內(nèi)容實(shí)用——理論與實(shí)踐結(jié)合，重點(diǎn)突出應(yīng)用

體系完善——構(gòu)建完整的大數(shù)據(jù)專業(yè)解決方案

產(chǎn)教融合——高校企業(yè)共參與，對(duì)標(biāo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

資源豐富——微課、課件、教案、源碼、答案

前　　言

在2022年4月TIOBE的編程語言排行榜中，Python依然位居榜首，為當(dāng)前世界上最受關(guān)注的編程語言。Python在人工智能、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算以及游戲娛樂等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，當(dāng)然這是與其免費(fèi)開源、面向?qū)ο蟆⑤p松入門、簡單實(shí)用等特點(diǎn)分不開的。Python在高等教育中已經(jīng)逐步替代了傳統(tǒng)的Visual Basic，并且在中小學(xué)基礎(chǔ)教育中也開始生根發(fā)芽，遍地開花。在實(shí)際的教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)者使用Python的庫、包、模塊和函數(shù)去完成特定簡單任務(wù)沒有什么問題，但是涉及深入應(yīng)用其獨(dú)具特色、靈活強(qiáng)大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法、函數(shù)、自定義類、自定義模塊等來實(shí)現(xiàn)定制應(yīng)用時(shí)就會(huì)感到茫然，無從下手。究其原因，主要是缺乏對(duì)程序設(shè)計(jì)原理的把握和對(duì)程序設(shè)計(jì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。這也就是說，使用Python編程，計(jì)算思維并沒有得到很好的培養(yǎng)，這也是部分程序設(shè)計(jì)教育工作者詬病Python的地方，甚至說Python不是標(biāo)準(zhǔn)編程語言，不宜在高等教育中普及。從根本上來說，計(jì)算思維的培養(yǎng)與編程語言沒有直接關(guān)系，而是與老師對(duì)Python的認(rèn)識(shí)、對(duì)程序設(shè)計(jì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)有直接關(guān)系。鑒于此，我們?cè)诰帉懥恕禤ython語言程序設(shè)計(jì)》（ISBN 978-7-5170-9203-2）之后，進(jìn)一步編寫了這本《Python語言程序設(shè)計(jì)實(shí)踐指導(dǎo)》，書中提供了大量編程實(shí)踐項(xiàng)目，目的是引導(dǎo)讀者更加注重計(jì)算思維能力的訓(xùn)練和提升。

可以從以下四個(gè)方面閱讀、學(xué)習(xí)本書：

（1）注重工具軟件和第三方庫的下載安裝方法與使用技巧。作為開源軟件、膠水語言，Python擁有非常豐富的第三方庫和例程，已經(jīng)形成了龐大的技術(shù)生態(tài)，這為我們的編程工作帶來了極大的便利，但同時(shí)，也給初學(xué)者帶來不小的困擾和挑戰(zhàn)，就是什么東西都得自己動(dòng)手做。本書在相應(yīng)的章節(jié)實(shí)踐項(xiàng)目中安排了較為詳細(xì)的操作指導(dǎo)，如Python數(shù)據(jù)庫操作、Python數(shù)據(jù)分析初步、Python數(shù)據(jù)可視化等章節(jié)。目的是讓讀者能盡快適應(yīng)開源軟件的特點(diǎn)。

（2）注重實(shí)踐訓(xùn)練，親測書中全部代碼。程序是編出來的，代碼是敲出來的。所謂百聞不如一見，百看不如一試，學(xué)習(xí)編程就是要注重實(shí)踐，只有實(shí)踐才能掌握人機(jī)交流的方法和技巧，體會(huì)到程序調(diào)試的精髓，感受到程序設(shè)計(jì)的樂趣。本書提供了豐富的實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目，每一個(gè)項(xiàng)目都配有詳細(xì)的參考代碼，供讀者學(xué)習(xí)閱讀和修改測試。

