مقدمة

1.1 هندسة الحاسوب وتحديات حسابية – הנדסת מחשבים ואתגרים חישוביים

الحاسوب ليس فقط الجهاز الذي على الطاولة: يوجد حاسوب صغير في الهاتف، في السيارة، في الغسالة وفي إشارة المرور. نقول إن أمامنا تحديا حسابيا (אתגר חישובי) عندما يكون الحساب نفسه هو العقبة: المعطيات كثيرة جدا، أو الوقت قصير جدا، أو الإمكانات أكثر من أن يجرّبها إنسان. هكذا يدخل الحاسوب إلى مجالات لا علاقة لها في الظاهر بالإلكترونيات:

1.2 مهام حسابية بسيطة – משימות חישוביות פשוטות

لا نبدأ بالشيفرة، بل بثلاثة أسئلة: ما المعطى؟ ما المطلوب؟ ما الخطوات التي توصلنا من المعطى إلى المطلوب؟ الإجابة عن السؤالين الأولين هي تحليل المهمة (ניתוח המשימה)، والإجابة عن الثالث هي صياغة الحل.

قد تكون للمهمة نفسها أكثر من خوارزمية صحيحة، وبعضها أفضل من بعض.

1.3 لغة البرمجة – שפת תכנות

المعالج لا يفهم إلا أوامر بسيطة جدا مكتوبة بأصفار وآحاد، ونحن لا نستطيع أن نكتب برامج طويلة بهذه الطريقة. كما أن العربية والعبرية لا تصلحان، لأن الجملة فيهما قد تحتمل أكثر من معنى. لغة البرمجة هي الحل الوسط بينهما.

نكتب في هذا الكتاب بلغة بايثون Python. برنامج يسمى المفسّر (מפרש) يقرأ ما كتبنا، يفحص أولا صحة الكتابة، ثم ينفّذ الأوامر واحدا بعد واحد:

لكل لغة كلماتها، لكن الفكرة واحدة. هذا الأمر نفسه، طباعة جملة على الشاشة، في ثلاث لغات:

1.4 البرنامج: قراءة، كتابة، تشغيل، فحص وتصحيح – התוכנית: קריאה, כתיבה, הרצה, בדיקה ותיקון

العمل على برنامج ليس كتابة مرة واحدة ثم انتهينا، بل دورة نكررها حتى يصبح صحيحا. ونادرا ما يعمل البرنامج بشكل صحيح من المرة الأولى، وهذا عادي:

القراءة. نقرأ البرنامج من الأعلى إلى الأسفل، ونتوقع ماذا سيفعل قبل أن نشغّله. الدالة print تطبع على الشاشة ما بين القوسين. والسطر الذي يبدأ بالإشارة # هو تعليق (הערה): كتبناه لمن يقرأ، والمفسّر يتجاهله. والترتيب هو البرنامج: الأوامر نفسها بترتيب آخر تعطي مُخرَجا آخر.

print("Sensor test")
print("Reading:", 25)
# the next line runs last
print("Done")

Sensor test
Reading: 25
Done

print("Done")
print("Sensor test")
print("Reading:", 25)

Done
Sensor test
Reading: 25

الكتابة. نكتب أمرا واحدا في كل سطر، ونحفظ البرنامج في ملف نهاية اسمه .py.

print("Start")
    print("End")

IndentationError: unexpected indent

التشغيل. نطلب من المفسّر أن ينفّذ البرنامج، وما يطبعه هو المُخرَج (פלט). الفحص. نقارن المُخرَج بما توقعناه. التصحيح. إذا اختلفا نبحث عن السبب، نصلحه، ونشغّل من جديد.

print("Battery check")
print("Voltage: 9 V)

SyntaxError: unterminated string literal (detected at line 2)

print("Battery check")
Print("Voltage: 9 V")

Battery check
NameError: name 'Print' is not defined

print("Battery check")
print("Voltage: 9 V")
print("Current:", 9 / 100 + 200, "A")

Battery check
Voltage: 9 V
Current: 200.09 A

print("Battery check")
print("Voltage: 9 V")
print("Current:", 9 / (100 + 200), "A")

Battery check
Voltage: 9 V
Current: 0.03 A

print("A")
print()
print("B", "C")
print(2 + 3)
print("2 + 3")

1.5 بيئة التطوير وأول برنامج – סביבת הפיתוח ותוכנית ראשונה

توصي خطة التعليم بأن نتعرف إلى بيئتين: بيئة على الإنترنت، وبيئة نثبّتها على الحاسوب. نتعرف هنا إلى Google Colab وإلى IDLE. توجد بيئات أخرى مثل Visual Studio Code وPyCharm، والبرنامج نفسه يعمل فيها كلها.

