概述
計(jì)算機(jī)科學(xué)面向需要求解問題的科技工作者，算法則有助于找到這些問題的解決方案。想要成為一名計(jì)算機(jī)科學(xué)家，首先意味著我們必須致力于解決問題，能夠從零開始或者通過應(yīng)用以往的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹順?gòu)造算法。
精通計(jì)算機(jī)科學(xué)的途徑是通過深思熟慮以及循序漸進(jìn)的方式感受和體驗(yàn)這門學(xué)科的基本思想。計(jì)算機(jī)科學(xué)的初學(xué)者在繼續(xù)深入學(xué)習(xí)更高級(jí)和更復(fù)雜的課程之前，需要通過反復(fù)的編程實(shí)踐來透徹理解基本概念。此外，初學(xué)者還需要通向成功和獲得自信的機(jī)會(huì)。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)入門知識(shí)時(shí)，我們希望他們專注于問題求解、算法開發(fā)以及算法理解等方面。
在本書中，我們使用Python作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，因?yàn)镻ython具有清晰和簡(jiǎn)潔的語(yǔ)法，以及直觀的用戶環(huán)境。Python語(yǔ)言的基本集合庫(kù)功能非常強(qiáng)大，而且易于使用。Python語(yǔ)言的交互特性提供了一個(gè)便利的環(huán)境，使得用戶不需要大量的編碼就可以方便地測(cè)試問題求解的各種構(gòu)想。后，Python提供了一種類似于教科書的表示法來描述算法，從而減輕需要使用偽代碼描述算法的額外負(fù)擔(dān)。因此，Python語(yǔ)言非常有利于描述如何利用算法來解決許多現(xiàn)代的、有趣的問題。
主要特點(diǎn)
本書可作為計(jì)算機(jī)科學(xué)門課程的教材或參考書。本書側(cè)重于解決問題，并根據(jù)需要引入相應(yīng)的語(yǔ)言特性來解決面臨的問題。我們沒有采用傳統(tǒng)的語(yǔ)言元素結(jié)構(gòu)，而是圍繞著學(xué)生普遍感興趣的問題來組織教材的內(nèi)容。因此，在本書中，讀者不會(huì)看到類似于循環(huán)
結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)等章節(jié)標(biāo)題，而是會(huì)看到天體和密碼以及其他奧秘等章節(jié)標(biāo)題。
貫穿全書，所有的概念都是使用螺旋式模型引入的。由于Python的語(yǔ)法易于學(xué)習(xí)，我們可以快速介紹標(biāo)準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識(shí)。隨著學(xué)生深入學(xué)習(xí)本書的內(nèi)容，更多有關(guān)程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)內(nèi)容和背景知識(shí)將被逐漸添加到工具箱中。這樣，學(xué)生就可以在解決問題的同時(shí)接觸到重要的計(jì)算機(jī)科學(xué)相關(guān)概念。
例如，在呈現(xiàn)有關(guān)函數(shù)的概念時(shí)，我們演示了如何采用這種螺旋式方法以不同方式涉及同一個(gè)特定的主題。學(xué)生在第1章中就開始學(xué)習(xí)編寫帶參數(shù)的函數(shù)。接著，在第2章中介紹帶返回值的函數(shù)。在第6章中，學(xué)生會(huì)學(xué)習(xí)如何將函數(shù)作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù)，以及有關(guān)Python作用范圍規(guī)則的詳細(xì)信息。在第8章中，學(xué)生將學(xué)習(xí)Python的關(guān)鍵字參數(shù)和可選參數(shù)。第9章將介紹遞歸函數(shù)。在第10章中，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何編寫作為類方法的函數(shù)。在第12章中，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何編寫抽象方法。