（3）注重問題的認(rèn)識(shí)，問題的分析，解決問題步驟的描述、流程的描述。使初學(xué)者不再畏懼編程的主要方法是讓他們明白人與計(jì)算機(jī)交流和人與人交流本質(zhì)上是相同的，程序語言只不過是去掉修飾描寫和抒情，只注重邏輯順序流程規(guī)律罷了。一旦能把程序設(shè)計(jì)當(dāng)成是一種溝通交流（說活、表達(dá)、寫文章）的方式，就初步具有了計(jì)算思維。只要勤加訓(xùn)練，熟悉了所學(xué)語言的語法規(guī)則，就能漸漸理解形式化表達(dá)的方法，掌握形式化表達(dá)的規(guī)律，最終不斷提升計(jì)算思維能力。本書對(duì)較為典型的實(shí)踐項(xiàng)目都從問題分析、算法自然語言描述、算法流程圖描述和算法程序代碼展示幾個(gè)方面展開指導(dǎo)。只要讀者反復(fù)閱讀、勤加練習(xí)，必會(huì)有所體悟。

（4）注重體會(huì)形式化表達(dá)的方法和規(guī)律。我們已經(jīng)進(jìn)入智能社會(huì)，計(jì)算機(jī)滲透到社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，理解機(jī)器智能的特點(diǎn)和規(guī)律已經(jīng)成為新的常識(shí)。按照當(dāng)前計(jì)算機(jī)馮•諾依曼體系結(jié)構(gòu)，其工作、交流和表達(dá)都遵循形式邏輯規(guī)律，而沒有像人一樣有情感和主觀能動(dòng)性。通過編程理解機(jī)器智能形式化表達(dá)的特點(diǎn)是最直接、最有效的方法。本書實(shí)踐項(xiàng)目案例多數(shù)從問題描述、輸入形式、輸出形式、樣例輸入、樣例輸出和樣例說明等幾個(gè)方面給出，讓讀者充分體會(huì)機(jī)器智能的特點(diǎn)和人機(jī)交互的規(guī)律。而參考程序也按照申請(qǐng)內(nèi)存、輸入、計(jì)算和輸出這樣的流程進(jìn)一步強(qiáng)化讀者對(duì)形式化表達(dá)特點(diǎn)和規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

本書共11章，每一章開始的思維導(dǎo)圖都是對(duì)本部分實(shí)踐項(xiàng)目的梳理，開門見山給讀者展示本部分的內(nèi)容和思路，以便讀者在學(xué)習(xí)中始終把握整體和保持思路清晰。每一章開頭的實(shí)踐導(dǎo)讀都給出了本次實(shí)踐的核心思想、方法和流程，列出了需重點(diǎn)掌握的知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。而實(shí)踐目的則列出對(duì)具體知識(shí)、技能和素養(yǎng)的要求。每一章的小結(jié)都是對(duì)本章實(shí)踐要點(diǎn)的具體解釋，以供讀者復(fù)習(xí)查詢所用。

各章的主要內(nèi)容和設(shè)計(jì)思路如下：

第1章 Python編程初步。通過本章實(shí)踐讓讀者理解Python作為一種跨平臺(tái)的腳本編程語言，可以在Linux、Windows、Mac OS等系統(tǒng)下安裝和使用，并且可以在任何一個(gè)文本文件編輯器中編輯。讀者應(yīng)掌握IDE、Jupyter Notebook、PyCharm、VS Code四種常用Python代碼編輯器的下載安裝和配置方法，掌握Python在不同編輯器中的程序調(diào)試方法與快捷鍵的使用方法，以及文件管理方法。

第2章Python語言基礎(chǔ)。通過本章實(shí)踐讓讀者理解Python作為一種編程語言，具有與其他編程語言相似的基本數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符和表達(dá)式，它們是程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。Python的內(nèi)置函數(shù)眾多且功能強(qiáng)大，不僅成熟、穩(wěn)定，而且運(yùn)算速度相對(duì)較快，因此，編寫程序時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮使用系統(tǒng)函數(shù)。讀者應(yīng)熟練掌握Python基本數(shù)據(jù)類型的表示及特點(diǎn)，常量和變量的定義及賦值方式，基本運(yùn)算符的功能及優(yōu)先級(jí)規(guī)則，表達(dá)式的組成、書寫及計(jì)算，熟練掌握Python常用系統(tǒng)函數(shù)的功能及使用方法。

