第三單元

編程的魅力——程序設(shè)計(jì)入門3.1初識程序設(shè)計(jì)3.2設(shè)計(jì)簡單程序目錄

初識程序設(shè)計(jì)3.11.了解算法的基本概念。2.了解計(jì)算機(jī)程序的概念和基本結(jié)構(gòu)。3.會通過分析問題設(shè)計(jì)合理的算法，并對算法進(jìn)行描述。4.了解主流的程序設(shè)計(jì)語言的種類和特點(diǎn)。5.了解Python的基本語法，會編寫簡單的Python程序并調(diào)試運(yùn)行。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)描述張琦是某技師學(xué)院焊接加工專業(yè)的學(xué)生。他從新聞上得知，2023年我國造船完工量、新承接訂單量和手持訂單量三大造船指標(biāo)均大幅增長，占國際市場份額分別為50.2%、66.6%和55%，均位居世界第一。他為我國造船業(yè)取得的巨大成就感到自豪，有意畢業(yè)后進(jìn)入船舶企業(yè)成為一名船舶電焊工。任務(wù)描述老師告訴張琦，要成為一名優(yōu)秀的電焊工，除了掌握較高的操作技能外，還要具備一定的數(shù)字技能，如基本的編程技巧。老師布置了一個(gè)任務(wù)，希望張琦用編程來解決。假設(shè)某船舶企業(yè)車間有

