《Python數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用案例教程》（李兆延）教案 第4課 NumPy庫(kù)（一）

課題第4課NumPy庫(kù)（一）課時(shí)2課時(shí)（90min）教學(xué)目標(biāo)知識(shí)技能目標(biāo)：（1）掌握創(chuàng)建NumPy數(shù)組的方法（2）掌握數(shù)組數(shù)組屬性的查看方法（3）能使用NumPy創(chuàng)建不同形式的數(shù)組素質(zhì)目標(biāo)：提高選擇合適方法解決不同問(wèn)題的能力教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：創(chuàng)建NumPy數(shù)組的方法教學(xué)難點(diǎn)：創(chuàng)建NumPy數(shù)組的方法教學(xué)方法案例分析法、問(wèn)答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、文旌課堂APP教學(xué)設(shè)計(jì)第1節(jié)課：→→傳授新知（28min）→課堂討論（10min）第2節(jié)課：→傳授新知（20min）→課堂討論（12min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過(guò)程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計(jì)意圖第一節(jié)課考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進(jìn)行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學(xué)生的組織紀(jì)律性，掌握學(xué)生的出勤情況問(wèn)題導(dǎo)入（5min）【教師】提出問(wèn)題我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了Python數(shù)據(jù)分析常用類庫(kù)，回憶一下NumPy庫(kù)是什么？【學(xué)生】思考、舉手回答通過(guò)提問(wèn)的方法，了解學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的掌握程度，進(jìn)而引出新知傳授新知

（28min）【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并引入新知，講解NumPy庫(kù)的相關(guān)知識(shí)2.1.1創(chuàng)建數(shù)組?【教師】提出問(wèn)題什么是ndarray對(duì)象？?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、主動(dòng)回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知NumPy（使用之前須安裝）定義了一個(gè)n維數(shù)組對(duì)象，簡(jiǎn)稱ndarray對(duì)象，它是一個(gè)由一系列相同數(shù)據(jù)類型的元素組成的數(shù)據(jù)集合。下面介紹幾種創(chuàng)建數(shù)組的常用函數(shù)。1．a(chǎn)rray()函數(shù)?【教師】多媒體出示array()的格式（詳見(jiàn)教材），并詳細(xì)講解函數(shù)中各部分代表的意義numpy.array(object,dtype=None)其中，object表示序列，如列表、元組等，序列的維度決定了數(shù)組的維度；dtype表示數(shù)組元素的數(shù)據(jù)類型，如果設(shè)置了數(shù)據(jù)類型，則序列中元素的數(shù)據(jù)類型會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為dtype類型，默認(rèn)為傳入序列的數(shù)據(jù)類型。?【提示】教師講解array()函數(shù)的拓展知識(shí)?【學(xué)生】聆聽(tīng)，思考?【教師】多媒體出示NumPy中常用的數(shù)據(jù)類型表格（詳見(jiàn)教材），并詳細(xì)講解各種數(shù)據(jù)類型的說(shuō)明類型說(shuō)明類型說(shuō)明bool布爾類型，值為T(mén)rue或Falsefloat16半精度浮點(diǎn)數(shù)（16位）str字符型float32單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位）int8、uint8有符號(hào)和無(wú)符號(hào)的8位整數(shù)float64/float雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）int16、uint16有符號(hào)和無(wú)符號(hào)的16位整數(shù)complex64復(fù)數(shù)，用兩個(gè)32位浮點(diǎn)數(shù)表示實(shí)部和虛部int32/int、uint32有符號(hào)和無(wú)符號(hào)的32位整數(shù)complex128復(fù)數(shù)，用兩個(gè)64位浮點(diǎn)數(shù)表示實(shí)部和虛部int64、uint64有符號(hào)和無(wú)符號(hào)的64位整數(shù)?