第3章Python組合數(shù)據(jù)類型。通過本章實(shí)踐讓讀者理解組合數(shù)據(jù)類型是Python語言區(qū)別于其他高級(jí)編程語言的一大特色，編程人員使用組合數(shù)據(jù)類型省去了其他語言中各種復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，極其方便，這也是Python流行于數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域的原因之一。讀者應(yīng)熟練掌握Python組合數(shù)據(jù)類型—列表、元組、字符串、字典、集合的創(chuàng)建、訪問和常見的基本操作方法，熟悉Python組合數(shù)據(jù)類型的實(shí)際應(yīng)用，掌握序列解包的常用操作。

第4章 Python控制結(jié)構(gòu)。通過本章實(shí)踐讓讀者理解程序控制結(jié)構(gòu)是人類對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)的抽象和總結(jié)。程序通過順序、選擇和循環(huán)三種控制結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的描述與馬克思主義自然哲學(xué)對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的解釋殊途同歸，二者交相輝映，相得益彰，讀者可同步學(xué)習(xí)程序控制結(jié)構(gòu)和馬克思主義自然哲學(xué)原理，理解與掌握程序控制結(jié)構(gòu)，提升計(jì)算思維能力和程序設(shè)計(jì)能力，事半功倍。讀者應(yīng)理解程序的基本結(jié)構(gòu)為申請(qǐng)內(nèi)存、輸入、計(jì)算和輸出，掌握選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法，熟練使用if語句，掌握循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法，熟練使用for語句和while語句，熟練掌握常用算法的程序設(shè)計(jì)方法。

第5章 Python函數(shù)與模塊。通過本章實(shí)踐讓讀者理解函數(shù)是一種復(fù)用技術(shù)，通過使用函數(shù)可以進(jìn)一步提高程序的可讀性，促進(jìn)數(shù)據(jù)代碼分離，設(shè)計(jì)函數(shù)應(yīng)該遵循內(nèi)部高內(nèi)聚、之間低耦合的規(guī)律。讀者應(yīng)熟練掌握Python 函數(shù)的定義和調(diào)用、函數(shù)的參數(shù)傳遞、變量的作用域、Python的標(biāo)準(zhǔn)庫、Python的第三方庫、典型庫的應(yīng)用和自定義庫的編寫方法，鞏固對(duì)書中理論知識(shí)的理解，達(dá)到融會(huì)貫通的目的。

第6章 Python面向?qū)ο缶幊獭Ｍㄟ^本章實(shí)踐讓讀者理解類是人類對(duì)現(xiàn)實(shí)世界各種事物認(rèn)識(shí)的抽象和總結(jié)，通過構(gòu)造線性和非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類及其操作，輔助讀者理解類和對(duì)象的概念，加深對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。讀者應(yīng)掌握類和對(duì)象的定義，實(shí)例化方法；理解類屬性、實(shí)例屬性、私有屬性和公有屬性，實(shí)例方法、類方法、靜態(tài)方法、私有方法和公有方法，繼承性、封裝性和多態(tài)性的概念和使用形式。

第7章 Python文件操作。通過本章實(shí)踐讓讀者理解文件是存儲(chǔ)在外存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)，不同的文件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同的文件類型，不同文件有著不同的用途，需要不同的讀寫方法和參數(shù)。讀者應(yīng)熟練掌握讀寫文本文件、二進(jìn)制文件、CSV文件和JSON文件的方法和流程。

第8章 Python數(shù)據(jù)庫操作。通過本章實(shí)踐讓讀者理解數(shù)據(jù)庫在大量數(shù)據(jù)的快速共享存取訪問，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和完整性，保持?jǐn)?shù)據(jù)與應(yīng)用程序的獨(dú)立性方面的優(yōu)勢。讀者應(yīng)熟練掌握MySQL數(shù)據(jù)庫的安裝和使用；pymysql（Python DB-API for MySQL）的安裝；Python通過SQL語句操作MySQL數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)記錄的方法和流程。

