使用 Python 打造化学元素合成模拟游戏：元素大师

技术准备

在开始编码之前，我们需要准备开发环境和相关工具。以下是开发 元素大师 所需的技术栈和资源。

1. 技术栈

编程语言：Python 3.x（推荐 3.8 或更高版本）。
核心库：

random：生成随机事件，如实验失败或新任务。
time：控制游戏节奏和实验时间。
json：保存和加载游戏状态。
pygame（可选）：用于图形界面和反应可视化。

数据存储：

使用字典存储元素和反应规则。
列表存储任务、库存和实验室状态。

用户界面：基于命令行界面（CLI）显示元素、任务和交互，图形界面作为扩展。
依赖安装：

random、time 和 json 是 Python 标准库，无需额外安装。
pygame（可选）：pip install pygame。

2. 开发环境

确保已安装 Python（可从 python.org 下载）。推荐使用 Visual Studio Code 或 PyCharm 作为开发工具，提供代码补全和调试支持。本游戏的核心版本基于 CLI，扩展部分引入图形界面。项目结构如下：

element_synthesis_game/
├── main.py           # 主程序入口
└── game.py           # 游戏逻辑模块

3. 游戏目标

玩家将扮演化学家，目标是在 30 个回合（模拟 30 天）内完成所有实验任务，解锁所有反应并提升实验室等级。游戏采用回合制，每回合代表一天，玩家需要：

合成元素：组合基础元素生成新元素或化合物。
完成任务：合成指定目标，获得能量点和声誉。
升级实验室：提升设备等级，解锁高级反应。
管理资源：平衡能量、时间和元素库存。
应对事件：处理实验失败或设备故障。

游戏设计与核心功能

1. 游戏结构

我们将游戏分解为多个模块，使用类和函数封装功能，确保代码清晰且易于维护。以下是核心设计：

Element 类：表示化学元素或化合物，包含名称和属性。
Reaction 类：定义合成反应规则，如“氢 + 氧 → 水”。
Lab 类：管理实验室状态，包括设备等级和能量。
Game 类：管理游戏状态、任务、库存和主循环。
算法：

合成检查：验证元素组合是否符合反应规则。
任务分配：生成随机任务，引导玩家探索反应。

数据结构：

元素库存：字典存储元素名称和数量。
反应规则：字典映射元素组合到产物。
任务：列表存储目标元素和奖励。
游戏状态：实验室等级、能量、声誉和回合数。

2. 核心代码实现

以下是游戏的完整代码框架，我们将逐一讲解每个模块的实现细节。

2.1 元素类：Element

Element 类定义化学元素或化合物的属性。

# game.py
class Element:def __init__(self, name, category, energy_cost):"""初始化元素"""self.name = name  # 元素或化合物名称self.category = category  # Basic, Compoundself.energy_cost = energy_cost  # 合成所需能量

说明：

__init__：初始化元素名称、类别（基础/化合物）和合成能量成本。

2.2 反应类：Reaction

Reaction 类定义合成反应规则。

# game.py (续)
class Reaction:def __init__(self, reactants, product):"""初始化反应"""self.reactants = frozenset(reactants)  # 输入元素（不可变集合）self.product = product  # 输出元素

