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第1章：Python环境搭建与基础语法

🎯 学习目标（SMART目标）​

完成本章学习后，学生将能够：

  • Specific（具体）：在自己的电脑上成功安装Python 3.11环境，配置VS Code开发环境
  • Measurable（可测量）：能够编写并运行至少5个基础Python程序
  • Achievable（可实现）：掌握变量、数据类型、基本运算等核心概念
  • Relevant（相关）：为后续AI开发学习奠定编程基础
  • Time-bound（时限）：本章预计学习时间：4课时（2周）

📝 知识导图​

🎓 理论讲解​

1.1 Python简介与特点​

什么是Python？​

Python是一种解释型、面向对象、动态数据类型的高级程序设计语言。它由Guido van Rossum于1989年发明，以其简洁优雅的语法而闻名。

Python之父 图1.1 Python之父 - Guido van Rossum

Python的核心特点​

1.2 环境搭建​

Step 1: Python安装​

Windows系统安装：

  1. 访问Python官网：https://www.python.org/downloads/
  2. 下载最新版本Python 3.11
  3. 运行安装程序，重要：勾选"Add Python to PATH"

Python安装界面 图1.2 Windows Python安装界面

macOS系统安装：

# 方法1：使用Homebrew（推荐）
brew install python@3.11

# 方法2：直接下载安装包
# 从官网下载.pkg文件并安装

Linux系统安装：

# Ubuntu/Debian
sudo apt update
sudo apt install python3.11 python3-pip

# CentOS/RHEL
sudo yum install python3.11 python3-pip

Step 2: 验证安装​

打开终端/命令行，输入以下命令验证安装：

python --version
# 或者
python3 --version

期望输出：

Python 3.11.x

Step 3: IDE环境配置​

推荐使用 VS Code + Python扩展

  1. 下载安装VS Code：https://code.visualstudio.com/
  2. 安装Python扩展：
    • 打开VS Code
    • 按Ctrl+Shift+X打开扩展面板
    • 搜索"Python"
    • 安装Microsoft官方Python扩展

VS Code Python扩展 图1.3 VS Code Python扩展安装

1.3 虚拟环境管理​

为什么需要虚拟环境？​

创建和使用虚拟环境​

# 创建虚拟环境
python -m venv myproject_env

# Windows激活
myproject_env\Scripts\activate

# macOS/Linux激活
source myproject_env/bin/activate

# 安装包（在虚拟环境中）
pip install requests numpy

# 退出虚拟环境
deactivate

💡 代码示例（可运行）​

示例1：Hello World程序​

# hello_world.py


print("Hello, Python World!")


print("欢迎来到AI时代的Python编程！")






# 多行输出


message = """


欢迎学习Python！


这是你的第一个程序。


让我们开始这段精彩的编程之旅吧！


"""


print(message)

运行结果：

Hello, Python World!
欢迎来到AI时代的Python编程！

欢迎学习Python！
这是你的第一个程序。
让我们开始这段精彩的编程之旅吧！

示例2：变量和数据类型​

# variables_and_types.py






# 数字类型


age = 20                    # 整数 (int)


height = 175.5             # 浮点数 (float)


complex_num = 3 + 4j       # 复数 (complex)






# 字符串类型


name = "张三"               # 字符串 (str)


school = 'Python大学'       # 单引号也可以






# 布尔类型


is_student = True          # 布尔值 (bool)


has_finished = False






# 列表类型


scores = [85, 92, 78, 96]  # 列表 (list)


subjects = ["数学", "英语", "Python", "AI基础"]






# 字典类型


student_info = {           # 字典 (dict)


    "姓名": "张三",


    "年龄": 20,


    "成绩": scores


}






# 输出变量信息


print(f"学生姓名：{name}")


print(f"年龄：{age}")


print(f"身高：{height}cm")


print(f"是否为学生：{is_student}")


print(f"成绩列表：{scores}")


print(f"学生信息：{student_info}")






# 查看变量类型


print(f"\nname的类型是：{type(name)}")


print(f"age的类型是：{type(age)}")


print(f"scores的类型是：{type(scores)}")