第9章 Python數(shù)據(jù)分析初步。通過本章實(shí)踐讓讀者理解Python的第三方庫Pandas非常適合對(duì)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行快捷處理，不需要像數(shù)據(jù)庫操作那樣先安裝DBMS，因此其在數(shù)據(jù)分析中占有非常重要的地位，也發(fā)揮著非常重要的作用。讀者應(yīng)熟練掌握Pandas庫的查看和安裝方法；Pandas一維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、二維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的使用；Pandas的重要方法和函數(shù)；運(yùn)用Pandas常用函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的方法和基本流程。

第10章 Python圖形界面編程。通過本章實(shí)踐讓讀者理解tkinter是Python進(jìn)行GUI開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)庫，不需要額外安裝和配置，使用方便。讀者應(yīng)熟練掌握用tkinter進(jìn)行圖形界面程序編寫的流程和方法，包括界面布局和控制、界面上圖形控件的放置、屬性的設(shè)置以及事件響應(yīng)的程序編寫；掌握tkinter庫及其子庫中常用組件和對(duì)象的使用。

第11章 Python數(shù)據(jù)可視化。通過本章實(shí)踐讓讀者理解可視化是利用人眼的感知能力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互的可視表達(dá)以增強(qiáng)認(rèn)知。它將不可見或難以直接顯示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可感知的圖形、符號(hào)、顏色、紋理等，提高數(shù)據(jù)識(shí)別效率，傳遞有效信息。讀者應(yīng)熟練掌握Matplotlib數(shù)據(jù)可視化核心拓展庫的使用方法，熟悉大量的定制選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的深度定制和跨平臺(tái)的交互式圖形可視化。

本書由張雙獅任主編，負(fù)責(zé)全書的策劃設(shè)計(jì)和統(tǒng)稿工作，王娟、李思佳、何巍、吳春穎任副主編。主要編寫人員分工如下：張雙獅編寫第4、9章，張雙獅與何巍共同編寫第8章，王娟編寫第5章，李思佳編寫第2、3、10章，何巍編寫第1、7、11 章，吳春穎編寫第6章。

本書是全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)課題“面向警務(wù)新工科的公安信息化基礎(chǔ)教學(xué)改革與實(shí)踐研究”（編號(hào)：2021-AFCEC-522）、河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于大數(shù)據(jù)的警務(wù)課程考核平臺(tái)構(gòu)建與教學(xué)實(shí)踐研究”（編號(hào)：2019GJJG460）的階段性成果。

本書的編寫得到了很多人的支持和幫助。非常感謝中國人民警察大學(xué)劉義祥副校長、數(shù)據(jù)警務(wù)技術(shù)專業(yè)負(fù)責(zé)人蘭月新教授，他們對(duì)本書的編寫提出了良好建議。還要感謝Python官網(wǎng)、Python數(shù)據(jù)分析和可視化庫官網(wǎng)、CSDN、菜鳥教程、博客園、C語言中文網(wǎng)等網(wǎng)站及其社區(qū)的熱心博主，他們寫了許多非常精彩的、超有參考價(jià)值的文章。此外，還要感謝中國水利水電出版社萬水分社楊慶川社長對(duì)大數(shù)據(jù)系列叢書出版的支持、策劃和建議，感謝石永峰副社長在本書的編寫過程中給予的耐心指導(dǎo)和非常細(xì)致的校對(duì)，以及多次提出的良好建議，特別是他對(duì)編寫方式及插入圖表的策劃，使得本書能夠更好地用于教學(xué)。感謝河北大數(shù)據(jù)聯(lián)盟主席安志遠(yuǎn)教授的熱心組織和辛勤付出，感謝大數(shù)據(jù)聯(lián)盟兄弟院校的老師們對(duì)本書編寫提出的寶貴意見和建議，祝愿他們?cè)谝院蟮墓ぷ骱蜕�活中一切順利�?/p>

由于時(shí)間倉促，加之編者水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

張雙獅

2022年6月于中國人民警察大學(xué)

