大學(xué)計(jì)算機(jī)計(jì)算思維與信息素養(yǎng)第8章

1、1第第8 8章章 利用典型計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)利用典型計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算學(xué)部教授張麗杰張麗杰2第8章 利用典型計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)本章導(dǎo)圖本章導(dǎo)圖3（1）Python語言l Python語言是一種面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)語言語言是一種面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)語言l Python語言擁有豐富的面向各專業(yè)應(yīng)用開發(fā)的語言擁有豐富的面向各專業(yè)應(yīng)用開發(fā)的“庫庫”資源資源l 【資源庫【資源庫/Repository】中包含了不同的【包】中包含了不同的【包/Package】，而一個(gè)包又包含】，而一個(gè)包又包含了若干個(gè)【類了若干個(gè)【類/Class】與【對象】與【對象/Object】，一個(gè)類，或者說，一個(gè)

2、對象擁有】，一個(gè)類，或者說，一個(gè)對象擁有若干個(gè)【函數(shù)若干個(gè)【函數(shù)/Function】?！俊 資源庫需要安裝到編程環(huán)境中才能被使用資源庫需要安裝到編程環(huán)境中才能被使用l 需要在程序中用相應(yīng)的類創(chuàng)建對象，然后才能使用該對象的函數(shù)需要在程序中用相應(yīng)的類創(chuàng)建對象，然后才能使用該對象的函數(shù)l 學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)Python語言不僅僅是學(xué)習(xí)基本語法，更重要的是學(xué)習(xí)各種庫資源的獲取、語言不僅僅是學(xué)習(xí)基本語法，更重要的是學(xué)習(xí)各種庫資源的獲取、安裝和應(yīng)用方法安裝和應(yīng)用方法注意：注意：Python已經(jīng)出現(xiàn)了幾十個(gè)版本，不同版本的書寫規(guī)則有差異，如果按照本書介紹的語言，已經(jīng)出現(xiàn)了幾十個(gè)版本，不同版本的書寫規(guī)則有差異，如果按

3、照本書介紹的語言，出現(xiàn)語法錯(cuò)誤，則對照相應(yīng)版本的語法規(guī)則改寫之便可。例如出現(xiàn)語法錯(cuò)誤，則對照相應(yīng)版本的語法規(guī)則改寫之便可。例如Python2.7.x與與Python3.x書寫規(guī)書寫規(guī)則是不同的。本課程以則是不同的。本課程以Python2.7.x版本為準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)語言并不一定追求最新版本，而要看其所版本為準(zhǔn)。計(jì)算機(jī)語言并不一定追求最新版本，而要看其所擁有的資源庫的多少。擁有的資源庫的多少。4（2）集成開發(fā)環(huán)境 與 編程語言PyCharm是集成開發(fā)環(huán)境，Python是編程語言5（3）熟悉編程環(huán)境基本編程環(huán)境：PyCharm + Python 2.7.15Python 2.7.15：下載地址： PyC

4、harm：下載地址： ,其中Community（社區(qū)版）是免費(fèi)、開源的版本檢查編程環(huán)境是否安裝成功：啟動(dòng)PyCharm。選擇【Create New Project】，輸入工程文件的存儲(chǔ)位置和名稱（如 “D:firstProject”）選擇【File New Python file】，輸入Python源程序文件名稱（如 “firstPythonProgram”，將出現(xiàn)源程序編輯窗口，在其中輸入：# -*- coding: utf-8 -*-print 你好, 編程環(huán)境建立成功！在“Project窗口”中選中“firstPythonProgram.py”單擊右鍵，選擇【RunfirstPython

