第1章 初识Python（课件）-《程序设计基础（Python）》同步教学（人民邮电版）

第1章 初识Python 1 学习目标/Target 了解Python语言，能够说出Python语言有哪些优点和缺点 了解Python语言的应用领域，能够至少列举3个应用领域 掌握Python解释器的安装方式，能够在计算机中安装Python解释器 2 学习目标/Target 掌握集成开发环境，能够熟练安装PyCharm工具并使用该工具编写代码 熟悉程序的开发流程及编写方法，能够规范进行程序开发 掌握Python程序的运行方式，能够通过交互式和文件式运行Python程序 3 章节概述/ Summary Python语言自问世以来，凭借简单易学的语法、丰富的类库、良好的可移植性等特点，一跃成为许多数据科学家和人工智能研究者的首选编程语言。目前，人工智能在各行业中的应用越来越广泛，发展前景非常广阔，对于想进入人工智能领域的人来说，学习Python至关重要。本章将带领大家简单地认识Python语言，以及搭建Python的开发环境。 4 目录/Contents 01 Python概述 Python环境配置 集成开发环境 程序的开发与编写 实例：温度转换 02 03 04 05 5 Python概述 1.1 6 1.1.1 Python语言简介 Python是一种跨平台的面向对象编程语言，它最初被设计用于编写自动化脚本。随着版本的不断更新以及新功能的不断添加，目前Python已经被用于开发独立的大型项目。 7 1.1.1 Python语言简介 VS 优 点 简洁 语法优美 简单易学 开源 可移植 扩展性良好 类库丰富 通用灵活 良好的中文支持 执行效率不够高。相对于编译型语言来说，Python的运行速度较慢。虽然Python程序的运行速度可以通过一些技巧提高，但仍存在一定的性能瓶颈，不能满足某些高性能需求。 缺 点 8 1.1.2 Python语言的应用领域 网络爬虫开发 Python拥有良好的网络支持，具备相对完善的数据分析与数据处理库，兼具灵活简洁的特点，被广泛应用于网络爬虫领域之中。 人工智能 Python是人工智能领域的主流编程语言，人工智能领域神经网络方向流行的神经网络框架PyTorch就采用了Python语言。 游戏开发 Python标准库提供了pygame模块，用户使用该模块可以制作2D游戏。 Web开发 Python是Web开发的主流语言之一，类库丰富、使用方便，能够为一个需求提供多种方案。 科学计算与数据分析 Python不仅支持各种数学运算，还可以绘制高质量的2D和3D图像。 自动化运维 Python常被用于编写脚本程序，以控制系统，实现自动化运维 9 Python环境配置 1.2 10 1.2.1 安装Python解释器 （1）在浏览器中访问Python官网的下载页面。 安装步骤 11 1.2.1 安装Python解释器 （2）单击下载页面中链接文本“Windows”，进入Windows版本安装包下载页面，根据操作系统版本选择相应软件包。 安装步骤 12 1.2.1 安装Python解释器 （3）单击链接文本“Windows installer (64-bit)”，开始下载版本为3.11.3、后缀名是.exe形式的安装包。下载完成后，双击安装包打开Install Python 3.11.3（64-bit）界面。 安装步骤 13 1.2.1 安装Python解释器 （4）勾选“Add python.exe to PATH”选项，单击“Install Now”后进入Setup Progress界面。 安装步骤 14 1.2.1 安装Python解释器 （5）安装完成后会自动进入Setup was successful界面。 安装步骤 15 1.2.1 安装Python解释器 （6）在【开始】菜单栏中搜索“python”，找到并单击Python 3.11(64-bit)打开解释器窗口。 安装步骤 用户也可在命令窗口中进入Python环境，具体操作为：打开命令窗口，在命令窗口的提示符“>>>”后输入“python”，按下回车键进入进入Python环境。 16 多学一招：手动配置环境变量 配置方式 （1）在桌面“此电脑”上方右击弹出右键菜单，单击“属性”选项打开系统窗口，单击该窗口左侧选项列表中的“高级系统设置”，打开系统属性窗口。 17 多学一招：手动配置环境变量 配置方式 （2）单击图中的“环境变量”按钮，打开环境变量窗口。 18 多学一招：手动配置环境变量 配置方式 （3）在系统变量”里找到环境变量“Path”并双击，打开编辑环境变量对话框。 19 多学一招：手动配置环境变量 配置方式 （4）在编辑环境变量对话框中单击“新建”按钮，输入Python解释器的安装路径。 （5）单击“确定”按钮，完成环境变量的配置。 20 1.2.2 Python程序的运行方式 Python程序的运行方式有两种，分别是交互式和文件式。 2 1 交互式是指Python解释器逐行接收Python代码并即时响应。 交互式 文件式是指用户将Python代码保存在后缀名为.py的文件中，再启动Python解释器批量运行代码。 文件式 21 1.2.2 Python程序的运行方式 打开命令行工具进入Python环境，在命令提示符“>>>”的后面输入如下一行代码： 1. 交互式 按下回车键，命令窗口立刻在提示符的下一行输出了运行结果。 print("书山有路勤为径，学海无涯苦作舟") 书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 22 1.2.2 Python程序的运行方式 （1）创建一个文本文件，在该文件中写入一行Python代码。 （2）将文件另存为hello.txt文件，指定编码方式为UTF-8，并将文件的后缀名修改为.py。 （3）打开命令窗口，在命令窗口的命令提示符“>”后输入命令“python hello.py”，按下回车键运行hello.py文件。 2. 文件式 23 集成开发环境 1.3 24 1.3.1 PyCharm的下载安装 PyCharm是由JetBrains打造的一款集成开发环境，它具备一整套工具，可以帮助用户使用Python语言开发时提高效率。 