第3版新增內(nèi)容
第3版包含Python 3.8中的許多更新內(nèi)容和新特性。在保留面向問題求解方法的同時(shí)，我們還在第3版中添加了許多教學(xué)輔助工具，以更好地說明和突出Python的程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
例如，每一個(gè)新引入的函數(shù)或者方法都以表格的形式進(jìn)行總結(jié)。
input函數(shù)
函數(shù) 說明
input(prompt) 顯示提示信息，然后在用戶按enter或者return鍵確認(rèn)時(shí)返回用戶鍵入的任何字符所組成的字符串。返回的字符串中不包括enter或者return鍵

此外，第3版還包括以下新內(nèi)容：
使用摘要總結(jié)框來總結(jié)前文的重要知識(shí)點(diǎn)。
摘要總結(jié)　列表是不同對(duì)象的有序集合。列表的表示方式是包括在方括號(hào)中的以逗號(hào)分隔的值。
使用注意事項(xiàng)框來提醒學(xué)生注意可能的陷阱，并提供避免錯(cuò)誤的技巧。
注意事項(xiàng)　一定要記住在循環(huán)體中更新while循環(huán)條件，以避免無(wú)限死循環(huán)。
使用編程實(shí)踐框來提供求解問題的策略，以及編寫可讀性強(qiáng)、易于維護(hù)的代碼的技巧。
編程實(shí)踐　使用自頂向下的設(shè)計(jì)將一個(gè)大問題分解成更小的、可管理的任務(wù)。這個(gè)過程也被稱為逐步求精。
使用如下格式的Python代碼，以便學(xué)生更好地看清楚其中的語(yǔ)法元素。

作為對(duì)教師和學(xué)生反饋的回應(yīng)，我們?cè)黾恿烁戒汥，其中提供了各章中部分動(dòng)手實(shí)踐的答案。
在第5章中，我們更新了訪問在線數(shù)據(jù)的方法。新的示例處理目前流行的在線數(shù)據(jù)格式CSV和JSON。
同樣，從第5章開始更新了字符串格式目前我們使用字符串的format方法。
在第10章以及后續(xù)章節(jié)中，創(chuàng)建類時(shí)我們使用雙下劃線（_?_）前綴來定義實(shí)例變量名以實(shí)現(xiàn)封裝。
變量名和函數(shù)名遵循標(biāo)準(zhǔn)的駝峰式命名規(guī)范。
如何使用本書
章節(jié)組織結(jié)構(gòu)
本書分為三個(gè)部分。第1～5章介紹所有的關(guān)鍵控制結(jié)構(gòu)和Python數(shù)據(jù)類型，強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單的命令式程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，例如變量、循環(huán)結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)。前5章的內(nèi)容涵蓋所有主要的Python數(shù)據(jù)類型，包括整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符串、列表、字典、元組和文件。
在第1章中，我們通過應(yīng)用示例的方式引入對(duì)象的概念。從某種意義上說，Python程序設(shè)計(jì)方法中的一切皆是對(duì)象。從通用的程序設(shè)計(jì)概念和Python提供的模塊開始，能使我們?cè)诓灰�入額外復(fù)雜性的情況下解決更有趣的問題。例如，我們?cè)诘?章中使用turtle（海龜）圖形模塊來介紹簡(jiǎn)單的圖形。在第6章中，我們通過使用一個(gè)簡(jiǎn)單的圖像對(duì)象來介紹圖像處理，該圖像對(duì)象自動(dòng)從文件中加載圖像，但允許學(xué)生獲取和設(shè)置像素值。
接下來的章節(jié)將展開闡述第1～5章中介紹的概念。第6～9章在引入其他問題求解模式的同時(shí)，為學(xué)生提供了進(jìn)一步熟悉基本的程序設(shè)計(jì)概念的機(jī)會(huì)。學(xué)生還將進(jìn)一步了解Python的內(nèi)部機(jī)制。
