本书依据教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发布的《大学计算机课程教 学基本要求》中关于程序设计基础课程的相关教学要求编写而成。全书分基础、进阶和应 用三部分共11章。基础部分包括第1章~第4章，内容涵盖计算机编程基础、Python语言概 述、Python开发环境搭建、Python基本数据类型、Python容器类数据和程序的控制结构； 进阶部分包括第5章~第9章，内容涵盖Python的函数和函数式编程、文件、Python程序的异 常处理、turtle绘图和几个Python常用的第三方库；应用部分包括第10章和第11章，内容涵 盖网络爬虫、科学计算与可视化、机器学习等各种Python应用。
  本书力求以学习者为本，内容讲解细致，概念清晰，叙述明确，案例丰富有趣，并融 合课程思政要素，帮助读者掌握通用的程序设计知识和方法，并有效指导读者掌握Python 语法及应用知识。
本书适合作为高等学校Python程序设计或应用及相关课程的教材﹐也可以作为Python
爱好者学习的参考书。

当今世界科技发展日新月异，现代信息技术深刻改变着人类的生产、生 活、思维和学习方式，人工智能的快速发展和广泛应用对计算机处理能力的 快速提升和高效性提出了更高的要求，掌握基本的程序设计语言和程序设计 方法，是当今高科技人才必备的基本能力。
  Python 语言语法简单优雅明确、数据类型丰富，有大量的标准库和第三 方库可支撑各个领域的应用，故而程序功能强、编程效率高，被广泛应用于 计算机科学与技术、科学计算、数据的统计分析、移动终端开发、图形图像 处理、人工智能、游戏设计、网站开发等各个领域。
  本书依据教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发布的《大学 计算机课程教学基本要求》中关于程序设计基础课程的相关教学要求编写而 成，力求培养学习者的计算思维能力，并使学习者掌握利用计算机分析问题、 解决问题的基本技能，跟上时代科技发展的步伐。
  本书力求以程序设计初学者为本，力争成为易懂、专业、好用的 Python 教材。本书概念清晰、叙述明确，特别对难理解或有可能歧义之处加强了分 析和示例。本书内容丰富，包含学习中常见的问题和解决方法，教学案例 和习题提供丰富的学习和实践资源，并融合部分中国特色文化以提高学生 的兴趣和家国情怀。本书承载了程序设计知识和能力目标，也实现了价值目 标。学会编程，可掌握一项基本技能，享受编程求解和科技创新带来的乐 趣 ；学会编程，可培养逻辑思维能力和抽象思维能力，养成科学的认知习 惯 ；学会编程，可培养严谨细致的工作作风，遵纪守法、诚实守信的职业品 格 ；学会编程，可培养求真务实、精益求精、实践创新和追求卓越的职业 精神。
  本书由林荫、余海洋任主编，蒋威、刁小敏、常锋任副主编，第 1、2 章由 林荫编写，第 3、4 章由常锋编写，第 5 章由余海洋编写，第 6、7、8、9 章 由刁小敏编写，第 10、11 章由蒋威编写，附录共同编写。林荫、余海洋负 责全书统稿和定稿。

第 1 章
绪论 ...............................................................................................1

1.1 计算机编程基础....................................................................... 1
1.1.1 计算机编程过程 ................................................................ 2
1.1.2 计算机程序设计语言 .......................................................... 3
1.1.3 高级语言的执行机制 .......................................................... 4
1.2 Python 语言概述 ..................................................................... 5
1.2.1 Python 语言的诞生和发展 .................................................. 5
1.2.2 Python 语言的特点 ............................................................ 6
1.2.3 Python 语言的应用生态 ..................................................... 7
1.3 构建 Python 开发环境 .............................................................. 8
1.3.1 Python 开发环境简介 ........................................................ 8
1.3.2 下载 Python 安装包 ........................................................... 9
1.3.3 Python 安装和验证 .......................................................... 11
1.3.4 Python 编程和运行 .......................................................... 14
1.4 Python 程序及编写规范 .......................................................... 16
1.4.1 IPO 程序编写方法 ........................................................... 16
1.4.2 一个完整的 Python 程序 .................................................. 17
1.4.3 Python 的注释规则 .......................................................... 18
1.4.4 Python 的缩进规则 .......................................................... 19
1.4.5 Python 程序编写规则 ...................................................... 19
   1.4.6 命名规范 ........................................................................ 20 小结 ............................................................................................. 21 习题一 .......................................................................................... 21


第 2 章
Python 语法基础..........................................................................23

2.1 Python 对象 ..........................................................................24
2.1.1 Python 中的对象 ............................................................. 24
2.1.2 Python 的标识符 ............................................................. 24
2.1.3 常量............................................................................... 25
2.1.4 变量............................................................................... 25
2.2 数字数据类型 ......................................................................... 27
2.2.1 整数类型 ........................................................................ 27
2.2.2 浮点数类型 ..................................................................... 28