运行结果：

学生姓名：张三
年龄：20
身高：175.5cm
是否为学生：True
成绩列表：[85, 92, 78, 96]
学生信息：{'姓名': '张三', '年龄': 20, '成绩': [85, 92, 78, 96]}

name的类型是：<class 'str'>
age的类型是：<class 'int'>
scores的类型是：<class 'list'>

示例3：基本运算符​

# operators.py






# 算术运算符


a = 10


b = 3






print("=== 算术运算符 ===")


print(f"{a} + {b} = {a + b}")    # 加法


print(f"{a} - {b} = {a - b}")    # 减法


print(f"{a} * {b} = {a * b}")    # 乘法


print(f"{a} / {b} = {a / b}")    # 除法（浮点）


print(f"{a} // {b} = {a // b}")  # 整数除法


print(f"{a} % {b} = {a % b}")    # 取余


print(f"{a} ** {b} = {a ** b}")  # 幂运算






# 比较运算符


print("\n=== 比较运算符 ===")


print(f"{a} > {b} = {a > b}")


print(f"{a} < {b} = {a < b}")


print(f"{a} == {b} = {a == b}")


print(f"{a} != {b} = {a != b}")






# 逻辑运算符


x = True


y = False


print("\n=== 逻辑运算符 ===")


print(f"{x} and {y} = {x and y}")


print(f"{x} or {y} = {x or y}")


print(f"not {x} = {not x}")

🧪 实践练习（分层次）​

🟢 基础练习​

练习1：个人信息管理​

**任务描述：**创建一个程序，收集并显示个人基本信息。

# 练习模板 - 请完善代码


name = input("请输入您的姓名：")


age = int(input("请输入您的年龄："))


# TODO: 添加更多信息收集


# 提示：可以收集专业、爱好等信息






print(f"您好，{name}！")


# TODO: 输出完整的个人信息

期望输出示例：

请输入您的姓名：李明
请输入您的年龄：19
请输入您的专业：计算机科学
请输入您的爱好：编程

=== 个人信息卡片 ===
姓名：李明
年龄：19岁
专业：计算机科学
爱好：编程

练习2：简单计算器​

**任务描述：**编写一个能够进行基本四则运算的计算器。

# 练习模板


def simple_calculator():


    """简单计算器程序"""


    print("=== 简单计算器 ===")


    


    # TODO: 获取用户输入的两个数字


    num1 = float(input("请输入第一个数字："))


    num2 = float(input("请输入第二个数字："))


    


    # TODO: 获取运算符


    operator = input("请输入运算符 (+, -, *, /)：")


    


    # TODO: 根据运算符进行计算并输出结果


    # 提示：使用if-elif-else语句


    


# 运行计算器


simple_calculator()

🟡 中级练习​

练习3：成绩统计分析​

**任务描述：**输入一组学生成绩，计算平均分、最高分、最低分。

# 练习提示代码


def grade_analyzer():


    """成绩分析器"""


    scores = []


    


    # TODO: 循环输入成绩，直到用户输入'done'


    while True:


        score_input = input("请输入成绩（输入'done'结束）：")


        if score_input.lower() == 'done':


            break


        # TODO: 将输入转换为数字并添加到scores列表


    


    # TODO: 计算统计信息


    # 平均分 = sum(scores) / len(scores)


    # 最高分 = max(scores)


    # 最低分 = min(scores)


    


    # TODO: 输出分析结果






grade_analyzer()

🔴 挑战练习​

练习4：密码强度检测器​

**任务描述：**创建一个程序检测密码强度（包含大小写字母、数字、特殊字符）。

def password_strength_checker(password):


    """


    检测密码强度


    


    强度判断标准：


    - 弱：长度<6或只包含一种字符类型


    - 中：长度6-8且包含2-3种字符类型


    - 强：长度>8且包含所有字符类型


    """


    # TODO: 实现密码强度检测逻辑


    pass






# 测试用例


test_passwords = ["123", "abc123", "Abc123!", "MyP@ssw0rd123"]


for pwd in test_passwords:


    strength = password_strength_checker(pwd)


    print(f"密码 '{pwd}' 的强度：{strength}")