前言
第1章　Python編程初步 1
實(shí)踐1　Python IDE安裝與使用 2
實(shí)踐2　Jupyter Notebook安裝與使用 5
實(shí)踐3　PyCharm安裝與使用 10
實(shí)踐4　VS Code安裝與使用 16
本章小結(jié) 20
第2章　Python語言基礎(chǔ) 21
實(shí)踐1　基本數(shù)據(jù)類型與基本運(yùn)算符 22
實(shí)踐2　類型轉(zhuǎn)換 28
實(shí)踐3　輸入與輸出 30
實(shí)踐4　最值與求和 34
實(shí)踐5　排序與逆序 35
實(shí)踐6　range()函數(shù) 36
實(shí)踐7　map()函數(shù) 37
實(shí)踐8　zip()函數(shù) 38
本章小結(jié) 40
第3章　Python組合數(shù)據(jù)類型 41
實(shí)踐1　列表的定義和使用 42
實(shí)踐2　元組的定義和使用 48
實(shí)踐3　字符串的實(shí)際應(yīng)用 50
實(shí)踐4　字典的定義和使用 53
實(shí)踐5　集合的定義和使用 56
實(shí)踐6　序列解包 57
本章小結(jié) 59
第4章　Python控制結(jié)構(gòu) 60
實(shí)踐1　順序結(jié)構(gòu)應(yīng)用 61
實(shí)踐2　單分支結(jié)構(gòu)應(yīng)用 66
實(shí)踐3　雙分支結(jié)構(gòu)應(yīng)用 67
實(shí)踐4　多分支結(jié)構(gòu)應(yīng)用 68
實(shí)踐5　分支嵌套結(jié)構(gòu)應(yīng)用 69
實(shí)踐6　遍歷循環(huán)的應(yīng)用 71
實(shí)踐7　無限循環(huán)的應(yīng)用 74
實(shí)踐8　循環(huán)控制的應(yīng)用 77
實(shí)踐9　循環(huán)嵌套的應(yīng)用 78
實(shí)踐10　程序異常處理 81
實(shí)踐11　格式化打印輸出問題 82
實(shí)踐12　組合數(shù)據(jù)類型的綜合應(yīng)用 84
實(shí)踐13　常用排序與查詢算法編程 86
本章小結(jié) 90
第5章　Python函數(shù)與模塊 91
實(shí)踐1　函數(shù)的基本用法 93
實(shí)踐2　變量的作用域 104
實(shí)踐3　函數(shù)的參數(shù)傳遞 105
實(shí)踐4　遞歸函數(shù)的定義和調(diào)用 114
實(shí)踐5　Python庫的應(yīng)用 117
本章小結(jié) 119
第6章　Python面向?qū)ο缶幊?120
實(shí)踐1　類的定義與實(shí)例化 121
實(shí)踐2　類的屬性 123
實(shí)踐3　類的方法 125
實(shí)踐4　類的封裝性 131
實(shí)踐5　類的繼承性 132
實(shí)踐6　類的多態(tài)性 136
本章小結(jié) 139
第7章　Python文件操作 140
實(shí)踐1　文本文件操作 140
實(shí)踐2　二進(jìn)制文件操作 143
實(shí)踐3　CSV文件操作 145
實(shí)踐4　JSON文件操作 147
本章小結(jié) 149
第8章　Python數(shù)據(jù)庫操作 150
實(shí)踐1　MySQL數(shù)據(jù)庫連接 151
實(shí)踐2　MySQL數(shù)據(jù)庫操作 155
實(shí)踐3　MySQL數(shù)據(jù)表操作 157
實(shí)踐4　MySQL數(shù)據(jù)記錄操作 158
本章小結(jié) 163
第9章　Python數(shù)據(jù)分析初步 164
實(shí)踐1　Pandas基本操作 164
實(shí)踐2　Pandas數(shù)據(jù)分析進(jìn)階 174
本章小結(jié) 179
第10章　Python圖形界面編程 180
實(shí)踐1　模擬用戶登錄 180
實(shí)踐2　學(xué)生信息管理 183
實(shí)踐3　簡易計(jì)算器 186
本章小結(jié) 189
第11章　Python數(shù)據(jù)可視化 190
實(shí)踐1　Matplotlib基本操作 191
實(shí)踐2　柱形圖與條形圖繪制 194
實(shí)踐3　散點(diǎn)圖與氣泡圖繪制 196
本章小結(jié) 199
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22. C++案例項(xiàng)目精講 [主編 楊國興]
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30. 電工電子技術(shù)基礎(chǔ) [主編 劉 軍 楊國龍 劉天成]