说明：

__init__：定义反应的输入元素和产物，使用 frozenset 确保组合顺序无关。

2.3 实验室类：Lab

Lab 类管理实验室状态和合成操作。

# game.py (续)
class Lab:def __init__(self):"""初始化实验室"""self.level = 1  # 实验室等级self.energy = 100  # 初始能量self.inventory = {"Hydrogen": 10, "Oxygen": 10, "Carbon": 5}  # 初始库存self.reactions = self.create_reactions()self.unlocked_reactions = {frozenset(["Hydrogen", "Oxygen"]): "Water",frozenset(["Carbon", "Oxygen"]): "CarbonDioxide"}  # 已解锁反应def create_reactions(self):"""创建所有反应规则"""return [Reaction(["Hydrogen", "Oxygen"], "Water"),Reaction(["Carbon", "Oxygen"], "CarbonDioxide"),Reaction(["Water", "Carbon"], "Methane"),Reaction(["Water", "CarbonDioxide"], "Glucose")]def synthesize(self, elements):"""尝试合成元素"""key = frozenset(elements)if key not in self.unlocked_reactions:print("未知反应或未解锁！")return Falseproduct = self.unlocked_reactions[key]element_obj = next(e for e in self.create_elements() if e.name == product)if self.energy >= element_obj.energy_cost:for element in elements:if self.inventory.get(element, 0) <= 0:print(f"缺少 {element}！")return Falsefor element in elements:self.inventory[element] -= 1self.inventory[product] = self.inventory.get(product, 0) + 1self.energy -= element_obj.energy_costprint(f"合成成功：{elements} → {product}")return Trueprint("能量不足！")return Falsedef upgrade(self):"""升级实验室"""cost = self.level * 50if self.energy >= cost:self.energy -= costself.level += 1self.unlock_reactions()print(f"实验室升级到等级 {self.level}，花费 {cost} 能量。")else:print("能量不足，无法升级！")def unlock_reactions(self):"""解锁新反应"""available_reactions = [r for r in self.reactions if r.reactants not in self.unlocked_reactions]if self.level >= 2 and frozenset(["Water", "Carbon"]) not in self.unlocked_reactions:self.unlocked_reactions[frozenset(["Water", "Carbon"])] = "Methane"print("解锁反应：Water + Carbon → Methane")if self.level >= 3 and frozenset(["Water", "CarbonDioxide"]) not in self.unlocked_reactions:self.unlocked_reactions[frozenset(["Water", "CarbonDioxide"])] = "Glucose"print("解锁反应：Water + CarbonDioxide → Glucose")@staticmethoddef create_elements():"""创建所有元素"""return [Element("Hydrogen", "Basic", 10),Element("Oxygen", "Basic", 10),Element("Carbon", "Basic", 15),Element("Water", "Compound", 20),Element("CarbonDioxide", "Compound", 25),Element("Methane", "Compound", 30),Element("Glucose", "Compound", 40)]

说明：

__init__：初始化实验室等级、能量、库存和已解锁反应。
create_reactions：定义所有反应规则。
synthesize：验证元素组合，消耗库存和能量，生成产物。
upgrade：消耗能量提升实验室等级，解锁新反应。
unlock_reactions：根据等级解锁高级反应。
create_elements：定义元素及其属性。

2.4 任务类：Task

Task 类定义实验任务。

# game.py (续)
class Task:def __init__(self, id, target_element, reward_energy, reward_reputation):"""初始化任务"""self.id = idself.target_element = target_elementself.reward_energy = reward_energyself.reward_reputation = reward_reputation

