東南大學(xué)計算機學(xué)院方效林教學(xué)課件

東南大學(xué)計算機學(xué)院教學(xué)課件方效林教授東南大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院課程簡介計算機科學(xué)基礎(chǔ)本課程旨在教授計算機科學(xué)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生編程能力和解決問題的能力。Python編程語言重點講解Python語言的基本語法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法和面向?qū)ο缶幊痰葍?nèi)容。項目實戰(zhàn)課程設(shè)計了一系列項目實戰(zhàn)案例，幫助學(xué)生將理論知識應(yīng)用到實際問題中。學(xué)習(xí)目標編程能力提升掌握基礎(chǔ)語法，理解算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，獨立完成小型項目。問題解決能力培養(yǎng)邏輯思維，提升代碼調(diào)試和錯誤處理能力，有效解決編程問題。團隊合作能力學(xué)習(xí)并應(yīng)用版本控制工具，與團隊成員協(xié)作開發(fā)項目。教學(xué)內(nèi)容概要11.編程基礎(chǔ)基礎(chǔ)語法、數(shù)據(jù)類型、控制流、函數(shù)等22.面向?qū)ο缶幊填?、對象、繼承、多態(tài)等概念及應(yīng)用33.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法線性表、樹、圖等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和常用算法44.項目實戰(zhàn)綜合運用所學(xué)知識，完成實際項目開發(fā)編程基礎(chǔ)知識變量與常量變量用于存儲數(shù)據(jù)，可修改。常量用于存儲固定值，不可修改。數(shù)據(jù)類型基本數(shù)據(jù)類型包括整數(shù)、浮點數(shù)、字符串、布爾值等。運算符運算符包括算術(shù)運算符、比較運算符、邏輯運算符等。表達式表達式由運算符和操作數(shù)組成，用于計算結(jié)果。數(shù)據(jù)類型與運算符基本數(shù)據(jù)類型Python提供豐富的基本數(shù)據(jù)類型，包括整數(shù)、浮點數(shù)、字符串、布爾值等。了解基本數(shù)據(jù)類型的特性，可以幫助您有效地進行數(shù)據(jù)操作。運算符運算符用于執(zhí)行各種操作，如算術(shù)運算、比較運算、邏輯運算等。掌握各種運算符的使用，可以方便地構(gòu)建復(fù)雜的表達式和邏輯判斷。分支結(jié)構(gòu)分支結(jié)構(gòu)使程序能夠根據(jù)條件執(zhí)行不同的代碼塊，為程序帶來靈活性和可控性。1if語句最基本的判斷語句，執(zhí)行單個條件判斷。2if-else語句根據(jù)條件選擇執(zhí)行兩個代碼塊之一。3if-elif-else語句支持多條件判斷，選擇執(zhí)行多個代碼塊之一。分支結(jié)構(gòu)是程序邏輯的核心，掌握其應(yīng)用是編寫復(fù)雜程序的關(guān)鍵。循環(huán)結(jié)構(gòu)1while循環(huán)條件為真時，重復(fù)執(zhí)行代碼塊。2for循環(huán)遍歷可迭代對象中的元素。3嵌套循環(huán)循環(huán)結(jié)構(gòu)可以相互嵌套，實現(xiàn)復(fù)雜邏輯。4循環(huán)控制語句break、continue用于控制循環(huán)的執(zhí)行。循環(huán)結(jié)構(gòu)是程序設(shè)計中常用的控制流結(jié)構(gòu)，可以重復(fù)執(zhí)行一段代碼，直到滿足特定條件為止。數(shù)組與字符串Python數(shù)組Python中的數(shù)組（列表）是可變的，可以存儲不同類型的數(shù)據(jù)，并支持多種操作，如索引、切片、添加、刪除等。字符串字符串是不可變的，可以表示文本信息，并支持各種操作，如拼接、切片、查找、替換等。字符串操作Python提供豐富的字符串操作函數(shù)，例如`len()`獲取長度，`split()`分割字符串，`join()`拼接字符串等。函數(shù)與模塊函數(shù)函數(shù)是一段可重復(fù)使用的代碼塊，執(zhí)行特定任務(wù)。模塊模塊是包含函數(shù)、類和變量的代碼文件，用于組織代碼。代碼重用函數(shù)和模塊提高代碼可讀性和可維護性，方便代碼重用。代碼結(jié)構(gòu)函數(shù)和模塊劃分程序結(jié)構(gòu)，使代碼更易于理解和調(diào)試。面向?qū)ο缶幊谭庋b將數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的方法封裝在一起，隱藏內(nèi)部細節(jié)，提高代碼可維護性。繼承創(chuàng)建新的類，繼承已有類的屬性和方法，實現(xiàn)代碼復(fù)用，減少代碼冗余。