25 1.3.1 PyCharm的下载安装 PyCharm有两个版本，分别是Professional和Community。 Professional版本的特点 （1）轻量级的Python IDE，只支持Python开发； （2）免费、开源、集成Apache2的许可证； （3）智能编辑器、调试器、支持重构和错误检查，集成VCS版本控制。 2. Community版本的特点 （1）提供Python IDE的所有功能，支持Web开发； （2）支持Django、Flask、Google App引擎、Pyramid和web2py； （3）支持JavaScript、CoffeeScript、TypeScript、CSS和Cython等； （4）支持远程开发、Python分析器、数据库和SQL语句。 26 1.3.1 PyCharm的下载安装 安装步骤 （1）双击PyCharm安装包，打开Welcome to PyCharm Community Edition Setup界面。 27 1.3.1 PyCharm的下载安装 安装步骤 （2）单击“Next”按钮，进入Choose Install Location界面，在该界面设置PyCharm的安装路径。 28 1.3.1 PyCharm的下载安装 安装步骤 （3）在Choose Install Location界面保持默认配置，单击 “Next”按钮，进入Installation Options界面，在该界面可以配置PyCharm的选项。 29 1.3.1 PyCharm的下载安装 安装步骤 （4）在Installation Options的界面勾选所有选项，单击“Next”按钮，进入Choose Start Menu Folder界面。 30 1.3.1 PyCharm的下载安装 安装步骤 （5）单击Choose Start Menu Folder界面的“Install”按钮，进入Installing界面，该界面中会以进度条的形式显示PyCharm的安装进度。 31 1.3.1 PyCharm的下载安装 安装步骤 （6）等待片刻后PyCharm安装完成，自动进入Completing PyCharm Community Edition Setup界面。 32 1.3.2 PyCharm的基本使用 完成PyCharm的安装后，双击桌面的快捷方式图标，打开Welcome to PyCharm窗口。 33 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （1）单击窗口左侧的Customize菜单项打开自定义配置面板，在该面板中选择颜色主题为Light。 34 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （2）单击窗口左侧的Projects菜单项，切换回项目面板，单击该面板中的“New Project”按钮进入New Project窗口。 35 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （3）填写项目的路径为D:\PythonProject，名称为first_proj；选中Previously configured interpreter单选框，从Interpreter下拉列表中选择之前安装的版本为3.11.3的解释器；取消勾选Create a main.py welcome script复选框。 36 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （4）单击“Create”按钮会在D:\PythonProject目录下创建一个名称为first_proj的项目，并进入项目管理窗口。 37 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （5）单击左上方标注的文件夹图标，弹出项目的目录结构。 38 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （6）选中first_proj项目的根目录右击，在弹出的下拉菜单中选择“New”→“Python File”，弹出New Python file窗口，用于给项目添加用于保存代码的Python文件。 39 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （7）在Name文本框中，填写Python文件的名称为first，按下回车键后会在first_proj项目的根目录下添加first.py文件。 40 1.3.2 PyCharm的基本使用 使用步骤 （8）在first.py文件中编写如下代码： print("书山有路勤为径，学海无涯苦作舟") （9）运行代码。 41 程序的开发与编写 1.4 42 1.4.1 程序开发流程 为了保证程序与问题统一，也保证程序能长期稳定使用，人们将程序的开发过程分为6个阶段。 43 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.4.1 程序开发流程 为了保证程序与问题统一，也保证程序能长期稳定使用，人们将程序的开发过程分为6个阶段。 编写程序的目的是控制计算机解决问题，在解决问题之前，应充分了解要解决的问题，明确真正的需求，避免因理解偏差而设计出不符合需求的程序。 44 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.4.1 程序开发流程 为了保证程序与问题统一，也保证程序能长期稳定使用，人们将程序的开发过程分为6个阶段。 描述程序要“做什么”，此时无需考虑程序具体要“怎么做”，例如对于“小李计划从家出发到学校”这一问题，只需要确定核心人物“小李”从“家里出发”，最终“抵达学校”，至于小李如何实现“家”到“学校”这一地址的转换，这里不需考虑。 45 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.4.1 程序开发流程 为了保证程序与问题统一，也保证程序能长期稳定使用，人们将程序的开发过程分为6个阶段。 