《Python數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用案例教程》（李兆延）教案 第5課 NumPy庫（二）

課題第5課NumPy庫（二）課時2課時（90min）教學(xué)目標知識技能目標：（1）掌握NumPy中數(shù)組索引與切片的使用方法（2）了解NumPy中數(shù)組運算的方法（3）了解NumPy中常用的數(shù)學(xué)運算函數(shù)（4）能使用NumPy并進行數(shù)組索引與切片素質(zhì)目標：提高選擇合適方法解決不同問題的能力教學(xué)重難點教學(xué)重點：NumPy中數(shù)組運算的方法教學(xué)難點：NumPy中常用的數(shù)學(xué)運算函數(shù)教學(xué)方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材、文旌課堂APP教學(xué)設(shè)計第1節(jié)課：→→傳授新知（28min）→課堂討論（10min）第2節(jié)課：→傳授新知（20min）→課堂討論（12min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計意圖第一節(jié)課考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學(xué)生】按照老師要求簽到培養(yǎng)學(xué)生的組織紀律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（5min）【教師】提出問題我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了NumPy庫的相關(guān)知識，回憶一下什么是數(shù)組？【學(xué)生】思考、舉手回答通過提問的方法，了解學(xué)生對上節(jié)課知識的掌握程度，進而引出新知傳授新知

（28min）【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并引入新知，講解數(shù)組的索引與切片的相關(guān)知識2.1.3數(shù)組的索引與切片?【教師】提出問題在NumPy中，如果想要訪問或修改數(shù)組中的元素，需要做什么？?【學(xué)生】聆聽、思考、主動回答問題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知在NumPy中，如果想要訪問或修改數(shù)組中的元素，可以采用索引或切片的方式。索引與切片的區(qū)別是索引只能獲取單個元素，而切片可以獲取一定范圍的元素。1．一維數(shù)組的索引與切片?【教師】多媒體出示一維數(shù)組索引切片的格式（詳見教材），并詳細講解各部分表示的內(nèi)容array[index] #一維數(shù)組的索引array[start:stop:step] #一維數(shù)組的切片其中，index表示索引，從0開始；start表示起始索引，默認為0；stop表示終止索引（不含）；step表示索引步長，默認為1，不能為0。?【教師】提出問題：創(chuàng)建一維數(shù)組arr=np.array([1,2,3,4,5,6,7,8,9])，使用索引和切片獲取數(shù)組中元素的幾種情況，代碼的格式是怎么樣的呢？?【學(xué)生】聆聽、思考、主動回答問題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知arr[2] #獲取索引為2的元素，結(jié)果為3arr[1:5] #獲取索引從1到5（不含）的所有元素，結(jié)果為[2345]arr[:8:2] #獲取索引從0到8（不含）步長為2的所有元素，結(jié)果為[1357]arr[::3] #獲取索引從0到結(jié)束步長為3的所有元素，結(jié)果為[147]2．二維數(shù)組的索引與切片?【教師】多媒體出示二維數(shù)組索引切片的格式（詳見教材），并詳細講解各部分表示的內(nèi)容array[row_index,column_index] #二維數(shù)組的索引#二維數(shù)組的切片array[row_start:row_stop:row_step,column_start:column_stop:column_step]?【教師】按照教材步驟逐步進行演示例2-5（詳見教材）的程序編寫步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫arr=np.array([[1,2,3,4],[5,6,7,8],[9,10,11,12]])print('3×4的數(shù)組：\n',arr)print('第1行第3列的元素：',arr[0,2])print('第1～2行第2～3列的元素：\n',arr[0:2,1:3])print('第3行、列步長為2的元素：',arr[2,::2])print('行步長為2、第1～2列的元素：\n',arr[::2,:2])（詳見教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進行實際操作，并對比程序運行結(jié)果（詳見教材）?【教師】巡視課堂記錄，對學(xué)生進行個別指導(dǎo)3．高級索引數(shù)組還能通過整數(shù)數(shù)組索引和布爾型索引獲取數(shù)據(jù)。1）整數(shù)數(shù)組索引?【教師】多媒體出示示例（詳見教材），并詳細講解整數(shù)數(shù)組索引整數(shù)數(shù)組索引是指將整型數(shù)組作為索引，獲取二維數(shù)組中的任意行或元素，按索引順序返回新的數(shù)組。例如：arr[[1,0,2]] #獲取第2、1和3行的所有元素#獲取第1行第2列、第2行第4列、第3行第3列的元素arr[[0,1,2],[1,3,2]]上述代碼中，將整數(shù)數(shù)組作為索引時，如“[1,0,2]”，分別獲取索引數(shù)組中元素對應(yīng)的行；將以逗號“,”分隔的整數(shù)數(shù)組作為索引時，如“[0,1,2],[1,3,2]”，可以將其組合得到(0,1)、(1,3)、(2,2)，分別獲取行、列索引對應(yīng)位置的元素。