5、Program】，觀察“運(yùn)行/Run窗口”中是否出現(xiàn)“你好, 編程環(huán)境建立成功”一句話。如出現(xiàn)，表明PyCharm安裝成功 6（4）熟悉編程環(huán)境熟悉各窗口的功能和作用7（5）熟悉Python語言的程序要素書寫規(guī)則Python以以“#”引起一單行注釋語句，以一組引起一單行注釋語句，以一組（三單引號）括起一個(gè)（三單引號）括起一個(gè)段落，該段落便成為注釋段落。段落，該段落便成為注釋段落。如編輯含有中文的注釋，則需在程序第一行增加語句，表明采用如編輯含有中文的注釋，則需在程序第一行增加語句，表明采用UTF-8編碼編碼存儲(chǔ)源程序，系統(tǒng)默認(rèn)是按存儲(chǔ)源程序，系統(tǒng)默認(rèn)是按ASCII編碼存儲(chǔ)源文件。編碼存儲(chǔ)源文件

6、。# -*- coding: utf-8 -*-如程序中需處理中文，則在源程序開始處增加下列語句：如程序中需處理中文，則在源程序開始處增加下列語句：import sys;reload(sys);sys.setdefaultencoding(utf-8); Python程序采用程序采用“同長度縮進(jìn)同長度縮進(jìn)”區(qū)分語句段落。相當(dāng)于區(qū)分語句段落。相當(dāng)于C語言用以區(qū)分語句語言用以區(qū)分語句段落的段落的“ ”8（5）熟悉Python語言的程序要素書寫規(guī)則Python語言是大小寫相關(guān)的，即如語言是大小寫相關(guān)的，即如“Exam”“”“exam”“”“eXam”等表示的等表示的是不同的標(biāo)識(shí)符。是不同的標(biāo)識(shí)符。P

7、ython程序通常會(huì)使用其它程序模塊程序通常會(huì)使用其它程序模塊(包、類包、類/對象和函數(shù)對象和函數(shù))，此時(shí)需要用到，此時(shí)需要用到Import語句。該語句有兩種用法。一種用法如下：語句。該語句有兩種用法。一種用法如下：import PackageName as anotherName;import PackageName這是將模塊作為對象導(dǎo)入本程序中。使用該模塊中的類這是將模塊作為對象導(dǎo)入本程序中。使用該模塊中的類/對象、函數(shù)時(shí)，需加前對象、函數(shù)時(shí)，需加前綴綴“PackageName.”或者或者“anotherName.”，其中，其中anotherName是本程序是本程序定義的該模塊的別名。另一

8、種用法如下：定義的該模塊的別名。另一種用法如下：from PackageName import *這是將該模塊的所有內(nèi)容導(dǎo)入本程序中，可直接使用該模塊中的類這是將該模塊的所有內(nèi)容導(dǎo)入本程序中，可直接使用該模塊中的類/對象、函數(shù)，對象、函數(shù)，而無需加前綴而無需加前綴“PackageName.” 9（5）熟悉Python語言的程序要素書寫規(guī)則當(dāng)使用了某模塊的類當(dāng)使用了某模塊的類/對象和函數(shù)時(shí)，如出現(xiàn)類似于對象和函數(shù)時(shí)，如出現(xiàn)類似于“模塊或?qū)ο蠡蚝瘮?shù)沒有模塊或?qū)ο蠡蚝瘮?shù)沒有定義定義”的錯(cuò)誤時(shí)，可能表明該模塊沒有被正確地導(dǎo)入到本工程文件中。此時(shí)可的錯(cuò)誤時(shí)，可能表明該模塊沒有被正確地導(dǎo)入到本工程文件中。

9、此時(shí)可通過菜單【通過菜單【File DefaultSettings】，選擇【】，選擇【Project Interpreter】進(jìn)行安裝?！窟M(jìn)行安裝。Python可以使用也可以不使用可以使用也可以不使用“;”結(jié)束一條語句。可在一行以結(jié)束一條語句?？稍谝恍幸浴?”區(qū)分書區(qū)分書寫多行語句。寫多行語句。Python程序中的變量可以直接賦值并使用，而無需事先定義其類型。當(dāng)自上程序中的變量可以直接賦值并使用，而無需事先定義其類型。當(dāng)自上而下運(yùn)行到某一行，需要某一變量的值，則該變量必須在該行之前已經(jīng)定義并而下運(yùn)行到某一行，需要某一變量的值，則該變量必須在該行之前已經(jīng)定義并賦值。賦值。當(dāng)不了解某模塊的功能或使

