2025年P(guān)ython面向?qū)ο笤O計專項訓練試卷：案例分析版考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______試卷內(nèi)容第一題閱讀以下場景描述：“一個學校需要管理學生信息和學生選課情況。每個學生有唯一的學號、姓名和年齡。學生可以選修多門課程，每門課程有課程編號、課程名稱和學分。學校需要記錄每門課程有多少學生選修，以及每個學生選修了哪些課程。還需要計算學生的總學分和平均學分績點（GPA），GPA的計算方法假設已給出?！闭埛治龃藞鼍埃卮鹨韵聠栴}：1.根據(jù)上述描述，識別出場景中的核心類，并簡要說明每個類的職責。2.針對每個識別出的類，列出其主要屬性和可能需要實現(xiàn)的方法。3.分析學生類和課程類之間可能存在的關(guān)系（如繼承、組合、聚合等），并說明你的理由。第二題基于第一題的分析，請設計學生類（Student）和課程類（Course）的Python代碼框架。在設計中：*為每個類定義必要的屬性，并使用適當?shù)脑L問控制符（公有、私有）。*為每個類實現(xiàn)至少兩個有意義的方法。例如，對于學生類，可以包含一個方法來添加課程，另一個方法來計算GPA；對于課程類，可以包含一個方法來增加選修該課程的學生數(shù)量。*展示如何使用封裝來隱藏學生的年齡信息，僅允許通過特定方法進行獲取和（如果合理）修改。第三題現(xiàn)在，學校要求增加一個“教師”類（Teacher），用于記錄教師的基本信息（姓名、工號）以及他們教授的課程列表。請在不修改已有Student和Course類代碼的前提下，設計Teacher類。*定義Teacher類的主要屬性。*實現(xiàn)一個方法，允許向教師教授的課程列表中添加一門課程（假設課程對象已存在）。*簡要說明Teacher類與Student類和Course類之間可能的關(guān)系，以及為什么。第四題考慮多態(tài)性。假設學校系統(tǒng)需要處理不同類型的學生，例如普通本科生（Undergraduate）和研究生（Graduate）。研究生在GPA計算上可能有不同的規(guī)則，并且可能有導師（Advisor）這一屬性。請設計一個類層次結(jié)構(gòu)，使用繼承來實現(xiàn)這一功能。*說明Undergraduate和Graduate類如何繼承自Student類。*列出Graduate類相對于Student類新增的屬性和方法。*設計一個計算GPA的方法在Graduate類中，體現(xiàn)其與Undergraduate類在GPA計算上的不同（只需描述方法實現(xiàn)思路或偽代碼，無需完整實現(xiàn)）。*思考一個場景，其中系統(tǒng)需要處理一個包含各種類型學生（Undergraduate,Graduate）的列表，并統(tǒng)一調(diào)用他們的GPA計算方法。如何實現(xiàn)這種統(tǒng)一調(diào)用？請簡要說明。第五題回顧你在第二題和第三題中設計的Student類。該類有一個計算GPA的方法。現(xiàn)在，假設需要增加一個特殊的學生項目（Project），該項目有額外的項目積分，也需要計算一種特殊的綜合評分，這種評分同時考慮了GPA和項目積分。請回答：1.你會如何修改或擴展原有的Student類以適應這個新需求？選擇一種方案（如使用繼承、組合、多態(tài)等），并說明理由。2.如果選擇使用組合，請簡要描述如何設計Project類以及如何將其整合到計算綜合評分的邏輯中。3.如果選擇使用繼承，請描述可能需要創(chuàng)建的新類以及它們之間的關(guān)系。第六題```pythonclassProduct:def__init__(self,id,name,price):self.id=id=nameself.price=priceclassInventory:def__init__(self):ducts=[]#Listtostoreproductobjectsdefadd_product(self,product):ifproductnotinducts:ducts.append(product)print(f"Added{}toinventory.")else:print(f"{}isalreadyininventory.")defremove_product(self,product_id):forpinducts:ifp.id==product_id:ducts.remove(p)print(f"Removed{}frominventory.")returnprint(f"ProductwithID{product_id}notfound.")defget_product_info(self,product_id):forpinducts:ifp.id==product_id:returnf"ID:{p.id},Name:{},Price:{p.price}"return"Productnotfound."```請分析這段代碼：1.Inventory類的設計是否符合面向?qū)ο笤O計原則？請至少指出一個優(yōu)點和一個可以改進的地方。