أول برنامج لنا سطر واحد. الدالة print تطبع ما بين القوسين، وتنتقل إلى السطر التالي. والنص بين علامتي الاقتباس يُطبع حرفا بحرف. وإذا لم يكن بين القوسين شيء طُبع سطر فارغ، كما في البرنامج الثاني:

print("Hello from the lab")

Hello from the lab

print("Measuring station")
print("Power on")
print()
print("Ready")

Measuring station
Power on

Ready

ما بين علامتي الاقتباس يُطبع كما هو، وما ليس بينهما يُحسب أولا. وعندما نفصل بين القيم بفاصلة، تطبعها print في السطر نفسه مع مسافة بينها.

print("7 * 6")
print(7 * 6)
print("Seconds:", 24 * 60 * 60)

7 * 6
42
Seconds: 86400

print(“Power on”)

SyntaxError: invalid character '“' (U+201C)

1.6 الكائن نسخة من فئة – העצם כמופע של מחלקה

نفتح خزانة المختبر فنجد اثني عشر مقياسا متعددا من الطراز نفسه. لها كلها الأزرار نفسها والقدرات نفسها، لأنها صُنعت حسب تصميم واحد. لكن كل مقياس شيء مستقل: هذا على مجال 20 V ويقرأ 11.9، وذاك مطفأ.

ما يحمله الكائن يسمى الصفات (תכונות)، وما يستطيع أن يفعله يسمى العمليّات (פעולות). الكائنات تشترك في أسماء الصفات وفي العمليّات، أما قيم الصفات فلكل كائن قيمه:

1.7 فئة جاهزة: Turtle – מחלקה קיימת: Turtle

تأتي مع بايثون فئات جاهزة كثيرة. نبدأ بفئة نرى عملها بأعيننا: Turtle، أي السلحفاة. نتخيل سلحفاة صغيرة تمشي على الشاشة وتجرّ قلما، فترسم خطا حيث تمشي. كائن من هذه الفئة يظهر كسهم صغير، ونعطيه الأوامر فيتحرك.

نافذة Turtle هي مستوى ثنائي الأبعاد (מישור דו-ממדי) له محوران. النقطة (0, 0) في وسط النافذة، x يكبر نحو اليمين، وy يكبر نحو الأعلى. كل نقطة تُكتب (x, y)، وx أولا دائما. يولد الكائن في (0, 0) واتجاهه نحو اليمين. الأمران forward وbackward يحرّكانه في اتجاهه الحالي، والأمران right وleft يديرانه في مكانه، بالدرجات.

برنامج Turtle الأول:

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(100)
print(pen.position())
turtle.done()

(100.00,0.00)

• import turtle يجلب الوحدة الجاهزة، ونكتبه مرة واحدة في بداية البرنامج.
• pen = turtle.Turtle() ينشئ كائنا جديدا من الفئة Turtle، ويعطيه الاسم pen. الاسم من اختيارنا. turtle بحرف صغير هي الوحدة، وTurtle بحرف كبير هي الفئة التي في داخلها.
• pen.forward(100) نعطي بها الكائن أمرا: اسم الكائن، نقطة، اسم العمليّة، وبين القوسين ما تحتاج إليه. هنا يتقدم الكائن 100 خطوة.
• print(pen.position()) نسأل الكائن أين هو، ونطبع الجواب.
• turtle.done() يبقي النافذة مفتوحة حتى نغلقها. من دونه قد تُغلق النافذة، في بعض البيئات، فور انتهاء البرنامج ولا نلحق أن نرى الرسم.

الحركة والدوران:

الدوران نفسه لا يرسم شيئا ولا يغيّر الموقع: left تغيّر الاتجاه فقط، والتقدم بعدها يكون في الاتجاه الجديد. والأمر backward يعيد الكائن إلى الخلف على الخط نفسه من دون أن يدور، ولذلك يبقى السهم متجها نحو الأعلى:

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(100)
pen.left(90)
pen.forward(50)
pen.backward(20)
print(pen.position())
turtle.done()

(100.00,30.00)

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(100)
pen.right(90)
pen.forward(100)
pen.right(90)
pen.forward(100)
pen.right(90)
pen.forward(100)
pen.right(90)
turtle.done()

رفع القلم واللون:

الأمر penup يرفع القلم، فيتحرك الكائن بعده من دون أن يرسم، والأمر pendown يعيده إلى الورقة. ولهما اسمان أقصر: up وdown. والأمر color يغيّر لون القلم، واسم اللون جملة نصية بالإنجليزية بين علامتي اقتباس، ويسري على كل ما يُرسم بعده. نرسم بها تدريجا بلونين:

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.color("green")
pen.forward(80)
pen.penup()
pen.forward(15)
pen.pendown()
pen.color("red")
pen.forward(40)
pen.up()
pen.forward(15)
pen.down()
pen.forward(40)
turtle.done()