说明：

__init__：初始化任务 ID、目标元素和奖励。

2.5 游戏类：Game

Game 类管理游戏状态和逻辑。

# game.py (续)
import random
import time
import jsonclass Game:def __init__(self):"""初始化游戏"""self.lab = Lab()self.tasks = []self.reputation = 50  # 初始声誉self.turn = 0self.max_turns = 30self.game_over = Falsedef run(self):"""游戏主循环"""print("欢迎来到《元素大师》！目标：在 30 天内完成所有任务并解锁所有反应。")while not self.game_over:self.display_state()self.generate_tasks()action = self.get_action()if action == "synthesize":self.synthesize_elements()elif action == "upgrade_lab":self.lab.upgrade()elif action == "complete_task":self.complete_task()elif action == "save_game":self.save_game()elif action == "load_game":self.load_game()elif action == "end_turn":self.end_turn()if self.check_win():print("恭喜！你完成了所有任务并解锁所有反应！")self.game_over = Trueif self.check_lose():print("游戏结束。未能在 30 天内达成目标，或声誉过低。")self.game_over = Truetime.sleep(1)def display_state(self):"""显示游戏状态"""print(f"\n天数 {self.turn + 1}")print(f"实验室等级: {self.lab.level}")print(f"能量: {self.lab.energy}")print(f"声誉: {self.reputation}")print("库存:", {k: v for k, v in self.lab.inventory.items() if v > 0})print("任务:", [f"ID {t.id}: 合成 {t.target_element}, 奖励 {t.reward_energy} 能量, {t.reward_reputation} 声誉" for t in self.tasks])print("已解锁反应:", [f"{list(k)} → {v}" for k, v in self.lab.unlocked_reactions.items()])def get_action(self):"""获取玩家行动"""print("\n你想做什么？")print("1. 合成元素")print("2. 升级实验室")print("3. 完成任务")print("4. 保存游戏")print("5. 加载游戏")print("6. 结束天数")choice = input("输入选项 (1-6): ")actions = {"1": "synthesize","2": "upgrade_lab","3": "complete_task","4": "save_game","5": "load_game","6": "end_turn"}return actions.get(choice, self.get_action())def synthesize_elements(self):"""合成元素"""print("可用元素:", self.lab.inventory)elements = input("输入要合成的元素（用空格分隔）: ").split()if self.lab.synthesize(elements):self.random_event()def generate_tasks(self):"""生成随机任务"""if random.random() < 0.7:  # 70% 几率生成任务task_id = len(self.tasks) + 1available_elements = [e.name for e in self.lab.create_elements() if e.name in self.lab.unlocked_reactions.values()]if available_elements:target = random.choice(available_elements)reward_energy = random.randint(20, 50)reward_reputation = random.randint(5, 15)self.tasks.append(Task(task_id, target, reward_energy, reward_reputation))print(f"新任务 ID {task_id}: 合成 {target}, 奖励 {reward_energy} 能量, {reward_reputation} 声誉")def complete_task(self):"""完成任务"""if not self.tasks:print("没有可用任务！")returnprint("可用任务：")for task in self.tasks:print(f"ID {task.id}: 合成 {task.target_element}, 奖励 {task.reward_energy} 能量, {task.reward_reputation} 声誉")try:task_id = int(input("输入任务 ID: "))task = next((t for t in self.tasks if t.id == task_id), None)if not task:print("无效任务 ID！")returnif self.lab.inventory.get(task.target_element, 0) > 0:self.lab.inventory[task.target_element] -= 1self.lab.energy += task.reward_energyself.reputation += task.reward_reputationself.tasks.remove(task)print(f"任务 ID {task_id} 完成！获得 {task.reward_energy} 能量, {task.reward_reputation} 声誉")else:print(f"库存中缺少 {task.target_element}！")except ValueError:print("输入错误，请重试。")def random_event(self):"""随机事件"""event = random.choice(["None", "ExperimentFailure", "EquipmentFailure"])if event == "ExperimentFailure":cost = random.randint(5, 15)self.lab.energy -= costprint(f"实验失败，损失 {cost} 能量！")elif event == "EquipmentFailure":cost = self.lab.level * 20if self.lab.energy >= cost:self.lab.energy -= costprint(f"设备故障，维修费用 {cost} 能量。")else:print("设备故障未修，声誉下降！")self.reputation -= 5def save_game(self):"""保存游戏状态"""state = {"turn": self.turn,"reputation": self.reputation,"lab": {"level": self.lab.level,"energy": self.lab.energy,"inventory": self.lab.inventory,"unlocked_reactions": {str(list(k)): v for k, v in self.lab.unlocked_reactions.items()}},"tasks": [{"id": t.id, "target_element": t.target_element, "reward_energy": t.reward_energy, "reward_reputation": t.reward_reputation} for t in self.tasks]}with open("savegame.json", "w") as f:json.dump(state, f)print("游戏已保存！")def load_game(self):"""加载游戏状态"""try:with open("savegame.json", "r") as f:state = json.load(f)self.turn = state["turn"]self.reputation = state["reputation"]self.lab.level = state["lab"]["level"]self.lab.energy = state["lab"]["energy"]self.lab.inventory = state["lab"]["inventory"]self.lab.unlocked_reactions = {frozenset(eval（k)): v for k, v in state["lab"]["unlocked_reactions"].items()}self.tasks = [Task(t["id"], t["target_element"], t["reward_energy"], t["reward_reputation"]) for t in state["tasks"]]print("游戏已加载！")except FileNotFoundError:print("没有找到存档文件！")def end_turn(self):"""结束当前天数"""self.turn += 1self.lab.energy += 10  # 每日恢复能量for task in self.tasks[:]:if random.random() < 0.2:  # 20% 几率任务过期print(f"任务 ID {task.id} 过期，声誉下降！")self.reputation -= 5self.tasks.remove(task)self.random_event()def check_win(self):"""检查胜利条件"""return len(self.lab.unlocked_reactions) >= 4 and not self.tasksdef check_lose(self):"""检查失败条件"""return self.turn > self.max_turns or self.reputation < 0

说明：

__init__：初始化实验室、任务、声誉和回合数。
run：游戏主循环，显示状态、生成任务、处理行动。
display_state：显示实验室等级、能量、库存、任务和反应。
get_action：提供交互菜单，返回玩家选择。
synthesize_elements：输入元素组合，调用实验室合成。
generate_tasks：随机生成任务，要求合成特定元素。
complete_task：检查库存，完成任务并获得奖励。
random_event：处理实验失败或设备故障。
save_game 和 load_game：保存和加载游戏状态。
end_turn：推进天数，恢复能量，处理任务过期。
check_win 和 check_lose：检查是否解锁所有反应和任务完成，或失败。

2.6 主程序：main.py

启动游戏的入口文件。

# main.py
from game import Gameif __name__ == "__main__":game = Game()game.run()

运行游戏

1. 启动游戏

在项目目录下运行：

python main.py

2. 游戏流程

初始化：

玩家从实验室等级 1、100 能量、50 声誉开始，库存包含 Hydrogen、Oxygen 和 Carbon。

每回合行动：

显示状态：查看实验室等级、能量、库存、任务和反应。
合成元素：选择元素组合，尝试生成新产物。
升级实验室：消耗能量提升等级，解锁新反应。
完成任务：提交目标元素，获得能量和声誉。
保存/加载：保存进度或恢复游戏。
结束天数：恢复能量，处理随机事件和任务过期。

