將Python作為入門程序設(shè)計語言的教學(xué)探究

白魚秀

(榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院， 榆林 719000)

0 引言

習(xí)近平在中共中央政治局第二次會議學(xué)習(xí)中強調(diào)，我們應(yīng)該深入了解大數(shù)據(jù)發(fā)展，推動實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，加快建設(shè)數(shù)字中國。國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，鼓勵加快推動人工智能發(fā)展[1]。全國計算機等級考試(NCRE)加入“Python語言程序設(shè)計”科目。Python應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，市場需求不斷上漲，大型門戶網(wǎng)站積累了海量信息，提取有價值的信息，應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、海量數(shù)據(jù)分析。就業(yè)前景可觀[2]，機器學(xué)習(xí)、AI工程師，搜索引擎工程師、數(shù)據(jù)挖掘/分析工程師人才緊缺。

大學(xué)教學(xué)如何與時俱進，不被時代所淘汰，是每一個高校教師值得思考的問題。程序設(shè)計語言作為計算機專業(yè)必修課程和基本技能，注重培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力[3]，用計算機解決問題的能力。

目前，普通高校都是以傳統(tǒng)的C/C++或者Java作為學(xué)生編程入門語言。雖然，C/C++和Java語言一直占據(jù)計算機編程語言數(shù)一數(shù)二的位置，但是，C/C++或者Java語言兼顧性能采用較為復(fù)雜的語法規(guī)則[4]，不容易快速掌握。并且，在當(dāng)前人工智能、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)+時代，它們不在是最佳選擇，所以其教學(xué)改革勢在必行。

Python作為一種可解釋性語言，易學(xué)、易讀、易維護，相比較其他不少主流編程語言，Python容易上手[5]，具有更好的可讀性，非常適合編程初學(xué)者作為入門語言。作為一種免費開源語言，擁有豐富強大的第三方類庫[6]，可以高效的開發(fā)各種應(yīng)用；其擴展性、嵌入性和跨平臺性也是其它語言所不能相比擬的；并且擁有龐大的開發(fā)者社區(qū)和論壇，學(xué)習(xí)和討論知識更容易，便捷。

1 Python語言的優(yōu)勢

1.1 形勢分析

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)等興起，Python已成為2017年最受歡迎的人工智能編程語言。人工智能+Python已應(yīng)用于很多領(lǐng)域。谷歌無人機、小冰、IBM Waston沃森、蘋果Siri和谷歌AlphaGo(阿爾法狗)等。

TIOBE排行榜能顯示當(dāng)下最熱門、使用最多的編程語言[7]。由圖1中TIOBE排行榜中顯示，JAVA和C++熱門語言不同程度在下滑，唯獨Python不斷增長并上升到第4名的位次。2012年至2017年，Python已成為開發(fā)者使用增長最快的程序設(shè)計語言。

圖1 Python發(fā)展趨勢

1.2 語言分析

Python語言明確、優(yōu)雅、簡單。它的優(yōu)點主要顯現(xiàn)在以下幾個方面：

戰(zhàn)略定位明確：簡單嚴(yán)謹，易用專業(yè)，注重解決問題不是語法本身。作為一名膠水語言，可以很方便的調(diào)用其它語言編寫的功能模塊，結(jié)合形成簡單強大的新程序。

軟件質(zhì)量高：Python簡潔優(yōu)雅，注重程序的可讀性、一致性。建立了面向?qū)ο蟪绦蚓幊趟枷耄瑥亩a的可重用性、可維護性更高。

開發(fā)效率高：Python語法簡單，沒有過多的條條框框的語法規(guī)則，對程序員友好，容易上手。并且自帶的各種模塊和豐富的第三方庫，使得開發(fā)者只需要很少的代碼量就可以實現(xiàn)強大的功能。

可移植性高：Python開發(fā)環(huán)境配置簡單，Linux和mac和環(huán)境都內(nèi)置了python，程序不需要做任何改變，可以在不同平臺上直接運行。

豐富強大的庫：Python資源豐富，提供了強大的標(biāo)準(zhǔn)庫支持，包含了解決各種問題的類庫，可以很容易的完成復(fù)雜的編程問題，高效的開發(fā)各種應(yīng)用。在數(shù)據(jù)抓取、數(shù)據(jù)分析與展示等方面都擁有強大堅實的基礎(chǔ)設(shè)施，建立了良好開放的生態(tài)環(huán)境。

2 Python數(shù)據(jù)處理

大數(shù)據(jù)時代面臨的首要機遇是如何分析和運用獲取到的海量數(shù)據(jù)。Python語言十分善于獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和運用數(shù)據(jù)。所以可以借助Python增強數(shù)據(jù)利用及其處理能力，提高對大數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律的掌握，使得數(shù)據(jù)在各項應(yīng)用中發(fā)揮作用。