10、用方法時(shí)，可通過互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎搜索相關(guān)的使當(dāng)不了解某模塊的功能或使用方法時(shí)，可通過互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎搜索相關(guān)的使用方法，或者查詢官網(wǎng)上發(fā)布的相關(guān)信息。用方法，或者查詢官網(wǎng)上發(fā)布的相關(guān)信息。10第8章 利用典型計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)本章導(dǎo)圖本章導(dǎo)圖11（1）問題及分析【示例1】利用Python語言編寫一個(gè)簡單計(jì)算器，要求：輸入兩個(gè)數(shù)據(jù)，程序能夠完成兩個(gè)數(shù)的加、減、乘和除運(yùn)算，并顯示運(yùn)算結(jié)果。l 如何做界面，輸入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果如何做界面，輸入數(shù)據(jù)和顯示結(jié)果l 如何讀取界面中輸入框的數(shù)據(jù)，或者將程序中如何讀取界面中輸入框的數(shù)據(jù)，或者將程序中的數(shù)據(jù)在界面中顯示的數(shù)據(jù)在界面中顯示l 如何將如何將Python

11、Python程序與界面要素相關(guān)聯(lián)，即單擊程序與界面要素相關(guān)聯(lián)，即單擊界面上的按鈕，能夠執(zhí)行相應(yīng)計(jì)算的函數(shù)界面上的按鈕，能夠執(zhí)行相應(yīng)計(jì)算的函數(shù) PythonPython提供了多個(gè)開發(fā)圖形界面的模塊提供了多個(gè)開發(fā)圖形界面的模塊/ /庫，如庫，如TkinterTkinter、wxPythonwxPython、JythonJython等。本例使用等。本例使用TkinterTkinter模塊做圖形界面。模塊做圖形界面。Tkinter Tkinter 是是 Python Python 的標(biāo)準(zhǔn)圖形用戶界面模塊，內(nèi)置于的標(biāo)準(zhǔn)圖形用戶界面模塊，內(nèi)置于PythonPython安裝安裝包中的模塊。包中的模塊。12（

12、2）理解圖形用戶界面-GUIlTkinter模塊支持GUI程序編制lTkinter模塊包含了很多的類，不同的類將產(chǎn)生不同的對象。l如Tk類可以產(chǎn)生【主窗口】對象，Button類可以產(chǎn)生【按鈕】對象，Label類產(chǎn)生【標(biāo)簽】對象、Entry類產(chǎn)生【單行輸入框】對象，StringVar類產(chǎn)生【接收用戶輸入】對象。l只有在創(chuàng)建了對象后，才能使用 “對象名.函數(shù)名()”來讀寫對象的屬性，或執(zhí)行對象的函數(shù)l用“主窗口對象.mainloop()”創(chuàng)建消息循環(huán)來監(jiān)控窗口中相應(yīng)的對象。13（3）第1步：熟悉圖形用戶界面的制作對象名 = #用類創(chuàng)建一個(gè)對象# 先創(chuàng)建對象對象.函數(shù)（）# 再為對象賦值各種屬性主窗

13、口主窗口對象對象按鈕按鈕對象對象標(biāo)簽標(biāo)簽對象對象輸入框輸入框?qū)ο髮ο?4（4）第2步：完成圖形用戶界面的制作輸入框中可輸入, 按鈕可按下但無反應(yīng)，為什么？15（5）第3步：編制執(zhí)行加、減、乘、除的程序輸入的是數(shù)輸入的是數(shù)字型字符，字型字符，轉(zhuǎn)換成數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)值輸入框?qū)ο筝斎肟驅(qū)ο蠹矮@取輸入及獲取輸入框中的輸入框中的輸入輸入框?qū)ο筝斎肟驅(qū)ο蠹跋蜉斎肟蚣跋蜉斎肟蛑袑懟亟Y(jié)果中寫回結(jié)果將數(shù)值轉(zhuǎn)換為將數(shù)值轉(zhuǎn)換為數(shù)字型字符數(shù)字型字符16（6）第4步：將執(zhí)行加、減、乘、除的程序與相應(yīng)的按鈕綁定第第3步中定義的函數(shù)，步中定義的函數(shù)，執(zhí)行某功能的程序執(zhí)行某功能的程序窗口中的按鈕對象，窗口中的按鈕對象，“減減”按

