054 Python程序設計思惟

目錄

• 1、單元開篇
• 2、計算思惟與程序設計
  • 2.1 計算思惟
    • 2.1.1 第3種人類思惟特徵
    • 2.1.2 抽象和自動化
    • 2.1.3 計數求和：計算1-100的計數和
    • 2.1.4 圓周率的計算
    • 2.1.5 漢諾塔問題
    • 2.1.6 天氣預報
    • 2.1.7 量化分析
    • 2.1.8 抽象問題的計算過程，利用計算機自動化求解
  • 2.2 計算思惟與程序設計
• 3、計算生態與Python語言
  • 3.1 計算生態
  • 3.2 計算生態與Python語言
  • 3.3 計算生態的價值
  • 3.4 計算生態的運用
• 4、用戶體驗與軟件產品
  • 4.1 用戶體驗
  • 4.2 提升用戶體驗的方法
    • 4.2.1 方法1：進度展現
    • 4.2.2 方法2：異常處理
    • 4.2.3 其餘類方法
• 5、基本的程序設計模式
  • 5.1 從IPO開始…
  • 5.2 自頂向下設計
  • 5.3 模塊化設計
  • 5.4 配置化設計
  • 5.5 應用開發的四個步驟
• 6、單元小結

1、單元開篇

• 計算思惟與程序設計
• 計算生態與Python語言
• 用戶體驗與軟件產品
• 基本的程序設計模式

2、計算思惟與程序設計

2.1 計算思惟

2.1.1 第3種人類思惟特徵

• 邏輯思惟：推理和演繹，數學爲表明，A->B B->C A->C
• 實證思惟：實驗和驗證，物理爲表明，引力波<-實驗
• 計算思惟：設計和構造，計算機爲表明，漢諾塔遞歸

2.1.2 抽象和自動化

• 計算思惟：Computational Thinking
• 抽象問題的計算過程，利用計算機自動化求解
• 計算思惟是基於計算機的思惟方式

2.1.3 計數求和：計算1-100的計數和

邏輯思惟（數學家高斯的玩兒法）：

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

計算思惟（現代人的新玩兒法）：

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

2.1.4 圓周率的計算

邏輯思惟：

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

計算思惟：

2.1.5 漢諾塔問題

邏輯思惟（\(2^n-1\)）：

計算思惟：

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

2.1.6 天氣預報

2.1.7 量化分析

2.1.8 抽象問題的計算過程，利用計算機自動化求解

• 計算思惟基於計算機強大的算力及海量數據
• 抽象計算過程，關注設計和構造，而非因果
• 以計算機程序設計爲實現的主要手段

2.2 計算思惟與程序設計

編程是將計算思惟變成現實的手段

3、計算生態與Python語言

3.1 計算生態

從開源運動提及…

開源生態逐步創建

• 1991, Linus Torvalds發佈了Linux內核
• 1998, 網景瀏覽器開源，產生了Mozilla

開源思想深刻演化和發展，造成了計算生態

計算生態以開源項目爲組織形式，充分利用「共識原則」和「社會利他」組織人員，在競爭發展、相互依存和迅速更迭中完成信息技術的更新換代，造成了技術的自我演化路徑。

沒有頂層設計、以功能爲單位、具有三個特色

3.2 計算生態與Python語言

• 以開源項目爲表明的大量第三方庫：Python語言提供 >13萬個第三方庫
• 庫的建設通過野蠻生長和天然選擇：同一個功能，Python語言2個以上第三方庫
• 庫之間相互關聯使用，依存發展：Python庫間普遍聯繫，逐級封裝、
• 社區龐大，新技術更迭迅速：AlphaGo深度學習算法採用Python語言開源

API != 生態

3.3 計算生態的價值

創新：跟隨創新、集成創新、原始創新

• 加速科技類應用創新的重要支撐
• 發展科技產品商業價值的重要模式
• 國家科技體系安全和穩固的基礎

3.4 計算生態的運用

刀耕火種 -> 站在巨人的肩膀上

• 編程的起點不是算法而是系統
• 編程如同搭積木，利用計算生態爲主要模式
• 編程的目標是快速解決問題

4、用戶體驗與軟件產品

4.1 用戶體驗

實現功能 -> 關注體驗

• 用戶體驗指用戶對產品創建的主觀感覺和認識
• 關心功能實現，更要關心用戶體驗，才能作出好產品
• 編程只是手段，不是目的，程序最終爲人類服務

4.2 提升用戶體驗的方法

4.2.1 方法1：進度展現

• 若是程序須要計算時間，可能產生等待，請增長進度展現
• 若是程序有若干步驟，須要提示用戶，請增長進度展現
• 若是程序可能存在大量次數的循環，請增長進度展現

4.2.2 方法2：異常處理

• 當得到用戶輸入，對合規性須要檢查，須要異常處理
• 當讀寫文件時，對結果進行判斷，須要異常處理
• 當進行輸入輸出時，對運算結果進行判斷，須要異常處理

4.2.3 其餘類方法

• 打印輸出：特定位置，輸出程序運行的過程信息
• 日誌文件：對程序異常及用戶使用進行按期記錄
• 幫助信息：給用戶多種方式提供幫助信息

軟件程序 -> 軟件產品

用戶體驗是程序到產品的關鍵環節

5、基本的程序設計模式

5.1 從IPO開始…

• I：Input 輸入，程序的輸入
• P：Process 處理，程序的主要邏輯

• O：Output 輸出，程序的輸出

• 肯定IPO：明確計算部分及功能邊界
• 編寫程序：將計算求解的設計變成現實

• 調試程序：確保程序按照正確邏輯可以正確運行

5.2 自頂向下設計

• I：Input 輸入，程序的輸入
• P：Process 處理，程序的主要邏輯
• O：Output 輸出，程序的輸出

5.3 模塊化設計

• 經過函數或對象封裝將程序劃分爲模塊及模塊間的表達
• 具體包括：主程序、子程序和子程序間關係

• 分而治之：一種分而治之、分層抽象、體系化的設計思想

• 緊耦合：兩個部分之間交流不少，沒法獨立存在
• 鬆耦合：兩個部分之間交流較少，能夠獨立存在

• 模塊內部緊耦合、模塊之間鬆耦合

5.4 配置化設計

• 引擎+配置：程序執行和配置分離，將可選參數配置化
• 將程序開發變成配置文件編寫，擴展功能而不修改程序
• 關鍵在於接口設計，清晰明瞭、靈活可擴展

5.5 應用開發的四個步驟

從應用需求到軟件產品

• 1 產品定義：對應用需求充分理解和明肯定義：產品定義，而不只是功能定義，要考慮商業模式
• 2 系統架構：以系統方式思考產品的技術實現：系統架構，關注數據流、模塊化、體系架構
• 3 設計與實現：結合架構完成關鍵設計及系統實現：結合可擴展性、靈活性等進行設計優化
• 4 用戶體驗：從用戶角度思考應用效果：用戶至上，體驗優先，以用戶爲中心

6、單元小結

• 計算思惟：抽象計算過程和自動化執行
• 計算生態：競爭發展、相互依存、快速更迭
• 用戶體驗：進度展現、異常處理等
• IPO、自頂向下、模塊化、配置化、應用開發的四個步驟