Python程序设计与应用

可读性好——通过浅显易懂的语言结合丰富的配图，使得编程初学者能够快速入门掌握 Python 语言。

注重实践——通过设计项目实践环节，使初学者能够使用编程思维解决问题，并通过项目实践了解项目的基本开发流程和常用第三方库的使用。

适应面广——既面向计算机软件编程零基础和刚入门的读者，也适用于具备一定基础、开始学习第三方库的使用和初级项目实施的读者。

前 言

Python语言已成为目前最受欢迎的计算机语言之一，其生态链应用也越来越广泛，从绘制图形到词频统计，从图像处理到Web开发，从科学计算到嵌入式开发，越来越多的场景可以使用Python语言来解决。尤其是人工智能时代的到来，调用方便、科学计算功能强大的Python依旧在AI领域拥有最强大的竞争力，可以说，Python语言就是人工智能领域的BASIC语言。

本书的编写旨在推动Python语言教学作为应用型本科大学相关专业的公共基础课程来进行教授。本书内容分为两大部分：第一部分是Python语言编程基础知识，通过浅显易懂的语言结合丰富的配图，使得编程初学者能够快速入门掌握Python语言；第二部分是项目实践，通过设计项目实践环节，初步展现解决问题的过程和方法，使初学者能够使用编程思维解决问题，并通过项目实施了解简单项目的开发流程，掌握一些常用第三方库的使用。因此，本书既面向计算机软件编程零基础和刚入门的读者，也适用于具备一定基础、开始学习第三方库的使用和初级项目实施的读者。

本书依据全国计算机等级考试Python语言考试大纲在内容上做了对应的编排，覆盖了大纲所要求掌握的内容范围，在基础知识部分各章的后面都附有大量的习题可供练习，可作为参加全国计算机等级考试Python语言考试的参考用书。

本书第一部分基础知识共分10章。第1章阐述了计算机的基本概念、软硬件的发展历史和现状，并对Python语言的基本概念和特点作了介绍；第2章介绍了Python编程环境的搭建，主要包括Anaconda、IDLE和PyCharm三种常用环境的搭建和使用；第3章介绍了Python语言基本内容，主要包括标识符、基本运算、赋值、字符串操作和内置函数的介绍；第4章主要介绍选择和循环等程序控制结构；第5章介绍了Python语言常用的四种结构，包括列表、元组、字典和集合；第6章介绍了函数的使用、参数的传递以及全局变量和局部变量的使用；第7章介绍了模块、包和第三方库的引入和使用；第8章对面向对象程序设计方法进行了描述；第9章介绍了文件的基本操作，并对CSV文件和Excel文件在Python中的读写调用进行了详细叙述；第10章专门围绕异常处理进行了详细描述。

第二部分项目实践分4个项目进行练习。项目一主要是围绕如何绘制图形以及如何进行项目发布的任务来进行turtle、matplotlib和项目打包发布介绍；项目二设计实现对微信好友数据进行分析和绘制图表的任务；项目三设计了一个网页爬虫任务，通过项目实施实现对urllib、etree、xpath、time、Pandas、jieba、wordCloud等第三方库的介绍和使用；项目四基于Django框架和MySQL数据库，实现了一个简单的基于动态数据展示的Web应用。

本书第1、10章由张广渊编写，第2、9章、项目1和项目2由倪燃编写，第3、4章由吴昌平编写，第5、8章和项目3由李凤云编写，第6、7章和项目4由朱振方编写，全书由张广渊统稿。

本书内容基于Python 3编写，所有源程序代码均在Python 3编程环境下运行通过。Python计算生态和资源可从https://github.com/vinta/awesome-Python获得。

