Python 程序設計基礎與應用 (AI輔助編程 微課版)

陳斌： 博士，北京大學計算機學院教授，主要研究方向為虛擬現實和虛擬地理環境。擔任國際數字地球學會中國國家委員會虛擬地理環境專業委員會副主任委員，中國青少年科技教育工作者協會人工智能普及專委會委員。主講的慕課“人工智能與信息社會”、“離散數學概論”、“地球與人類文明”被認定為國家級一流本科課程，獲國家級教學成果二等獎1項，北京市教學成果一等獎1項、二等獎1項，獲北京市高等學校教學名師獎、北京大學首屆教學卓越獎。主編過《數據與數據結構》（教育科學出版社，2020年），《Python語言基礎》（國家開放大學出版社，2024年）等教材。

【章名目錄】 第　1章 計算機原理概述 第　2章 Python概述 第3章　大語言模型輔助編程學習 第4章　數據類型和變量 第5章　程序邏輯與控制結構 第6章　函數與類定義 第7章　文件處理與進階應用 第8章　網絡應用與數據分析 第9章　圖形界面開發與程序打包分發 第　10章 單片機編程 【詳細目錄】 第　1章 計算機原理概述 本章導讀　1 引導案例　1 1.1　計算機的發展歷程　1 1.1.1　數字與計算　2 1.1.2　機械計算機　3 1.1.3　電子計算機及其分代　4 1.2　計算機基礎知識　5 1.2.1　計算機的工作原理　5 1.2.2　計算機軟硬件系統　6 1.2.3　操作系統的基本概念　7 1.2.4　互聯網的基本概念　8 1.3　信息表示和數據編碼　9 1.3.1　信息存儲單位　9 1.3.2　數值編碼　10 1.3.3　文字編碼　10 1.3.4　圖像和視頻編碼　12 1.3.5　指令編碼　12 1.4　程序設計語言　13 1.4.1　程序與計算思維　13 1.4.2　程序設計語言及其分代　14 1.4.3　Python的發展歷程　15 1.4.4　Python的應用方向　16 本章小結　17 本章習題　17 第　2章 Python概述 本章導讀　19 引導案例　19 2.1　Python開發環境　19 2.1.1　官方解釋器　20 2.1.2　“你好！世界”程序　21 2.1.3　集成開發環境　22 2.1.4　在瀏覽器中運行Python代碼　24 2.1.5　安裝第三方模塊　26 2.2　Python程序基本要素　27 2.2.1　“猜數字”遊戲程序　27 2.2.2　程序代碼結構　28 2.2.3　程序代碼格式　29 2.2.4　解釋型語言特征　30 2.3　基本輸入輸出　31 2.3.1　輸入函數input()　31 2.3.2　輸出函數print()　32 2.3.3　用割圓術求圓周率　33 2.4　體驗Python程序　34 2.4.1　“隨便水吧”程序　34 2.4.2　繪制藍色五角星程序　35 2.4.3　字符三角形程序　36 2.4.4　常見錯誤及其修正方法　36 2.4.5　在線評測系統　38 本章小結　39 本章習題　40 第3章　大語言模型輔助編程學習 本章導讀　42 引導案例　42 3.1　大語言模型概述　42 3.1.1　神經網絡與大參數模型　43 3.1.2　判別式人工智能與生成式人工智能　44 3.1.3　國內外大語言模型簡介　44 3.2　大語言模型基本使用方法　45 3.2.1　對話與上下文　45 3.2.2　典型應用情境　46 3.2.3　如何進行有效對話　49 3.3　編程相關問題描述與交互方法　50 3.3.1　描述問題和需求　50 3.3.2　反饋錯誤並修復錯誤　51 3.3.3　逐步完善　53 3.3.4　AI編程助手　55 本章小結　56 本章習題　57 第4章　數據類型和變量 本章導讀　59 引導案例　59 4.1　數據、名字和變量　59 4.1.1　數據、對象和類型　60 4.1.2　名字和變量　61 4.1.3　賦值語句　61 4.2　基本數據類型　64 4.2.1　文本類型：字符串　64 4.2.2　數值類型：整數和浮點數　66 4.2.3　邏輯類型：布爾值　69 4.3　進階數據類型　71 4.3.1　列表和元組　71 4.3.2　集合　74 4.3.3　字典　76 4.3.4　組合數據類型　78 4.4　代碼格式與書寫規範　80 4.4.1　