N

名船舶電焊工，平均每人每天能完成的任務(wù)量為M，焊接工作的總?cè)蝿?wù)量為

W，理想情況下這些任務(wù)最少能用幾天時(shí)間完成？任務(wù)描述“計(jì)算任務(wù)完成時(shí)間”算法流程圖要想用編程來解決這個(gè)問題，首先我們要給出這個(gè)程序的算法。一個(gè)程序的算法通常用流程圖來表示，本任務(wù)繪制好的流程圖如圖所示。一、算法的概念算法是指按照一定規(guī)則解決某一編程任務(wù)的明確而有限的步驟。對于同一個(gè)編程任務(wù)，可以有不同的算法。這就像如果我們要從上海前往北京，可以選擇乘坐飛機(jī)或高鐵，也可以選擇汽車自駕，不同的出行方式花費(fèi)不同的時(shí)間和費(fèi)用。在設(shè)計(jì)算法時(shí)，不僅要保證算法的正確，還要考慮算法的質(zhì)量。設(shè)計(jì)相對簡單、運(yùn)算步驟少的算法，運(yùn)行起來速度也會更快。知識儲備二、如何設(shè)計(jì)算法當(dāng)我們接到一個(gè)編程任務(wù)時(shí)，首先要對其進(jìn)行分析，明確任務(wù)的具體要求、輸入的數(shù)據(jù)和需要輸出的結(jié)果，再找出一個(gè)適合用計(jì)算機(jī)來求解的適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法或策略（即算法）。很多較為簡單的編程任務(wù)可先用數(shù)學(xué)公式或模型準(zhǔn)確地描述出來，然后再根據(jù)數(shù)學(xué)公式或模型來設(shè)計(jì)一個(gè)解決該問題的算法。算法的每個(gè)步驟都要有確定的執(zhí)行順序，能夠被計(jì)算機(jī)理解和執(zhí)行且無二義性。一個(gè)算法可以有0個(gè)或多個(gè)輸入項(xiàng)，但至少應(yīng)該有一個(gè)有效的輸出項(xiàng)。如果沒有輸出項(xiàng)，算法的處理結(jié)果就無法返回給用戶。三、算法的表示1.自然語言自然語言就是人們?nèi)粘Ｊ褂玫恼Z言，可以是漢語、英語或其他語言。用自然語言表示通俗易懂，但文字冗長，容易出現(xiàn)歧義。自然語言表示的含義往往不大嚴(yán)格，要根據(jù)上下文才能判斷其正確含義，描述包含分支和循環(huán)的算法時(shí)也很不方便。因此，除了一些很簡單的問題外，一般不用自然語言描述算法。2.流程圖流程圖是用一些特定的圖形符號加說明來表示各種操作。在實(shí)際編程中，經(jīng)常使用流程圖來描述算法。流程圖常用圖形符號如圖所示。3.偽代碼偽代碼是用介于自然語言和計(jì)算機(jī)語言之間的文字和符號（非圖形符號）來描述算法。流程圖常用圖形符號任務(wù)分析任務(wù)描述在任務(wù)1中張琦已經(jīng)設(shè)計(jì)了“計(jì)算任務(wù)完成時(shí)間”的算法，并繪制了流程圖。接下來他將使用Python程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)算法，使之能運(yùn)行并輸出正確結(jié)果。張琦編寫好的程序如下。M=float(input('M='))N=int(input('N='))W=float(input('W='))D=W/(M*N)print('最少天數(shù):',D)一、程序設(shè)計(jì)語言的發(fā)展歷程程序設(shè)計(jì)語言是編寫計(jì)算機(jī)程序的語言。自20世紀(jì)60年代以來，程序設(shè)計(jì)語言經(jīng)歷了從機(jī)器語言、匯編語言到高級語言的發(fā)展過程。知識儲備1.機(jī)器語言計(jì)算機(jī)誕生之初，使用的是機(jī)器語言，它是計(jì)算機(jī)能直接識別和接受的二進(jìn)制代碼。2.匯編語言匯編語言又稱符號語言，是用符號（如一些簡潔的英文字母、符號串）來表示特定指令的程序設(shè)計(jì)語言。3.高級語言高級語言不依賴于具體機(jī)器，更接近于人們習(xí)慣使用的自然語言和數(shù)學(xué)語言。高級語言可分為面向過程和面向?qū)ο髢深?。二、常用高級語言高級語言種類繁多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上公布的高級語言已有上千種之多，但只有很小一部分得到了廣泛應(yīng)用。常用的高級語言包括Fortran、Cobol、Basic、Visual?Basic、C、C++、C#、Java、JavaScript、Python等。前三種語言主要在計(jì)算機(jī)發(fā)展早期使用，后面幾種語言目前正被廣泛使用，見下表。常用高級語言常用高級語言三、Python的基本語法1.程序的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)程序執(zhí)行的流程，程序可分為以下3種基本結(jié)構(gòu)。這3種基本結(jié)構(gòu)可以組成各種復(fù)雜的程序。（1）順序結(jié)構(gòu)。順序結(jié)構(gòu)是最簡單的程序結(jié)構(gòu)，即按照程序中語句的順序一條一條順序執(zhí)行。（2）選擇結(jié)構(gòu)。選擇結(jié)構(gòu)也稱分支結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中有條件判斷語句，根據(jù)條件判斷的結(jié)果選擇執(zhí)行不同的程序語句。（3）循環(huán)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)一般先設(shè)定一個(gè)循環(huán)條件，在滿足循環(huán)條件的情況下反復(fù)執(zhí)行同一組程序語句，直到條件不滿足時(shí)才退出。2.變量和常量（1）變量。變量是程序的基本組成單位，其值在程序運(yùn)行期間可以改變。如在測定實(shí)時(shí)氣溫的程序中，由于氣溫是不斷變化的，我們可以將氣溫值定義為一個(gè)變量，并給變量取一個(gè)名字，稱為變量名。（2）常量。常量是指在程序運(yùn)行過程中始終保持不變的常數(shù)、字符串等。Python中常量的具體類型包括整型常量、浮點(diǎn)型常量、字符型常量和字符串常量。3.運(yùn)算符和表達(dá)式（1）運(yùn)算符。運(yùn)算符也稱操作符，用于執(zhí)行各種運(yùn)算，包括算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符等，見下表。（2）表達(dá)式。表達(dá)式是由常量、變量和函數(shù)通過運(yùn)算符連接起來的有意義的式子。常見運(yùn)算符任務(wù)分析設(shè)計(jì)簡單程序3.21.了解程序設(shè)計(jì)的選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。2.會設(shè)計(jì)使用選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的程序。3.了解函數(shù)的一般概念。4.會設(shè)計(jì)自定義函數(shù)并進(jìn)行調(diào)用。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)描述在智能化家居設(shè)計(jì)中，房間的溫度由計(jì)算機(jī)總控程序自動(dòng)控制。假設(shè)當(dāng)前室溫為t，要設(shè)定房間溫度恒定為22℃。當(dāng)室內(nèi)溫度高于或等于22℃時(shí)，空調(diào)自動(dòng)制冷；當(dāng)室內(nèi)溫度低于22℃時(shí)，空調(diào)自動(dòng)制熱。設(shè)