第10～13章強(qiáng)調(diào)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，并介紹設(shè)計(jì)和構(gòu)建類所需的概念。在引入這些主題時(shí)，學(xué)生應(yīng)該已經(jīng)熟悉對(duì)象的思想，因此，構(gòu)建自定義的對(duì)象自然而然成為下一步的目標(biāo)。這部分的個(gè)示例強(qiáng)調(diào)多個(gè)真實(shí)對(duì)象之間交互的重要性。在實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的類之后，我們通過創(chuàng)建一個(gè)圖形庫(kù)以及將電子游戲作為turtle模塊的擴(kuò)展來自然而然地引入繼承的概念。
教學(xué)建議
本書的講授可以采用若干不同的方法，圖P-1提供了一些講授方法。種方法是按照章節(jié)順序進(jìn)行講授。教師可以在一個(gè)學(xué)期內(nèi)講完整本書的內(nèi)容，也可以在兩個(gè)學(xué)期內(nèi)講完，因?yàn)楸緯�提供了足夠多的探索性材料以滿足整個(gè)學(xué)年的授課要求。第二種方法是先講授第1～5章，然后跳轉(zhuǎn)到第10～13章。這種方法在命令式程序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)之間提供了一種平衡，這種平衡非常適用于一個(gè)學(xué)期的教學(xué)計(jì)劃。如果還有額外的時(shí)間，則可以選擇第6～9章中的部分內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，然后再繼續(xù)講授第10～13章。另一個(gè)建議是在入門課程中講授第1～9章，該課程只涉及命令式程序設(shè)計(jì)和對(duì)象的使用。

圖P-1　本書的閱讀和講授路線圖
如何使用練習(xí)題
本書包括三種練習(xí)題。種練習(xí)題是動(dòng)手實(shí)踐中的一些習(xí)題，要求學(xué)生嘗試運(yùn)行作為章節(jié)內(nèi)容的代碼。通過這些練習(xí)，學(xué)生可以通過代碼來學(xué)習(xí)或者自主探索。第二種練習(xí)題是動(dòng)手實(shí)踐中的另外一些習(xí)題，要求學(xué)生修改或者擴(kuò)展章節(jié)內(nèi)容中提供的代碼。書中常常會(huì)先提供一個(gè)簡(jiǎn)單的代碼版本，要求學(xué)生修改簡(jiǎn)單代碼以改進(jìn)或者添加其他功能。第三種練習(xí)題是每章末尾的編程練習(xí)題，要求學(xué)生根據(jù)描述實(shí)現(xiàn)完整的編程項(xiàng)目，這些項(xiàng)目與對(duì)應(yīng)章節(jié)所涵蓋的內(nèi)容相關(guān)，但不涉及擴(kuò)展或者修改已提供的代碼。
貫穿全書，我們?cè)诿恳还?jié)中都包含了練習(xí)題。這些練習(xí)題以不同的方式組織，讀者可以采用以下多種方式加以使用：
如果是自學(xué)本書，則動(dòng)手實(shí)踐練習(xí)題是很好的突破點(diǎn)，讀者可以隨時(shí)停下閱讀，動(dòng)手實(shí)踐所學(xué)的知識(shí)。
教師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多練習(xí)題包含課堂上要涵蓋的授課內(nèi)容，這些內(nèi)容可作為學(xué)生在課堂上的閱讀材料的補(bǔ)充。
在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，教師可以將練習(xí)題布置為家庭作業(yè)。讀者應(yīng)該感到幸運(yùn)的是，在計(jì)算機(jī)科學(xué)入門課程中就開始涉及諸多小型編程任務(wù)。通常學(xué)生在一個(gè)學(xué)期內(nèi)能夠完成30多個(gè)小型編程任務(wù)。