2.get_product_info方法在當前實現(xiàn)中存在什么效率問題？如何改進？3.如果要增加一個新的產(chǎn)品類型（例如，包含庫存數(shù)量的電子產(chǎn)品），你是否會修改Product類？請說明理由，并提出你的設計思路。第七題假設你需要設計一個系統(tǒng)來處理不同形狀的圖形（如圓形、矩形、三角形），并計算它們的面積。請設計一個Python類層次結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這一功能，并體現(xiàn)多態(tài)性。*設計一個抽象基類（例如`Shape`），它應該包含一個抽象方法（例如`area()`）。*設計至少兩個繼承自`Shape`的子類（例如`Circle`和`Rectangle`），實現(xiàn)各自的`area()`方法。*描述一個場景，系統(tǒng)需要收集一個包含不同形狀對象的列表，并遍歷這個列表，計算并打印出每個形狀的面積。如何實現(xiàn)這種統(tǒng)一處理？請給出關(guān)鍵代碼片段或思路。試卷答案第一題1.核心類：*`Student`：職責是管理學生的個人信息（學號、姓名、年齡）以及學生的選課記錄和行為（如選修課程）。*`Course`：職責是管理課程信息（課程編號、名稱、學分）以及記錄選修該課程的學生。*（可能還需要一個`Enrollment`或`Selection`類來專門表示學生和課程之間的選課關(guān)系，職責是關(guān)聯(lián)特定學生和特定課程，記錄選課時間等信息，但根據(jù)描述，Student和Course之間的直接關(guān)聯(lián)已足夠表達核心需求）2.屬性和方法：*`Student`:*屬性：`student_id`(公有),`_age`(私有或受保護),`_name`(公有),`enrolled_courses`(列表，存儲Course對象)*方法：`__init__`,`add_course(course)`,`calculate_gpa()`,`get_age()`,`set_age(new_age)`*`Course`:*屬性：`course_id`(公有),`course_name`(公有),`credits`(公有),`enrolled_students`(列表，存儲Student對象)*方法：`__init__`,`add_student(student)`,`get_course_details()`3.關(guān)系分析：*`Student`和`Course`之間主要是多對多(Many-to-Many)關(guān)系。一個學生可以選修多門課程，一門課程可以被多個學生選修。*實現(xiàn)方式通常有兩種：*在`Student`類中包含一個`enrolled_courses`列表，存儲`Course`對象引用。*在`Course`類中包含一個`enrolled_students`列表，存儲`Student`對象引用。*選擇其中一種方式實現(xiàn)即可。這種關(guān)系不是繼承，也不是組合/聚合，因為它不表示“包含”或“從屬”的關(guān)系，而是“參與”或“選修”的關(guān)聯(lián)關(guān)系。第二題```pythonclassStudent:def__init__(self,student_id,name):self.student_id=student_idself._name=nameself._age=None#私有屬性，表示年齡self.enrolled_courses=[]#存儲Course對象的列表defadd_course(self,course):"""添加一門課程到學生的選課列表中，避免重復添加。"""ifcoursenotinself.enrolled_courses:self.enrolled_courses.append(course)course.add_student(self)#更新課程的學生列表defcalculate_gpa(self):"""計算學生的平均學分績點(GPA)。假設邏輯已給出。"""#示例偽代碼，具體計算方法省略#total_points=0#total_credits=0#forcourseinself.enrolled_courses:#grade=course.get_grade_for_student(self)#假設方法#points=grade_to_points(grade)#假設函數(shù)#total_points+=points*course.credits#total_credits+=course.credits#iftotal_credits>0:#returntotal_points/total_credits#return0.0defget_age(self):"""返回學生的年齡。"""returnself._agedefset_age(self,new_age):"""設置學生的年齡，可以加入簡單的驗證。"""