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信息技术（拓展模块）
模块4 程序设计方法及其应用
【问题探析】
【问题4-1】 何谓程序和程序设计？
在计算机领域，“程序”一词特指计算机程序，即计算机为完成某项任务所执行的一系列有序的指令集合。
程序设计是为解决特定问题而使用某种程序设计语言编写程序的过程，是软件构造活动中的重要组成部分。程序设计过程应当包括分析、设计、编码、测试、排错等不同阶段。专业的程序设计人员常被称为程序员。
【问题探析】
【问题4-2】 程序设计语言可以分为哪几代？
从程序设计语言的发展历程来看，可以将程序设计语言分为以下5代。
1．第一代程序设计语言：机器语言
2．第二代程序设计语言：汇编语言
3．第三代程序设计语言：高级语言
4．第四代程序设计语言：非过程化语言
5．第五代程序设计语言：人工智能语言
【问题探析】
【问题4-3】 程序设计有哪些基本步骤？
程序设计的基本步骤主要包括分析问题，设计算法，编辑、编译和连接程序代码，运行程序与分析结果，编写程序文档。其中，前两个步骤非常重要，做好这两个步骤可以为后面的步骤节省很多时间和精力。
【问题探析】
【问题4-4】 主流的程序设计语言有哪些？
目前主流的程序设计语言主要包括以下几种。
1．Python
Python是一种跨平台、交互式、面向对象、解释型的程序设计语言，语法简洁清晰，具有丰富和强大的库，能够将用其他语言开发的各种模块很轻松地联结在一起的优点，因此Python常被称为“胶水语言”。对于初级程序员而言，Python是一种很棒的语言，支持广泛的应用程序开发（从简单的文字处理到Web开发，再到游戏开发），并且简单易学。
【问题探析】
2．JavaScript
JavaScript是一种动态类型、弱类型、基于原型的语言，是一种广泛应用于客户端的脚本语言，用来给HTML网页增加动态功能。它的解释器被称为JavaScript引擎，是浏览器的一部分。
【问题探析】
3．Java
Java是一种面向对象的程序设计语言，不仅吸收了C++的各种优点，还摒弃了C++中难以理解的多继承、指针等概念，因此Java具有功能强大和简单易用两个优势，并且具有封装、继承、多态等面向对象语言的基本特征，也具有稳定、安全、可移植性强、与平台无关、支持网络编程、支持多线程等许多优良特性，是目前使用最为广泛的编程语言之一。使用Java可以编写桌面应用程序、Web应用程序、分布式系统和嵌入式系统应用程序等。
【问题探析】
4．C#
C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework环境的高级程序设计语言。C#是一种强大而灵活的编程语言，借鉴了Java、C语言和C++的一些特点。它可以用来开发Windows应用、企业级业务应用、开发软件等。C#全面集成了.NET库，可转换性强。它的缺点是学习曲线很陡峭，不具备跨平台的能力。
【问题探析】
5．C语言
C语言是一种优秀的、面向过程的结构化程序设计语言，广泛应用于底层开发。
6．C++
C++是C语言的继承，既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计。C++是一种面向对象的程序设计语言，是一种静态数据类型检查的、支持多重编程范式的通用程序设计语言。C++支持过程化程序设计、面向对象程序设计、泛型程序设计等多种程序设计风格。
【问题探析】
【问题4-5】 Python有哪些主要特点？
Python的主要特点如下。
（1）易于学习。
（2）易于阅读。
（3）易于维护。
（4）拥有丰富的标准库。
（5）支持互动模式。
（6）可移植。
（7）可嵌入。
（8）可扩展。
（9）支持数据库应用
（10）支持GUI编程。
【问题探析】
【问题4-6】 Python程序的运行方式有几种？
1．交互式运行方式
交互式运行方式是利用Python内置的集成开发环境IDLE来运行程序的，适合于Python入门、编写简单程序的初学者使用。
2．脚本式运行方式
先将Python语句写好，并将其保存在扩展名为.py的文件中，然后从外部调用这个文件。
【问题探析】
【问题4-7】 Python程序常用的开发环境主要有几种？
Python程序常用的集成开发环境主要有如下几种。
（1）IDLE：Python内置的集成开发环境，IDLE随Python安装包提供。
（2）PyCharm：由著名的JetBrains公司开发，带有一整套可以帮助用户在使用Python进行开发时提高效率的工具。
【问题探析】
【问题4-8】 Python标识符的命名要求有哪些？
Python标识符的命名要求如下。
（1）标识符中的第1个字符必须是字母表中的字母（A~Z和a~z）或下画线（_），第2个字符开始可以是任意数量的字母、数字和下画线（_）。
（2）Python中的标识符不能以数字开头，也不能包含空格、@、%及$等特殊字符。