2）布爾型索引?【教師】多媒體出示示例（詳見教材），并詳細講解布爾型索引布爾型索引是指將布爾表達式作為索引，獲取數(shù)組中布爾表達式為True的位置對應(yīng)的元素，返回新的一維數(shù)組。例如：arr[arr==5] #獲取數(shù)組中等于5的所有元素arr[arr>5] #獲取數(shù)組中大于5的所有元素#獲取數(shù)組中大于5且小于10的所有元素arr[(arr>5)&(arr<10)]#獲取數(shù)組中大于等于10或小于等于5的所有元素arr[(arr>=10)|(arr<=5)]上述代碼中，通過邏輯運算符（如“&”和“|”）和關(guān)系運算符（如“==”“!=”“>”“<”“>=”“<=”）組成布爾表達式，返回滿足條件的所有元素。?【教師】按照教材步驟逐步進行演示例2-6（詳見教材）的程序編寫步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫#創(chuàng)建3×4的數(shù)組arr=np.array([[110,120,90,80],[89,95,77,92],[60,79,96,80]])print('3×4的數(shù)組：\n',arr)#輸出使用整數(shù)數(shù)組索引選取的元素print('第3行和第1行的元素：\n',arr[[2,0]])print('第3行第2列和第1行第1列的元素',arr[[2,0],[1,0]])#輸出使用布爾型索引選取的元素print('大于80且小于等于100的所有元素：',arr[(arr>80)&(arr<=100)])print('小于等于80的所有元素：',arr[arr<=80])（詳見教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進行實際操作，并對比程序運行結(jié)果（詳見教材）?【教師】巡視課堂記錄，對學(xué)生進行個別指導(dǎo)【學(xué)生】聆聽、思考、理解、記憶通過教師講解、課堂討論、多媒體演示等方式，使學(xué)生了解數(shù)組的索引與切片等相關(guān)內(nèi)容課堂討論

（10min）【教師】提出以下問題讓學(xué)生分組討論：整數(shù)數(shù)組索引與布爾型索引有哪些區(qū)別？【學(xué)生】聆聽、結(jié)組、思考、討論、派代表發(fā)表討論結(jié)果【教師】總結(jié)學(xué)生的回答通過課堂討論，加深學(xué)生對數(shù)組的索引和切片的理解第二節(jié)課問題導(dǎo)入（8min）【教師】提出問題我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了利用NumPy庫創(chuàng)建數(shù)組，那么數(shù)組有哪些屬性呢？【學(xué)生】聆聽、思考、回答問題通過提問的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知（20min）【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并引入新知，講解數(shù)組的運算及數(shù)學(xué)運算函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容2.1.4數(shù)組的運算1．算術(shù)運算相同形狀的數(shù)組在進行算術(shù)運算時，即將數(shù)組中對應(yīng)位置的元素值進行算術(shù)運算，如加（+）、減（?）、乘（*）、除（/）、冪（**）運算等。?【教師】按照教材步驟逐步進行演示例2-7（詳見教材）的程序編寫步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫#創(chuàng)建2×3的數(shù)組arr1=np.array([[10,20,30],[40,50,60]])print('2×3的數(shù)組arr1：\n',arr1)#創(chuàng)建2×3的數(shù)組arr2=np.array([[1,2,2],[2,2,3]])print('2×3的數(shù)組arr2：\n',arr2)(詳見教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進行實際操作，并對比程序運行結(jié)果（詳見教材）?【教師】巡視課堂記錄，對學(xué)生進行個別指導(dǎo)2．數(shù)組廣播NumPy中的廣播機制用于解決不同形狀數(shù)組之間的算術(shù)運算問題，它是將形狀較小的數(shù)組，在橫向或縱向上進行一定次數(shù)的重復(fù)，使其形狀與形狀較大的數(shù)組相同。?【教師】按照教材步驟逐步進行演示例2-8（詳見教材）的程序編寫步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫#創(chuàng)建2×3的數(shù)組arr1=np.array([[10,20,30],[40,50,60]])arr2=np.array([1,2,3]) #創(chuàng)建1×3的數(shù)組print('arr1與arr2相加：\n',arr1+arr2)arr3=np.array([[1],[2]]) #創(chuàng)建2×1的數(shù)組print('arr1與arr3相加：\n',arr1+arr3)arr4=np.array(5) #創(chuàng)建1×1的數(shù)組print('arr1與arr4相加：\n',arr1+arr4)（詳見教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進行實際操作，并對比程序運行結(jié)果（詳見教材）?【教師】巡視課堂記錄，對學(xué)生進行個別指導(dǎo)?