游戏结束：

解锁所有反应并完成任务胜利，超过 30 天或声誉为负失败。

3. 示例运行

欢迎来到《元素大师》！目标：在 30 天内完成所有任务并解锁所有反应。天数 1
实验室等级: 1
能量: 100
声誉: 50
库存: {'Hydrogen': 10, 'Oxygen': 10, 'Carbon': 5}
任务: []
已解锁反应: [['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water, ['Carbon', 'Oxygen'] → CarbonDioxide]
新任务 ID 1: 合成 Water, 奖励 30 能量, 10 声誉你想做什么？
1. 合成元素
2. 升级实验室
3. 完成任务
4. 保存游戏
5. 加载游戏
6. 结束天数
输入选项 (1-6): 1可用元素: {'Hydrogen': 10, 'Oxygen': 10, 'Carbon': 5}
输入要合成的元素（用空格分隔）: Hydrogen Oxygen
合成成功：['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water天数 1
实验室等级: 1
能量: 90
声誉: 50
库存: {'Hydrogen': 9, 'Oxygen': 9, 'Carbon': 5, 'Water': 1}
任务: ['ID 1: 合成 Water, 奖励 30 能量, 10 声誉']
已解锁反应: [['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water, ['Carbon', 'Oxygen'] → CarbonDioxide]你想做什么？
1. 合成元素
2. 升级实验室
3. 完成任务
4. 保存游戏
5. 加载游戏
6. 结束天数
输入选项 (1-6): 3可用任务：
ID 1: 合成 Water, 奖励 30 能量, 10 声誉
输入任务 ID: 1
任务 ID 1 完成！获得 30 能量, 10 声誉天数 1
实验室等级: 1
能量: 120
声誉: 60
库存: {'Hydrogen': 9, 'Oxygen': 9, 'Carbon': 5}
任务: []
已解锁反应: [['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water, ['Carbon', 'Oxygen'] → CarbonDioxide]你想做什么？
1. 合成元素
2. 升级实验室
3. 完成任务
4. 保存游戏
5. 加载游戏
6. 结束天数
输入选项 (1-6): 2实验室升级到等级 2，花费 50 能量。
解锁反应：Water + Carbon → Methane天数 1
实验室等级: 2
能量: 70
声誉: 60
库存: {'Hydrogen': 9, 'Oxygen': 9, 'Carbon': 5}
任务: []
已解锁反应: [['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water, ['Carbon', 'Oxygen'] → CarbonDioxide, ['Water', 'Carbon'] → Methane]你想做什么？
1. 合成元素
2. 升级实验室
3. 完成任务
4. 保存游戏
5. 加载游戏
6. 结束天数
输入选项 (1-6): 6天数结束，恢复 10 能量。
天数 2
实验室等级: 2
能量: 80
声誉: 60
库存: {'Hydrogen': 9, 'Oxygen': 9, 'Carbon': 5}
任务: []
已解锁反应: [['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water, ['Carbon', 'Oxygen'] → CarbonDioxide, ['Water', 'Carbon'] → Methane]
新任务 ID 2: 合成 Methane, 奖励 40 能量, 12 声誉你想做什么？
1. 合成元素
2. 升级实验室
3. 完成任务
4. 保存游戏
5. 加载游戏
6. 结束天数
输入选项 (1-6): 1可用元素: {'Hydrogen': 9, 'Oxygen': 9, 'Carbon': 5}
输入要合成的元素（用空格分隔）: Water Carbon
合成成功：['Water', 'Carbon'] → Methane
实验失败，损失 10 能量！天数 2
实验室等级: 2
能量: 60
声誉: 60
库存: {'Hydrogen': 9, 'Oxygen': 9, 'Carbon': 4, 'Methane': 1}
任务: ['ID 2: 合成 Methane, 奖励 40 能量, 12 声誉']
已解锁反应: [['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water, ['Carbon', 'Oxygen'] → CarbonDioxide, ['Water', 'Carbon'] → Methane]你想做什么？
1. 合成元素
2. 升级实验室
3. 完成任务
4. 保存游戏
5. 加载游戏
6. 结束天数
输入选项 (1-6): 3可用任务：
ID 2: 合成 Methane, 奖励 40 能量, 12 声誉
输入任务 ID: 2
任务 ID 2 完成！获得 40 能量, 12 声誉天数 2
实验室等级: 2
能量: 100
声誉: 72
库存: {'Hydrogen': 9, 'Oxygen': 9, 'Carbon': 4}
任务: []
已解锁反应: [['Hydrogen', 'Oxygen'] → Water, ['Carbon', 'Oxygen'] → CarbonDioxide, ['Water', 'Carbon'] → Methane]