14、鈕按鈕輸入框中可輸入, 按鈕可按下能完成相應(yīng)功能17第8章 利用典型計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)本章導(dǎo)圖本章導(dǎo)圖18（1）問題及分析【示例2】編制猜數(shù)游戲的程序：有n個(gè)游戲者，依次玩猜數(shù)游戲“系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)，同學(xué)輸入猜測數(shù)，直到猜中為止，記錄猜測次數(shù)”。所有游戲者均完成后，按照猜測次數(shù)由低到高的次序排序游戲者。l 由【程序固定一個(gè)整數(shù)】讓用戶猜（簡單由【程序固定一個(gè)整數(shù)】讓用戶猜（簡單GUIGUI界面界面, ,有輸出）有輸出）l【程序隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)】讓用戶猜并記錄顯示猜測次數(shù)（【程序隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)】讓用戶猜并記錄顯示猜測次數(shù)（GUIGUI界面，有輸入也有輸出界面，有輸入也有輸出) ) l

15、多人猜數(shù)（多人猜數(shù)（GUIGUI界面，大循環(huán)處理，及復(fù)雜輸出）界面，大循環(huán)處理，及復(fù)雜輸出）19（2）固定值猜數(shù)游戲編寫程序1由程序預(yù)置一個(gè)整數(shù)，然后讓游戲者輸入其猜測的數(shù)，程序進(jìn)行比較，并分別給出提示，如“大了，繼續(xù)努力”“小了，繼續(xù)努力”“恭喜你，猜對了”。創(chuàng)建GUI主窗口猜數(shù)與結(jié)果判斷函數(shù)答案由程序設(shè)定為一常數(shù)獲取用戶的輸入并轉(zhuǎn)換為數(shù)值20（2）固定值猜數(shù)游戲GUI界面輸入與輸出程序當(dāng)按“確定”按鈕時(shí)，執(zhí)行猜數(shù)與結(jié)果判斷函數(shù)創(chuàng)建的主窗口要運(yùn)行消息循環(huán)，以接收消息和事件21（3）隨機(jī)值猜數(shù)游戲編寫程序2在程序1的基礎(chǔ)上，豐富功能“由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)整數(shù)”“在界面上增加試猜次數(shù)的顯示，即一位

16、游戲者經(jīng)過了多少次才猜中一個(gè)數(shù)”答案由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生充分利用系統(tǒng)提供的模塊和函數(shù)22（3）隨機(jī)值猜數(shù)游戲增加試猜次數(shù)的統(tǒng)計(jì)增加試猜次數(shù)的顯示標(biāo)簽對象Label4和輸入對象outputLabel_1注意全局變量和局部變量的差別23（4）多人猜數(shù)游戲編寫程序3編寫n個(gè)游戲者玩猜數(shù)游戲的程序，即完成示例2的所有功能 數(shù)據(jù)如何保存：二維數(shù)組timesEvery保存編號1至10游戲者及其試猜次數(shù)，即timesEveryi0，i從0至9，保留第一位至第十位游戲者的編號（默認(rèn)編號為1至10），timesEveryi1，保留第一位至第十位游戲者的試猜次數(shù)（初始值設(shè)為最大次數(shù)1000）。與timesEvery初始