ifnew_age>0:self._age=new_ageelse:print("Invalidage.")classCourse:def__init__(self,course_id,name,credits):self.course_id=course_idself.course_name=nameself.credits=creditsself.enrolled_students=[]#存儲Student對象的列表defadd_student(self,student):"""向課程的學生列表中添加一個學生，避免重復添加。"""ifstudentnotinself.enrolled_students:self.enrolled_students.append(student)defget_course_details(self):"""返回課程的基本信息。"""returnf"ID:{self.course_id},Name:{self.course_name},Credits:{self.credits}"```*解析思路：*1.類定義與屬性：根據(jù)第一題分析，定義`Student`和`Course`類，設置基本屬性。學生ID、姓名通常為公有。年齡需要封裝，設為私有屬性`_age`，提供`get_age`和`set_age`方法進行訪問和修改，`set_age`可加入簡單驗證。學生選課記錄用列表`enrolled_courses`（存儲Course對象）或`Course`類的列表`enrolled_students`表示。2.方法實現(xiàn)：*`Student.add_course`:添加課程時，不僅要添加到自己的列表，還要更新課程的`enrolled_students`列表（如果使用課程列表），同時要防止重復添加同一門課。*`Student.calculate_gpa`:實現(xiàn)GPA計算邏輯（具體算法省略）。*`Student.get_age`/`set_age`:實現(xiàn)對私有年齡屬性的封裝控制。*`Course.add_student`:添加學生時，同樣要防止重復添加，并更新學生的`enrolled_courses`列表（如果使用學生列表）。*`Course.get_course_details`:返回課程的基本信息字符串。3.封裝應用：通過將`age`屬性設為私有（`_age`），并通過公有方法`get_age`和`set_age`訪問和修改，體現(xiàn)了封裝原則，隱藏了內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，并提供了對年齡設置的簡單控制。第三題```pythonclassTeacher:def__init__(self,name,employee_id):=nameself.employee_id=employee_idself.teaches_courses=[]#存儲Course對象的列表defadd_taught_course(self,course):"""將課程添加到教師教授的課程列表中，假設課程對象已存在。"""ifcoursenotinself.teaches_courses:self.teaches_courses.append(course)```*解析思路：*1.類定義與屬性：設計`Teacher`類，包含`name`（姓名）、`employee_id`（工號）屬性。教師教授的課程列表用`teaches_courses`（存儲`Course`對象）表示。2.方法實現(xiàn)：實現(xiàn)`add_taught_course`方法，用于向教師的課程列表中添加一個已存在的`Course`對象，同樣需要檢查避免重復添加。3.關(guān)系分析：*`Teacher`與`Student`：沒有直接關(guān)聯(lián)，一個教師可以教授很多學生，一個學生可以由很多教師教授，是多對多關(guān)系，通過`Course`類作為中介。*`Teacher`與`Course`：一個教師可以教授多門課程，一門課程可以由多位教師教授（雖然此設計只考慮了單向關(guān)聯(lián)），是多對多關(guān)系。在此設計中，通過在`Teacher`類中持有`Course`對象的列表來表示“教授”關(guān)系。如果需要表示“某門課由誰教授”，則應在`Course`類中持有`Teacher`對象的列表。第四題1.類層次結(jié)構(gòu)與繼承：```pythonfromabcimportABC,abstractmethodclassStudent(ABC):#或者直接繼承object，明確指出是多態(tài)基類def__init__(self,student_id,name):self.student_id=student_id=name#...可能還有其他通用屬性...@abstractmethoddefcalculate_gpa(self):pass#抽象方法，子類必須實現(xiàn)classUndergraduate(Student):def__init__(self,student_id,name):super().__init__(student_id,name)#Undergraduate可能特有的屬性self.advisor_id=None#重寫或添加Student中的非抽象方法（如果需要）#...defcalculate_gpa(self):"""實現(xiàn)本科生GPA計算邏輯。"""