lors de l’appel de arguments de rez_de_chaussee le second paramètre est True pour la première maison et False pour la seconde.
Le mot clef if teste cette valeur :
- Si elle vaut
Truealors on exécute uniquement ce qui est décalé juste en dessous autrement ditporte(couleurporte)et pas ce qu’il y a après le mot clefelse. - Si elle vaut
Falsealors on n’exécute pas uniquement ce qui est décalé juste en dessous mais on exécute ce qu’il y a après le mot clefelse, autrement ditporte2(couleurporte).
Étape 6 : les fenêtres
Complétez la fonction fenetre puis modifiez la fonction rez_de_chaussee pour placer une fenêtre au milieu (10 pixels entre la porte et la fenêtre) et une fenêtre à droite (10 pixels entre les deux fenêtres).
Complétez aussi la fonction etage pour placer 3 fenêtres avec les mêmes espacements.
Testez avec progprincipal.py, maison1() et maison2(), vous devez obtenir :
puis
Testez avec progprincipal.py, rue2(), vous devez obtenir :
Étape 7 : les portes-fenêtres
En utilisant la fonction déjà défnie balcon définissez la fonction porte_fenetre et placez une porte_fenêtre à droite des étages à la place de la dernière fenêtre.
Testez avec progprincipal.py, rue1(), vous devez obtenir :
Étape 8 : les fenêtres et portes-fenêtres au bon endroit
Utilisez des tests if et les arguments, choix1, choix2 et choix3 de etage pour placer les portes-fenêtres au bon endroit.
Testez avec progprincipal.py, rue4(), vous devez obtenir :
Dernière étape : placer la porte au bon endroit
On va maintenant tester où il faut placer la porte d’entrée. Si choixplaceporte vaut 1 ce qui s’écrit choixplaceporte == 1, alors la porte est à gauche, si c’est 2, elle est au milieu et si c’est 3 elle est à droite.
On obtient alors les 4 rues :
Annexe : Présentation du module pixel.py
Le module pixel.py a été développé par l’université de Lille 3. Il permet d’obtenir des images pixelisées évolutives.
Voici une vidéo présentant les principales fonctions de ce module que nous utiliserons dans nos programmes
Tout d’abord pour utiliser le module pixel.py, on écrit :
from pixel import *
au début du fichier qui appelle des fonctions de pixel.py.
Les fonctions appelées sont :
- initialiser permet d’ouvrir une fenêtre contenant de gros pixels, elle a 3 arguments : le nombre de colonnes de gros pixels de la fenêtre, le nombre de lignes de gros pixels de la fenêtre, le nombre de pixels de l’écran sur un côté d’un gros pixel
- marquer qui permet a l’ordinateur de mémoriser un gros pixel à dessiner ultérieurement. Il a besoin de 2 arguments : la colonne où sera dessiner le gros pixel, la ligne où sera dessiner le gros pixel. Il peut prendre un dernier argument facultatif l’intensité de la couleur du gros pixel. C’est flottant compris entre 0 et 1. Par défaut cette intensité vaut 0 et donc le pixel apparaîtra noir quand il sera affiché.
- afficher qui affiche tous les pixels en attente dans la couleur courante (noire par défaut) à la place enregistrée (colonne, ligne) et l’intensité enregistrée. Si cette intensité est 1 le pixel sera clair (blanc par défaut). Afficher peut prendre un argument qui indique le temps d’attente avant que l’ordinateur exécute l’instruction suivante. Une fois les pixels affichés ils n’attendent plus de l’être.
- couleur qui modifie la couleur courante en lui donnant la valeur correspondant à ses trois arguments qui sont des flottants entre 0 et 1, le premier correspondant au rouge, le deuxième au vert et le troisième au bleu dans le codage RVB des couleurs.
- lire qui renvoie l’intensité du gros pixel affiché dont la colonne et la ligne ont été passées en argument à cette fonction.
Exemple de programme :
from pixel import *initialiser(15,10,20)
marquer(5,3,0.8)
marquer(5,2,0.8)
couleur(1,0,0)
print(lire(5,2))
afficher(0)
print(lire(5,2))
marquer(0,0,1)
couleur(0,1,0)
afficher(0)
marquer(10,10)
afficher(0)
print(lire(10,10))
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