由于编者水平有限，在本书编写过程中难免出现错误和疏漏，恳请广大读者批评指正。

编 者

2018年12月

目 录
前言
第一部分 基础知识

第1章 绪论 1
1.1 计算机发展历史 1
1.1.1 计算机的历史 1
1.1.2 个人计算机的历史 2
1.2 软硬件基本知识 3
1.2.1 冯•诺依曼结构 3
1.2.2 计算机软件发展 7
1.3 常用编程语言介绍 9
1.3.1 机器语言 9
1.3.2 汇编语言 10
1.3.3 高级程序设计语言 10
1.4 Python语言简介 11
1.4.1 Python语言的历史 11
1.4.2 Python语言的特点 12
1.4.3 Python语言应用 12
练习一 13
第2章 Python编程环境搭建 15
2.1 Anaconda安装与Python编程界面 15
2.1.1 Anaconda安装过程 15
2.1.2 Anaconda中的Python编辑器Spyder 19
2.2 Anaconda其他常用功能 24
2.2.1 常用应用程序及pip模块安装命令 24
2.2.2 常用科学包介绍 25
2.3 了解IDLE开发环境 30
2.3.1 启动IDLE 31
2.3.2 使用IDLE编写Python程序 32
2.4 使用PyCharm编辑器 33
2.4.1 下载安装 34
2.4.2 新建项目 34
2.4.3 配置PyCharm 36
练习二 40
第3章 Python程序设计入门 41
3.1 标识符、关键字和数据类型 41
3.1.1 标识符、关键字 41
3.1.2 标准数据类型 43
3.2 常量与变量 43
3.2.1 常量 43
3.2.2 变量 45
3.3 运算符与表达式 46
3.3.1 算术运算符 46
3.3.2 关系运算符 47
3.3.3 逻辑运算符 47
3.3.4 位运算符 48
3.3.5 赋值运算符 48
3.3.6 成员运算符 49
3.3.7 标识（身份）运算符 49
3.3.8 运算符优先级 49
3.4 源程序书写风格 50
3.4.1 注释 50
3.4.2 缩进 50
3.4.3 语句换行 50
3.4.4 必要的空格与空行 51
3.5 赋值语句 51
3.6 基本输入/输出 51
3.6.1 Python基本输入 51
3.6.2 Python基本输出 52
3.7 字符串操作 56
3.7.1 字符串的存储方式 56
3.7.2 字符串切片 56
3.7.3 字符串运算符 57
3.8 Python内置函数 58
3.8.1 Python数学函数 58
3.8.2 字符串函数 59
3.8.3 类型判断和类型间转换 61
练习三 62
第4章 程序控制 66
4.1 选择结构 66
4.2 循环结构 70
4.2.1 while语句 70
4.2.2 for语句 71
4.2.3 break语句、continue语句和
pass语句 73
4.2.4 循环嵌套 74
练习四 75
第5章 列表、元组、字典、集合 78
5.1 列表 78
5.1.1 列表的创建与删除 79
5.1.2 列表元素的访问 79
5.1.3 用列表的基本操作实现案例任务 81
5.1.4 列表的高级操作 82
5.1.5 用列表的高级操作实现案例任务 82
5.2 元组 83
5.2.1 元组的创建与删除 83
5.2.2 访问元组的元素 84
5.2.3 元组的高级操作 84
5.2.4 用元组实现案例任务 85
5.3 字典 86
5.3.1 字典的创建和删除 86
5.3.2 字典元素的基本操作 87
5.3.3 用字典实现案例任务 88
5.3.4 字典的高级操作 90
5.4 集合 90
5.4.1 集合的基本操作 91
5.4.2 用集合实现案例任务 91
5.4.3 集合运算 92
5.5 列表、元组、字典、集合的应用小结 93
练习五 94
第6章 函数 97
6.1 函数的基本结构 97
6.1.1 一个最简单的函数 97
6.1.2 函数的语法结构 97
6.1.3 函数的调用 98
6.1.4 return [表达式] 98
6.2 函数调用过程中的参数传递 99
6.2.1 必选参数 99
6.2.2 关键字参数 100
6.2.3 默认参数 100
6.2.4 不定长参数 101
6.3 匿名函数 102
6.3.1 匿名函数的定义 102
6.3.2 匿名函数的特征 102
6.3.3 匿名函数使用 103
6.4 局部变量和全局变量 104
6.4.1 变量的作用域 104
6.4.2 局部变量和全局变量 104
6.4.3 global和nonlocal关键字 105
6.5 系统内置函数介绍 106
练习六 109
第7章 模块 112
7.1 模块概述 112
7.2 模块的导入 113
7.2.1 直接使用import导入模块 113
7.2.2 通过sys模块导入自定义模块
的path 115
7.2.3 通过pth文件找到自定义模块 115
7.3 第三方库的使用 116
7.4 包 116
7.4.1 引入包的原因 116
7.4.2 导入和使用包 117
练习七 118
第8章 面向对象程序设计 119
8.1 面向对象的程序设计思想 119
8.2 类的定义和使用 120
8.2.1 创建类和对象 120
8.2.2 数据成员 121
8.2.3 方法 122
8.3 类的继承与方法重载 124
8.3.1 派生类的定义和使用 125
8.3.2 方法重载 126
8.4 面向对象程序设计应用小结 127
练习八 128
第9章 文件 129
9.1 文件的基本操作 129
9.1.1 文件与文件对象 129
9.1.2 打开和关闭文件 130
9.1.3 文件写入 132
9.1.4 顺序读取写入文件的内容 133
9.1.5 随机读取文件内容的方法 136
9.1.6 综合实例——使用文件来保存游戏 138
9.2 读取存储CSV格式 142
9.2.1 CSV文件格式 142
9.2.2 常规CSV文件存取过程 142
9.2.3 使用CSV模块读写文件 144
9.3 其他类型文件的读取与写入 145
9.3.1 xlrd模块读取Excel文件 145
9.3.2 xlwt模块写Excel文件 146
9.4 使用OS模块处理文件和目录 146
9.4.1 os模块常用方法 147
9.4.2 遍历目录及子目录 147
9.5 文件使用综合实例 148
练习九 150
第10章 异常处理 152
10.1 什么是异常？ 152
10.2 如何处理异常？ 154
10.3 处理多个异常 155
练习十 156