分析：

第一天合成 Water，消耗 Hydrogen 和 Oxygen，完成任务 1。
升级实验室到等级 2，解锁 Methane 反应。
第二天合成 Methane，完成任务 2，尽管触发实验失败事件。
声誉提升到 72，能量恢复到 100，继续游戏。

游戏机制详解

1. 元素合成

基础元素：Hydrogen、Oxygen、Carbon，初始库存丰富。
反应规则：

Hydrogen + Oxygen → Water
Carbon + Oxygen → CarbonDioxide
Water + Carbon → Methane（需等级 2）
Water + CarbonDioxide → Glucose（需等级 3）

消耗：每种元素消耗 1 单位，合成需要能量（10-40）。

2. 任务管理

生成：70% 几率生成任务，要求合成已解锁的化合物。
奖励：完成任务获得 20-50 能量和 5-15 声誉。
过期：20% 几率任务过期，声誉 -5。

3. 实验室管理

等级：初始 1 级，升级解锁新反应（等级 2：Methane，等级 3：Glucose）。
能量：合成、升级和维修消耗能量，每日恢复 10。
库存：管理基础元素和化合物，完成任务消耗产物。

4. 随机事件

实验失败：损失 5-15 能量。
设备故障：维修消耗等级 × 20 能量，未修声誉 -5。

5. 胜利与失败

胜利：解锁所有 4 种反应并完成所有任务。
失败：超过 30 天或声誉低于 0。

游戏扩展与优化

当前版本是一个功能完整的化学合成游戏原型，我们可以通过以下方式增强游戏性、技术实现和教育价值。

1. 游戏性增强

新反应：增加更复杂的化学反应，如有机合成。
元素属性：引入摩尔质量、化学性质影响合成。
任务类型：添加多步合成任务或限时任务。
库存补充：允许购买或采集基础元素。

示例代码：多步任务

class Task:def __init__(self, id, target_element, reward_energy, reward_reputation, steps=1):self.id = idself.target_element = target_elementself.reward_energy = reward_energyself.reward_reputation = reward_reputationself.steps = steps  # 合成步骤数class Game:# ... 其他方法保持不变 ...def generate_tasks(self):if random.random() < 0.7:task_id = len(self.tasks) + 1available_elements = [e.name for e in self.lab.create_elements() if e.name in self.lab.unlocked_reactions.values()]if available_elements:target = random.choice(available_elements)reward_energy = random.randint(20, 50)reward_reputation = random.randint(5, 15)steps = 2 if target == "Glucose" else 1self.tasks.append(Task(task_id, target, reward_energy, reward_reputation, steps))print(f"新任务 ID {task_id}: 合成 {target} ({steps} 步), 奖励 {reward_energy} 能量, {reward_reputation} 声誉")def complete_task(self):if not self.tasks:print("没有可用任务！")returnprint("可用任务：")for task in self.tasks:print(f"ID {task.id}: 合成 {task.target_element} ({task.steps} 步), 奖励 {task.reward_energy} 能量, {task.reward_reputation} 声誉")try:task_id = int(input("输入任务 ID: "))task = next((t for t in self.tasks if t.id == task_id), None)if not task:print("无效任务 ID！")returnrequired = task.stepsif self.lab.inventory.get(task.target_element, 0) >= required:self.lab.inventory[task.target_element] -= requiredself.lab.energy += task.reward_energyself.reputation += task.reward_reputationself.tasks.remove(task)print(f"任务 ID {task_id} 完成！获得 {task.reward_energy} 能量, {task.reward_reputation} 声誉")else:print(f"库存中缺少 {task.target_element} 或数量不足（需 {required} 单位）！")except ValueError:print("输入错误，请重试。")