也可以把本書作為計(jì)算機(jī)科學(xué)動(dòng)手實(shí)踐導(dǎo)論課程的一部分。教師可以先花少量的時(shí)間講授和強(qiáng)化章節(jié)要點(diǎn)，但大部分的課堂時(shí)間應(yīng)該讓學(xué)生去完成作為補(bǔ)充閱讀的練習(xí)題。這種教學(xué)方式順應(yīng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)教育主動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也深受學(xué)生的歡迎。
各章的關(guān)鍵主題
表P-1列出了每一章中重點(diǎn)介紹的問題，以及該章中引入的計(jì)算機(jī)科學(xué)關(guān)鍵概念。
表P-1　問題和關(guān)鍵概念
章 關(guān)鍵問題 計(jì)算機(jī)科學(xué)概念
第１章 繪制多邊形和近似圓形，通用問題求解策略 數(shù)值數(shù)據(jù)類型、賦值語(yǔ)句、使用turtle對(duì)象、簡(jiǎn)單的for循環(huán)結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單的函數(shù)
第2章 估算圓周率的各種方法 累加器模式、簡(jiǎn)單選擇語(yǔ)句、布爾表達(dá)式、具有返回值的函數(shù)、math（數(shù)學(xué)）模塊、random（隨機(jī)）模塊
第3章 密碼算法， 包括置換加密算法、替換加密算法 字符串?dāng)?shù)據(jù)類型和方法、模運(yùn)算、用戶輸入、字符串的選擇和迭代
第4章 計(jì)算簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)量 Python列表、元組和字典數(shù)據(jù)類型
第5章 使用大數(shù)據(jù)集計(jì)算統(tǒng)計(jì)量 文件輸入和輸出、while循環(huán)、字符串格式、讀取CSV和JSON格式的在線數(shù)據(jù)
第6章 數(shù)字圖像處理、像素處理、圖像的放大和縮小、邊緣檢測(cè)算法 嵌套循環(huán)、把函數(shù)作為參數(shù)傳遞、作用范圍規(guī)則
第7章 大數(shù)據(jù)集的聚類分析與可視化 Python列表和字典數(shù)據(jù)類型、文件讀取和while循環(huán)的進(jìn)一步闡述
第8章 破解置換加密算法和替換加密算法的方法、頻率分析 在列表和字典中存儲(chǔ)有意義的數(shù)據(jù)、字符串處理、正則表達(dá)式模塊
第9章 分形圖形的概念，如何使用分形圖形來模擬樹木、灌木、雪花和其他自然界的物體 遞歸、語(yǔ)法和生長(zhǎng)規(guī)則
第10章 計(jì)算和繪制大型天體之間的相互作用 面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)、類的構(gòu)造、實(shí)例變量和方法
第11章 模擬捕食者和獵物之間的關(guān)系 在模擬中使用對(duì)象，許多具有簡(jiǎn)單行為的對(duì)象可能導(dǎo)致有趣的復(fù)雜結(jié)果
第12章 設(shè)計(jì)具有點(diǎn)、線、多邊形和其他形狀的面向?qū)ο蟮膱D形庫(kù) 繼承和多態(tài)性，使用turtle模塊實(shí)現(xiàn)更高層次的圖形庫(kù)
第13章 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的電子游戲 事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)、繼承、靜態(tài)變量和靜態(tài)方法

補(bǔ)充資料
本書提供可供教師下載的補(bǔ)充資料，包括各章節(jié)的練習(xí)題答案、試題庫(kù)和PPT。各章列出的源代碼也提供給學(xué)生和教師。想要獲取更多相關(guān)信息，請(qǐng)?jiān)L問網(wǎng)址go.jblearning.com/python3e。
作者聯(lián)系方式
如果讀者有任何疑問，或者發(fā)現(xiàn)本書中存在技術(shù)錯(cuò)誤，請(qǐng)通過JulieAustinAnderson@gmail.com聯(lián)系Julie Anderson。我們將在本書的官方網(wǎng)站上發(fā)布更正信息。
致謝
感謝所有的合作伙伴、同事和家人對(duì)本書的貢獻(xiàn)。
首先感謝出版商Jones & Bartlett Lear