الانتقال إلى نقطة:

الأمر goto(x, y) ينقل الكائن مباشرة إلى النقطة (x, y) في خط مستقيم، من دون أن يغيّر اتجاهه. وهو مريح عندما نعرف الإحداثيات، إذ لا نحتاج إلى حساب أي زاوية:

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.goto(50, 50)
pen.goto(100, 0)
pen.goto(150, 50)
pen.goto(200, 0)
print(pen.position())
turtle.done()

(200.00,0.00)

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(50)
pen.left(90)
pen.forward(30)
pen.backward(10)
print(pen.position())
turtle.done()

1.8 قراءة واجهة بسيطة لفئة – קריאת ממשק פשוט של מחלקה

كي نستعمل المقياس المتعدد لا نحتاج إلى أن نعرف ما في داخله. يكفي أن نعرف الأزرار والمآخذ. وهكذا الفئة الجاهزة.

ما تحتاج إليه العمليّة بين القوسين يسمى الوسيط (פרמטר)، ونحن نكتب هناك القيمة التي نعطيها له. هذه واجهة ما تعلمناه حتى الآن من الفئة Turtle:

نقرأ كل سطر بثلاثة أسئلة. كم وسيطا تحتاج العمليّة؟ من أي نوع؟ وهل تفعل شيئا أم تعيد قيمة؟ العمليّة forward تحرّك الكائن ولا تعيد لنا شيئا. والعمليّة position لا تحرّك شيئا، بل تعيد قيمة، وإذا لم نستعمل هذه القيمة ضاعت. لذلك لا يطبع السطر الرابع في البرنامج الأول أدناه شيئا، والذي يطبع هو الخامس.

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(80)
pen.position()
print(pen.position())
turtle.done()

(80.00,0.00)

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward
print(pen.position())
turtle.done()

(0.00,0.00)

واسم مختلف بحرف واحد، أو قيمة من نوع آخر نعطيها للوسيط، يوقفان البرنامج. العمليّة تطلب عددا، والجملة النصية "100" ليست عددا، ولذلك تبدأ رسالة الخطأ الثانية بالكلمة TypeError، أي خطأ في نوع القيمة، وبقيتها تصف الحساب الداخلي الذي فشل:

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.Forward(100)

AttributeError: 'Turtle' object has no attribute 'Forward'. Did you mean: 'forward'?

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward("100")

TypeError: can't multiply sequence by non-int of type 'float'

الفائدة الحقيقية من قراءة الواجهة أننا نستطيع أن نستعمل عمليّة لم نرها من قبل. هذه عمليّات أخرى من الواجهة نفسها:

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.pensize(2)
pen.circle(40)
pen.up()
pen.goto(-28, 12)
pen.down()
pen.goto(28, 68)
pen.up()
pen.goto(-28, 68)
pen.down()
pen.goto(28, 12)
pen.up()
pen.goto(50, 30)
pen.write("Lamp")
pen.hideturtle()
turtle.done()

1.9 إنشاء كائنات جديدة – יצירת עצמים חדשים

في كل مرة نستدعي turtle.Turtle() تولد نسخة جديدة. ولكل كائن موقعه واتجاهه ولونه، فالأمر الذي نعطيه لكائن لا يؤثر في غيره. اسم الكائن قبل النقطة هو الذي يحدد من ينفّذ:

import turtle
pen_a = turtle.Turtle()
pen_b = turtle.Turtle()
pen_a.color("red")
pen_b.color("blue")
pen_a.forward(100)
pen_b.left(90)
pen_b.forward(60)
print(pen_a.position())
print(pen_b.position())
turtle.done()

(100.00,0.00)
(0.00,60.00)

import turtle
clock = turtle.Turtle()
clock.color("blue")
clock.up()
clock.goto(4, 68)
clock.write("CLK")
clock.goto(0, 60)
clock.down()
clock.goto(0, 90)
clock.goto(40, 90)
clock.goto(40, 60)
clock.goto(80, 60)
clock.goto(80, 90)
clock.goto(120, 90)
clock.goto(120, 60)
clock.goto(160, 60)
clock.hideturtle()
data = turtle.Turtle()
data.color("red")
data.up()
data.goto(4, 6)
data.write("DATA")
data.goto(0, 0)
data.down()
data.goto(80, 0)
data.goto(80, 30)
data.goto(160, 30)
data.hideturtle()
turtle.done()

import turtle
pen_a = turtle.Turtle()
pen_b = pen_a
pen_a.forward(100)
pen_b.left(90)
pen_b.forward(50)
print(pen_a.position())
print(pen_b.position())
turtle.done()

