1.1Python概述（课件）-《Python编程基础与应用》同步教学（清华大学出版社）

《Python编程基础与应用》 绪 论 第 1 章  2 学习目标： 了解Python 语言的发展、特点与应用 掌握Python 解释器的安装、编程环境的配置 掌握利用集成工具编写、运行Python 程序的方法 掌握Python 模块的安装与使用方法 熟悉面向对象程序turtle 绘图 思政内涵： Python 语言的发展体现了创新与共享精神，我国开发的北斗卫星导航系统 已向全球提供服务，展现了中国的科技创新与共享精神，是科技强国的重大成 果。广大学子要勇于开拓，敢于创新，树立忠于祖国、勇攀科学高峰、报效国 家的理想信念。 3 1.1 Python 概述 1.1.1 Python 的发展 1989 年，荷兰人吉多 • 范罗苏姆(Guido van Rossum)在圣诞节休假期间，为 了打发时间，决定开发一门解释型编程语言。由于吉多是英国蒙提 • 派森 (MontyPython)喜剧团的忠实粉丝，于是他把开发的语言取名为Python，从此， 宣告了一门优秀计算机语言的诞生。 吉多设计Python 语言的灵感来自开发ABC 语言的积累，他是 ABC 语言设 计团队的一名成员。ABC 语言是NWO(荷兰科学研究组织)旗下CWI(荷兰国家 数学与计算机科学研究中心)主导研发的一种交互式、结构化高级语言，旨在替 代BASIC、Pascal 等语言。吉多认为 ABC 语言非常优美而强大，但是其最终却 没有流行起来。就吉多本人看来，ABC 失败的原因是它作为一门高级语言出现 得为时过早，并且平台迁移能力弱，难以添加新功能。另外，ABC 语言过于专 4 注于编程初学者，没有把有经验的编程人员纳入其中。吉多通过Python 解决了 这些问题，使得拓展模块的编写非常容易，并且可以在多平台运行。Python 实 现了他的愿景，即在C 和Shell 之间创建一种全功能、易学、可扩展的语言。 1991 年，Python 第一个公开发行版本发行。 2000 年 10 月，发布Python 2.0 版本。 2001 年 3 月，Python 软件基金会(Python Software Foundation，PSF)在美国 特拉华州成立。PSF 是致力于推进Python 编程语言的开源技术的非营利性组织。 2008 年 12 月，发布 Python 3.0 版本，形成了 Python 2 和Python 3 双线发展 的格局。 2011 年 1 月，Python 被TIOBE 编程语言排行榜评为 2010 年度语言。 2014 年 11 月，Python 组织宣布在稳定版本Python 2.7 后，于 2020 年起停 止支持Python 2，并将专注于Python 3 的发展。 2021 年 12 月，Python 在TIOBE 编程语言排行榜升至第一名。 5 2022 年 12 月，Python 继续保持在TIOBE 编程语言排行榜第一名的位置。 Python 已经成为较受欢迎的程序设计语言。在当前数字时代，数据科学、 人工智能蓬勃发展，Python 更是数据分析和人工智能领域的首选语言。越来越 多的研究机构选择使用Python 进行科学计算，一些知名大学也已经采用 Python 来教授程序设计课程。例如，哈佛大学的计算机课程 CS50、卡内基梅隆大学的 编程基础、麻省理工学院的计算机科学及编程导论课程等都使用Python 语言。 Python 的特点 简单易学 Python 的设计理念是优雅、明确、简单。Python 有极其简单的语法，使用 户能够专注于解决问题而不是去搞明白语言本身。 免费开源 Python 是自由/开放源码软件之一。用户可以自由地发布该软件的副本，使用 6 和改动它的源代码或将其中一部分用于新的自由软件中。正是这种开源和共享的 特性促进了Python 的快速发展。 高级解释性语言 Python 语言是一门高级编程语言，Python 解释器先把源代码转换成字节码 的中间形式，然后把它翻译成计算机使用的机器语言并运行。程序员在开发时 无须考虑底层细节。 面向对象 Python 既支持像C 语言一样面向过程的编程，也支持如 C++、Java 语言一样 面向对象的编程。 可移植性 Python 可在Linux、Windows、FreeBSD、Macintosh、Solaris、OS/2 和Android 等平台上运行。 7 6. 可扩展性 Python 提供丰富的应用程序接口、模块和工具，使得程序员可以轻松地使 用C、C++语言来编写扩充模块。 可嵌入性 Python 程序可以嵌入C、C++、Matlab 程序，从而向用户提供脚本。 丰富的库 Python 具有丰富的标准库和第三方库，可以处理各个领域的问题。 1.1.3 Python 的应用 Python 已经形成了全球最大的编程计算生态体系，在科学研究、工业生产、 金融投资和商务办公等方面都得到了广泛应用。 8 科学计算与数据分析 Python 被广泛运用在科学计算和数据分析中。例如，Numpy、Scipy 等Python 扩展工具，经常被应用于生物信息学、物理、建筑、地理信息系统、图像可视 化分析、生命科学等领域。 