计算机相关专业“Python程序设计”教学大纲（参考）

课程名称：Python程序设计

课程性质：限制性选修 

考核方式：考查

建议学时：48+32

前导课程：数据结构、数据库原理、计算机网络、计算机图形学、操作系统、软件工程等

适用专业：计算机科学与技术、软件工程、网络工程、通信工程、数字媒体技术大数据应用技术及其他工科专业

一、教学目的和要求

通过本课程的学习，使得学生能够理解Python的编程模式，尤其是函数式编程模式，熟练运用Python内置函数与运算符、列表、元组、字典、集合等基本数据类型以及相关列表推导式、切片等语法来解决实际问题，熟练掌握Python分支结构、循环结构、函数设计以及类的设计与使用，熟练使用正则表达式处理字符串，同时使得学生掌握不同领域的Python扩展模块并能够解决文件操作、大数据处理、图形图像处理、音乐编程与语音识别、多线程编程、数据库编程、网络编程、逆向工程与软件分析、科学计算可视化、密码学、安卓等领域中的实际问题,同时还应培养学生的代码优化与安全编程意识。    

二、教学中应注意的问题

Python编程模式中非常重要的一条是代码简单化、问题简单化，同时应保证代码具有较强的可读性。在教学过程中，一定不要在Python程序中带有其他编程语言的痕迹，要尽量从最简单的角度去思考和解决问题、实现自己的想法和思路，保证代码的优雅、简洁，让代码更加Pythonic。

使用Python编程解决问题应充分借鉴和使用成熟的标准库和扩展库，尽量避免自主编写完整的业务逻辑，部分具体操作完全可以使用扩展库来实现，大幅度提高开发效率。例如，如果需要进行排序则直接使用内置函数或方法进行排序，切不可再使用选择法排序、冒泡法排序或堆排序等排序算法来编写代码实现；如果要测试一段代码的运行事件，应使用标准库time中的有关函数；要测试一个年份是否为闰年，应使用calendar标准库中的函数；要进行图像处理，应使用扩展库pillow；要进行计算机图形学编程，应使用扩展库pyopengl；要进行数据分析，应使用pandas扩展库；要进行数据可视化与科学计算可视化，应使用matplotlib扩展库；要进行编写爬虫程序，应使用requests、BeautifulSoup、scrapy扩展库；等等。

三、教学内容

建议第一篇的前8章都讲，第二篇中的部分章节可以根据培养方向和目标进行选讲。

第一篇 Python基础

第1章  基础知识

1.1  Python语言版本之争

教学重点：如何选择正确的Python版本。

1.2  Python安装与简单使用

教学重点：Windows平台的Python安装。

1.3  使用pip管理扩展库

教学重点：使用pip安装和管理Python扩展库。

1.4  Python基础知识

教学重点：Python对象模型，Python变量，Python自动内存管理功能，数字、字符串基本知识，Python运算符与表达式，常用Python内置函数，基本输入输出，Python模块的导入与使用。

1.5  Python代码编写规范

教学重点：缩进和空格、空行在Python程序中的作用和重要性，注释的形式和注释的作用，测试驱动的程序设计方式。

1.6  Python文件名

教学重点：.py、.pyc等文件名的作用，Python伪编译，Python 3.5之后不再使用.pyo文件。

1.7  Python程序的运行方式

教学重点：根据__name__属性来确定Python程序的运行方式。

1.8  编写自己的包

教学重点：Python程序的组织方式。

1.9  Python快速入门

教学重点：Python程序设计入门，了解运算符和表达式以及模块中方法的用法。

1.10  The Zen of Python

第2章  Python数据结构

2.1  列表

教学重点：列表对象的创建与删除，列表元素的增加与删除，列表元素访问与计数，有序序列的双向索引，成员资格判断运算符in，切片操作，列表排序，列表推导式。

2.2  元组

教学重点：元组对象的创建与删除，元组与列表的区别，序列解包，生成器推导式。

2.3  字典

教学重点：字典对象的创建与删除，字典元素的读取，字典元素的添加与修改，有序字典对象的使用，使用字典来计数。

2.4  集合

教学重点：集合对象的创建与删除，集合的并、交、差以及对称差等运算，使用集合来提取序列中的唯一元素。

2.5  其他数据结构（选讲）

教学重点：栈、队列、堆、链表、二叉树、图等数据结构的实现。

第3章  选择与循环

3.1  运算符与条件表达式

教学重点：Python运算符，条件表达式。

3.2  选择结构

教学重点：单分支选择结构、双分支选择结构、多分支选择结构、选择结构的嵌套。

3.3  循环结构

教学重点：for循环、while循环，range对象在循环中的使用，成员测试符in在循环语句中的使用，带有else子句的循环结构，循环代码的优化。

3.4  break和continue语句

教学重点：break和continue语句的作用。

3.5  综合运用

第4章  字符串与正则表达式

4.1  字符串

教学重点：字符串编码，字符串格式化，find()、index()、split()、join()、replace()、translate()、strip()、startswith()、endswith()、center()、ljust()、rjust()等字符串常用方法，字符串常量，可变字符串。

