人工智能通识教程课件 项目2 人工智能编程思维-程序设计基础

人工智能编程思维——程序设计基础项目2项目导入

在数字化浪潮下，从智能家居到自动驾驶，程序设计作为人工智能落地的核心载体塑造着我们的生活。学习程序设计旨在锤炼人工智能编程思维，不仅能让我们更好地理解这些技术背后的原理，也能帮助我们显著提升逻辑思维能力。因此，熟悉并掌握程序设计的基础知识，无疑是在信息洪流中提升效率，发挥个人才能的必备技能。CONTENT目录1程序设计基础知识3程序设计方法和实践2程序设计语言和工具程序设计基础知识任务2.1任务2.1程序设计基础知识学习目标理解程序设计的概念和作用。了解程序设计的发展历程。了解程序设计的一般步骤。任务2.1程序设计基础知识1.什么是程序设计？程序设计是通过一系列逻辑步骤定义出解决特定问题的计算机指令序列。程序设计流程应当涵盖分析、设计、编码、调试、文档编写等多个阶段，以确保软件产品的质量、效率和可维护性。2.程序设计的发展早期，受限于昂贵的硬件资源，程序设计的焦点多集中于优化时间复杂度与空间利用率上。如今，软件构造活动从单一的程序设计扩展到包括数据库设计、用户界面设计、接口协议制定及系统集成配置等多个维度，形成软件生态系统。任务2.1程序设计基础知识3.程序设计的一般步骤（1）需求分析（2）算法设计（3）编写程序（4）程序测试（5）部署维护（6）文档编写任务2.1程序设计基础知识程序设计语言和工具任务2.2任务2.2程序设计语言和工具学习目标了解程序设计中的语言的基本概念。了解程序设计语言的基本成分。了解程序设计语言的分类。了解程序设计语言的发展趋势。了解目前主流的程序设计语言。1.程序设计中的语言

语言是用于编写计算机程序的语言，简称编程语言，是一种用于向计算机表达算法、数据结构及操作指令的符号系统。程序设计语言由三方面组成，即语法、语义和语用。任务2.2程序设计语言和工具2.程序设计语言的基本成分（1）数据成分定义程序中使用的数据类型和结构。（2）运算成分描述程序中可执行的运算和操作。（3）控制成分决定程序执行的顺序和逻辑分支。（4）传输成分处理数据的流动、交换和输入输出。任务2.2程序设计语言和工具3.程序设计语言的分类（1）按抽象层次分类①低级语言：与计算机硬件紧密相关，包括机器语言和汇编语言。这些语言的语法和语义直接映射到计算机的硬件指令集。②高级语言：提供更高级别的抽象，通常与硬件无关。包括如C语言、Java、Python等，这些语言更易于编写和理解。任务2.2程序设计语言和工具机器语言编程语言3.程序设计语言的分类（2）按范式分类①过程式语言：以过程为中心，程序由一系列过程（或函数）组成，强调顺序执行。例如C语言、Fortran。②面向对象语言：以对象为中心，强调数据和操作数据的封装，例如，Java、C++、Python。③函数式语言：以数学函数为中心，强调函数的使用和函数的组合，例如，Haskell、Lisp。④

逻辑语言：基于逻辑推理进行程序的描述和执行，例如，Prolog。任务2.2程序设计语言和工具逻辑语言函数式语言面向对象语言过程式语言3.程序设计语言的分类（3）按执行方式分类①编译型语言：源代码通过编译器一次性转换成目标代码（机器语言），之后可直接在目标机器上运行，如C、C++。②

解释型语言：源代码在运行时由解释器逐条解释执行，无需事先编译，如Python、JavaScript。③混合型语言：结合了编译型和解释型的特点，如Java（源代码编译成字节码，再由虚拟机解释执行）。任务2.2程序设计语言和工具编译型语言编译型语言混合型语言3.程序设计语言的分类（4）按用途分类①系统编程语言：用于系统软件的开发，如操作系统、驱动程序等，如C语言、Rust。②应用编程语言：用于开发应用软件，如Web应用、桌面应用等。例如Java、Python、C#。③脚本语言：用于自动化任务和脚本编写，例如Python、Bash、Perl。任务2.2程序设计语言和工具系统编程语言应用编程语言脚本语言4.程序设计语言的发展趋势任务2.2程序设计语言和工具（1）多样化和专业化（2）性能提升（3）支持并发与并行编程（4）安全性与可维护性（5）绿色计算5.常用的程序设计语言（1）C语言（2）Java（3）C#（4）Python（5）JavaScript任务2.2程序设计语言和工具6.程序设计语言的选择任务2.2程序设计语言和工具（1）项目的应用领域（2）软件开发的方法（3）软件执行的环境（4）算法和数据结构的复杂性（5）软件开发人员的知识程序设计方法和实践任务2.3任务1.3信息安全应用学习目标掌握Python的安装和环境配置。掌握Python的运行方式和基本语法。了解Python的数据类型。掌握Python的运算符和表达式。掌握程序设计的流程控制。掌握函数和模块的使用方法。掌握打开、读取、写入文件的方法。了解异常处理的方法。任务2.3程序设计方法和实践1.安装与配置Python程序开发环境1）访问Python官网（通常是/）