🏗️ 项目案例：智能学生信息管理系统​

项目描述​

开发一个简单的学生信息管理系统，能够录入、查询、统计学生信息。

功能需求​

  1. 添加学生信息（姓名、学号、年龄、成绩）
  2. 查询特定学生信息
  3. 显示所有学生信息
  4. 计算班级平均成绩
  5. 查找最高分和最低分学生

完整实现代码​

# student_management_system.py






class StudentManager:


    def __init__(self):


        """初始化学生管理系统"""


        self.students = []


    


    def add_student(self, name, student_id, age, score):


        """添加学生信息"""


        student = {


            'name': name,


            'student_id': student_id,


            'age': age,


            'score': score


        }


        self.students.append(student)


        print(f"学生 {name} 信息已添加成功！")


    


    def find_student(self, student_id):


        """根据学号查找学生"""


        for student in self.students:


            if student['student_id'] == student_id:


                return student


        return None


    


    def display_all_students(self):


        """显示所有学生信息"""


        if not self.students:


            print("暂无学生信息！")


            return


        


        print("\n=== 所有学生信息 ===")


        print(f"{'姓名':<10} {'学号':<10} {'年龄':<5} {'成绩':<5}")


        print("-" * 35)


        for student in self.students:


            print(f"{student['name']:<10} {student['student_id']:<10} "


                  f"{student['age']:<5} {student['score']:<5}")


    


    def calculate_average_score(self):


        """计算平均成绩"""


        if not self.students:


            return 0


        total_score = sum(student['score'] for student in self.students)


        return total_score / len(self.students)


    


    def find_top_student(self):


        """查找最高分学生"""


        if not self.students:


            return None


        return max(self.students, key=lambda x: x['score'])


    


    def find_lowest_student(self):


        """查找最低分学生"""


        if not self.students:


            return None


        return min(self.students, key=lambda x: x['score'])


    


    def show_statistics(self):


        """显示统计信息"""


        if not self.students:


            print("暂无学生数据进行统计！")


            return


        


        avg_score = self.calculate_average_score()


        top_student = self.find_top_student()


        lowest_student = self.find_lowest_student()


        


        print("\n=== 班级统计信息 ===")


        print(f"学生总数：{len(self.students)}")


        print(f"平均成绩：{avg_score:.2f}")


        print(f"最高分：{top_student['name']} - {top_student['score']}分")


        print(f"最低分：{lowest_student['name']} - {lowest_student['score']}分")






def main():


    """主程序"""


    manager = StudentManager()


    


    while True:


        print("\n=== 学生信息管理系统 ===")


        print("1. 添加学生")


        print("2. 查询学生")


        print("3. 显示所有学生")


        print("4. 统计信息")


        print("5. 退出")


        


        choice = input("请选择操作 (1-5): ")


        


        if choice == '1':


            name = input("请输入学生姓名：")


            student_id = input("请输入学号：")


            age = int(input("请输入年龄："))


            score = float(input("请输入成绩："))


            manager.add_student(name, student_id, age, score)


        


        elif choice == '2':


            student_id = input("请输入要查询的学号：")


            student = manager.find_student(student_id)


            if student:


                print(f"\n学生信息：{student}")


            else:


                print("未找到该学生！")


        


        elif choice == '3':


            manager.display_all_students()


        


        elif choice == '4':


            manager.show_statistics()


        


        elif choice == '5':


            print("感谢使用学生信息管理系统！")


            break


        


        else:


            print("无效选择，请重新输入！")






if __name__ == "__main__":


    main()

运行示例​

=== 学生信息管理系统 ===
1. 添加学生
2. 查询学生
3. 显示所有学生
4. 统计信息
5. 退出
请选择操作 (1-5): 1
请输入学生姓名：张三
请输入学号：2025001
请输入年龄：19
请输入成绩：88.5
学生 张三 信息已添加成功！

=== 所有学生信息 ===
姓名         学号         年龄    成绩   
-----------------------------------
张三         2025001      19    88.5 
李四         2025002      20    92.0 

=== 班级统计信息 ===
学生总数：2
平均成绩：90.25
最高分：李四 - 92.0分
最低分：张三 - 88.5分

🧠 在线测试平台​

自动评估系统​

我们为每个练习都配备了自动评估功能：

<!-- 嵌入式在线编程环境 -->
<div class="online-coding-environment">
    <div class="exercise-header">
        <h3>🧪 练习1：个人信息管理</h3>
        <div class="difficulty-badge">基础</div>
    </div>
    