第二部分 项目实践

项目1 根据函数绘制曲线 158
11.1 主要问题 158
11.1.1 turtle模块绘制坐标系 158
11.1.2 使用NumPy模块获得散点数列 160
11.1.3 2D绘图模块turtle动画展示曲线 160
11.2 项目实施 161
11.2.1 程序流程 161
11.2.2 数据代码 162
11.2.3 运行结果 164
11.3 项目扩展 165
11.3.1 使用matplotlib显示静态曲线 165
11.3.2 打包成exe文件 166
项目2 分析微信好友数据 168
12.1 项目准备 168
12.1.1 微信模块wxpy 168
12.1.2 绘图模块matplotlib.pyplot 171
12.2 项目实施 174
12.2.1 程序流程 174
12.2.2 数据处理 175
12.2.3 全部代码 176
12.2.4 运行结果 177
项目3 网页数据下载与处理 179
13.1 使用urllib爬取数据 179
13.2 相关知识点 180
13.2.1 网络请求与响应 180
13.2.2 字符编码与解码 181
13.2.3 HTML 182
13.3 用etree和xpath提取数据 183
13.4 将提取数据的数据存到列表中 186
13.5 将列表中的数据存为CSV文件和
TXT文件 186
13.5.1 用time库获取日期时间 187
13.5.2 使用Pandas库实现数据处理 187
13.6 分词数据和词云数据分析 189
13.6.1 使用jieba库实现分词 190
13.6.2 使用wordcloud库生成词云 190
13.6.3 使用matplotlib库实现词云
的可视化 191
项目4 Django+MySQL Web开发 193
14.1 概述 193
14.2 Django简介 195
14.2.1 框架介绍 195
14.2.2 架构设计 195
14.2.3 工作机制 196
14.2.4 部署 197
14.2.5 文档 197
14.3 MVC框架介绍 197
14.4 Python Django的安装 198
14.5 使用PyCharm和Django创建简单的
Web服务器 198
14.5.1 软件安装 199
14.5.2 PyCharm新建Django工程 199
14.5.3 项目启动 200
14.5.4 Web工程添加页面 201
14.5.5 动态数据显示 203
14.5.6 数据库准备 204
14.5.7 连接数据库 207
附录 全国计算机等级考试二级Python语言
程序设计考试大纲（2018年版） 211

1. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
2. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
3. C程序设计实践教程 [刘卫国]
4. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
5. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
6. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
7. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
8. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
9. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
10. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
11. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
12. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
13. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
14. 电工电子技术基础 [主编 刘 军 杨国龙 刘天成]
15. MySQL数据库项目式教程 [陈亚峰]
16. 机械设计基础（第二版） [主编 田亚平 李爱姣]
17. 画法几何与机械制图 [主编 赵军]
18. C语言程序设计习题与实验指导（第二版） [主编 甄增荣 张宾]
19. C语言程序设计（第二版） [主编 甄增荣 田云霞]
20. Unity3D虚拟现实应用开发实践 [主 编 刘龙]
21. 智能化技术基础（第三版） [邓文达　李礼]
22. Python程序设计 [主编 姜春磊 陈虹洁]
23. C语言程序设计实践教程（活页式） [主编 郑茵 陈巍 滕泓虬]
24. 面向对象程序设计 [主编 张勇 张平华 赵小龙]
25. Python程序设计基础及实战 [主编　刘健]
26. 网络营销 [主编 夏薇薇 刘婷 尚洁]
27. C语言程序设计 [姜雪]
28. Python程序设计实践教程 [王鹤琴 蔡正保]
29. 电视节目策划与制作（微课版） [主　编　黄滴滴]
30. 数据库技术与应用实践教程（SQL Server 2019） [主 编 严晖 周肆清]