(100.00,50.00)
(100.00,50.00)

import turtle
pen_a = turtle.Turtle()
pen_b = turtle.Turtle()
pen_a.goto(40, 40)
pen_b.backward(30)
pen_a.forward(10)
print(pen_a.position())
print(pen_b.position())
turtle.done()

import turtle

panel = turtle.Turtle()
panel.color("blue")
panel.pensize(2)
panel.up()
panel.goto(-200, 125)
panel.write("PANEL")
panel.goto(-200, 60)
panel.down()
panel.goto(-100, 60)
panel.goto(-100, 120)
panel.goto(-200, 120)
panel.goto(-200, 60)
panel.up()
panel.goto(-150, 60)
panel.down()
panel.goto(-150, 120)
panel.hideturtle()

wire = turtle.Turtle()
wire.up()
wire.goto(-100, 90)
wire.down()
wire.goto(120, 90)
wire.up()
wire.goto(-150, 60)
wire.down()
wire.goto(-150, -30)
wire.goto(150, -30)
wire.goto(150, 60)
wire.up()
wire.goto(0, 90)
wire.dot(8)
wire.down()
wire.goto(0, 35)
wire.up()
wire.goto(0, -30)
wire.dot(8)
wire.down()
wire.goto(0, 25)
wire.hideturtle()

cell = turtle.Turtle()
cell.color("red")
cell.pensize(3)
cell.up()
cell.goto(-25, 35)
cell.down()
cell.goto(25, 35)
cell.up()
cell.goto(-12, 25)
cell.down()
cell.goto(12, 25)
cell.up()
cell.goto(32, 24)
cell.write("BATTERY")
cell.hideturtle()

gauge = turtle.Turtle()
gauge.color("green")
gauge.pensize(2)
gauge.up()
gauge.goto(150, 60)
gauge.down()
gauge.circle(30)
gauge.up()
gauge.goto(150, 90)
gauge.down()
gauge.goto(168, 110)
gauge.up()
gauge.goto(125, 126)
gauge.write("GAUGE")
gauge.hideturtle()

turtle.done()

أهمّ أفكار الفصل:

• الحاسوب ينفّذ أوامر بسيطة بسرعة هائلة وبلا فهم، والتفكير في الحل علينا.
• نحلّل المهمة قبل الشيفرة: المعطى، المطلوب، ثم خطوات لا تحتمل معنيين.
• العمل على برنامج دورة: كتابة، تشغيل، فحص وتصحيح. البرنامج الذي لا يشكو ليس بالضرورة صحيحا.
• الفئة وصف عام، والكائن نسخة محددة منها لها قيم صفاتها.
• الواجهة تقول لنا كيف نستعمل فئة من دون أن نعرف ما في داخلها.
• كل استدعاء turtle.Turtle() يولد كائنا جديدا مستقلا.

ملخّص أوامر الفصل:

قاموس المصطلحات – מילון מונחים:

print("Solar panel")
print("Battery")
print("Gauge")

أسئلة للتمرين:

print("9 * 9")
print(9 * 9)
print()
print("Done", 9 + 9)

Print("Lab 3")
print("Voltage: 5 V)
    print("End")

print("Lab 3")
print("Voltage: 5 V")
print("End")

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(80)
pen.left(90)
pen.forward(40)
pen.right(90)
pen.forward(80)
pen.right(90)
pen.forward(40)
print(pen.position())
turtle.done()

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(120)
pen.left(90)
pen.forward(60)
pen.left(90)
pen.forward(120)
pen.left(90)
pen.forward(60)
turtle.done()

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.left(90)
pen.forward(30)
pen.up()
pen.forward(20)
pen.down()
pen.forward(30)
pen.up()
pen.forward(20)
pen.down()
pen.forward(30)
print(pen.position())
turtle.done()

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.up()
pen.dot(30, "red")
pen.forward(50)
pen.dot(30, "orange")
pen.forward(50)
pen.dot(30, "green")
pen.hideturtle()
turtle.done()

import turtle
plus = turtle.Turtle()
minus = turtle.Turtle()
plus.color("red")
minus.color("black")
plus.up()
plus.goto(0, 40)
plus.down()
plus.goto(120, 40)
plus.goto(120, 25)
minus.goto(120, 0)
minus.goto(120, 15)
print(plus.position())
print(minus.position())
turtle.done()

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.pensize(4)
pen.up()
pen.goto(0, 100)
pen.down()
pen.goto(50, 100)
pen.goto(50, 50)
pen.goto(0, 50)
pen.goto(0, 0)
pen.goto(50, 0)
pen.hideturtle()
turtle.done()

import turtle
pen = turtle.Turtle()
pen.forward(60)
pen.left(60)
pen.forward(60)
pen.left(60)
pen.forward(60)
pen.left(60)
pen.forward(60)
pen.left(60)
pen.forward(60)
pen.left(60)
pen.forward(60)
pen.left(60)
turtle.done()