17、值一樣的二維數(shù)組X，該變量在后面排序時(shí)用到輸入輸出數(shù)據(jù)如何由界面獲得：1個(gè)標(biāo)簽對象Label0，顯示“請輸入人數(shù)”，1個(gè)輸入框?qū)ο髇umberInput和numberPerson，用numberPerson.get()讀取用戶輸入的游戲人數(shù)，設(shè)置其默認(rèn)值為1。2個(gè)標(biāo)簽對象Label3和finalOutput，前者顯示“游戲結(jié)果”信息，后者初始時(shí)顯示“等待游戲開始”，以后則顯示已經(jīng)完成的每一位游戲者的編號及試猜次數(shù)，中間用冒號分隔，游戲結(jié)束時(shí)顯示按試猜次數(shù)遞增排序的游戲者的編號。2個(gè)按鈕對象startButton和exitButton，一個(gè)顯示“游戲開始”，一個(gè)顯示“退出”，當(dāng)游戲者按前一按鈕時(shí)

18、，則開始新一輪的多人游戲，當(dāng)按后一按鈕時(shí)，則退出游戲程序。24（4）多人猜數(shù)游戲多人猜數(shù)的初始化函數(shù)：理解各個(gè)變量的含義25（4）多人猜數(shù)游戲完善GUI界面26多人猜數(shù)游戲編寫單人猜數(shù)的函數(shù)（以便多人猜數(shù)時(shí)調(diào)用）27多人猜數(shù)游戲編寫多人猜數(shù)的函數(shù)（一個(gè)人猜完后，再初始化，然后另一個(gè)人猜）28第8章 利用典型計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)本章導(dǎo)圖本章導(dǎo)圖29（1）問題及分析【示例3】編制能夠繪制如下圖所示分形樹的程序l 繪制繪制Y Y型圖形型圖形l 遞歸的繪制遞歸的繪制Y Y型圖形型圖形l 改變改變Y Y的分支長度、角度和遞歸的分支長度、角度和遞歸次數(shù)，形成不同的分形樹圖形次數(shù)，形成不同的分形樹圖形 3

19、0(2）用線段，繪制 Y 形圖形用Canvas類創(chuàng)建一個(gè)畫布對象，然后用畫線的函數(shù)繪制線段。關(guān)鍵在計(jì)算并設(shè)置線段的頂點(diǎn)31（3）理解畫布坐標(biāo)及各參量的含義32（4）遞歸繪制Y的兩個(gè)分支：改變角度、長度33（5）初始化并調(diào)用遞歸函數(shù)來繪制分形樹34（6）運(yùn)行程序來體驗(yàn)不同形態(tài)的分形樹l改變一下參數(shù)，如finishLevel設(shè) 為 1 2 、 1 5 等 ， 改 變LeftInter_angle為30度、40度、20度、10度等重新運(yùn)行程序，便可看到不同的分形樹l將坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算公式math.cos()和 m a t h . s i n ( ) 分 別 更 換 為a b s ( m a t h . c

20、 o s ( ) ) , abs(math.sin()，即余弦值和正弦值都取絕對值，則便可產(chǎn)生示例圖的最后一個(gè)圖形35第8章 利用典型計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)本章導(dǎo)圖本章導(dǎo)圖36（1）問題及分析【示例4】漢諾塔是印度的一個(gè)古老傳說。據(jù)說開天辟地之神勃拉瑪在一個(gè)廟里留下了三根金剛石柱，并在第一根上從上到下依次串著由小到大不同的64片中空的圓型金盤，神要廟里的僧人把這64片金盤也按由小到大的順序搬到第三根上，每次只能搬一個(gè)，可利用中間的一根石柱作為中轉(zhuǎn)，并且要求在搬運(yùn)的過程中，不論在哪個(gè)石柱上，大的金盤都不能放在小的金盤上面。神說，當(dāng)所有的金盤都從事先穿好的那根石柱上移到另外一根石柱上時(shí)，世界就將在