实现效果：

Glucose 任务要求 2 单位产物，增加挑战性。
奖励和难度匹配，鼓励多步合成。

2. 技术优化

图形界面：使用 Pygame 显示实验室、元素和反应动画。
存档加密：防止玩家修改存档文件。
反应可视化：展示化学反应的分子结构。

示例代码：Pygame 界面

import pygameclass GameWithGUI(Game):def __init__(self):super().__init__()pygame.init()self.screen = pygame.display.set_mode((800, 600))pygame.display.set_caption("元素大师")self.font = pygame.font.Font(None, 36)self.element_positions = {"Hydrogen": (100, 100), "Oxygen": (200, 100), "Carbon": (300, 100),"Water": (100, 200), "CarbonDioxide": (200, 200), "Methane": (300, 200),"Glucose": (200, 300)}def display_state(self):"""使用 Pygame 显示状态"""self.screen.fill((255, 255, 255))# 绘制元素库存for element, count in self.lab.inventory.items():if count > 0:pos = self.element_positions.get(element, (400, 100))pygame.draw.circle(self.screen, (0, 0, 255), pos, 20)text = self.font.render(f"{element}: {count}", True, (0, 0, 0))self.screen.blit(text, (pos[0] - 30, pos[1] + 30))# 显示状态texts = [f"天数: {self.turn + 1}",f"实验室等级: {self.lab.level}",f"能量: {self.lab.energy}",f"声誉: {self.reputation}",f"任务: {len(self.tasks)} 个"]for i, text in enumerate(texts):rendered = self.font.render(text, True, (0, 0, 0))self.screen.blit(rendered, (10, 400 + i * 30))pygame.display.flip()super().display_state()def run(self):print("欢迎来到《元素大师》！")running = Truewhile running and not self.game_over:self.display_state()for event in pygame.event.get():if event.type == pygame.QUIT:running = Falseaction = self.get_action()if action == "synthesize":self.synthesize_elements()elif action == "upgrade_lab":self.lab.upgrade()elif action == "complete_task":self.complete_task()elif action == "save_game":self.save_game()elif action == "load_game":self.load_game()elif action == "end_turn":self.end_turn()if self.check_win():print("恭喜！你完成了所有任务并解锁所有反应！")self.game_over = Trueif self.check_lose():print("游戏结束。未能在 30 天内达成目标，或声誉过低。")self.game_over = Truetime.sleep(1)pygame.quit()

实现效果：

显示元素库存（圆点表示元素，旁边标注数量）。
CLI 交互保留，状态在屏幕底部显示。

3. 教育模块

反应原理：显示化学方程式，如 2H₂ + O₂ → 2H₂O。
元素知识：介绍元素性质，如原子序数、周期表位置。
历史背景：讲述化学发现的故事。

示例代码：反应原理

class Lab:# ... 其他方法保持不变 ...def synthesize(self, elements):key = frozenset(elements)if key not in self.unlocked_reactions:print("未知反应或未解锁！")return Falseproduct = self.unlocked_reactions[key]element_obj = next(e for e in self.create_elements() if e.name == product)if self.energy >= element_obj.energy_cost:for element in elements:if self.inventory.get(element, 0) <= 0:print(f"缺少 {element}！")return Falsefor element in elements:self.inventory[element] -= 1self.inventory[product] = self.inventory.get(product, 0) + 1self.energy -= element_obj.energy_costequation = {frozenset(["Hydrogen", "Oxygen"]): "2H₂ + O₂ → 2H₂O",frozenset(["Carbon", "Oxygen"]): "C + O₂ → CO₂",frozenset(["Water", "Carbon"]): "CH₄ (Methane) formed via complex reaction",frozenset(["Water", "CarbonDioxide"]): "6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ (Photosynthesis)"}.get(key, "未知反应")print(f"合成成功：{elements} → {product} ({equation})")return Trueprint("能量不足！")return False

实现效果：

每次合成显示化学方程式，增强教育性。

游戏策略与玩法分析

1. 玩家策略

资源管理：优先合成高价值化合物，保留基础元素。
任务优先级：选择高奖励任务，避免过期。
实验室升级：尽早升级以解锁高级反应。
能量规划：平衡合成和升级的能量消耗。

2. 平衡性

初始资源：100 能量和基础元素，适合初期合成。
任务难度：简单任务（Water）到复杂任务（Glucose）。
随机事件：实验失败和设备故障增加挑战。
回合限制：30 天需高效规划。

3. 重玩价值

尝试不同合成顺序和任务优先级。
应对随机事件，优化资源管理。
解锁所有反应，探索化学知识。

总结与未来展望

通过这篇博文，您已经成功构建了一个化学元素合成模拟游戏 元素大师！这个项目展示了如何使用 Python 创建一个科学类游戏，涵盖化学模拟、资源管理和教育内容。以下是回顾和未来方向：