【教師】按照教材步驟逐步進(jìn)行演示例2-1（詳見(jiàn)教材）的程序編寫(xiě)步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫(kù)arr1=np.array([1,2,3]) #使用列表創(chuàng)建一維數(shù)組print('一維數(shù)組arr1：\n',arr1) #輸出一維數(shù)組arr1#使用元組創(chuàng)建一維數(shù)組，并設(shè)置數(shù)據(jù)類型為int32arr2=np.array((4.5,5.6,6.8),dtype='int32')print('一維數(shù)組arr2：\n',arr2) #輸出一維數(shù)組arr2#使用二維列表創(chuàng)建二維數(shù)組，并設(shè)置數(shù)據(jù)類型為float32arr3=np.array([[1,2,3],[4,5,6]],dtype='float32')print('2×3的二維數(shù)組arr3：\n',arr3) #輸出二維數(shù)組arr3（詳見(jiàn)教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進(jìn)行實(shí)際操作，并對(duì)比程序運(yùn)行結(jié)果?【教師】巡視課堂記錄，對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)?【教師】提出學(xué)習(xí)任務(wù)，請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行小組討論根據(jù)運(yùn)行結(jié)果（詳見(jiàn)教材），請(qǐng)同學(xué)們分析一下程序，并進(jìn)行解釋說(shuō)明。?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、分組討論、小組代表回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并對(duì)程序進(jìn)行說(shuō)明NumPy數(shù)組使用方括號(hào)將空格分隔的元素括起來(lái)。創(chuàng)建arr1時(shí)，沒(méi)有設(shè)置dtype，arr1的數(shù)據(jù)類型與輸入列表的相同；創(chuàng)建arr2時(shí)，設(shè)置dtype為“int32”，雖然輸入元組的數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)型，但arr2的數(shù)據(jù)類型被轉(zhuǎn)換成了整型；創(chuàng)建arr3時(shí)，設(shè)置dtype為“float32”，雖然輸入列表的數(shù)據(jù)類型為整型，但arr3的數(shù)據(jù)類型被轉(zhuǎn)換成了浮點(diǎn)型（元素后面跟著一個(gè)小數(shù)點(diǎn)）。2．zeros()函數(shù)?【教師】多媒體出示zeros()函數(shù)的格式（詳見(jiàn)教材），并詳細(xì)講解函數(shù)中各部分代表的意義zeros()函數(shù)用于創(chuàng)建元素值都為0的數(shù)組，其一般格式如下。numpy.zeros(shape,dtype='float')其中，shape表示數(shù)組形狀；dtype默認(rèn)為float。?【教師】提出問(wèn)題舉例說(shuō)明zeros()函數(shù)表示的意義。?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、主動(dòng)回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知3．ones()函數(shù)?【教師】多媒體出示ones()函數(shù)的格式（詳見(jiàn)教材），并講解函數(shù)的作用ones()函數(shù)用于創(chuàng)建元素值都為1的數(shù)組，其一般格式如下。numpy.ones(shape,dtype='float')4．empty()函數(shù)?【教師】多媒體出示empty()函數(shù)的格式（詳見(jiàn)教材），并詳細(xì)講解函數(shù)的作用empty()函數(shù)用于創(chuàng)建未初始化的數(shù)組，即只分配了內(nèi)存空間，數(shù)組中的元素值是隨機(jī)的，其一般格式如下。numpy.empty(shape,dtype='float')?【教師】按照教材步驟逐步進(jìn)行演示例2-2（詳見(jiàn)教材）的程序編寫(xiě)步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫(kù)arr1=np.zeros(2) #創(chuàng)建包含2個(gè)元素，其值都為0的一維數(shù)組#輸出一維數(shù)組arr1print('一維數(shù)組arr1：\n',arr1)arr2=np.zeros((2,3)) #創(chuàng)建元素值都為0的2×3的二維數(shù)組#輸出二維數(shù)組arr2print('二維數(shù)組arr2：\n',arr2)arr3=np.ones(3) #創(chuàng)建包含3個(gè)元素，其值都為1的一維數(shù)組（詳見(jiàn)教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進(jìn)行實(shí)際操作，并對(duì)比程序運(yùn)行結(jié)果?