代碼的基本結構　80 4.4.2　註釋和變量命名　82 4.4.3　實用約定與規範　83 4.4.4　代碼格式化工具　85 4.5　AI輔助數據類型選型及代碼生成　86 4.5.1　AI輔助數據類型選型　86 4.5.2　AI輔助生成數據操作代碼　87 本章小結　88 本章習題　89 第5章　程序邏輯與控制結構 本章導讀　91 引導案例　91 5.1　算法與流程控制　92 5.1.1　算法步驟　92 5.1.2　順序結構　93 5.1.3　控制結構　93 5.2　邏輯判斷與條件分支結構　95 5.2.1　什麼是條件分支　95 5.2.2　條件語句　95 5.2.3　三元表達式　97 5.2.4　多種情況的條件分支　98 5.3　重復執行與循環結構　101 5.3.1　什麼是循環　101 5.3.2　疊代循環語句　102 5.3.3　推導式　104 5.3.4　條件循環語句　106 5.3.5　跳出和繼續循環　108 5.4　異常處理機制　110 5.4.1　什麼是異常　110 5.4.2　異常處理語句　111 5.4.3　異常觸發語句　113 5.4.4　編寫穩健的程序　115 5.5　枚舉法　116 5.5.1　用枚舉法求周瑜年齡　116 5.5.2　枚舉策略　117 5.5.3　字母算式謎題　119 5.5.4　素數判斷　120 5.6　AI輔助編程：控制結構實踐　121 5.6.1　AI輔助生成條件分支與循環代碼　121 5.6.2　AI輔助調試控制結構中的邏輯錯誤　123 本章小結　124 本章習題　125 第6章　函數與類定義 本章導讀　127 引導案例　127 6.1　代碼復用與函數定義　127 6.1.1　代碼整合與復用　128 6.1.2　函數定義　129 6.1.3　函數調用　131 6.2　函數參數及變量作用域　133 6.2.1　向函數傳遞“選項”　133 6.2.2　形式參數和實際參數　134 6.2.3　位置參數和關鍵字參數　136 6.2.4　局部變量和全局變量　137 6.3　函數式編程　140 6.3.1　什麼是函數式編程　140 6.3.2　lambda表達式　141 6.3.3　自定義排序　142 6.3.4　映射函數map()　144 6.3.5　篩選函數filter()　146 6.4　面向對象方法與類定義　147 6.4.1　什麼是對象　147 6.4.2　類定義　148 6.4.3　類定義中的特殊方法　150 6.4.4　類的繼承　152 6.4.5　關於self　154 6.5　遞歸算法與分治策略　156 6.5.1　什麼是遞歸　156 6.5.2　重復計算與函數值緩存　157 6.5.3　繪制二叉樹　159 6.5.4　分治策略　160 6.5.5　漢諾塔問題　162 6.6　AI輔助函數與類設計　163 6.6.1　AI輔助評審函數設計質量　163 6.6.2　AI輔助生成類的框架代碼　164 本章小結　166 本章習題　167 第7章　文件處理與進階應用 本章導讀　169 引導案例　169 7.1　持久化存儲與文件操作　169 7.1.1　什麼是持久化存儲　170 7.1.2　持久化存儲模塊　170 7.1.3　文件處理的一般過程　172 7.1.4　文件和目錄管理模塊　173 7.1.5　應用：文件批量改名　176 7.2　文本文件讀寫與應用　178 7.2.1　文本文件和字符編碼　178 7.2.2　文本文件讀寫　179 7.2.3　應用：歌詞記錄本　181 7.3　中文處理與應用　183 7.3.1　什麼是中文分詞　183 7.3.2　中文分詞庫jieba　184 7.3.3　詞雲圖庫WordCloud　185 7.3.4　應用：全唐詩高頻詞可視化　187 7.4　CSV文件讀寫與應用　188 7.4.1　什麼是CSV格式　189 7.4.2　CSV文件讀寫　189 7.4.3　應用：全球地震數據統計分析　191 7.5　JSON文件讀寫與應用　193 7.5.1　什麼是JSON格式　194 7.5.2　JSON文件讀寫　194 7.5.3　應用：歌詞下載器　196 7.6　圖像文件處理與應用　198 7.6.1　圖像文件基礎知識　198 7.6.2　