1. 收获

掌握了 Python OOP 和数据管理。
实现了化学反应模拟和任务系统。
体验了科学与策略的结合。

2. 未来扩展

图形化：完善 Pygame 界面，显示分子动画。
新反应：增加有机化学或核反应。
多人模式：支持合作合成或竞赛。
教育增强：融入更多化学知识和历史。

3. 动手实践

快去运行代码，探索化学世界吧！您可以尝试：

合成复杂化合物，完成高级任务。
优化能量和库存管理。
实现图形界面，提升用户体验。

希望这篇教程为您打开了化学合成游戏开发的大门！如果您有疑问或建议，请留言，我将进一步完善内容。祝您编程愉快，享受元素大师的科学之美！

附录：完整代码

以下是整合后的完整代码，分为 game.py 和 main.py，可直接运行。

game.py

import random
import time
import jsonclass Element:def __init__(self, name, category, energy_cost):self.name = nameself.category = categoryself.energy_cost = energy_costclass Reaction:def __init__(self, reactants, product):self.reactants = frozenset(reactants)self.product = productclass Task:def __init__(self, id, target_element, reward_energy, reward_reputation, steps=1):self.id = idself.target_element = target_elementself.reward_energy = reward_energyself.reward_reputation = reward_reputationself.steps = stepsclass Lab:def __init__(self):self.level = 1self.energy = 100self.inventory = {"Hydrogen": 10, "Oxygen": 10, "Carbon": 5}self.reactions = self.create_reactions()self.unlocked_reactions = {frozenset(["Hydrogen", "Oxygen"]): "Water",frozenset(["Carbon", "Oxygen"]): "CarbonDioxide"}def create_reactions(self):return [Reaction(["Hydrogen", "Oxygen"], "Water"),Reaction(["Carbon", "Oxygen"], "CarbonDioxide"),Reaction(["Water", "Carbon"], "Methane"),Reaction(["Water", "CarbonDioxide"], "Glucose")]def create_elements(self):return [Element("Hydrogen", "Basic", 10),Element("Oxygen", "Basic", 10),Element("Carbon", "Basic", 15),Element("Water", "Compound", 20),Element("CarbonDioxide", "Compound", 25),Element("Methane", "Compound", 30),Element("Glucose", "Compound", 40)]def synthesize(self, elements):key = frozenset(elements)if key not in self.unlocked_reactions:print("未知反应或未解锁！")return Falseproduct = self.unlocked_reactions[key]element_obj = next(e for e in self.create_elements() if e.name == product)if self.energy >= element_obj.energy_cost:for element in elements:if self.inventory.get(element, 0) <= 0:print(f"缺少 {element}！")return Falsefor element in elements:self.inventory[element] -= 1self.inventory[product] = self.inventory.get(product, 0) + 1self.energy -= element_obj.energy_costequation = {frozenset(["Hydrogen", "Oxygen"]): "2H₂ + O₂ → 2H₂O",frozenset(["Carbon", "Oxygen"]): "C + O₂ → CO₂",frozenset(["Water", "Carbon"]): "CH₄ (Methane) formed via complex reaction",frozenset(["Water", "CarbonDioxide"]): "6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ (Photosynthesis)"}.get(key, "未知反应")print(f"合成成功：{elements} → {product} ({equation})")return Trueprint("能量不足！")return Falsedef upgrade(self):cost = self.level * 50if self.energy >= cost:self.energy -= costself.level += 1self.unlock_reactions()print(f"实验室升级到等级 {self.level}，花费 {cost} 能量。")else:print("能量不足，无法升级！")def unlock_reactions(self):available_reactions = [r for r in self.reactions if r.reactants not in self.unlocked_reactions]if self.level >= 2 and frozenset(["Water", "Carbon"]) not in self.unlocked_reactions:self.unlocked_reactions[frozenset(["Water", "Carbon"])] = "Methane"print("解锁反应：Water + Carbon → Methane")if self.level >= 3 and frozenset(["Water", "CarbonDioxide"]) not in self.unlocked_reactions:self.unlocked_reactions[frozenset(["Water", "CarbonDioxide"])] = "Glucose"print("解锁反应：Water + CarbonDioxide → Glucose")class Game:def __init__(self):self.lab = Lab()self.tasks = []self.reputation = 50self.turn = 0self.max_turns = 30self.game_over = Falsedef run(self):print("欢迎来到《元素大师》！目标：在 30 天内完成所有任务并解锁所有反应。")while not self.game_over:self.display_state()self.generate_tasks()action = self.get_action()if action == "synthesize":self.synthesize_elements()elif action == "upgrade_lab":self.lab.upgrade()elif action == "complete_task":self.complete_task()elif action == "save_game":self.save_game()elif action == "load_game":self.load_game()elif action == "end_turn":self.end_turn()if self.check_win():print("恭喜！你完成了所有任务并解锁所有反应！")self.game_over = Trueif self.check_lose():print("游戏结束。未能在 30 天内达成目标，或声誉过低。")