多態(tài)同一個方法在不同的類中可以有不同的實現(xiàn)，根據(jù)對象類型動態(tài)調(diào)用方法，提高代碼靈活性和擴展性。文件和異常處理11.文件操作學(xué)習(xí)如何打開、讀取、寫入和關(guān)閉文件，包括文本文件和二進制文件。22.異常處理了解常見的異常類型，使用try-except語句來處理異常，并使用finally語句來確保資源釋放。33.文件系統(tǒng)操作學(xué)習(xí)操作文件系統(tǒng)，包括創(chuàng)建、刪除、重命名、移動文件和目錄，以及獲取文件屬性信息。44.文件序列化和反序列化學(xué)習(xí)將數(shù)據(jù)存儲到文件中，以及從文件中讀取數(shù)據(jù)，并理解序列化和反序列化機制。網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)編程基礎(chǔ)介紹網(wǎng)絡(luò)編程的常用概念，如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、套接字、網(wǎng)絡(luò)通信模型等。講解TCP/IP協(xié)議族，包括TCP、UDP、IP等協(xié)議網(wǎng)絡(luò)編程實踐使用Python中的socket庫進行網(wǎng)絡(luò)編程實踐，包括創(chuàng)建TCP/UDP服務(wù)器和客戶端，實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)傳輸和交互網(wǎng)絡(luò)安全介紹網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)知識，包括常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊和防御手段，以及Python中的安全庫使用GUI編程11.圖形界面GUI編程涉及圖形用戶界面開發(fā)，為用戶提供直觀且交互式的操作體驗。22.組件與布局GUI編程中使用各種組件，如按鈕、文本框和窗口，并使用布局管理器來安排組件的位置。33.事件處理GUI編程的核心是事件處理機制，用于響應(yīng)用戶的交互行為，如鼠標點擊或鍵盤輸入。44.跨平臺支持GUI編程的目標是開發(fā)出能夠在不同操作系統(tǒng)上運行的應(yīng)用程序，以擴展應(yīng)用程序的覆蓋范圍。Python標準庫基礎(chǔ)庫Python標準庫提供各種功能，包括輸入輸出、文件處理、網(wǎng)絡(luò)編程、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法等。模塊化設(shè)計標準庫的模塊化設(shè)計方便開發(fā)者快速使用，提高開發(fā)效率。豐富功能涵蓋廣泛應(yīng)用場景，如Web開發(fā)、數(shù)據(jù)科學(xué)、機器學(xué)習(xí)等。文檔齊全詳細的文檔和教程方便開發(fā)者學(xué)習(xí)和使用。常用第三方庫網(wǎng)絡(luò)開發(fā)RequestsBeautifulSoupScrapy數(shù)據(jù)分析PandasNumPyScikit-learn圖形界面TkinterPyQtKivy機器學(xué)習(xí)TensorFlowPyTorchKeras算法基礎(chǔ)算法定義算法是解決特定問題的一系列步驟，包括明確的指令，可以被計算機執(zhí)行。算法描述了解決問題的方法，通過一系列操作步驟來實現(xiàn)。算法特征算法具有明確性、有限性、可行性、輸入和輸出五個特征。這些特征保證算法能夠有效地解決問題并得到預(yù)期結(jié)果。排序算法插入排序插入排序是一種簡單直觀的排序算法。它將數(shù)組分成已排序和未排序兩個部分，逐步將未排序部分的元素插入到已排序部分的正確位置。冒泡排序冒泡排序是一種比較簡單的排序算法，通過不斷比較相鄰元素，將較大的元素交換到末尾，從而實現(xiàn)排序。選擇排序選擇排序算法是一種比較簡單的排序算法，它將數(shù)組分成已排序和未排序兩個部分，每次從未排序部分中找到最小元素，將其放到已排序部分的末尾。歸并排序歸并排序是一種基于分治思想的排序算法，它將數(shù)組不斷分成兩半，然后分別對兩半進行排序，最后將兩個有序的子數(shù)組合并成一個有序的數(shù)組。遞歸算法定義遞歸算法通過調(diào)用自身來解決問題，將復(fù)雜問題分解為更小的相同問題，直到問題簡單到可以直接解決。特點遞歸算法通常具有簡潔的代碼結(jié)構(gòu)，但需要謹慎處理遞歸深度和邊界條件，避免無限遞歸。應(yīng)用遞歸算法適用于解決樹形結(jié)構(gòu)、分治問題、排序和搜索等問題，例如快速排序、二分查找等經(jīng)典算法。搜索算法線性搜索逐個檢查每個元素，直到找到目標元素或遍歷完所有元素。簡單易懂，但效率較低，尤其是在大量數(shù)據(jù)的情況下。二分搜索前提是數(shù)據(jù)已排序，每次比較中間元素，根據(jù)大小縮小搜索范圍。效率較高，時間復(fù)雜度為O(logn)，適合處理有序數(shù)據(jù)。哈希搜索利用哈希函數(shù)將鍵映射到一個唯一的索引，直接訪問對應(yīng)元素。效率極高，平均時間復(fù)雜度為O(1)，但需要額外的空間存儲哈希表。廣度優(yōu)先搜索從起點開始，逐層擴展，直到找到目標節(jié)點。