m

代表空調(diào)工作模式（“制冷”或“制熱”），請編寫設(shè)定空調(diào)工作模式的程序。任務(wù)描述編寫好的程序如下。t=int(input("t="))ift>=22:

m="制冷"else:

m="制熱"print("當(dāng)前空調(diào)工作模式為:",m)一、條件表達(dá)式條件表達(dá)式是由若干操作數(shù)與操作符（如比較操作符、邏輯操作符等）組合而成的表達(dá)式，表達(dá)式的值一般是邏輯類型的（真值True或假值False）。變量A和B是操作數(shù)（類型可能是整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)等），“>”（大于符號）是比較操作符，整個(gè)表達(dá)式的結(jié)果是邏輯類型（或稱布爾類型），要么是真值True，要么是假值False。條件表達(dá)式通常用在選擇語句或循環(huán)語句中。知識儲備二、選擇語句Python的選擇語句有3種：單分支if語句、雙分支if-else語句和多分支if-elif-else語句。1.單分支if語句單分支if語句的基本語法如下。if<條件表達(dá)式>:

<語句組>此類語句只有在條件成立的時(shí)候需要執(zhí)行代碼；如果條件不成立，則什么都不執(zhí)行。流程圖如圖所示。單分支if語句流程圖2.雙分支if-else語句雙分支if-else語句的基本語法如下。if<條件表達(dá)式>:

<語句組1>else:

<語句組2>此類語句先判斷條件表達(dá)式是否成立，如成立，執(zhí)行語句組1；不成立，執(zhí)行語句組2。雙分支if-else語句流程圖如圖所示。雙分支if-else語句流程圖3.多分支if-elif-else語句多分支if-elif-else語句的基本語法如下。if<條件表達(dá)式1>:

<語句組1>elif<條件表達(dá)式2>:

<語句組2>…elif<條件表達(dá)式n>:

<語句組n>else:

<語句組n+1>多分支if-elif-else語句可用于多分支情況的處理，其流程圖如圖所示。多分支if-elif-else語句流程圖任務(wù)分析任務(wù)描述在我國約1500年前的《孫子算經(jīng)》中，有這樣一道“雞兔同籠”問題：“今有雉（雞）兔同籠，上有三十五頭，下有九十四足，問雉兔各幾何？”請編寫求解“雞兔同籠”問題的計(jì)算機(jī)程序。任務(wù)描述編寫好的程序如下。head=35#雞兔總數(shù)foot=94#雞兔腳總數(shù)n1=2#單只雞腳數(shù)量n2=4#單只兔腳數(shù)量foriin

range(0,head+1):

ifi*n1+(head-i)*n2==foot:

print("雞:"+str(i)+"只,兔:"+str(head-i)+"只")有些人不愿意重復(fù)、機(jī)械地做同一件事情，而這卻是計(jì)算機(jī)最擅長的。在算法中，把這種從某處開始、按照一定條件、反復(fù)執(zhí)行某一處理步驟的過程，叫作循環(huán)結(jié)構(gòu)。對應(yīng)的語句稱為循環(huán)語句。循環(huán)語句的作用是反復(fù)執(zhí)行一段代碼，直到滿足循環(huán)終止條件為止。知識儲備一個(gè)循環(huán)一般包括四部分內(nèi)容。初始化部分：初始化部分用來設(shè)置循環(huán)的一些初始條件。循環(huán)體部分：循環(huán)體即反復(fù)循環(huán)執(zhí)行的那段代碼，可以是一條語句或多條語句，它是循環(huán)語句的核心。循環(huán)條件部分：循環(huán)條件部分通常是一個(gè)條件表達(dá)式（循環(huán)繼續(xù)運(yùn)行的條件）。每一次循環(huán)都要對該表達(dá)式求值，以驗(yàn)證是否滿足循環(huán)條件。如循環(huán)條件滿足，則繼續(xù)循環(huán)；否則退出循環(huán)。迭代部分：每執(zhí)行一次循環(huán)一般都要對循環(huán)條件做修改，這樣循環(huán)才有可能結(jié)束。迭代部分負(fù)責(zé)修改循環(huán)條件的工作。它是在當(dāng)前循環(huán)結(jié)束、下一次循環(huán)開始前執(zhí)行的語句，一般包含在循環(huán)體內(nèi)。一、while語句while語句常用于事先不知道循環(huán)次數(shù)的循環(huán)，基本語法如下。while<條件表達(dá)式>:

<語句組>二、for語句for語句常用于已知循環(huán)次數(shù)的循環(huán)，基本語法如下。for<迭代變量>in<序列>：

<語句組>for語句在執(zhí)行時(shí)，先從序列中選擇一個(gè)元素（按順序），然后執(zhí)行后面語句組（循環(huán)體），完成一次循環(huán)后，再從序列中選擇下一個(gè)元素，重復(fù)執(zhí)行循環(huán)體，直到序列里的元素被全部遍歷，循環(huán)結(jié)束。三、跳轉(zhuǎn)語句循環(huán)執(zhí)行過程中如果需要提前結(jié)束循環(huán)，可以使用跳轉(zhuǎn)語句。跳轉(zhuǎn)語句主要有break和continue兩種，它們可以改變循環(huán)的流程。當(dāng)break語句在循環(huán)結(jié)構(gòu)中執(zhí)行時(shí)，它會忽略后面的代碼塊，立即跳出其所在的循環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行該循環(huán)結(jié)構(gòu)后面的語句。與break語句不同，當(dāng)continue語句在循環(huán)結(jié)構(gòu)中執(zhí)行時(shí)，并不會退出循環(huán)結(jié)構(gòu)，而是立即結(jié)束本次循環(huán)，重新開始下一輪循環(huán)。也就是說，continue語句會跳過循環(huán)體中在continue語句之后的所有語句，繼續(xù)下一輪循環(huán)。任務(wù)分析任務(wù)描述馮強(qiáng)是某技師學(xué)院數(shù)控加工專業(yè)的一名學(xué)生，目前正在某企業(yè)參加頂崗實(shí)訓(xùn)。師傅告訴馮強(qiáng)，企業(yè)正在大力推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，新型的數(shù)控機(jī)床由計(jì)算機(jī)軟件控制，加工精度可達(dá)幾個(gè)微米，遠(yuǎn)勝普通機(jī)床，并且自動(dòng)化操作可以確保質(zhì)量的一致性，要充分利用數(shù)控機(jī)床的能力，掌握編程是必須的。任務(wù)描述師傅給馮強(qiáng)安排了一個(gè)編程任務(wù)：加工一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的實(shí)心金屬球，安排5位同學(xué)分別獨(dú)立加工。已知球的標(biāo)準(zhǔn)直徑和5位同學(xué)加工件的度量直徑（加工件有一定的精度誤差），要求按照給定標(biāo)準(zhǔn)，判斷各位同學(xué)的加工件是否合格，并輸出合格的件數(shù)。判斷標(biāo)準(zhǔn)是金屬球質(zhì)量的允許誤差范圍（從外界輸入），金屬球的密度已知。任務(wù)描述假設(shè)球的標(biāo)準(zhǔn)直徑為20cm，密度為7.85g/cm3，5位同學(xué)加工件的直徑數(shù)據(jù)放在列表L中（單位為cm）。允許質(zhì)量的誤差范圍從鍵盤輸入（浮點(diǎn)數(shù)，單位為克）。L=[20.00093,20.00076,19.99958,19.99858,19.99807]任務(wù)描述要求編寫函數(shù)，根據(jù)輸入的誤差范圍判斷給定加工件是否合格，合格返回True，不合格則返回False。主程序接收輸入的質(zhì)量誤差范圍，調(diào)用函數(shù)判斷各個(gè)加工件是否合格，并輸出合格的加工件件數(shù)。編寫好的程序如下。任務(wù)描述importmath#函數(shù)defqualified(d,e):