self.game_over = Truetime.sleep(1)def display_state(self):print(f"\n天数 {self.turn + 1}")print(f"实验室等级: {self.lab.level}")print(f"能量: {self.lab.energy}")print(f"声誉: {self.reputation}")print("库存:", {k: v for k, v in self.lab.inventory.items() if v > 0})print("任务:", [f"ID {t.id}: 合成 {t.target_element} ({t.steps} 步), 奖励 {t.reward_energy} 能量, {t.reward_reputation} 声誉" for t in self.tasks])print("已解锁反应:", [f"{list(k)} → {v}" for k, v in self.lab.unlocked_reactions.items()])def get_action(self):print("\n你想做什么？")print("1. 合成元素")print("2. 升级实验室")print("3. 完成任务")print("4. 保存游戏")print("5. 加载游戏")print("6. 结束天数")choice = input("输入选项 (1-6): ")actions = {"1": "synthesize","2": "upgrade_lab","3": "complete_task","4": "save_game","5": "load_game","6": "end_turn"}return actions.get(choice, self.get_action())def synthesize_elements(self):print("可用元素:", self.lab.inventory)elements = input("输入要合成的元素（用空格分隔）: ").split()if self.lab.synthesize(elements):self.random_event()def generate_tasks(self):if random.random() < 0.7:task_id = len(self.tasks) + 1available_elements = [e.name for e in self.lab.create_elements() if e.name in self.lab.unlocked_reactions.values()]if available_elements:target = random.choice(available_elements)reward_energy = random.randint(20, 50)reward_reputation = random.randint(5, 15)steps = 2 if target == "Glucose" else 1self.tasks.append(Task(task_id, target, reward_energy, reward_reputation, steps))print(f"新任务 ID {task_id}: 合成 {target} ({steps} 步), 奖励 {reward_energy} 能量, {reward_reputation} 声誉")def complete_task(self):if not self.tasks:print("没有可用任务！")returnprint("可用任务：")for task in self.tasks:print(f"ID {task.id}: 合成 {task.target_element} ({task.steps} 步), 奖励 {task.reward_energy} 能量, {task.reward_reputation} 声誉")try:task_id = int(input("输入任务 ID: "))task = next((t for t in self.tasks if t.id == task_id), None)if not task:print("无效任务 ID！")returnrequired = task.stepsif self.lab.inventory.get(task.target_element, 0) >= required:self.lab.inventory[task.target_element] -= requiredself.lab.energy += task.reward_energyself.reputation += task.reward_reputationself.tasks.remove(task)print(f"任务 ID {task_id} 完成！获得 {task.reward_energy} 能量, {task.reward_reputation} 声誉")else:print(f"库存中缺少 {task.target_element} 或数量不足（需 {required} 单位）！")except ValueError:print("输入错误，请重试。")def random_event(self):event = random.choice(["None", "ExperimentFailure", "EquipmentFailure"])if event == "ExperimentFailure":cost = random.randint(5, 15)self.lab.energy -= costprint(f"实验失败，损失 {cost} 能量！")elif event == "EquipmentFailure":cost = self.lab.level * 20if self.lab.energy >= cost:self.lab.energy -= costprint(f"设备故障，维修费用 {cost} 能量。")else:print("设备故障未修，声誉下降！")self.reputation -= 5def save_game(self):state = {"turn": self.turn,"reputation": self.reputation,"lab": {"level": self.lab.level,"energy": self.lab.energy,"inventory": self.lab.inventory,"unlocked_reactions": {str(list(k)): v for k, v in self.lab.unlocked_reactions.items()}},"tasks": [{"id": t.id, "target_element": t.target_element, "reward_energy": t.reward_energy, "reward_reputation": t.reward_reputation, "steps": t.steps} for t in self.tasks]}with open("savegame.json", "w") as f:json.dump(state, f)print("游戏已保存！")def load_game(self):try:with open("savegame.json", "r") as f:state = json.load(f)self.turn = state["turn"]self.reputation = state["reputation"]self.lab.level = state["lab"]["level"]self.lab.energy = state["lab"]["energy"]self.lab.inventory = state["lab"]["inventory"]self.lab.unlocked_reactions = {frozenset(eval（k)): v for k, v in state["lab"]["unlocked_reactions"].items()}self.tasks = [Task(t["id"], t["target_element"], t["reward_energy"], t["reward_reputation"], t["steps"]) for t in state["tasks"]]print("游戏已加载！")except FileNotFoundError:print("没有找到存档文件！")def end_turn(self):self.turn += 1self.lab.energy += 10for task in self.tasks[:]:if random.random() < 0.2:print(f"任务 ID {task.id} 过期，声誉下降！")self.reputation -= 5self.tasks.remove(task)self.random_event()def check_win(self):return len(self.lab.unlocked_reactions) >= 4 and not self.tasksdef check_lose(self):return self.turn > self.max_turns or self.reputation < 0

main.py

from game import Gameif __name__ == "__main__":game = Game()game.run()