由于网页内容可能会随时间变化，实际页面可能与示例图有所不同。2）下载Python安装包

在Python官网的下载页面，单击“DownloadPython3.12.6”，如图所示。任务2.3程序设计方法和实践3）运行Python安装程序

“InstallNow”表示采用默认安装方式，“Customizeinstallation”表示自定义安装方式。安装时先勾选“AddPython.exetoPATH”，再单击“InstallNow”，将会自动配置环境变量，如左图所示。4）安装完成

安装完成后，点击“Close”按钮关闭安装向导对话框。5）验证Python安装程序

打开命令提示符（在Windows中搜索“cmd”或“命令提示符”），在命令提示符中，输入python，按Enter键即可进入Python环境。如果安装成功，命令提示符将显示安装的Python版本号，如右图所示。2.Python程序的运行方式

启动IDLE，在IDLE内部执行Python命令，“>>>”是提示符，如左图所示。单击菜单Options→ConfigureIDLE，在Settings对话框中，可以设置字体、字号、缩进、文字高亮外观等，如右图所示。任务2.3程序设计方法和实践2.Python程序的运行方式【例2-3-2】输出“Hello,Python!”,并计算2个变量相加的值，请按逻辑编写完整程序。2）文件式

将Python语句、命令及程序代码片段按照一定的业务逻辑和编程规范编写成程序。编写完成后，该程序会被保存为一个或多个文件，这些文件通常具有.py扩展名。1）交互式

在IDLE环境下，提示符“>>>”后输入相应的命令或语句并按Enter键。如果输入的命令或语句语法正确且逻辑

上可执行，那么下一行将展示执行的结果；否则将抛出异常，给出错误提示。【例2-3-1】输出“Hello,Python!”,并计算2个变量相加的值，输出在屏幕上。任务2.3程序设计方法和实践3.Python的数据类型1）数据类型类型类别描述示例数值用于表示数字的数据类型int（整型）表示没有小数部分的数字，可以是正数或负数。x=10Float（浮点型）表示有小数部分的数字，通常为双精度。pi=3.14159complex（复数型）表示复数的数据类型，包含实部和虚部。z=complex(3,4)或z=3+4jbool（布尔型）表示真（True）或假（False）的值，常用于条件判断。is_valid=True任务2.3程序设计方法和实践3.Python的数据类型类型类别示例字符串用于表示文本单引号（'）括起来的字符串name='Alice'双引号（"）括起来的字符串greeting="Hello,world!"三个单引号（'''）括起来的多行字符串```python转义字符描述\n换行符（newline），回到下一行的开头\t制表符（tab）\r回车符（return），回到当前行的开头\'单引号\"双引号\\一个\任务2.3程序设计方法和实践3.Python的数据类型2）字符串的连接

字符串连接是指将两个或多个字符串值组合成一个新的字符串的过程。【例2-3-3】请用字符串连接的方法，输出“HelloWorld”。任务2.3程序设计方法和实践4.Python标识符和保留字符1）标识符

标识符是编程中用于给变量、函数、类、模块等命名的符号。任务2.3程序设计方法和实践①

命名规则第一个字符不能是数字，可以由字母（包括英文字母和汉字，但通常推荐使用英文字母）、数字和下划线（_）组成。要区分大小写，例如：myVar和myvar被视为两个不同的标识符。不能使用Python中的保留字（关键字）作为名称。尽量避免使用中文、Python内置函数和库中已有的名称作为标识符，以免发生误解或出现兼容性问题。②

命名规范

标识符应具有描述性和可读性，以增强代码的可维护性和可读性。遵循一定的命名约定，例如：类名通常使用驼峰命名法（如MyClass），变量和函数名使用小写字母和下划线（如my_variable和my_function）。4.Python标识符和保留字符2）保留符