【教師】巡視課堂記錄，對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)?【教師】提出學(xué)習(xí)任務(wù)，請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行小組討論根據(jù)運(yùn)行結(jié)果（詳見(jiàn)教材），請(qǐng)同學(xué)們分析一下程序，并進(jìn)行解釋說(shuō)明。?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、分組討論、小組代表回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并對(duì)程序進(jìn)行說(shuō)明未初始化的數(shù)組arr5中的元素值都是隨機(jī)的，而未初始化的數(shù)組arr6的數(shù)據(jù)類型設(shè)置為了“int”，所以數(shù)組元素值都為0。5．a(chǎn)range()函數(shù)?【教師】多媒體出示arange()函數(shù)的格式（詳見(jiàn)教材），并詳細(xì)講解函數(shù)的作用及各部分的意義arange()函數(shù)用于在指定數(shù)值區(qū)間創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組，類似Python的內(nèi)置函數(shù)range()，其一般格式如下。numpy.arange(start,stop,step,dtype=None)其中，start表示起始值，默認(rèn)為0；stop表示終止值（不含）；step表示步長(zhǎng)，默認(rèn)為1。?【教師】提出問(wèn)題舉例說(shuō)明arange()函數(shù)表示的意義。?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、主動(dòng)回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知arr=np.arange(1,12,3) #創(chuàng)建[1,12)區(qū)間，步長(zhǎng)為3的數(shù)組6．linspace()函數(shù)?【教師】多媒體出示linspace()函數(shù)的格式（詳見(jiàn)教材），并詳細(xì)講解函數(shù)的作用及各部分的意義linspace()函數(shù)用于在指定數(shù)值區(qū)間創(chuàng)建一個(gè)等差數(shù)組，其一般格式如下。numpy.linspace(start,stop,num=50,endpoint=True,retstep=False,dtype=None)其中，num表示數(shù)值區(qū)間內(nèi)等差的元素個(gè)數(shù)，默認(rèn)為50；endpoint表示數(shù)組是否包含stop的值，如果為T(mén)rue則包含，否則不包含，默認(rèn)為T(mén)rue；retstep表示數(shù)組中是否顯示公差，如果為T(mén)rue則顯示，否則不顯示，默認(rèn)為False。?【教師】提出問(wèn)題舉例說(shuō)明linspace()函數(shù)表示的意義。?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、主動(dòng)回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知#創(chuàng)建[0,10]區(qū)間，元素個(gè)數(shù)為6的等差數(shù)組arr=np.linspace(0,10,num=6)7．logspace()函數(shù)?【教師】多媒體出示logspace()函數(shù)的格式（詳見(jiàn)教材），并詳細(xì)講解函數(shù)的作用及各部分的意義logspace()函數(shù)用于在指定數(shù)值區(qū)間創(chuàng)建一個(gè)等比數(shù)組，其一般格式如下。numpy.logspace(start,stop,num=50,endpoint=True,base=10.0,dtype=None)其中，start表示起始值的指數(shù)；stop表示終止值的指數(shù)；base表示對(duì)數(shù)函數(shù)的底數(shù)，默認(rèn)為10。?【教師】提出問(wèn)題舉例說(shuō)明logspace()函數(shù)表示的意義。?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、主動(dòng)回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知#創(chuàng)建指數(shù)區(qū)間為[0,5)，元素個(gè)數(shù)為5，底數(shù)為10的等比數(shù)組arr=np.logspace(0,5,num=5,endpoint=False)?【教師】提出問(wèn)題針對(duì)例2-3（詳見(jiàn)教材），同學(xué)們有哪些想法？?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、主動(dòng)回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知成績(jī)數(shù)組的區(qū)間為[0,150]，步長(zhǎng)為10；身高等差數(shù)組的區(qū)間為[1.5,2.5]，公差為0.1（單位為m），通過(guò)計(jì)算可得元素個(gè)數(shù)為11；棋盤(pán)麥粒等比數(shù)組的指數(shù)區(qū)間為[0,63]，元素個(gè)數(shù)為64，底數(shù)為2。?