人工智能与机器学习 当前具有较大影响力的人工智能框架 TensorFlow、PyTorch 都提供了Python 支持，一些机器学习方向、深度学习方向和自然语言处理方向的网站基本都是 通过Python 实现的。 系统网络运维 在运维工作中有大量的重复性工作，需要采用管理系统、监控系统、发布 系统等实现自动化，提高工作效率。在这样的场景下，Python 是一门很合适的 用于网络运维的语言。 9 4. 常规软件开发 Python 支持函数式编程和面向对象程序设计，能够承担各种类型软件的开 发工作。 图形用户界面 Python 带有图形用户界面（GUI）开发模块，可以很好地支持应用程序图 形用户界面开发。 数据库编程 程序员可通过遵循 Python DB-API 规范的模块与 Microsoft SQL Server、 Oracle、Sybase、DB2、MySQL、SQLite 等数据库通信。 网络编程 Python 可提供丰富的网络模块，能方便、快速地开发分布式应用程序。很 多大规模软件开发计划(如Zope、BitTorrent、Google)都在广泛地使用它。 10 8. 网络爬虫 网络爬虫是大数据行业获取数据的核心工具。能够编写网络爬虫的编程语 言有很多，但 Python 绝对是其中的主流语言。 9. Web 应用开发 Python 具有一些优秀的 Web 框架，如Django、Flask 等。很多大型网站都 使用基于Python 的 Web 框架开发，如百度、豆瓣等。 1.2 Python 开发环境 Python 可以在Windows、Linux、Mac 等操作系统中运行，在不同的操作系 统中安装Python 的方法是不同的，Python 的开发环境也有很多种，本节介绍在 Windows 系统中安装 Python 官方标准版开发环境、PyCharm 集成开发环境、 Python 的第三方发行版Anaconda 开发环境和基于 Web 的在线开发环境。 1 章 绪 论 11 1.2.1 Python 官方标准版开发环境 Python 的官方网址是https://www.python.org，进入官网主页，在 Downloads 菜单中，可以下载 Python 的最新版和各个历史版本开发环境；在 Documentation 菜单中，可以下载Python 的文档、教程和指南等。操作步骤如下。 (1) 进入Python 的下载页面(见图 1.1)。选择 Windows 平台安装包，选择需 要的 Python 版本。本书采用 Python 3.11.1 版本。下载后的安装包文件名是 python-3.11.1-amd64.exe。 图 1.1 Python 下载页面 12 (2) 双击安装包python-3.11.1-amd64.exe，进入 Python 解释器安装界面(见图 1.2)，按照提示进行安装即可。 图 1.2 Python 解释器安装界面 1.2.2 第一个Python 程序 Python 安装成功后，进入 Windows 10 操作系统开始菜单。单击 Python 3.11 文件夹图标，可以看到文件夹中有 4 个文件，第一个IDLE(Python 3.11 64-bit) 是 Python 集成开发环境，第二个Python 3.11(64-bit)是Python 交互模式执行文件， 第三个 Python 3.11 Manuals(64-bit) 是 Python 使用手册， 第四个 Python 3.11 Module Docs(64-bit)是Python 模块文档，如图 1.3 所示。Python 的执行有两种方 13 式，一种是以交互模式(interactive mode)执行，另一种是以 Python 文件方式执行。 Windows 开始菜单中的Python 3.11 文件夹 图 1.3 1. Python 交互模式 (1) 单击Windows 开始菜单中的Python 3.11 文件夹下的第二个文件Python 3.11(64-bit)，执行后界面如图 1.4 所示。符号>>>是交互运行模式主提示符。 图 1.4 Python 解释器命令行交互执行界面 14 (2) 在主提示符>>>后输入Python 的输出字符串语句“print('Hello,Python！ ')”，执行后输出字符串“Hello,Python!”。Python 默认编码是UTF-8，可以直接 输出汉字。例如，输入语句“print('你好，Python! ')”，执行后输出“你好，Python!”， 如图 1.5 所示。 图 1.5 Python 解释器命令行执行语句情况 2. Python 文件执行模式 (1) 在文件执行模式中，首先用文档编辑器编辑Python 源程序，简单的程 序可以用记事本编辑。编辑只有两个输出语句的程序，如图 1.6 所示。将编写的 程序保存为名为hello.py 的文件，并将其放置在D:\test 文件夹中。 15 (2) 在操作系统的命令行(在Windows 中是CMD 命令行)找到Python 源文件 所在的文件夹D:\test，然后输入python hello.py，按回车键后解释器执行Python 文件并输出结果，如图 1.7 所示。 