I








2.2.3 复数类型 .....................................................................29
2.2.4 逻辑类型 .....................................................................30
2.3   运算符 .............................................................................. 30
2.3.1 算术运算符 ..................................................................30
2.3.2 赋值运算符 ..................................................................34
2.3.3 关系运算符 ..................................................................34
2.3.4 逻辑运算符 .................................................................. 36
2.3.5 身份运算符 ..................................................................37
2.3.6 位运算符 .....................................................................38
2.3.7 运算符的优先级 ...........................................................40
2.4   输入输出语句 ..................................................................... 41
2.4.1 输出函数 print() ...........................................................41
2.4.2 格式化输出 ..................................................................43
2.4.3 输入函数 input() 及扩展 ................................................47
2.5   常用内置函数 ..................................................................... 49
2.5.1 对象操作函数 ...............................................................49
2.5.2 数学函数 .....................................................................50
2.5.3 数据转换函数 ...............................................................52
2.6   Python 标准库 ................................................................... 55
2.6.1 math 模块 ...................................................................55
2.6.2 random 模块 ...............................................................58
2.7   综合案例 ........................................................................... 60 小结 ......................................................................................... 62 习题二 ...................................................................................... 62

第 3 章
容器数据类型...............................................................................67


3.1 容器数据类型概述 .............................................................. 68
3.2 序列的操作 ........................................................................ 69
3.2.1 常用的序列操作............................................................69
3.2.2 序列的操作——函数和方法 ............................................73
3.3 字符串 .............................................................................. 79
3.3.1 字符串基本操作 ...........................................................79
3.3.2 字符串的常用函数 ........................................................81
3.3.3 字符串的常用方法 ........................................................83
3.3.4 标准库 string 模块 ........................................................85

II

目 录 







3.4 列表 .................................................................................... 86
3.4.1 列表的创建和修改 ......................................................... 87
3.4.2 列表的常用函数............................................................. 87
3.4.3 列表的常用方法............................................................. 89
3.5 元组 .................................................................................... 92
3.6 字典 .................................................................................... 94
3.6.1 字典的创建 ................................................................... 95
3.6.2 字典的访问 ................................................................... 96
3.6.3 字典常用的内置方法 ...................................................... 98
3.6.4 字典的应用 ..................................................................102
3.6.5 字典和列表的比较 ........................................................104
3.7 集合 .................................................................................. 104
3.7.1 集合的创建 ..................................................................105
3.7.2 集合运算 .....................................................................106
   3.7.3 集合的常用内置方法和函数 ............................................108 小结 ......................................................................................... 109 习题三 ...................................................................................... 109

第 4 章
程序的控制结构 ......................................................................... 113


4.1   程序的控制结构概述 ........................................................... 114
4.2   程序的选择结构.................................................................. 114
4.2.1 单分支结构 ..................................................................114
4.2.2 双分支结构 ..................................................................115
4.2.3 多分支结构 ..................................................................116
4.2.4 判断条件和组合 ...........................................................117
4.2.5 选择结构 ：条件表达式 ..................................................119
4.3   程序的循环结构.................................................................. 120
4.3.1 遍历循环结构 for ..........................................................120
4.3.2 列表推导式 ..................................................................122
4.3.3 条件循环结构 while ......................................................123
4.3.4 循环控制语句 ...............................................................125
4.3.5 循环嵌套 .....................................................................128
4.4   综合案例 ........................................................................... 129 小结 ......................................................................................... 139 习题四 ...................................................................................... 139

III

Python 程序设计基础 







第 5 章
函数 ...........................................................................................145


5.1   函数的概念 ....................................................................... 146
5.1.1 函数的定义和调用 ....................................................... 146
5.1.2 函数的调用过程........................................................... 147
5.2   函数的参数与返回值 .......................................................... 148
5.2.1 实参和形参 ................................................................. 148
5.2.2 实参与形参的传递 ....................................................... 149
5.2.3 函数的返回值 .............................................................. 151
5.2.4 无参函数 .................................................................... 152
5.3   参数的类型 ....................................................................... 152
5.3.1 位置参数 .................................................................... 152
5.3.2 默认参数 .................................................................... 153
5.3.3 关键字参数 ................................................................. 154
5.3.4 可变长度参数 .............................................................. 154
5.4   lambda() 函数 .................................................................. 156
5.5   变量的作用域 .................................................................... 158
5.6   递归 ................................................................................. 160
5.6.1 递归的定义 ................................................................. 160
5.6.2 递归的调用过程........................................................... 160
5.6.3 递归的实现 ................................................................. 161
5.6.4 Fibonacci 数列 ........................................................... 161
5.7   综合案例 .......................................................................... 164 小结 ........................................................................................ 169 习题五 ..................................................................................... 169

第 6 章
文件 ...........................................................................................172


6.1 文件基本操作 .................................................................... 172
6.1.1 文件概述 .................................................................... 172
6.1.2 文件的打开和关闭 ....................................................... 173
6.1.3 文件读写 .................................................................... 174
6.1.4 文件定位 .................................................................... 177
6.1.5 os 库 ......................................................................... 178
6.1.6 time 库....................................................................... 181
6.2 常用的格式文件 ................................................................. 185
6.2.1 CSV 格式文件 ............................................................. 185

