054 Python程序设计思维

目录

• 一、单元开篇
• 二、计算思维与程序设计
  • 2.1 计算思维
    • 2.1.1 第3种人类思维特征
    • 2.1.2 抽象和自动化
    • 2.1.3 计数求和：计算1-100的计数和
    • 2.1.4 圆周率的计算
    • 2.1.5 汉诺塔问题
    • 2.1.6 天气预报
    • 2.1.7 量化分析
    • 2.1.8 抽象问题的计算过程，利用计算机自动化求解
  • 2.2 计算思维与程序设计
• 三、计算生态与Python语言
  • 3.1 计算生态
  • 3.2 计算生态与Python语言
  • 3.3 计算生态的价值
  • 3.4 计算生态的运用
• 四、用户体验与软件产品
  • 4.1 用户体验
  • 4.2 提高用户体验的方法
    • 4.2.1 方法1：进度展示
    • 4.2.2 方法2：异常处理
    • 4.2.3 其他类方法
• 五、基本的程序设计模式
  • 5.1 从IPO开始…
  • 5.2 自顶向下设计
  • 5.3 模块化设计
  • 5.4 配置化设计
  • 5.5 应用开发的四个步骤
• 六、单元小结

一、单元开篇

• 计算思维与程序设计
• 计算生态与Python语言
• 用户体验与软件产品
• 基本的程序设计模式

二、计算思维与程序设计

2.1 计算思维

2.1.1 第3种人类思维特征

• 逻辑思维：推理和演绎，数学为代表，A->B B->C A->C
• 实证思维：实验和验证，物理为代表，引力波<-实验
• 计算思维：设计和构造，计算机为代表，汉诺塔递归

2.1.2 抽象和自动化

• 计算思维：Computational Thinking
• 抽象问题的计算过程，利用计算机自动化求解
• 计算思维是基于计算机的思维方式

2.1.3 计数求和：计算1-100的计数和

逻辑思维（数学家高斯的玩儿法）：

\[S=\frac{(a_1+a_n)n}{2}
\]

计算思维（现代人的新玩儿法）：

s = 0
for i in range(1, 101):
    s += i

2.1.4 圆周率的计算

逻辑思维：

\[\pi = \sum_{k=0}^\infty[\frac{1}{16^k}(\frac{4}{8k+1}-\frac{2}{8k+4}-\frac{1}{8k+5}-\frac{1}{8k+6})]
\]

计算思维：

2.1.5 汉诺塔问题

逻辑思维（\(2^n-1\)）：

计算思维：

count = 0
def hanoi(n, src, dst, mid):
    … (略)
hanoi(3, "A", "C", "B")
print(count)

2.1.6 天气预报

2.1.7 量化分析

2.1.8 抽象问题的计算过程，利用计算机自动化求解

• 计算思维基于计算机强大的算力及海量数据
• 抽象计算过程，关注设计和构造，而非因果
• 以计算机程序设计为实现的主要手段

2.2 计算思维与程序设计

编程是将计算思维变成现实的手段

三、计算生态与Python语言

3.1 计算生态

从开源运动说起…

开源生态逐步建立

• 1991, Linus Torvalds发布了Linux内核
• 1998, 网景浏览器开源，产生了Mozilla

开源思想深入演化和发展，形成了计算生态

计算生态以开源项目为组织形式，充分利用“共识原则”和“社会利他”组织人员，在竞争发展、相互依存和迅速更迭中完成信息技术的更新换代，形成了技术的自我演化路径。

没有顶层设计、以功能为单位、具备三个特点

3.2 计算生态与Python语言

• 以开源项目为代表的大量第三方库：Python语言提供 >13万个第三方库
• 库的建设经过野蛮生长和自然选择：同一个功能，Python语言2个以上第三方库
• 库之间相互关联使用，依存发展：Python库间广泛联系，逐级封装、
• 社区庞大，新技术更迭迅速：AlphaGo深度学习算法采用Python语言开源

API != 生态

3.3 计算生态的价值

创新：跟随创新、集成创新、原始创新

• 加速科技类应用创新的重要支撑
• 发展科技产品商业价值的重要模式
• 国家科技体系安全和稳固的基础

3.4 计算生态的运用

刀耕火种 -> 站在巨人的肩膀上

• 编程的起点不是算法而是系统
• 编程如同搭积木，利用计算生态为主要模式
• 编程的目标是快速解决问题

四、用户体验与软件产品

4.1 用户体验

实现功能 -> 关注体验

• 用户体验指用户对产品建立的主观感受和认识
• 关心功能实现，更要关心用户体验，才能做出好产品
• 编程只是手段，不是目的，程序最终为人类服务

4.2 提高用户体验的方法

4.2.1 方法1：进度展示

• 如果程序需要计算时间，可能产生等待，请增加进度展示
• 如果程序有若干步骤，需要提示用户，请增加进度展示
• 如果程序可能存在大量次数的循环，请增加进度展示

4.2.2 方法2：异常处理

• 当获得用户输入，对合规性需要检查，需要异常处理
• 当读写文件时，对结果进行判断，需要异常处理
• 当进行输入输出时，对运算结果进行判断，需要异常处理

4.2.3 其他类方法

• 打印输出：特定位置，输出程序运行的过程信息
• 日志文件：对程序异常及用户使用进行定期记录
• 帮助信息：给用户多种方式提供帮助信息

软件程序 -> 软件产品

用户体验是程序到产品的关键环节

五、基本的程序设计模式

5.1 从IPO开始…

• I：Input 输入，程序的输入

• P：Process 处理，程序的主要逻辑

• O：Output 输出，程序的输出

• 确定IPO：明确计算部分及功能边界

• 编写程序：将计算求解的设计变成现实

• 调试程序：确保程序按照正确逻辑能够正确运行

5.2 自顶向下设计

• I：Input 输入，程序的输入
• P：Process 处理，程序的主要逻辑
• O：Output 输出，程序的输出

5.3 模块化设计

• 通过函数或对象封装将程序划分为模块及模块间的表达

• 具体包括：主程序、子程序和子程序间关系

• 分而治之：一种分而治之、分层抽象、体系化的设计思想

• 紧耦合：两个部分之间交流很多，无法独立存在

• 松耦合：两个部分之间交流较少，可以独立存在

• 模块内部紧耦合、模块之间松耦合

5.4 配置化设计

• 引擎+配置：程序执行和配置分离，将可选参数配置化
• 将程序开发变成配置文件编写，扩展功能而不修改程序
• 关键在于接口设计，清晰明了、灵活可扩展

5.5 应用开发的四个步骤

从应用需求到软件产品

• 1 产品定义：对应用需求充分理解和明确定义：产品定义，而不仅是功能定义，要考虑商业模式
• 2 系统架构：以系统方式思考产品的技术实现：系统架构，关注数据流、模块化、体系架构
• 3 设计与实现：结合架构完成关键设计及系统实现：结合可扩展性、灵活性等进行设计优化
• 4 用户体验：从用户角度思考应用效果：用户至上，体验优先，以用户为中心

六、单元小结

• 计算思维：抽象计算过程和自动化执行
• 计算生态：竞争发展、相互依存、快速更迭
• 用户体验：进度展示、异常处理等
• IPO、自顶向下、模块化、配置化、应用开发的四个步骤