（3）由于Python 3支持UTF-8字符集，因此Python 3的标识符可以使用UTF-8所能表示的多种语言的字符。
【问题探析】
【问题4-9】 Python的保留字有哪些？
保留字即关键字，是Python本身的专用单词，不能将它们用作任何标识符名称。如果尝试使用关键字作为变量名，那么Python解释器会报错。
Python 3包含了35个关键字，如表4-1所示。
【问题探析】
【问题4-10】 Python程序有哪些基本要素？
1．行与缩进
2．空行
3．多行语句
4．代码块
【问题探析】
【问题4-11】 Python程序有哪几种注释？
注释是指在代码中对代码功能进行解释说明的提示性内容，可以提高代码的可读性。
在Python中，通常包括两种类型的注释，分别是单行注释和多行注释。
【问题探析】
【问题4-12】 Python的基本编码规范有哪些？
Python的基本编码规范如下。
（1）每个import语句只导入一个模块，尽量避免一次导入多个模块。
（2）不要在行尾添加分号（;），也不要使用分号（;）将两条语句写在同一行。
（3）建议每行不超过80个字符，如果超过80个字符，那么建议使用圆括号（()）将多行内容隐式地连接起来，而不推荐使用反斜杠（\）连接。
【问题探析】
（4）使用必要的空行可以增强代码的可读性。一般在函数或者类的定义之间空两行，而类内方法定义之间空一行。另外，在用于分隔某些功能的位置时也可以空一行。
（5）通常情况下，运算符两侧、函数参数之间、逗号（,）两侧都建议使用一个空格进行分隔。
（6）尽量避免在循环结构中使用运算符“+”和“+=”累加字符串。
（7）适当使用异常处理结构提高程序的容错性，但不能过度依赖异常处理结构，适当的显式判断还是有必要的。
【问题探析】
【问题4-13】 如何搭建Python开发环境？
1．查看计算机操作系统的位数
2．下载Python安装包
3．在Windows 64位操作系统上安装Python
4．测试Python是否成功安装
Python安装完成后，需要检测Python是否成功安装。
【问题探析】
【问题4-14】 Python 3的标准数据类型有哪些？
1．Python 3的标准数据类型
Python 3中有6个标准数据类型：numbers（数值）、string（字符串）、list（列表）、tuple（元组）、sets（集合）、dictionary（字典）。
在Python 3的6个标准数据类型中，不可变数据有3个，包括number（数值）、string（字符串）、tuple（元组）；可变数据有3个，包括list（列表）、sets（集合）、dictionary（字典）。
【问题探析】
【问题4-15】 Python的运算符与表达式有哪些？
如何正确使用？
1．Python的算术运算符及其应用
运算符是一些特殊的符号，主要用于数学计算、比较运算和逻辑运算等。Python支持以下类型的运算符：算术运算符、赋值运算符、比较（关系）运算符、逻辑运算符、位运算符、成员运算符、身份运算符。使用运算符将不同类型的数据按照一定的规则连接起来的算式称为表达式。例如，使用算术运算符连接起来的算式称为算术表达式，使用比较（关系）运算符连接起来的算式称为比较（关系）表达式，使用逻辑运算符连接起来的算式称为逻辑表达式。
比较（关系）表达式和逻辑表达式通常作为选择结构和循环结构的条件语句。
【问题探析】
【问题4-16】 程序的流程控制结构有哪几种？
如何正确使用？
程序的流程控制结构主要包括选择结构和循环结构。选择结构是指根据条件表达式的结果选择运行不同语句的流程结构。循环结构是指在一定条件下反复运行某段程序的流程结构，被反复运行的语句体称为循环体，决定循环是否终止的判断条件称为循环条件。流程控制语句的条件表达式主要为比较（关系）表达式和逻辑表达式。
【问题探析】
1．Python的顺序结构
程序主要有3种基本结构：顺序结构、选择结构、循环结构。如果没有流程控制的话，那么整个程序都将按照语句的编写顺序（从上到下的顺序）来运行，而不能根据需求决定程序运行的顺序。
2．Python的流程控制
流程控制对于任何一门编程语言来说都是非常重要的，因为它提供了控制程序如何运行的方法。
Python 3根据判断条件语句的运算结果而选择不同路径的运行方式。Python条件语句是通过一条或多条语句的运行结果（True或者False）来决定运行的代码块的。
【问题探析】
3．Python的选择结构及其应用
选择语句也称条件语句，即按照条件选择运行不同的代码片段。Python中的选择语句主要有3种形式：if语句、if…else语句和if…elif…else语句。在Python中使用if语句的嵌套结构或者if…elif…else多分支语句可以实现多重选择。
1）if语句及其应用
在Python中，使用if保留字来构成选择语句，if语句的一般形式如下。
if <条件表达式> :
<语句块>
【问题探析】
2）if…else语句及其应用
在Python中，if…else语句的一般形式如下。