21、一聲霹靂中消滅了。37（2）漢諾塔的遞歸求解思維38（3）漢諾塔的遞歸求解程序-Python版39（5）第一步：繪制水平基線與三個(gè)柱子圖形用戶界面的關(guān)鍵是消息循環(huán)。圖形用戶界面的關(guān)鍵是消息循環(huán)。GUIGUI程序的運(yùn)行是依靠傳遞和接收程序的運(yùn)行是依靠傳遞和接收 創(chuàng)建畫布(Canvas)對象，在該對象上繪制窄矩形40（6）第二步：繪制三個(gè)柱子上的盤子柱子及不同大小的盤子，首先用變量和數(shù)組來表示41（6）第二步：繪制三個(gè)柱子上的盤子然后依據(jù)變量和數(shù)組的值來繪制不同長度的窄矩形表示不同大小的盤子42（6）第二步：繪制三個(gè)柱子上的盤子每次清空畫布，然后繪制三個(gè)柱子及其盤子43（6）第二步：繪制三個(gè)柱子上

22、的盤子初始化三個(gè)柱子上的盤子44（6）第二步：繪制三個(gè)柱子上的盤子清空畫布，即重新繪制45（6）第二步：繪制三個(gè)柱子上的盤子重新裝載盤子并重新繪制#先清空畫布#重新初始化柱子及其上的盤子#重新繪制柱子及盤子46（6）第二步：繪制三個(gè)柱子上的盤子抽象每一個(gè)函數(shù)，功能簡單且清晰。編制完成后便于后續(xù)重復(fù)調(diào)用繪制某一柱子上的盤子繪制三個(gè)柱子上的盤子設(shè)置三個(gè)柱子上的盤子清空畫布重新開始47（7）第三步：演示盤子的自動(dòng)移動(dòng)過程從一個(gè)柱子取下一個(gè)盤子向一個(gè)柱子放入一個(gè)盤子將一個(gè)盤子從一個(gè)柱子移到另一個(gè)柱子漢諾塔程序移動(dòng)盤子的函數(shù)盤子從一個(gè)柱子移動(dòng)到另一個(gè)柱子，就是改變數(shù)組變量中的值，然后清空畫布，重新繪制柱

23、子及其盤子48（7）第三步：演示盤子的自動(dòng)移動(dòng)過程任何盤子移動(dòng)一次，都清空畫布，重新繪制柱子及上的盤子-動(dòng)畫效果49（8）第四步：交互式控制游戲參數(shù)設(shè)置設(shè)置輸入?yún)?shù)的各種控件對象【重置】按鈕綁定reload_hanoi()【自動(dòng)移動(dòng)】按鈕綁定redo_hanoi()【退出】按鈕綁定exit()漢諾塔界面控制def reload_hanoi()接收用戶輸入的盤子數(shù)轉(zhuǎn)換成整型數(shù)賦值給sumPlate50（8）第四步：交互式控制游戲參數(shù)設(shè)置51（9）第五步：漢諾塔盤子游動(dòng)的單步執(zhí)行增加一【單步執(zhí)行】按鈕，綁定StepByStep()52（9）第五步：漢諾塔盤子游動(dòng)的單步執(zhí)行l(wèi)如何獲取鼠標(biāo)l如何響應(yīng)鼠

24、標(biāo)，依據(jù)鼠標(biāo)的指示做操作（調(diào)用函數(shù)）def StepByStep()主要設(shè)置標(biāo)志step_or_continue，其值為1則單步執(zhí)行，為0則自動(dòng)執(zhí)行def hanoi_paint()單步執(zhí)行時(shí)，循環(huán)延時(shí)等待直到pause為0處理事件的函數(shù)，其功能為pause如為0，則設(shè)為1，而如為1，則設(shè)為0。其控制著單步執(zhí)行def key(event)將函數(shù)綁定到相應(yīng)的事件上，Button-1為單擊鼠標(biāo)左鍵，key為任何鍵盤按鍵。即當(dāng)發(fā)生這兩種事件時(shí)則執(zhí)行綁定的key()函數(shù)。單擊鼠標(biāo)事件 key函數(shù)：使pause為0 hand_paint()退出while循環(huán)執(zhí)行一步 hand_paint()又進(jìn)入while循環(huán)，等待單擊鼠標(biāo)53（9）第五步：漢諾塔盤子游動(dòng)的單步執(zhí)行def rel