保留字（或关键字）是Python中预先定义的具有特殊含义的单词，被用于表示语言的语法结构和关键操作。任务2.3程序设计方法和实践①

特点

保留字是Python语言的一部分，具有固定的含义和用途，使用保留字作为标识符会导致语法错误。②

查看保留字符的方法

使用Python的内置模块keyword可查看当前Python版本中的所有保留字。运行importkeyword，输入print(keyword.kwlist)，会显示当前Python版本的保留字列表。5.Python运算符和表达式1）算数运算符

用于执行基本的数学运算，如加法、减法、乘法、除法等。任务2.3程序设计方法和实践运算符描述示例（假设变量a为5，变量b为2）+对两个数进行加法运算a+b，输入结果：7-从第一个数中减去第二个数a-b，输入结果：3*将两个数相乘a*b，输出结果：10/将第一个数除以第二个数，得到浮点数结果a/b，输出结果：2.5%返回两个数相除的余数a%b，输出结果：1**返回第一个数的第二个数次幂a**b为5的2次方，输出结果：25//对两个数进行整除，结果向下取整到最接近的整数a//b，输出结果：25.Python运算符和表达式1）算数运算符

当一个表达式中包含多个算数运算符时，这些运算符被执行的先后顺序要遵循一定的优先级。任务2.3程序设计方法和实践优先级算术运算符描述1()圆括号2**幂（指数）3+x、-x正号、负号4*、/、//、%乘法、除法、整除、取余数5+、-加法、减法5.Python运算符和表达式2）关系运算符

关系运算符是用于比较两个值之间关系的运算符。主要用于确定两个操作数之间的比较结果是否为真（True）或假（False）。任务2.3程序设计方法和实践关系运算符描述示例==比较两个值是否相等a==b，例如5==5结果为True!=比较两个值是否不相等a!=b，例如5!=3结果为True>

比较左侧值是否大于右侧值a>b，例如5>3结果为True<

比较左侧值是否小于右侧值a<b，例如2<5结果为True>=比较左侧值是否大于或等于右侧值a>=b，例如5>=5结果为True<=比较左侧值是否小于或等于右侧值a<=b，例如4<=6结果为True5.Python运算符和表达式3）逻辑运算符

逻辑运算符用于对布尔值（True和False）进行操作，根据操作数的逻辑条件返回布尔值。任务2.3程序设计方法和实践逻辑运算符描述示例and如果所有给定条件为真，则返回True；否则返回Falsea>3andb<4结果为Trueor如果至少一个条件为真，则返回True；否则返回Falsea<3orb>4结果为Falsenot对条件取反，如果条件为真，则返回False；如果条件为假，则返回TrueNot(a==5)结果为False5.Python运算符和表达式4）赋值运算符

赋值运算符主要用于将值或对象分配给变量。Python中最基本的赋值运算符是单等号（=）。任务2.3程序设计方法和实践运算符描述示例=将右侧表达式的值赋给左侧的变量x=2，将值2赋给变量x+=将右侧表达式的值与左侧变量的值相加，然后将结果赋给左侧变量x+=2，等同于x=x+2-=从左侧变量的值中减去右侧表达式的值，然后将结果赋给左侧变量x-=2，等同于x=x-2*=将左侧变量的值与右侧表达式的值相乘，然后将结果赋给左侧变量x*=2，等同于x=x*2/=将左侧变量的值除以右侧表达式的值，然后将结果（浮点数）赋给左侧变量x/=2，等同于x=x/2%=取左侧变量除以右侧表达式的余数，并将结果赋给左侧变量x%=2，等同于

x=x%2**=将左侧变量的值提升到右侧表达式的次幂，然后将结果赋给左侧变量x**=2，等同于

x=x**2//=对左侧变量和右侧表达式的值进行整除，然后将结果赋给左侧变量x//=2，等同于

x=x//25.Python运算符和表达式5）运算符的优先级

运算符的优先级是指当多个运算符出现在同一个表达式中时，它们被执行的先后次序。任务2.3程序设计方法和实践运算符描述**指数运算符~、+、-按位取反、正号和负号运算符*、/、%、//乘、除、取余和取整除运算符+、-加法、减法运算符<=、<、>、>=关系运算符（小于或等于、小于、大于、大于或等于）==、!=关系运算符（等于、不等于）=、+=、-=、*=、/=、%=、//=、**=赋值运算符not逻辑非运算符or、and逻辑或、逻辑与运算符6.程序的基本结构【例2-3-5】使用if语句实现年龄的判断。2）分支结构

分支结构（或选择结构）根据某个条件（通常是布尔表达式）的真假来决定执行哪一段代码。分支结构主要包括if语句、ifelse语句和ifelifelse语句。1）顺序结构

