電子教案1-1 程序設(shè)計(jì)基本方法

1、Python語言程序設(shè)計(jì)北京理工大學(xué) 嵩天第1章 程序設(shè)計(jì)基本方法 計(jì)算機(jī)的概念 n 計(jì)算機(jī)是根據(jù)指令操作數(shù)據(jù)的設(shè)備n 具備功能性和可編程性兩個(gè)基本特性 功能性指對(duì)數(shù)據(jù)的操作，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)計(jì)算、輸入輸出處理和結(jié)果存儲(chǔ)等。 可編程性指它可以根據(jù)一系列指令自動(dòng)地、可預(yù)測地、準(zhǔn)確地完成操作者的意圖 計(jì)算機(jī)的概念n 計(jì)算機(jī)硬件所依賴的集成電路規(guī)模按照摩爾定律以指數(shù)方式增長n 計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度也接近幾何級(jí)數(shù)快速增加n 計(jì)算機(jī)所能高效支撐的功能不斷豐富發(fā)展 n 程序設(shè)計(jì)語言經(jīng)歷了從機(jī)器語言到高級(jí)語言的發(fā)展過程，朝著更接近自然語言的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)的概念n 摩爾定律是計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史上最重要的預(yù)測法則摩爾定律指出

2、，單位面積集成電路上可容納晶體管的數(shù)量約每兩年翻一倍。由于計(jì)算機(jī)中幾乎所有重要部件都由集成電路實(shí)現(xiàn) 摩爾定律（Moores Law） n 第一階段：1946年到1981年，“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)階段” n 第二階段：1982年到2007年，“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和視窗階段” n 第三階段：2008年至今，“復(fù)雜信息系統(tǒng)階段”。 n 第四階段：約20年后未來的某個(gè)時(shí)期開始， “人工智能階段” 計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展水平的時(shí)代性 程序設(shè)計(jì)語言n 程序設(shè)計(jì)語言包括編譯執(zhí)行和解釋執(zhí)行兩種方式程序設(shè)計(jì)語言是計(jì)算機(jī)能夠理解和識(shí)別用戶操作意圖的一種交互體系，它按照特定規(guī)則組織計(jì)算機(jī)指令，使計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)進(jìn)行各種運(yùn)算處理。按照程序設(shè)

3、計(jì)語言規(guī)則組織起來的一組計(jì)算機(jī)指令稱為計(jì)算機(jī)程序。 程序設(shè)計(jì)語言概述n 機(jī)器語言機(jī)器語言是一種二進(jìn)制語言，它直接使用二進(jìn)制代碼表達(dá)指令，是計(jì)算機(jī)硬件可以直接識(shí)別和執(zhí)行的程序設(shè)計(jì)語言。例如：執(zhí)行數(shù)字2和3的加法，16位計(jì)算機(jī)上的機(jī)器指令為：11010010 00111011，不同計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的機(jī)器指令不同 程序設(shè)計(jì)語言概述n 匯編語言使用助記符與機(jī)器語言中的指令進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，在計(jì)算機(jī)發(fā)展早期幫助程序員提高編程效率 例如：執(zhí)行數(shù)字2和3的加法，匯編語言指令為：add 2, 3, result，運(yùn)算結(jié)果寫入result。l 機(jī)器語言和匯編語言都直接操作計(jì)算機(jī)硬件并基于此設(shè)計(jì)，所以它們統(tǒng)稱為低級(jí)語言。程

4、序設(shè)計(jì)語言概述n 高級(jí)語言高級(jí)語言區(qū)別于低級(jí)語言在于，高級(jí)語言是接近自然語言的一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，更容易地描述計(jì)算問題并利用計(jì)算機(jī)解決計(jì)算問題。 例如：執(zhí)行數(shù)字2和3加法的高級(jí)語言代碼為：result = 2 + 3程序設(shè)計(jì)語言概述高級(jí)語言按照計(jì)算機(jī)執(zhí)行方式的不同可分成兩類n靜態(tài)語言n腳本語言這里所說的執(zhí)行方式指計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)程序的過程，靜態(tài)語言采用編譯執(zhí)行，腳本語言采用解釋執(zhí)行。 編譯和解釋n 編譯是將源代碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼的過程，通常，源代碼是高級(jí)語言代碼，目標(biāo)代碼是機(jī)器語言代碼，執(zhí)行編譯的計(jì)算機(jī)程序稱為編譯器編譯和解釋n 解釋是將源代碼逐條轉(zhuǎn)換成目標(biāo)代碼同時(shí)逐條運(yùn)行目標(biāo)代碼的過程。執(zhí)行

5、解釋的計(jì)算機(jī)程序稱為解釋器。編譯和解釋編譯是一次性地翻譯，一旦程序被編譯，不再需要編譯程序或者源代碼。n 對(duì)于相同源代碼，編譯所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼執(zhí)行速度更快。n 目標(biāo)代碼不需要編譯器就可以運(yùn)行，在同類型操作系統(tǒng)上使用靈活。編譯和解釋解釋則在每次程序運(yùn)行時(shí)都需要解釋器和源代碼。n解釋執(zhí)行需要保留源代碼，程序糾錯(cuò)和維護(hù)十分方便。n只要存在解釋器，源代碼可以在任何操作系統(tǒng)上運(yùn)行，可移植性好 編譯和解釋為什么要學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程？因?yàn)椤熬幊淌羌苡腥さ氖聝骸保∮?jì)算機(jī)編程計(jì)算機(jī)編程計(jì)算思維是區(qū)別于以數(shù)學(xué)為代表的邏輯思維和以物理為代表的實(shí)證思維的第三種思維模式。編程是一個(gè)求解問題的過程p首先需要分析問題，抽象內(nèi)