【教師】按照教材步驟逐步進(jìn)行演示例2-3（詳見(jiàn)教材）的程序編寫(xiě)步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫(kù)#創(chuàng)建成績(jī)數(shù)組scorescore=np.arange(0,160,10,dtype='int')print('成績(jī)數(shù)組score：\n',score) #輸出score#創(chuàng)建身高等差數(shù)組heightheight=np.linspace(1.5,2.5,11,retstep=True)print('身高等差數(shù)組height：\n',height) #輸出height#創(chuàng)建棋盤(pán)麥粒等比數(shù)組wheatwheat=np.logspace(0,63,64,base=2,dtype='uint64')print('棋盤(pán)麥粒等比數(shù)組wheat：\n',wheat) #輸出wheat（詳見(jiàn)教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進(jìn)行實(shí)際操作，并對(duì)比程序運(yùn)行結(jié)果?【教師】巡視課堂記錄，對(duì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)別指導(dǎo)?【教師】提出學(xué)習(xí)任務(wù)，請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行小組討論根據(jù)運(yùn)行結(jié)果（詳見(jiàn)教材），請(qǐng)同學(xué)們分析一下程序，并進(jìn)行解釋說(shuō)明。?【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、分組討論、小組代表回答問(wèn)題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并對(duì)程序進(jìn)行說(shuō)明使用logspace()函數(shù)生成等比數(shù)組時(shí)，由于后面生成的數(shù)據(jù)太大，dtype須設(shè)置為“uint64”類型，否則會(huì)出現(xiàn)溢出現(xiàn)象，輸出重復(fù)的大負(fù)數(shù)?！就卣归喿x】請(qǐng)同學(xué)們掃描二維碼查看利用NumPy生成隨機(jī)數(shù)數(shù)組?【學(xué)生】聆聽(tīng)，掃描二維碼、思考【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、理解、記憶通過(guò)教師講解、課堂討論、多媒體演示等方式，使學(xué)生了解創(chuàng)建數(shù)組，查看數(shù)組屬性等相關(guān)內(nèi)容課堂討論

（10min）【教師】講述“知類通達(dá)”知識(shí)，提出以下問(wèn)題讓學(xué)生分組討論：聯(lián)系日常生活，說(shuō)一說(shuō)你有哪些啟示？【學(xué)生】聆聽(tīng)、結(jié)組、思考、討論、派代表發(fā)表討論結(jié)果【教師】總結(jié)學(xué)生的回答通過(guò)課堂討論，加深學(xué)生對(duì)NumPy庫(kù)創(chuàng)建數(shù)組的靈活應(yīng)用第二節(jié)課問(wèn)題導(dǎo)入（8min）【教師】提出問(wèn)題我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了利用NumPy庫(kù)創(chuàng)建數(shù)組，那么數(shù)組有哪些屬性呢？【學(xué)生】聆聽(tīng)、思考、回答問(wèn)題通過(guò)提問(wèn)的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知（20min）【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并引入新知，講解查看數(shù)組屬性，數(shù)組索引與切片的相關(guān)內(nèi)容2.1.2查看數(shù)組屬性?【教師】多媒體展示NumPy數(shù)組的基本屬性表格（詳見(jiàn)教材），詳細(xì)講解數(shù)組的基本屬性屬性說(shuō)明ndim數(shù)組的維度shape數(shù)組的形狀，返回一個(gè)元組(m,n)，表示m行n列size數(shù)組中元素的總個(gè)數(shù)，等于shape屬性中元組元素值的乘積，即m×ndtype數(shù)組中元素的數(shù)據(jù)類型?【教師】按照教材步驟逐步進(jìn)行演示例2-4（詳見(jiàn)教材）的程序編寫(xiě)步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫(kù)#創(chuàng)建4×3的整數(shù)數(shù)組arr=np.array([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9],[10,11,12]])print('4×3的整數(shù)數(shù)組：\n',arr) #輸出數(shù)組print('數(shù)組的ndim屬性：',arr.ndim) #輸出ndim屬性print('數(shù)組的shape屬性：',a