图 1.6 用记事本编辑Python 文件 图 1.7 解释器执行Python 文件 1.2.3 Python IDLE 的使用 单击Windows 开始菜单中的Python 3.11 文件夹下的第一个文件IDLE(Python 3.11 64-bit)，执行后进入 IDLE Shell 界面，如图 1.8 所示。在 IDLE Shell 的命令行 提示符>>>后也可以输入Python 语句，由 Python 解释器交互执行，执行语句后立 即输出结果。这里主要介绍IDLE 集成开发环境。 16 图 1.8 IDLE Shell 界面 (1) 单击IDLE Shell 界面菜单中的File(见图 1.9)，选择 New File，进入 IDLE 文件编辑界面(见图 1.10)。 图 1.9 IDLE Shell 菜单界面 图 1.10 IDLE 文件编辑界面 (2) 在该界面中输入Python 语句“print('Hello,Python! ')”，然后执行 File|Save 17 As(另存为)命令，自定义存储路径，Python 程序就编写完毕了，如图 1.11 所示。 文件名为HelloPython.py，Python 文件的后缀是.py。 图 1.11 Python 程序HelloPython.py (3) 执行Run | Run Module 命令(见图 1.12)，程序执行结果如图 1.13 所示。 图 1.12 执行Run | Run Module 命令 图 1.13 程序执行结果 18 1.2.4 PyCharm 集成开发环境 PyCharm 是一种Python 集成开发环境(integrated development environment， IDE)，带有一整套可以帮助用户在使用Python 语言开发时提高其效率的工具， 如调试、语法高亮、项目管理、代码跳转、智能提示、自动完成、单元测试、 版本控制等。PyCharm 分为专业版和社区版，专业版是付费的，功能齐全，可 以免费试用 30 天；社区版是免费的，功能相对简化，但足够日常学习使用。这 里下载社区版安装使用。 1. PyCharm 的下载与安装 (1) PyCharm 的官方网址是https://www.jetbrains.com/，进入官网主页，如图 1.14 所示。单击 Developer Tools ， 进入如图 1.15 所示的页面， 然后执行 IDEs | PyCharm 命令，进入下载页面。 (2) 进入下载页面后，下拉到下载部分(见图 1.16)，左边是专业版的下载选 19 项，右边是社区版的下载选项，通过下拉按钮可以选择不同操作系统的安装文 件进行下载，这里选择社区版.exe(Windows)安装文件进行下载。下载完成后， 在浏览 器的默认下 载目录中有 一个可执行 的安装包， 文件名是 pycharm-community-2022.3.exe。 图 1.14 PyCharm 官网主页 20 图 1.15 Developer Tools 页面 图 1.16 PyCharm 下载部分 21 (3) 双击安装包pycharm-community-2022.3.exe，进入安装界面(见图 1.17)， 按照提示进行安装即可。目录可自行选择，初学时最好选择默认目录。 图 1.17 PyCharm 安装界面 2. PyCharm 的使用 (1) PyCharm 安装成功后，进入 Windows 10 操作系统开始菜单，单击 JetBrains 文件夹图标，再单击文件夹中的 PyCharm Community Edition 2022.3 启 动PyCharm 集成开发环境，如图 1.18 所示。首次启动时会弹出一个接受协议的 界面，直接单击 Continue 按钮，即可进入 PyCharm 的开始界面，如图 1.19 所示。 22 图 1.18 Windows 开始菜单中的JetBrains 文件夹 图 1.19 PyCharm 的开始界面 (2) 在PyCharm 的开始界面单击New Project 按钮创建新工程，创建新工程 1 章 绪 论 23 界面如图 1.20 所示。新工程界面有 3 个选项，第一项是在Location 输入框中选 择工程文件夹，这里选择 D:\python\chapter01；第二项是在 Python Interpreter:New Virtualenv envrionment 下为新工程配置Python 解释器，初学者选择默认模式即 可；第三项是Create a main.py welcome script，用于在新工程中创建显示欢迎文 本的Python 文件main.py，一般不需要创建，因此不勾选这一项。单击Create 按钮，即可进入PyCharm 开发界面，如图 1.21 所示。 图 1.20 创建新工程界面 24 图 1.21 PyCharm 开发界面 在 PyCharm 开发界面的工程项目名称上右击，在弹出的快捷菜单中执 行New | Python File 命令(见图 1.22)，即可弹出 New Python file 对话框，如图 1.23 所示。 