    <div class="code-editor">
        <textarea id="code-input" placeholder="在这里编写您的Python代码...">
# 请完善以下代码
name = input("请输入您的姓名：")
age = int(input("请输入您的年龄："))
# TODO: 添加更多信息收集

print(f"您好，{name}！")
# TODO: 输出完整的个人信息
        </textarea>
    </div>
    
    <div class="control-panel">
        <button onclick="runCode()" class="run-btn">▶️ 运行代码</button>
        <button onclick="submitCode()" class="submit-btn">📤 提交答案</button>
        <button onclick="getHint()" class="hint-btn">💡 获取提示</button>
    </div>
    
    <div class="output-panel">
        <h4>输出结果：</h4>
        <pre id="output"></pre>
    </div>
    
    <div class="feedback-panel" id="feedback" style="display:none;">
        <h4>AI反馈：</h4>
        <div id="ai-feedback"></div>
    </div>
</div>

<script>
function runCode() {
    const code = document.getElementById('code-input').value;
    // 调用后端API执行代码
    fetch('/api/run-python', {
        method: 'POST',
        headers: {'Content-Type': 'application/json'},
        body: JSON.stringify({code: code})
    })
    .then(response => response.json())
    .then(data => {
        document.getElementById('output').textContent = data.output;
    });
}

function submitCode() {
    const code = document.getElementById('code-input').value;
    // 提交代码进行评估
    fetch('/api/evaluate-code', {
        method: 'POST',
        headers: {'Content-Type': 'application/json'},
        body: JSON.stringify({
            code: code,
            exercise_id: 'chapter1_exercise1'
        })
    })
    .then(response => response.json())
    .then(data => {
        document.getElementById('feedback').style.display = 'block';
        document.getElementById('ai-feedback').innerHTML = generateFeedbackHTML(data);
    });
}

function getHint() {
    // 获取AI提示
    fetch('/api/get-hint', {
        method: 'POST',
        headers: {'Content-Type': 'application/json'},
        body: JSON.stringify({exercise_id: 'chapter1_exercise1'})
    })
    .then(response => response.json())
    .then(data => {
        alert('💡 提示: ' + data.hint);
    });
}
</script>

🤔 思考题目（拓展思维）​

思考题1：编程语言选择​

问题： 为什么选择Python而不是Java或C++来学习编程？请从语法简洁性、学习曲线、应用领域等角度分析。

思考题2：变量命名规范​

问题： 观察以下变量名，哪些是好的命名习惯？请说明理由。

a = 10


student_age = 20


StudentName = "张三"


score_2025 = 88


my-grade = 95

思考题3：数据类型应用​

问题： 在设计一个图书管理系统时，图书的哪些属性应该用什么数据类型存储？请给出你的设计方案。

思考题4：代码优化​

问题： 以下代码实现了相同功能，哪种写法更好？为什么？

# 方法1


if age >= 18:


    is_adult = True


else:


    is_adult = False






# 方法2


is_adult = age >= 18

📚 拓展阅读（延伸学习）​

推荐资源​

  1. 官方文档

  2. 在线练习平台

  3. 视频教程

  4. 开源项目

下章预告​

下一章我们将学习面向对象编程，包括：

  • 类与对象的概念
  • 构造函数和属性
  • 方法的定义和调用
  • 继承和多态

请提前思考：如何用面向对象的思想重新设计我们的学生管理系统？

📊 学习评估​

自测清单​

  • 能够独立安装Python环境
  • 理解并能使用基本数据类型
  • 掌握变量命名规范
  • 能够使用基本运算符进行计算
  • 完成所有基础练习题
  • 理解项目案例的实现逻辑

评分标准​

  • 优秀（90-100分）：完成所有练习，代码规范，逻辑清晰
  • 良好（80-89分）：完成大部分练习，基本掌握核心概念
  • 及格（60-79分）：完成基础练习，理解基本语法
  • 需要改进（<60分）：基础概念理解不够，需要重新学习

本章编写时间：2025年x月，版本：v1.0 如有问题或建议，请联系：python-course@example.com