这一阶段需要考虑“怎么做”，即确定程序的结构和流程。对于简单的程序，应先使用IPO方法描述，再着重设计算法即可。对于复杂的程序，应运用“化整为零，分而治之”的思想，先将整个程序划分为多个“小模块”，每个小模块实现小的功能，将每个小功能当做一个独立的处理过程，为其设计算法，再设计可以联系各个小功能的流程。 46 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.4.1 程序开发流程 为了保证程序与问题统一，也保证程序能长期稳定使用，人们将程序的开发过程分为6个阶段。 使用编程语言编写程序。这一阶段首要考虑的是编程语言的选择，不同的编程语言在性能、开发周期、可维护性等方面有一定的差异，实际开发中会对性能、周期、可维护性等因素进行一定考量。 47 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.4.1 程序开发流程 为了保证程序与问题统一，也保证程序能长期稳定使用，人们将程序的开发过程分为6个阶段。 运行程序，测试程序的功能，判断功能是否与预期相符，是否存在疏漏。如果程序存在不足，应着手定位和修复（即“调试”）程序。在这一过程中应做尽量多的考量与测试。 48 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.4.1 程序开发流程 为了保证程序与问题统一，也保证程序能长期稳定使用，人们将程序的开发过程分为6个阶段。 程序总不会完全完成，哪怕它已投入使用，后续需求方可能提出新的需求，此时需要为程序添加新功能，对其进行升级；程序使用时可能会产生问题，或发现漏洞，此时需要完善程序，对其进行维护。 49 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.4.2 程序编写的基本方法 输入Input 处理 Process 输出 Output 无论是解决四则运算的小规模程序，还是航天器使用的复杂的控制程序，都遵循输入数据、处理数据和输出数据这一运算模式。这一基础的运算模式形成了基本的程序编写方法IPO分别是输入（Input）、处理（Process）和输出（Output）。 50 1.4.2 程序编写的基本方法 输入Input 01 控制台输入。 02 随机数据输入。 03 内部变量输入。 04 文件输入。 05 交互界面输入。 06 网络输入。 51 1.4.2 程序编写的基本方法 处理 Process 处理是程序的核心，它蕴含程序的主要逻辑。程序中实现处理功能的方法也被称为“算法（Algorithm）”，算法是程序的灵魂。实现一个功能的算法有很多，但不同的算法性能有高有低，选择优秀的算法是提高程序效率的重要途径之一。 52 1.4.2 程序编写的基本方法 输出 Output 01 控制台输出。 02 系统内部变量输出。 03 文件输出。 04 图形输出。 05 网络输出。 53 1.4.2 程序编写的基本方法 以计算圆的面积的问题为例，使用IPO对该问题进行描述，具体如下： 输入：获取圆的半径r。 处理：根据圆面积计算公式S（π取3.14），计算圆的面积S。 输出：输出求得的面积S。 54 实例：温度转换 1.5 55 1.5 实例：温度转换 结合1.4节介绍的程序编写与设计方法，分6个阶段设计与编写解决“摄氏度与开氏度相互转换”这一问题的程序。 对“摄氏度与开氏度相互转换”这一问题进行分析，得出“摄氏度转换开氏度”和“开氏度转换摄氏度”都是程序应解决的问题。 56 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.5 实例：温度转换 输入：输入由C标识的摄氏度数值，或由K标识的开氏度数值。 处理：根据标识选择合适的规则对温度数值进行转换。 输出：将转换后的温度数值输出。 结合1.4节介绍的程序编写与设计方法，分6个阶段设计与编写解决“摄氏度与开氏度相互转换”这一问题的程序。 57 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.5 实例：温度转换 开氏度=摄氏度+273.15 摄氏度=开氏度-273.15 结合1.4节介绍的程序编写与设计方法，分6个阶段设计与编写解决“摄氏度与开氏度相互转换”这一问题的程序。 58 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.5 实例：温度转换 结合1.4节介绍的程序编写与设计方法，分6个阶段设计与编写解决“摄氏度与开氏度相互转换”这一问题的程序。 59 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.5 实例：温度转换 ①输入温度值10与标识C。 ②输入温度值10与标识K。 ③仅输入温度值 结合1.4节介绍的程序编写与设计方法，分6个阶段设计与编写解决“摄氏度与开氏度相互转换”这一问题的程序。 60 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 1.5 实例：温度转换 为保证程序的文档与可持续使用，程序需要被日常维护；。随着平台的更换、使用方法的变更、功能的完善，程序需要被升级。就此处实现的程序而言，程序开发人员应保证程序总能保证摄氏度与开氏度的正确兑换，同时将更多单位温度的转换、更友好的用户界面等等作为程序改善升级的方向。 结合1.4节介绍的程序编写与设计方法，分6个阶段设计与编写解决“摄氏度与开氏度相互转换”这一问题的程序。 61 分析问题 划分边界 程序设计 编写程序 测试与调试 升级与维护 本章小结 本章首先介绍了Python语言，包括该语言的特点以及应用领域，然后介绍了在Windows系统中配置Python开发环境、运行Python程序的方法，以及集成开发环境PyCharm的安装与使用，最后简单介绍了程序开发流程与编写方式。通过本章的学习，读者能够对Python语言有所了解，熟练搭建Python开发环境以及运行Python程序，并熟悉程序设计的流程与编写程序的基本方法。 62 $$