#...具體實現(xiàn)...passclassGraduate(Student):def__init__(self,student_id,name,advisor):super().__init__(student_id,name)self.advisor=advisor#假設Advisor是一個對象或其IDdefcalculate_gpa(self):"""實現(xiàn)研究生GPA計算邏輯，可能與本科生不同。"""#...具體實現(xiàn)...pass```2.Graduate類屬性與方法：*新增屬性：`advisor`（導師，可以是一個`Advisor`類的對象，或?qū)煹腵Teacher`類的對象引用，或僅僅是導師的`name`和`employee_id`）。*方法：必須實現(xiàn)繼承自`Student`的抽象方法`calculate_gpa()`，根據(jù)研究生的特定規(guī)則進行GPA計算。3.統(tǒng)一調(diào)用場景實現(xiàn)：*創(chuàng)建一個包含各種類型學生對象的列表。*遍歷列表，對每個學生對象調(diào)用其`calculate_gpa`方法。*利用Python的多態(tài)特性，即使列表中存儲的是`Student`的引用，實際調(diào)用的是對象的實際類型（`Undergraduate`或`Graduate`）對應的`calculate_gpa`方法。*代碼示例：```pythonstudents=[Undergraduate(...),Graduate(...)]total_gpa=0forstudentinstudents:gpa=student.calculate_gpa()#多態(tài)調(diào)用，調(diào)用正確的calculate_gpaprint(f"{}:{gpa}")total_gpa+=gpa```**解析思路：*使用`Student`作為基類，讓`Undergraduate`和`Graduate`繼承它，并實現(xiàn)抽象的`calculate_gpa`方法。這樣，不同類型的學生對象都具備了`calculate_gpa`能力。通過創(chuàng)建一個基類類型的列表（`Student`列表），可以容納不同子類的實例。遍歷時，`calculate_gpa`的調(diào)用會根據(jù)對象的實際類型動態(tài)確定執(zhí)行哪個版本的實現(xiàn)，這就是多態(tài)的核心。第五題1.修改/擴展方案選擇與理由：*方案一：使用組合(Composition)。理由：`StudentProject`作為一個獨立的概念，是學生系統(tǒng)的一部分，但它不是所有學生都必須有的。使用組合可以表示“一個學生可以有一個或多個項目”，結(jié)構(gòu)更靈活。不需要修改`Student`類本身，只需引入`Project`類。*方案二：使用繼承(Inheritance)。理由：如果所有學生都可能參與項目，并且項目與學生的某些屬性或行為緊密相關(guān)（雖然題目沒有明說），可以考慮繼承?？梢詣?chuàng)建`StudentWithProjects`類繼承自`Student`。但缺點是增加了類的層級，如果大部分學生沒有項目，則可能造成冗余。對于“特殊項目”這種可能不是普遍屬性的情況，組合通常更合適。*選擇組合作為答案的思路：題目描述“特殊的學生項目”，暗示并非所有學生都有，且項目本身是獨立的實體。組合更能表達這種“擁有關(guān)系”而非“分類關(guān)系”。2.組合方案設計（Project類與整合）：*`Project`類：*屬性：`project_id`,`project_name`,`project_points`*方法：`__init__`,`get_project_details()`*整合到計算邏輯中：*修改`Student`類，增加一個`projects`屬性（`list`，存儲`Project`對象）。*增加添加項目的方法：`add_project(project)`。*修改綜合評分計算方法（假設為`calculate_composite_score`），在計算時，除了調(diào)用`calculate_gpa()`，還需要遍歷`projects`列表，累加`project_points`。*示例偽代碼：```python#在Student類中jects=[]defadd_project(project):jects.append(project)defcalculate_composite_score():gpa_component=self.calculate_gpa()*weight_gpa#假設權(quán)重points_component=sum(ject_pointsforprojectinjects)*weight_points#累加項目積分returngpa_component+points_component```3.繼承方案描述（備選）：*新增`StudentProject`類繼承自`Student`。