IV

目 录 





6.2.2 JSON 格式文件 ............................................................. 186
6.3   综合案例 ............................................................................ 188 小结 .......................................................................................... 189 习题六 ....................................................................................... 190

第 7 章 程序的异常处理 .........................................................................192
7.1   程序的错误和异常 ............................................................... 192
7.2   捕获异常 ............................................................................ 194
小结 .......................................................................................... 197
习题七 ....................................................................................... 197

第 8 章 turtle 绘图 ..................................................................................201
8.1   画布设置 ............................................................................ 201
8.2   画笔设置 ............................................................................ 205
8.3   图形绘制 ............................................................................ 208
8.4   综合案例 ............................................................................ 209
小结 .......................................................................................... 215
习题八 ....................................................................................... 215

第 9 章 Python 的第三方库 ....................................................................218
9.1   第三方库概述 ...................................................................... 218
9.2   第三方库的获取和安装 ......................................................... 218
9.3   jieba 库及其使用 ................................................................. 219
9.4   wordcloud 库及其使用 ........................................................ 223
9.5   Python 程序打包 ................................................................. 226
9.6   综合案例 ............................................................................ 227
小结 .......................................................................................... 232
习题九 ....................................................................................... 232

第 10 章 Python 数据工程与可视化 .......................................................234
10.1   网络爬虫 .......................................................................... 234
10.1.1 Requests ................................................................... 235
10.1.2 beautifulsoup4 ........................................................... 236
10.2   科学计算 .......................................................................... 239
10.2.1 数组的创建 ................................................................. 240
10.2.2 数组的属性 ................................................................. 242



V

Python 程序设计基础 






10.2.3 切片和索引 ................................................................. 244
10.2.4 数组的变换 ................................................................. 246
10.2.5 广播 ........................................................................... 248
10.3   可视化............................................................................... 250
10.3.1 创建画布和创建子图 .................................................... 250
10.3.2 添加画布内容 .............................................................. 252
10.3.3 绘图的显示与保存........................................................ 253
10.3.4 pyplot 的动态 rc 参数 .................................................. 253
10.3.5 常见图形绘制 .............................................................. 255
10.4   Pandas ............................................................................. 259
10.4.1 Series ........................................................................ 259
10.4.2 DataFrame ................................................................. 259
10.4.3 数据查询 .................................................................... 261
10.4.4 数据清洗 .................................................................... 262
10.5   综合案例 ........................................................................... 265 小结 ........................................................................................... 268 习题十 ........................................................................................ 268

第 11 章
Python 高级运用 ......................................................................270


11.1 机器学习 ........................................................................... 271
11.1.1 scikit-learn ................................................................. 271
11.1.2 TensorFlow ................................................................ 271
11.1.3 Theano ...................................................................... 272
11.1.4 Keras ......................................................................... 272
11.1.5 PyTorch ..................................................................... 272
11.2 用户图形界面（GUI）.......................................................... 273
11.2.1 PyQt5 ........................................................................ 273
11.2.2 wxPython ................................................................... 274
11.2.3 PyGTK ....................................................................... 274
11.3 Web 开发 .......................................................................... 275
11.3.1 Django ...................................................................... 275
11.3.2 Pyramid ..................................................................... 276
11.3.3 Flask ......................................................................... 276
11.4 游戏开发 ........................................................................... 277
11.4.1 Pygame ..................................................................... 277
11.4.2 Panda3D.................................................................... 277

VI

目 录 





11.4.3 cocos2d ................................................................... 278
11.5 其他第三方库 ................................................................... 278
11.5.1 PIL ........................................................................... 278
11.5.2 SymPy ...................................................................... 279
11.5.3 NLTK ........................................................................ 279
11.5.4 WeRoBot .................................................................. 279
   11.5.5 MyQR ....................................................................... 280 小结 ......................................................................................... 281 习题十一 ................................................................................... 281

附录 A   Python 运算符和优先级 .............................................................283
附录 B   Python 保留字............................................................................284 附录 C   Python 内置函数 ........................................................................286 附录 D   Python 常用标准库 ....................................................................289 附录 E   Python 常见第三方库 .................................................................290 附录 F   Python 常见内置异常 .................................................................292 习题解答 ..................................................................................................294 参考文献 ..................................................................................................308

林荫，常州大学怀德学院信息工程系副教授。长期从事大学计算机、程序设计语言和数据结构与算法的一线教学工作，长期从事相关专业和课程的教研工作，曾获得江苏省第一届微课大赛奖，并多次获得学院多媒体教学和教学成果奖等。余海洋，目前任职于常州大学怀德学院，教育管理助理研究员，硕士研究生，主要从事计算机相关专业基础课程教学、教学管理和软件开发等工作。

本书力求以程序设计初学者为本，力争成为易懂、专业、好用的 Python 教材。本书概念清晰、叙述明确，特别对难理解或有可能歧义之处加强了分 析和示例。本书内容丰富，包含学习中常见的问题和解决方法，教学案例 和习题提供丰富的学习和实践资源，并融合部分中国特色文化以提高学生 的兴趣和家国情怀。本书承载了程序设计知识和能力目标，也实现了价值目 标。