6、容之間的交互關(guān)系p設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)求解問題的確定性方法，p進(jìn)而通過編寫和調(diào)試代碼解決問題這是從抽象問題到解決問題的完整過程。 Python語言概述Python語言的誕生Guido van RossumPython語言創(chuàng)立者2002年，Python 2.x2008年，Python 3.x使用Python語言編寫的Hello程序只有一行代碼 print(“Hello World”)第一行的“”是Python語言運(yùn)行環(huán)境的提示符第二行是Python語句的執(zhí)行結(jié)果 編寫Hello程序print(Hello World)Hello World#include int main(void)printf(He

7、llo Worldn);return 0;一般來說，同樣功能的程序，Python語言實(shí)現(xiàn)的代碼行數(shù)僅相當(dāng)于C語言的1/5至1/10，簡潔程度取決于程序的復(fù)雜度和規(guī)模。C語言的Hello程序 腳本語言 + 語句執(zhí)行 例1： print(“Hello World!大家好大家好!) 例2： sum = 99999 * 99999 print(sum)Python語言的優(yōu)勢 例3： months=JanFebMarAprMayJunJulAugSepOctNovDec n = 4 monthAbbrev = months(n-1)*3:(n-1)*3+3 print(monthAbbrev)Pytho

8、n語言的優(yōu)勢簡潔 + 強(qiáng)制可讀性例4： def mean(numbers): s = 0.0 for num in numbers: s = s + num return s / len(numbers) nums = 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 print(mean(nums)Python語言的優(yōu)勢跨平臺(tái) + 開源/目前有93561個(gè)開源庫，覆蓋各類計(jì)算問題例5： from random import random rnd = random()*10 print(rnd)Python語言的優(yōu)勢Python語言的優(yōu)勢：面向過程 + 面向?qū)ο?/p>

9、靈活的介紹程序設(shè)計(jì)理念Python語言的優(yōu)勢：圖形界面Windows窗口玫瑰花Python語言的優(yōu)勢Python語言特點(diǎn)n Python語言是通用語言n Python語言是腳本語言n Python語言是開源語言n Python語言是跨平臺(tái)語言n Python語言是多模型語言Python開發(fā)環(huán)境配置安裝n 到Python主頁下載并安裝Python基本開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，網(wǎng)址：/downloads/n 根據(jù)操作系統(tǒng)不同選擇不同版本n 下載相應(yīng)的Python 3.0系列版本程序安裝安裝啟動(dòng)n 方法1：啟動(dòng)Windows命令行工具，輸入python啟動(dòng)n 方法2：調(diào)用IDLE來

10、啟動(dòng)Python圖形化運(yùn)行環(huán)境啟動(dòng)n 方法3：按照語法格式編寫代碼，編寫可以用任何文本編輯器，保存為文件。啟動(dòng)n 方法4：打開IDLE，點(diǎn)擊Ctrl+N打開一個(gè)新窗口，輸入語句并保存，使用快鍵建F5即可運(yùn)行該程序啟動(dòng)n 方法5：將Python集成到Eclipse、PyCharm等面向較大規(guī)模項(xiàng)目開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境中Hello程序采用上述某個(gè)方法，執(zhí)行： 程序的基本編寫方法n 輸入數(shù)據(jù)n 處理數(shù)據(jù)n 輸出數(shù)據(jù)IPO程序編寫方法n 輸入數(shù)據(jù)輸入（Input）是一個(gè)程序的開始。程序要處理的數(shù)據(jù)有多種來源，形成了多種輸入方式，包括：文件輸入、網(wǎng)絡(luò)輸入、控制臺(tái)輸入、交互界面輸出、隨機(jī)數(shù)據(jù)輸入、內(nèi)部參數(shù)輸

11、入等。IPO程序編寫方法n 處理數(shù)據(jù)處理（Process）是程序?qū)斎霐?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算產(chǎn)生輸出結(jié)果的過程。計(jì)算問題的處理方法統(tǒng)稱為“算法”，它是程序最重要的組成部分?？梢哉f，算法是一個(gè)程序的靈魂。IPO程序編寫方法n 輸出數(shù)據(jù)輸出（Output）是程序展示運(yùn)算成果的方式。程序的輸出方式包括：控制臺(tái)輸出、圖形輸出、文件輸出、網(wǎng)絡(luò)輸出、操作系統(tǒng)內(nèi)部變量輸出等。IPO程序編寫方法n 微實(shí)例1.1圓面積的計(jì)算輸入：圓半徑raduis處理：計(jì)算圓面積area = * radius * radius （此處，取3.1415）輸出：圓面積area IPO程序編寫方法n 分析問題分析問題的計(jì)算部分n 劃分邊界劃分問題的功能邊界n 設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)問題的求解算法n 編寫程序，編寫問題的計(jì)算程序n 調(diào)試測試，調(diào)試和測試程序n 升級(jí)維護(hù)，適應(yīng)問題的升級(jí)維護(hù)使用計(jì)算機(jī)解決問題 Python語言版本更迭Python語言的版本更迭n 更高級(jí)別的3.0系列不兼容早期2.0系列n 2008年至今，版本更迭帶來大量庫函數(shù)的升級(jí)替換，Python語言的版本更迭痛苦且漫長n 到今天，Python 3.x系列已經(jīng)成為主流本章小結(jié)本章具體講解了計(jì)算機(jī)的基本定義、計(jì)算機(jī)的功能性和可編程性、程序設(shè)計(jì)語言分類、編譯和解釋、Pyt