if <条件表达式> :
<语句块1>
else：
<语句块2>
【问题探析】
3）if…elif…else语句及其应用
在Python中，if…elif…else语句的一般形式如下。
if <条件表达式1> :
<语句块1>
elif <条件表达式2> :
<语句块2>
else:
<语句块N>
【问题探析】
4．for循环语句及其应用
Python中的循环语句有for循环语句和while循环语句两种类型。Python中的for循环也称计次循环，其循环语句可以遍历任何序列数据，如一个列表或者一个字符串。while循环也称条件循环，其循环语句可以一直进行循环，直到条件不满足时才结束循环。
for循环是一个计次循环，通常适用于枚举或遍历序列，以及迭代对象中的元素，一般应用于循环次数已知的情况下。
1）for循环语句的基本语法格式
for循环语句的基本语法格式如下。
for <循环变量> in <序列结构>:
<语句块>
【问题探析】
2）for…else语句
Python中的for循环语句可以有else语句，它在for循环穷尽序列导致循环终止时被运行，但循环被break终止时不运行。
for…else语句的基本语法格式如下。
for <变量> in <序列结构>:
<语句块1>
else:
<语句块2>
当for循环没有被break语句终止时，运行else语句。
【问题探析】
5．while循环语句及其应用
Python中的while循环是通过一个条件表达式来控制是否要继续反复运行循环体中的语句块的。
while循环语句的基本语法格式如下。
while <条件表达式>:
<语句块>
6．循环中的跳转语句
循环中的break语句用于跳出并结束当前整个循环，运行循环后的语句。continue语句用于结束当次循环，继续运行后续次数的循环。
【问题探析】
【问题4-17】 Python序列数据有哪几种？
如何正确使用？
序列也称数列，是指按照一定顺序排列的一列数据，Python序列是最基本的数据结构，它是一块用于存放多个值的连续内存空间，并且按一定顺序排列，每一个值（称为元素）都会被分配一个顺序号，这个顺序号称为索引或位置，通过该索引可以取出相应的值。
Python中的列表（list）、元组（tuple）、字典（dictionary）、集合（sets）、字符串（string）都属于序列（sequence）。在Python中，序列结构具有一些通用的特征和操作。
【问题探析】
【问题4-18】 如何定义与调用Python函数？
函数能提高应用程序的模块化程度和代码的重复利用率，降低编程难度。函数是一种功能的抽象，一般函数表达特定功能。函数是组织好的、可重复使用的、用来实现所需功能、执行特定任务的代码段，函数可以使代码执行得更快。函数是一段具有特定功能的、可重复使用的语句组。
【问题探析】
1．定义函数
Python提供了许多内置的标准函数，如print()、input()、range()等。我们也可以自己创建函数，这种自己创建的函数称为自定义函数。
我们可以定义一个函数，以实现自己想要的功能。定义一个函数：指定函数的名称，指定函数中包含的参数和代码块结构。
Python使用def关键字自定义函数，定义函数的基本语法格式如下。
def 函数名称([0个或多个参数组成的参数列表]):
''<注释内容>''
<函数体>
return [表达式]
【问题探析】
2．调用函数
完成函数定义后，可以通过调用该函数执行函数代码，实现其功能。可以将函数作为一个值赋值给指定变量。
调用函数的基本语法格式如下。
函数名称([0个或多个参数组成的参数列表])
要调用的函数名称必须是已经定义好的。如果已定义的函数有参数，那么调用时也要指定各个参数值；如果需要传递多个参数值，那么各参数之间使用“,”分隔；如果该函数没有参数，那么直接写一对“()”即可，但“()”必须保留。
调用函数时，如果函数只返回一个值，那么返回值可以赋值给一个变量；如果返回多个值，那么返回值可以赋值给多个变量或一个元组。
【问题探析】
3．Python数学常量
Python数学常量主要包括数学常量pi（圆周率，一般以π来表示）和数学常量e（自然常数）。
4．Python常用的数学运算函数
Python常用的数学运算函数如表4-9所示。
5．print()函数及其使用
在Python中，使用print()函数可以将结果输出到IDLE或者标准控制台中。
print()函数的基本语法格式如下。
print(输出内容)
【问题探析】
6．input()函数及其使用
Python提供了input()函数（从标准输入中读入一行文本），默认的标准输入方式是键盘。
input()函数的基本语法格式如下。
变量名=input("<提示文字>")
7．eval()函数及其使用
eval()函数的功能是去掉字符串最外侧的引号，并按照Python语句方式执行去掉引号后的字符内容。
【操作训练】
【任务4-1】使用IDLE编写简单的Python程序