在New Python file 对话框中输入文件名“HelloWorld”，按回车键，新 的Python 文件HelloWorld.py 就创建好了。输入 Python 语句“print('Hello,World! ')”，只有一个输出语句的 Python 程序就编辑好了，如图 1.24 所示。 25 图 1.22 新建Python 文件界面 图 1.23 New Python file 对话框 图 1.24 编辑Python 文件 26 (5) 单击Run 菜单，选择运行HelloWorld 文件，运行显示窗口输出了字符 串“Hello,World！”，如图 1.25 所示。PyCharm 集成开发环境的第一个Python 程 序运行成功。 图 1.25 运行结果 27 1.2.5 Anaconda 集成开发环境 Anaconda 是一个开源的Python 发行版本，包含了conda、Python 等 180 多 个科学包及其依赖项。Anaconda 集成了 PyCharm、Spider 和 Jupyter Notebook 等开发系统，安装Anaconda 可以很方便地管理Python 相关的包、切换不同的 环境。 1. Anaconda 的下载与安装 (1)  Anaconda 的官方网址是https://www.anaconda.com/，进入官网主页，如 图 1.26 所示。单击Download 按钮进行下载，下载完成后，在浏览器的默认下 载 目 录 中 有 一 个 可 执 行 的 安 装 包 ， 文 件 名 是 Anaconda3-2022.10-Windows-x86_64.exe。 28 图 1.26 Anaconda 官网主页 (2) 双击安装包Anaconda3-2022.10-Windows-x86_64.exe，进入安装界面(见 图 1.27)，按照提示进行安装即可。目录可自行选择，初学时最好选择默认目录。 图 1.27 Anaconda 安装界面 2. Anaconda 的使用 Anaconda 安装成功后， 进入 Windows 10 操作系统开始菜单， 单击 29 Anaconda3(64-bit)文件夹图标，可以看到该文件夹中有 6 个执行文件选项，如图 1.28 所示。第一项Anaconda Navigator(anaconda3)是进入Anaconda 图形界面的 命令文件。第二项 Anaconda Powershell Prompt(anaconda3)和第三项 Anaconda Prompt(anaconda3)都是Anaconda 的命令行工作模式，都可以进行包安装、环境 管理等，只是第二项的命令多一些而已。第四项Jupyter Notebook(anaconda3)是 数据分析使用的主要开发系统，后面会详细介绍。第五项和第六项是关于 Spyder 开发系统的，暂不使用。下面简单介绍 Anaconda 的Jupyter Notebook，以便开发 Python 程序。 图 1.28 Windows 开始菜单中的Anaconda3(64-bit)文件夹 30 (1) 在Windows 开始菜单中的Anaconda3(64-bit)文件夹下选择第一项，进入 Anaconda 图形界面( 见图 1.29) ，然后单击 Jupyter 图标按钮，进入 Jupyter Notebook 开发环境。或者选择 Anaconda3(64-bit)文件夹中的第四项直接进入 Jupyter Notebook 开发环境。 图 1.29 Anaconda 图形界面 (2) 进入Jupyter Notebook 后，主界面如图 1.30 所示。单击右侧的New 按 钮，选择Python 3，进入编辑界面，如图 1.31 所示。 31 图 1.30 Jupyter Notebook 主界面 图 1.31 编辑界面 (3) 在编辑框中输入print("Hello, jupyter!")语句，单击“运行”按钮，程序 立即执行并在下方输出结果，如图 1.32 所示。单击File 菜单，可以保存文件， 文件的后缀是.ipynb，也可以保存为.py、.html 等格式的文件。Jupyter Notebook 开发环境兼有交互命令模式和文件模式的优点，不仅可以反复修改编辑框中的 程序，还可以立即查看执行结果，十分方便，在数据分析中得到了广泛使用。 32 图 1.32 编辑与运行程序 1.2.6 Web 版在线开发环境 除了本地安装开发环境，还可以直接使用基于浏览器的解释器和集成开发 环境。在浏览器中编写和运行Python 代码，可即时获得运行结果，无须安装任 何软件。常用的基于 Web 的Python 开发环境有：Online Python、Online GDB、 Python Anywhere、Programmiz、Google Colab。大家可以选择一款喜欢的进行学 习、使用。对于初学者，推荐使用Online Python，其主页如图 1.33 所示。 33 图 1.33 Online Python 主页 谢谢观看 汇报人：WPS $$