*`StudentProject`新增屬性：`project_id`,`project_points`。*`StudentProject`新增方法：可能重寫`calculate_gpa`（如果GPA計算方式因項目而異），或者添加計算綜合評分的方法。*關(guān)系：系統(tǒng)中的學生對象可能是`Student`類型，也可能是`StudentProject`類型。需要調(diào)整管理學生的代碼以處理這種多態(tài)。第六題1.設計符合原則與改進點：*優(yōu)點：*封裝：`Product`類的屬性（`id`,`name`,`price`）被封裝在類內(nèi)部，通過`__init__`初始化。`Inventory`類通過方法（`add_product`,`remove_product`,`get_product_info`）來操作產(chǎn)品列表，隱藏了內(nèi)部實現(xiàn)（`ducts`）。*數(shù)據(jù)抽象：`Product`類封裝了產(chǎn)品的數(shù)據(jù)。*可以改進的地方：*職責不清/過載：`Inventory`類承擔了“管理庫存”和“產(chǎn)品表示”兩個不同的職責（它既是管理器，也定義了產(chǎn)品是什么）。這違反了單一職責原則（SingleResponsibilityPrinciple）。`Inventory`應該只負責管理產(chǎn)品列表和提供庫存管理操作。產(chǎn)品的表示（屬性、方法）應由`Product`類負責。*`remove_product`效率：當前實現(xiàn)中，`remove_product`通過遍歷`ducts`列表來查找并刪除產(chǎn)品，時間復雜度為O(n)。如果產(chǎn)品列表很大且經(jīng)常刪除，效率較低。可以考慮使用更高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如集合`set`或字典`dict`，以`product_id`為鍵）來存儲產(chǎn)品，以便實現(xiàn)O(1)或O(logn)的查找和刪除。*錯誤處理：`remove_product`在未找到產(chǎn)品時只打印了一條消息，沒有拋出異?；蚍祷劐e誤狀態(tài)，這在實際應用中可能不夠健壯。*`get_product_info`效率：同樣存在遍歷整個列表查找產(chǎn)品的問題，效率不高。*代碼復用：`add_product`和`remove_product`中都有檢查產(chǎn)品是否存在的邏輯，可以考慮將其抽取成私有輔助方法。2.`get_product_info`效率問題與改進：*問題：使用`for`循環(huán)遍歷`ducts`列表來查找具有特定`product_id`的產(chǎn)品。如果列表很長，每次查找的時間都會增加。*改進：*使用字典：在`Inventory`類中使用一個字典來存儲產(chǎn)品，以`product_id`為鍵，`Product`對象為值。這樣查找產(chǎn)品的時間復雜度可以從O(n)降低到O(1)。```pythonclassInventory:def__init__(self):ducts={}#使用字典{product_id:Product_object}defadd_product(self,product):ifproduct.idnotinducts:ducts[product.id]=productprint(f"Added{}toinventory.")else:print(f"{}isalreadyininventory.")defremove_product(self,product_id):ifproduct_idinducts:product=ducts.pop(product_id)print(f"Removed{}frominventory.")else:print(f"ProductwithID{product_id}notfound.")defget_product_info(self,product_id):product=ducts.get(product_id)ifproduct:returnf"ID:{product.id},Name:{},Price:{product.price}"return"Productnotfound."```3.Product類修改與設計思路：*是否修改：不需要修改`Product`類。`Product`類的設計是合理的，它負責表示產(chǎn)品本身的數(shù)據(jù)和基本行為。問題在于`Inventory`類的設計。*設計思路：應將“管理庫存”的職責從`Inventory`類中分離出來。可以創(chuàng)建一個新的`InventoryManager`類，它包含一個字典來管理產(chǎn)品（`products={}`），并提供`add_product`,`remove_product`,`get_product_info`等方法。`Product`類保持不變，專注于表示產(chǎn)品。這樣，職責更加清晰，違反了原則的設計得到了修正。第七題1.類層次結(jié)構(gòu)與抽象基類設計：```pythonfromabcim