顺序结构按照程序中语句的书写次序执行，不需要进行任何条件判断或循环控制，程序的执行流程是固定的。【例2-3-4】个人信息登记：请输入姓名、年龄、居住地址等信息（其中年龄为正实数）。任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-6】根据年龄显示不同的提示。【例2-3-7】根据学生成绩，输入对应的等级。其中，成绩大于等于90，输出等级A，小于90但大于等于80，输出等级B，小于80但大于等于70，输出等级C，小于70但大于等于60，输出等级D，小于60，输出等级F。6.程序的基本结构【例2-3-8】用while语句计算1+3+5+…+99的值。3）循环结构

循环结构用于重复执行一段代码直到满足特定条件为止。被重复执行的程序块称为循环体，必须确保循环体的重复执行能被终止（即非无限循环）。任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-9】用for语句计算1+3+5+…+99的值。1）列表

列表是Python中的一种序列数据结构，用于存储一系列有序的元素。这些元素可以是任意类型，并且列表的长度可以动态变化。列表定义的一般形式为：

列表名=[元素1,元素2,...,元素N]特点：①

有序性：列表中的元素按照插入的顺序排列。②

可变性：列表支持在运行时添加、删除或修改元素。③

元素多样性：列表可以包含不同类型的数据项。④

索引访问：通过索引（从0开始）可以快速访问列表中的元素。7.数据组合类型任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-10】定义一个列表，包含社会主义核心价值观的的内容，并遍历访问列表中的元素。2）元组

元组是Python中的一种不可变序列类型，用于存储一系列有序的元素。与列表不同，元组一旦创建就不能被修改。元组定义的一般形式为：

元组名=(元素0,元素1,元素2,...,元素N)特点：①

有序性：元组中的元素按照插入的顺序排列。②

不可变性：元组不支持添加、删除或修改元素。③

元素多样性：元组可以包含不同类型的数据项。④

索引访问：通过索引（从0开始）可以访问元组中的元素。7.数据组合类型任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-11】创建2个元组变量。3）字典

字典是Python中一种无序的集合数据类型，用于存储键值对（key-valuepairs）。键必须是唯一的，而值可以是任意数据类型。字典定义的一般形式为：

字典名={键0:值0,键1:值1,…,键N:值N}特点：①

无序性（在Python3.7+中保持插入顺序）。②

可变性：字典支持在运行时添加、删除或修改键值对。③

键的唯一性：每个键在字典中都是唯一的。④

快速访问：通过键可以快速访问与之关联的值。7.数据组合类型任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-12】定义一个字典，使用keys()、values()、items()方法遍历字典。4）集合

集合是Python中的一种无序且不包含重复元素的容器。集合主要用于数学上的集合操作，如并集、交集、差集和对称差集。定义可变集合对象的一般形式为：

集合名={元素0,元素1,元素2,...,元素N}特点：①

无序性：集合中的元素没有特定的顺序。②

元素唯一性：集合中不包含重复的元素。③

可变性：集合支持添加和删除元素，但不支持通过索引访问元素。7.数据组合类型任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-13】使用集合进行数学上的集合操作，包括并集、交集。5）文件

在Python中，文件不是一种内置的数据类型，而是表示存储在磁盘上的数据流的抽象对象。文件对象提供了对文件内容进行读取、写入或修改的方法。特点：①

持久性：文件用于存储长期数据，即使程序关闭，数据也会保留在磁盘上。②

数据模式：文件支持文本模式和二进制模式，用于处理不同类型的数据。③

资源管理：使用文件对象时，需要谨慎管理资源，如打开和关闭文件，以避免资源泄露。7.数据组合类型任务2.3程序设计方法和实践1）用户定义函数

由程序员自己编写的函数，用于实现特定的功能或计算。它们通过def关键字定义，可以接收参数、执行操作。语法格式为：

def函数名(参数列表):

函数体

[return[返回值列表]]8.函数任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-14】定义一个用户函数，用于计算数的平方。2）调用函数

调用函数是执行函数内定义代码的过程。当函数被调用时，Python会执行函数体内的代码，并可能处理传入的参数和返回的结果。语法格式为：

函数名(参数列表)8.函数任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-15】根据上述例子，调用square函数计算数的平方。3）内置函数

内置函数是Python语言自带的函数，可以直接使用而无需定义。这些函数通常用于执行常见的任务，如输入输出、数学运算、类型转换等。8.函数任务2.3程序设计方法和实践【例2-3-16】使用内置函数获取字符串长度。4）匿名函数

匿名函数是没有名称的函数，通