【教師】提出問題對照例2-8程序運行結(jié)果，說一說程序是如何運行的？?【學(xué)生】聆聽、思考、主動回答問題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知當2×3的數(shù)組arr1與1×3的數(shù)組arr2相加時，arr2在縱向上重復(fù)2次，從而生成2×3的數(shù)組，再與arr1進行加法運算；當arr1與2×1的數(shù)組arr3相加時，arr3在橫向上重復(fù)3次，從而生成2×3的數(shù)組，再與arr1進行加法運算；當arr1與1×1的數(shù)組arr4相加時，arr4在橫向上重復(fù)3次、在縱向上重復(fù)2次，從而生成2×3的數(shù)組，再與arr1進行加法運算。?【提示】教師講解形狀不同的數(shù)組?【學(xué)生】聆聽，思考3．數(shù)組轉(zhuǎn)置?【教師】提出問題什么是數(shù)組轉(zhuǎn)置？數(shù)組轉(zhuǎn)置的格式是什么樣的？?【學(xué)生】聆聽、思考、主動回答問題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知數(shù)組轉(zhuǎn)置是指將數(shù)組的行與列轉(zhuǎn)換，即第1行變成第1列，第2行變成第2列，依次類推，如4×3的數(shù)組轉(zhuǎn)置為3×4的數(shù)組。在NumPy中，數(shù)組轉(zhuǎn)置可以使用數(shù)組的T屬性實現(xiàn)，其一般格式如下。array2=array1.T4．數(shù)組變形?【教師】提出問題什么是數(shù)組變形？數(shù)組變形的格式是什么樣的？?【學(xué)生】聆聽、思考、主動回答問題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知數(shù)組變形就是改變數(shù)組的形狀，如2×6的數(shù)組變?yōu)?×4的數(shù)組。需要注意的是，數(shù)組變形是基于數(shù)組元素不發(fā)生改變的情況下實現(xiàn)的，變形后數(shù)組元素的個數(shù)必須與原數(shù)組元素的個數(shù)相同，否則會出現(xiàn)錯誤。在NumPy中，數(shù)組變形可以使用reshape()函數(shù)實現(xiàn)，其一般格式如下。array2=array1.reshape(m,n)其中，array1表示原數(shù)組，array2表示變形后的數(shù)組，m和n表示變形后數(shù)組的行數(shù)和列數(shù)。?【教師】按照教材步驟逐步進行演示例2-9（詳見教材）的程序編寫步驟：importnumpyasnp #導(dǎo)入numpy庫#隨機生成[1,100)的3×4的數(shù)組arr=np.random.randint(1,100,size=(3,4))print('3×4的原數(shù)組：\n',arr)print('轉(zhuǎn)置后4×3的數(shù)組：\n',arr.T)print('變形后2×6的數(shù)組：\n',arr.reshape(2,6))（詳見教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進行實際操作，并對比程序運行結(jié)果（詳見教材）?【教師】巡視課堂記錄，對學(xué)生進行個別指導(dǎo)2.1.5常用的數(shù)學(xué)運算函數(shù)?【教師】多媒體出示NumPy中數(shù)學(xué)運算函數(shù)表格（詳見教材），并詳細講解各種數(shù)學(xué)運算函數(shù)的說明函數(shù)說明add()、subtract()、multiply()、divide()、mod()數(shù)組的加、減、乘、除、求余運算abs()、sqrt()、square()計算數(shù)組中各元素的絕對值、平方根、平方log()、log2()、log10()計算數(shù)組中各元素的以e、2、10為底的對數(shù)power()計算以第一個數(shù)組中的元素為底數(shù)，第二個數(shù)組中相應(yīng)元素為指數(shù)的冪reciprocal()計算數(shù)組中各元素的倒數(shù)around()、ceil()、floor()計算數(shù)組中各元素指定小數(shù)位數(shù)的四舍五入值、向上取整值、向下取整值sin()、cos()、tan()計算數(shù)組中各元素的正弦值、余弦值和正切值，參數(shù)為弧度sign()獲取數(shù)組中各元素的符號值，如1（正號）、0、?1（負號）?【教師】按照教材步驟逐步進行演示例2-10（詳見教材）的程序編寫步驟：importnumpyasnparr1=np.random.randint(1,10,size=(3,3))print('隨機生成的二維整數(shù)數(shù)組arr1：\n',arr1)arr2=np.random.randint(1,10,size=3)print('隨機生成的一維整數(shù)數(shù)組arr2：\n',arr2)arr3=np.random.rand(3,3)*10print('隨機生成的二維小數(shù)數(shù)組arr3：\n',arr3)print('arr1和arr2相加：\n',np.add(arr1,arr2))print('arr1和arr3相乘：\n',np.multiply(arr1,arr3))（詳見教材）?【學(xué)生】觀察、記錄、理解?【學(xué)生】教師演示完成后，學(xué)生按照教材提示和教師演示進行實際操作，并對比程序運行結(jié)果（詳見教材）?【教師】巡視課堂記錄，對學(xué)生進行個別指導(dǎo)?【教師】提出問題對照例2-9程序運行結(jié)果，說一說程序是如何運行的？?【學(xué)生】聆聽、思考、主動回答問題?【教師】總結(jié)學(xué)生的回答，并講解新知power()函數(shù)中，冪運算的結(jié)果數(shù)值很大，