4.2  正则表达式

教学重点：正则表达式元字符，re模块常用方法，正则表达式对象，正则表达式子模式扩展语法。

第5章  函数设计与使用

5.1  函数定义

教学重点：Python函数的定义形式。

5.2  形参与实参

教学重点：形参与实参的概念。

5.3  参数类型

教学重点：默认值参数，关键参数，可变长度参数，参数传递时的序列解包。

5.4  return语句

教学重点：如果函数中没有（或没有执行）return语句或者执行了没有返回值的return语句，则将被认为返回空值None。

5.5  变量作用域

教学重点：局部作用域，全局作用域，nonlocal变量。

5.6  lambda表达式

教学重点：使用lambda表达式声明匿名函数和命名函数，在lambda表达式中调用函数，把lambda表达式作为函数参数。

5.7  高级话题

教学重点：map()、reduce()、filter()、yield语句，dis模块。

第6章  面向对象程序设计

6.1  类的定义与使用

教学重点：Python类的定义，self与cls参数，类成员与实例成员，私有成员与公有成员。

6.2  类的方法

教学重点：类方法，实例方法，静态方法，修饰器。

6.3  类的属性

教学重点：属性的定义与使用，使用属性和公开数据成员的区别。

6.4  类的特殊方法

教学重点：Python类特殊方法与运算符的对应关系。

6.5  继承机制

教学重点：Python支持多继承，如果多个父类中有相同名字的成员，Python解释器将按照从左向右的顺序在所有父类中进行搜索，并且使用第一个遇到的成员。

第7章  文件操作

7.1  文件基本操作

教学重点：文本文件与二进制文件的区别，open()方法以及flush()、close()、read()、write()等文件对象常用方法。

7.2  文本文件基本操作

教学重点：read()、write()、seek()等文件对象常用方法的运用。

7.3  二进制文件操作

教学重点：二进制文件读写方式，序列化模块pickle与struct。

7.4  文件操作

教学重点：os与os.path与shutil模块中方法的运用，判断文件是否存在，文件路径分割与连接，文件重命名，文件复制。

7.5  目录操作

教学重点：os模块常用方法，当前目录的查看与修改，文件夹的创建与删除，文件夹遍历的几种方式。

7.6  高级话题

教学重点：CRC32与MD5计算，文件相似度计算，文件类型检测，Excel文件操作，Word文件操作。

第8章  异常处理结构与程序调试

8.1  基本概念

教学重点：异常的概念与表现形式。

8.2  Python异常类与自定义异常

教学重点：Python内建异常类，自定义异常类。

8.3  Python中的异常处理结构

教学重点：常见异常处理结构，异常处理代码中可能再次引发异常。

8.4  断言与上下文管理

教学重点：assert与with语句。

8.5  用sys模块回溯最后的异常

8.6  使用IDLE调试代码

教学重点：IDLE调试界面操作。

8.7  使用pdb模块调试程序（选讲）

教学重点：pdb常用命令，使用交互模式、命令行模式、程序中嵌入断点等几种方式使用pdb调试功能。

第二篇  Python高级编程与应用

第9章  GUI编程（选讲）

9.1  wxPython

教学重点：wxPython基础知识，Frame的概念与作用，控件与事件处理函数的编写与绑定。按钮、静态文本框、文本框、菜单、工具条、状态条、对话框、单选钮、复选框、组合框、列表框、树形控件的用法。

9.2  tkinter精彩编程

教学重点：tkinter组件用法，tkinter案例。

第10章  网络程序设计

10.1  计算机网络基础知识

教学重点：OSI参考模型，TCP/IP协议族，网络协议三要素，IP地址与MAC地址。可根据需要进行适当扩充。

10.2  UDP和TCP编程

教学重点：UDP协议与TCP协议的区别与实现，socket模块的应用。

10.3  简单嗅探器实现

教学重点：嗅探器工作原理，网卡混杂模式。

10.4  网页内容读取

教学重点：urllib模块的应用，读取网页内容。

10.5  使用Python开发网站

教学重点：IIS配置，ASP文件嵌入Python代码。

10.6  使用web2py框架开发网站

第11章  大数据处理（选讲）

11.1  大数据框架

教学重点：MapReduce、Hadoop、Spark等大数据处理平台或框架基础知识，可根据需要进行适当扩充。

11.2  Map/Reduce编程案例

教学重点：Map、Reduce思路。

第12章  Windows系统编程（选讲）

12.1  注册表编程

教学重点：Windows注册表基本概念与相关知识，win32api、win32con模块方法的应用。

12.2  创建exe可执行文件

教学重点：py2exe、distutils模块的应用，控制台应用程序与GUI应用程序打包方式的不同。

12.3  调用外部程序

教学重点：os模块的system()、popen()、startfile()方法，win32api模块的ShellExecute()方法，win32process模块，使用ctypes模块调用动态链接库或共享库中的函数。