圖像處理庫Pillow　199 7.6.3　應用：圖片批量加水印　202 7.7　AI輔助文件處理編程　204 7.7.1　AI輔助解決字符編碼問題　205 7.7.2　AI輔助生成批量文件處理腳本　205 本章小結　207 本章習題　208 第8章　網絡應用與數據分析 本章導讀　211 引導案例　211 8.1　網絡數據爬取與網頁分析　212 8.1.1　網絡數據爬取的基本原理　212 8.1.2　網絡數據請求庫Requests　213 8.1.3　網頁分析庫Beautiful Soup　214 8.1.4　應用：B站熱門視頻榜單　216 8.2　數據分析庫pandas　218 8.2.1　數據分析的基本概念　219 8.2.2　Series和DataFrame對象使用　219 8.2.3　數據統計分析　221 8.2.4　數據的增刪改操作　223 8.2.5　讀寫Excel和CSV文件　224 8.2.6　應用：股票數據統計分析　225 8.3　數據可視化庫Matplotlib　227 8.3.1　數據可視化的基本概念　227 8.3.2　常用圖表繪制　228 8.3.3　自定義圖表樣式　230 8.3.4　多子圖布局　231 8.3.5　應用：班級成績分布可視化　233 8.4　大語言模型輔助數據分析　235 8.4.1　大語言模型輔助數據分析概述　235 8.4.2　數據預處理與代碼生成　236 8.4.3　自然語言查詢與可視化生成　237 8.4.4　自動化報告生成　238 8.4.5　應用：電商銷售數據分析與摘要生成　239 本章小結　242 本章習題　243 第9章　圖形界面開發與程序打包分發 本章導讀　246 引導案例　246 9.1　圖形界面概述　246 9.1.1　人機交互基礎知識　247 9.1.2　事件驅動模型編程　247 9.1.3　圖形界面組件分類　248 9.1.4　圖形界面布局　249 9.2　圖形界面庫PySimpleGUI　250 9.2.1　PySimpleGUI簡介　250 9.2.2　常用組件及其功能　251 9.2.3　界面主題與布局　253 9.2.4　應用：加密日記本　254 9.3　Web圖形界面庫Streamlit　256 9.3.1　Streamlit簡介　256 9.3.2　數據、圖表和交互組件　257 9.3.3　對話與狀態組件　259 9.3.4　界面布局　261 9.3.5　應用：天氣預報大屏　262 9.4　PyInstaller程序打包與分發　265 9.4.1　PyInstaller簡介　265 9.4.2　PyInstaller安裝與配置　265 9.4.3　使用PyInstaller打包簡單程序　266 9.4.4　處理程序隱式依賴和資源文件問題　267 9.4.5　定制打包選項　268 9.4.6　應用：打包加密日記本　269 9.5　AI輔助GUI開發與打包　271 9.5.1　AI輔助生成GUI組件代碼　271 9.5.2　AI輔助調試打包問題　272 9.5.3　AI輔助優化界面細節與用戶體驗　273 本章小結　274 本章習題　274 第　10章 單片機編程 本章導讀　278 引導案例　278 10.1　MicroPython　278 10.1.1　MicroPython簡介　279 10.1.2　MicroPython與Python的區別　280 10.1.3　開發環境搭建　280 10.1.4　基本語法與編程實踐　281 10.1.5　標準庫與模塊　283 10.2　micro:bit編程　283 10.2.1　micro:bit簡介　284 10.2.2　LED顯示和按鈕　284 10.2.3　音樂和語音合成　286 10.2.4　各類傳感器　287 10.2.5　無線通信　288 10.3　綜合應用：多人反應力對抗賽　289 10.3.1　應用介紹　289 10.3.2　軟硬件構成　290 10.3.3　程序代碼分析　290 10.4　AI輔助MicroPython開發　293 10.4.1　AI輔助理解micro:bit API　293 10.4.2　AI輔助生成傳感器控制代碼　294 本章小結　295 本章習題　296