2.1 數(shù)據(jù)輸入輸出

計算機程序主要是把用戶輸入按特定需求轉(zhuǎn)換為輸出的過程，輸入輸出是計算機的基本功能。

分別用C語言、Java語言和Python語言實現(xiàn)從鍵盤輸入兩個整數(shù)，實現(xiàn)這兩個數(shù)的求和。實現(xiàn)代碼分別如表1，表2，表3所示。

由上比較可知，C語言極大依賴程序員的自身編程能力，JAVA語言語法冗長，體態(tài)臃腫，Python重視程序的可讀性、簡潔性和一致性，抽象化了許多內(nèi)容，讓開發(fā)者專注于業(yè)務(wù)邏輯而不是關(guān)心語法結(jié)構(gòu)細節(jié)，代碼行數(shù)少，用盡量少的代碼完成了更多的工作，更有利于學(xué)生入門上手，如表4所示。

2.2 數(shù)據(jù)分析

目前，微信是大家互相分享和聊天的一種生活方式。大家會通過朋友圈分享有意思的文章與自己的生活。朋友圈比較有意思的信息是各位好友的個性簽名。我們以所有好友的個性簽名為數(shù)據(jù)源，爬取獲得所有好友的個性簽名信息。

表1 C語言實現(xiàn)兩個數(shù)的求和

表2 Java語言實現(xiàn)兩個數(shù)的求和

表3 Python語言實現(xiàn)兩個數(shù)的求和

表4 C/Java語言與Python語言的比較

首先獲取數(shù)據(jù)，借助Python的itchat庫對所有好友的個性簽名數(shù)據(jù)進行獲取。itchat庫很好的兼容了微信個人賬號的API接口，使我們能便捷地獲取微信的數(shù)據(jù)信息。但是由于獲得到的個性簽名數(shù)據(jù)中存在很多表情符號等非文字信息，所以需要對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理處理，運用正則表達式替換掉無關(guān)表情和符號，最終獲得所有好友的個性簽名純文本內(nèi)容信息，代碼實現(xiàn)如表5所示。

表5 獲取朋友圈個性簽名信息

由上可見，只需要10行代碼即可完成所有好友個性簽名的數(shù)據(jù)獲取與清洗。而C/Java語言完成此操作相對困難，需要調(diào)用底層驅(qū)動程序。同樣，C/Java讀取、分析Excel數(shù)據(jù)特別復(fù)雜，而Python中有很多現(xiàn)成可以利用的數(shù)據(jù)分析庫，如Pandas等，可以很方便的讀取Excel、Csv和Sql等格式數(shù)據(jù)。并且Scikit-Learn機器學(xué)習(xí)庫支持回歸、分類、聚類等強大的數(shù)據(jù)挖掘算法，可以對獲取到的數(shù)據(jù)進行快速的數(shù)據(jù)挖掘分析。

2.3 數(shù)據(jù)可視化

Python提供了豐富的用戶交互界面，可以直觀的了解數(shù)據(jù)分布形態(tài)。提供了很多繪制圖形的標(biāo)準(zhǔn)庫，比如強大的可視化matplotlib庫，支持繪制散點圖、折線圖、條形圖等二維和三維圖形。程序員只需要加載、調(diào)用，即可實現(xiàn)現(xiàn)有庫、函數(shù)功能的調(diào)用，省去自己編寫大量復(fù)雜底層代碼的過程。

我們根據(jù)上一步獲得的個性簽名信息數(shù)據(jù)，繪制微信好友個性簽名詞云圖。詞云圖，又稱為文字云，是對文本中出現(xiàn)頻率較高的“關(guān)鍵詞”的可視化突出展示。首先把獲取到的數(shù)據(jù)拼接成為一個字符串，然后進行jieba分詞，最后調(diào)用wordcloud庫函數(shù)繪制相應(yīng)的詞云圖，最終所生成詞云圖如圖2所示。

圖2 朋友圈詞云圖

如表6所示。

此外，我們可以根據(jù)自己的興趣，獲得朋友圈其它信息，例如性別、地區(qū)等信息，分析微信好友男女比例和地區(qū)分布等并進行圖形展示。

表6 朋友圈個性簽名詞云圖

3 總結(jié)

Python有效的結(jié)合了高性能與編寫程序簡單有趣的特色。在數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化方面，用較少的代碼快速完成某些復(fù)雜的實際應(yīng)用，可以大大的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、熱情，從而對編寫程序產(chǎn)生樂趣，為經(jīng)后學(xué)習(xí)其它程序設(shè)計語言奠定基礎(chǔ)。