適用于查找最短路徑，時間復(fù)雜度為O(V+E)，V為節(jié)點數(shù)，E為邊數(shù)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是計算機科學(xué)中組織和存儲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。分類主要分為線性結(jié)構(gòu)和非線性結(jié)構(gòu)，例如數(shù)組、鏈表、棧、隊列、樹、圖等。應(yīng)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種軟件系統(tǒng)，例如數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)、算法設(shè)計等。線性表線性表概述線性表是一種最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一組元素的有序集合。數(shù)據(jù)元素之間存在唯一的線性關(guān)系，可以根據(jù)元素在集合中的位置進行訪問。線性表操作常見的線性表操作包括插入、刪除、查找、排序等。這些操作的效率取決于線性表的存儲結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法。線性表存儲線性表可以采用順序存儲結(jié)構(gòu)或鏈式存儲結(jié)構(gòu)。順序存儲結(jié)構(gòu)使用連續(xù)的內(nèi)存空間存儲元素，而鏈式存儲結(jié)構(gòu)使用鏈表來存儲元素，每個節(jié)點包含數(shù)據(jù)域和指針域。棧和隊列棧后進先出(LIFO)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似于堆疊的盤子。隊列先進先出(FIFO)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類似于排隊等候。應(yīng)用棧和隊列在計算機科學(xué)中廣泛應(yīng)用，例如函數(shù)調(diào)用、表達式求值、瀏覽器歷史記錄等。樹和圖樹形結(jié)構(gòu)樹是一種非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，節(jié)點之間存在層次關(guān)系。圖結(jié)構(gòu)圖是一種更通用的非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，節(jié)點之間可以有多種關(guān)系。遍歷算法樹的遍歷方法包括先序遍歷、中序遍歷和后序遍歷。圖算法圖算法包括最短路徑算法、最小生成樹算法等。散列表散列表結(jié)構(gòu)散列表是一種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過散列函數(shù)將鍵映射到數(shù)組索引，實現(xiàn)快速查找。沖突解決當多個鍵映射到同一個索引時，需要使用沖突解決策略，例如開放尋址法或鏈式地址法。應(yīng)用場景散列表在數(shù)據(jù)庫索引、緩存、密碼存儲等方面有著廣泛應(yīng)用，提高數(shù)據(jù)訪問效率。算法分析和復(fù)雜度11.時間復(fù)雜度衡量算法執(zhí)行時間隨輸入規(guī)模增長的變化趨勢。22.空間復(fù)雜度衡量算法執(zhí)行所需的內(nèi)存空間隨輸入規(guī)模的變化趨勢。33.漸進符號Big-O表示法、Omega表示法和Theta表示法描述了算法復(fù)雜度的上界、下界和準確界。44.復(fù)雜度分析幫助選擇最優(yōu)算法，了解算法性能瓶頸，優(yōu)化代碼。算法設(shè)計技巧模塊化將復(fù)雜問題分解成更小的子問題，以便于理解和解決。遞歸利用遞歸函數(shù)將問題分解成更小的相同類型的問題。貪婪算法在每一步選擇局部最優(yōu)解，希望最終得到全局最優(yōu)解。動態(tài)規(guī)劃將大問題分解成子問題，并記錄子問題的解，避免重復(fù)計算。項目實戰(zhàn)演練1實踐應(yīng)用將課堂所學(xué)知識應(yīng)用到實際項目中，解決實際問題。增強學(xué)生對理論知識的理解和應(yīng)用能力。2團隊協(xié)作學(xué)生組隊進行項目開發(fā)，培養(yǎng)團隊合作精神。學(xué)習(xí)如何有效溝通，分工合作，共同完成目標。3問題解決在項目開發(fā)過程中遇到各種問題，鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力。學(xué)習(xí)如何查閱資料、尋求幫助，并最終找到解決方案。課程總結(jié)與展望總結(jié)回顧本課程全面介紹了Python編程語言的基礎(chǔ)知識，涵蓋了數(shù)據(jù)類型、運算符、控制流、函數(shù)、面向?qū)ο缶幊痰群诵母拍?。通過實戰(zhàn)演練，學(xué)生們掌握了Python編程的基本技能，并能獨立完成簡單的編程任務(wù)。未來展望未來，學(xué)生可以繼續(xù)深入學(xué)習(xí)Python高級特性，如網(wǎng)絡(luò)編程、GUI編程