12.4  创建窗口

教学重点：win32gui、win32api、win32con等模块的应用，使用不同方式创建应用程序窗口。

12.5  判断操作系统版本

第13章  多线程编程

13.1  threading模块

教学重点：多线程概念，threading模块基本用法。

教学难点：线程数量不是越多越好。

13.2  Thread对象

教学重点：Thread对象，创建线程的方法，join()方法，daemon属性。

13.3  线程同步技术

教学重点：线程同步技术，Lock/RLock对象，Condition对象，Queue对象，Event对象。

第14章  数据库编程

14.1  SQLite应用

教学重点：SQLite数据库概念，如何在Python中使用SQLite数据库，Connection对象，Cursor对象，Row对象。

14.2  访问其他类型数据库

教学重点：使用pywin32操作ACCESS数据库和MSSQLServer数据库，使用pymssql操作MSSQLServer数据库，使用MySQLDb操作MySQL数据库，SQL语句的编写。

第15章  多媒体编程

15.1  图形编程

教学重点：PyOpenGL模块的使用，图形编程框架的搭建，绘制文字，绘制基本图形，纹理映射，键盘与鼠标事件的接收和处理。

15.2  图像编程

教学重点：PIL模块与pillow模块，图像文件的打开、保存与显示，图像信息查看，图像点运算，图像格式转换，图像缩放、旋转、增强、裁剪与粘贴，图像滤波、边缘提取、对比度调整。

15.3  音乐编程（选讲）

教学重点：pygame模块，音乐播放器的设计与实现。

15.4  语音识别（选讲）

教学重点：speech模块，语音识别。

第16章  逆向工程与软件分析（选讲）

16.1  主流项目与插件简介

教学重点：逆向工程与软件分析的重要性，主流软件和插件介绍。

16.2  IDAPython与Immunity Debugger编程

教学重点：IDAPython插件的安装与使用，PE文件的概念及其在Windows平台的地位，使用IDAPython简单分析PE文件；Immunity Debugger调试器的使用与简单操作，使用Immunity Debugger寻找PE文件中的循环、打包器或指令。

教学难点：ROP攻击以及ROP Gadgets简单识别。有些内容需要查阅PE文件规范，并要求学生了解汇编语言的基本语法和有关指令。

16.3  Windows平台软件调试原理

教学重点：Windows调试接口，调试事件的概念，进程调试原理，线程环境或上下文的读取与修改，断点概念与类型。

16.4  案例精选

第17章  科学计算与可视化

17.1  numpy简单应用

教学重点：numpy模块的安装与使用，数据与标量数值的计算，数据与数组的算数运算，数组转置，向量内积，数组元素访问，矩阵不同维度上的求和与均值计算以及最大值、最小值的查找，标准差与方差计算，数组切片与布尔运算，加权平均值的计算。

17.2  scipy简单应用

教学重点：scipy模块的安装与使用，常数与特殊函数的使用，使用scipy实现中值滤波。

17.3  matplotlib简单应用

教学重点：matplotlib模块的安装与使用，正弦曲线与散点图的绘制，图形显示模式的设置，三维图形绘制。

第18章  密码学编程

18.1  安全哈希算法

教学重点：MD5算法，标准库hashlib，扩展库pycrypto和pycryptodome。

18.2  对称密钥密码算法DES和AES

教学重点：DES和AES算法原理与应用。

18.3  非对称密钥密码算法

教学重点：RSA、DSA算法原理与应用。

第19章  安卓编程（选讲）

19.1  QPython简介

教学重点：QPython安装与使用

19.2  安卓应用开发案例

教学重点：android、androidhelper、sl4a、kivy模块的应用。

四、教学课时分配

教学课时分配表（参考）

章 节 名 称	课堂学时	实验学时	课外学时
第1章 Python基础	4		2
第2章 Python数据结构	4	2	4
第3章 选择与循环	4	2	2
第4章 字符串与正则表达式	4	2	2
第6章 函数设计与使用	4	2	2
第6章 面向对象程序设计	4	2	2
第7章 文件操作	6	2	4
第8章 异常处理结构与程序调试	2
第9章 GUI编程（选讲）	2	2	4
第10章 网络程序设计	2	2
第11章 大数据处理（选讲）	2	2
第12章 Windows系统编程（选讲）	2	2	4
第13章 多线程编程	4	2	4
第14章 数据库编程	2	2	2
第15章 多媒体编程	4	2	4
第16章 逆向工程与软件分析（选讲）	2	2
第17章 科学计算与可视化（选讲）	4	2	4
第18章  密码学编程	2	2	4
第19章  安卓编程（选讲）	2		4

   

五、教材与参考书目

教材：

1. 董付国.《Python程序设计（第2版）》，清华大学出版社，2016

参考书目：

1. 董付国.《Python程序设计开发宝典》，清华大学出版社，2017

2. 董付国.《Python可以这样学》,清华大学出版社，2017

3. 董付国.《玩转Python轻松过二级》，清华大学出版社，2018

4. 张颖,赖勇浩著.《编写高质量代码——改善Python程序的91个建议》.机械工业出版社,2014

5. 杨佩璐,宋强等编著.《Python宝典》.电子工业出版社,2014

6. 张若愚著.《Python科学计算》.清华大学出版社,2012

7. 李锐,李鹏,曲亚东等译.《机器学习实战》.人民邮电出版社.2013