在Windows 10任务栏中右击“开始”按钮，在弹出的“开始”快捷菜单中选择“搜索”命令，弹出“搜索”对话框，在输入框中输入“Python”，显示相应最佳匹配列表项，如图4-19所示。在最佳匹配列表项中选择“IDLE(Python 3.8 64-bit)”选项即可打开IDLE窗口，如图4-20所示。
在“Python 3.8.2 Shell”IDLE窗口出现Python提示符“>>>”，表示Python已经准备好了，等待用户输入Python程序代码。在Python提示符“>>>”右侧输入程序代码时，每输入一条语句后按Enter键，就会运行一条语句。
【操作训练】
【操作训练】
这里输入一条语句：
print("Happy to learn Python Programming")
按Enter键，运行该语句的结果如图4-21所示。
【操作训练】
【任务4-2】演示定义变量与赋值
演示定义变量与赋值的代码如下所示。
number = 100 # 整型变量
distance = 1000.0 # 浮点型变量
name = "LiMing" # 字符串
print (number)
print (distance)
print (name)
【操作训练】
运行结果为：
100
1000.0
LiMing
【操作训练】
【任务4-3】演示Python中if语句的用法
演示Python中if语句的用法的代码如下所示。
var1 = 100
if var1:
print("1-if表达式条件为true")
print(var1)
var2 = 0
if var2:
print("2-if表达式条件为true")
print(var2)
print("Good bye!")
【操作训练】
运行结果为：
1-if表达式条件为true
100
Good bye!
【操作训练】
【任务4-4】演示Python中if…else语句的用法
演示Python中if…else语句的用法的代码如下所示。
password= input("请输入密码：")
if password =="123456":
print("输入的密码正确")
else:
print("输入的密码错误")
运行结果为：
请输入密码：666
输入的密码错误
【操作训练】
【任务4-5】演示Python中if…elif…else语句的用法
演示Python中if…elif…else语句的用法的代码如下所示。
score=86
grade=""
if score>=90:
grade="A"
elif score>=80:
grade="B"
elif score>=60:
grade="C"
【操作训练】
else:
grade="D"
print("考试成绩为{}，等级为{}等。".format(score,grade))
运行结果为：
考试成绩为86，等级为B等。
【操作训练】
【任务4-6】演示在for循环中使用break语句
演示在for循环中使用break语句的代码如下所示。
publisher=["电子工业出版社","高等教育出版社","人民邮电出版社","清华大学出版社"]
for item in publisher:
if item == "人民邮电出版社":
print("跳出for循环")
break
print("循环数据：" + item)
【操作训练】
else:
print("没有循环数据")
print("循环结束")
运行结果为：
循环数据：电子工业出版社
循环数据：高等教育出版社
跳出for循环
循环结束
【操作训练】
【任务4-7】演示在while循环中使用continue语句
演示在while循环中使用continue语句的代码如下所示。
n = 5
while n > 0:
n -= 1
if n == 2:
continue
print(n)
print("循环结束。")
【操作训练】
运行结果为：
4
3
1
0
循环结束。
【操作训练】
【任务4-8】演示计算矩形面积函数的定义与调用
定义计算矩形面积函数的代码如下所示。
def area(width, height):
'''计算矩形面积函数'''
area=width * height
return area
运行以上代码后，将不显示任何内容，也不会抛出异常，因为还没有调用矩形面积函数area()。
【操作训练】
矩形面积函数area()的定义与调用的完整代码如下所示。
def area(width, height):
'''计算矩形面积函数'''
area=width * height
return area
width = 4
height = 5
area= area(width, height)
print("area =", area)
运行结果为：
area = 20
快乐学习、高效学习

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