#d

為某位同學(xué)加工件的直徑數(shù)據(jù)

#e為允許的質(zhì)量誤差范圍

m=7.85#金屬密度

q=20#標(biāo)準(zhǔn)直徑

V=4/3*math.pi*pow(q/2,3)#標(biāo)準(zhǔn)體積任務(wù)描述V1=4/3*math.pi*pow(d/2,3)#實(shí)際體積

g=abs(V-V1)*m#質(zhì)量誤差

ifg<=e:

returnTrue

else:

returnFalse任務(wù)描述#主程序L=[20.00093,20.00076,19.99958,19.99858,19.99807]e=float(input("請輸入質(zhì)量的誤差范圍(克):\n"))print('合格產(chǎn)品的件數(shù)為:')count=0foriinL:

ifqualified(i,e):count+=1print(count)知識儲備一、函數(shù)的概念函數(shù)的英文“function”直譯是“功能”的意思。實(shí)際上，每個(gè)函數(shù)正是用來實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的功能。給函數(shù)取名時(shí)應(yīng)盡量使名字反映其代表的功能。將程序中常用或需要多次實(shí)現(xiàn)的功能編寫為函數(shù)，就可以在需要時(shí)調(diào)用。如在計(jì)算中經(jīng)常要用到開平方，如果將開平方寫成一個(gè)函數(shù)，一旦用到開平方，即可調(diào)用函數(shù)，不必重復(fù)編寫基礎(chǔ)代碼，減少了重復(fù)勞動(dòng)，也使程序更加精煉。Python的程序代碼一般從主程序的第一條語句開始執(zhí)行。在主程序中可以調(diào)用函數(shù)，一個(gè)函數(shù)又可以調(diào)用另一個(gè)函數(shù)。同一個(gè)函數(shù)可以被一個(gè)或多個(gè)函數(shù)調(diào)用任意次。二、自定義函數(shù)前面已學(xué)過Python的一些函數(shù)，如print(?)、int(?)、input(?)等，這些函數(shù)是Python自帶的，可以直接使用，稱為內(nèi)置函數(shù)。還有一類函數(shù)包含在Python的模塊中，要先導(dǎo)入相應(yīng)的模塊，之后才能使用。用戶也可以定義自己的函數(shù)，Python自定義函數(shù)的基本語法如下。def<函數(shù)名>(參數(shù)列表):

<函數(shù)體>

return[返回值]return語句用來返回函數(shù)的值。三、自定義函數(shù)的調(diào)用自定義函數(shù)的調(diào)用類似內(nèi)置函數(shù)的調(diào)用，都是通過“函數(shù)名（參數(shù)列表）”形式調(diào)用。如果函數(shù)定義時(shí)有形參，必須在調(diào)用時(shí)提供實(shí)際參數(shù)（實(shí)參）。實(shí)參的個(gè)數(shù)、類型、位置一般要與形參一一對應(yīng)。如果函數(shù)定義時(shí)沒有參數(shù)，調(diào)用時(shí)也必須使用空括號。四、模塊的導(dǎo)入和使用Python中的模塊分為內(nèi)置模塊和非內(nèi)置模塊。內(nèi)置模塊是系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)入的。程序中可以直接使用內(nèi)置模塊里的函數(shù)，這些函數(shù)稱為內(nèi)置函數(shù)，如print(?)、input(?)、int(?)等都是內(nèi)置函數(shù)。非內(nèi)置模塊通常以文件的形式