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一、單元開篇

計算思維與程序設計

計算生態與Python語言

用戶體驗與軟件產品

基本的程序設計模式

二、計算思維與程序設計

2.1 計算思維

2.1.1 第3種人類思維特征

邏輯思維：推理和演繹，數學為代表，A->B B->C A->C

實證思維：實驗和驗證，物理為代表，引力波

計算思維：設計和構造，計算機為代表，漢諾塔遞歸

2.1.2 抽象和自動化

計算思維：Computational Thinking

抽象問題的計算過程，利用計算機自動化求解

計算思維是基于計算機的思維方式

2.1.3 計數求和：計算1-100的計數和

邏輯思維(數學家高斯的玩兒法)：

$$ S=\frac{(a_1+a_n)n}{2} $$

計算思維(現代人的新玩兒法)：

s = 0

for i in range(1, 101):

s += i

2.1.4 圓周率的計算

邏輯思維：

$$ \pi = \sum_{k=0}^\infty[\frac{1}{16^k}(\frac{4}{8k+1}-\frac{2}{8k+4}-\frac{1}{8k+5}-\frac{1}{8k+6})] $$

計算思維：

2.1.5 漢諾塔問題

邏輯思維($2^n-1$)：

計算思維：

count = 0

def hanoi(n, src, dst, mid):

… (略)

hanoi(3, "A", "C", "B")

print(count)

2.1.6 天氣預報

2.1.7 量化分析

2.1.8 抽象問題的計算過程，利用計算機自動化求解

計算思維基于計算機強大的算力及海量數據

抽象計算過程，關注設計和構造，而非因果

以計算機程序設計為實現的主要手段

2.2 計算思維與程序設計

編程是將計算思維變成現實的手段

三、計算生態與Python語言

3.1 計算生態

從開源運動說起…

開源生態逐步建立

1991, Linus Torvalds發布了Linux內核

1998, 網景瀏覽器開源，產生了Mozilla

開源思想深入演化和發展，形成了計算生態

計算生態以開源項目為組織形式，充分利用“共識原則”和“社會利他”組織人員，在競爭發展、相互依存和迅速更迭中完成信息技術的更新換代，形成了技術的自我演化路徑。

沒有頂層設計、以功能為單位、具備三個特點

3.2 計算生態與Python語言

以開源項目為代表的大量第三方庫：Python語言提供 >13萬個第三方庫

庫的建設經過野蠻生長和自然選擇：同一個功能，Python語言2個以上第三方庫

庫之間相互關聯使用，依存發展：Python庫間廣泛聯系，逐級封裝、

社區龐大，新技術更迭迅速：AlphaGo深度學習算法采用Python語言開源

API != 生態

3.3 計算生態的價值

創新：跟隨創新、集成創新、原始創新

加速科技類應用創新的重要支撐

發展科技產品商業價值的重要模式

國家科技體系安全和穩固的基礎

3.4 計算生態的運用

刀耕火種 -> 站在巨人的肩膀上

編程的起點不是算法而是系統

編程如同搭積木，利用計算生態為主要模式

編程的目標是快速解決問題

四、用戶體驗與軟件產品

4.1 用戶體驗

實現功能 -> 關注體驗

用戶體驗指用戶對產品建立的主觀感受和認識

關心功能實現，更要關心用戶體驗，才能做出好產品

編程只是手段，不是目的，程序最終為人類服務

4.2 提高用戶體驗的方法

4.2.1 方法1：進度展示

如果程序需要計算時間，可能產生等待，請增加進度展示

如果程序有若干步驟，需要提示用戶，請增加進度展示

如果程序可能存在大量次數的循環，請增加進度展示

4.2.2 方法2：異常處理

當獲得用戶輸入，對合規性需要檢查，需要異常處理

當讀寫文件時，對結果進行判斷，需要異常處理

當進行輸入輸出時，對運算結果進行判斷，需要異常處理

4.2.3 其他類方法

打印輸出：特定位置，輸出程序運行的過程信息

日志文件：對程序異常及用戶使用進行定期記錄

幫助信息：給用戶多種方式提供幫助信息

軟件程序 -> 軟件產品

用戶體驗是程序到產品的關鍵環節

五、基本的程序設計模式

5.1 從IPO開始…

I：Input 輸入，程序的輸入

P：Process 處理，程序的主要邏輯

O：Output 輸出，程序的輸出

確定IPO：明確計算部分及功能邊界

編寫程序：將計算求解的設計變成現實

調試程序：確保程序按照正確邏輯能夠正確運行

5.2 自頂向下設計

I：Input 輸入，程序的輸入

P：Process 處理，程序的主要邏輯

O：Output 輸出，程序的輸出

5.3 模塊化設計

通過函數或對象封裝將程序劃分為模塊及模塊間的表達

具體包括：主程序、子程序和子程序間關系

分而治之：一種分而治之、分層抽象、體系化的設計思想

緊耦合：兩個部分之間交流很多，無法獨立存在

松耦合：兩個部分之間交流較少，可以獨立存在

模塊內部緊耦合、模塊之間松耦合

5.4 配置化設計

引擎+配置：程序執行和配置分離，將可選參數配置化

將程序開發變成配置文件編寫，擴展功能而不修改程序

關鍵在于接口設計，清晰明了、靈活可擴展

5.5 應用開發的四個步驟

從應用需求到軟件產品

1 產品定義：對應用需求充分理解和明確定義：產品定義，而不僅是功能定義，要考慮商業模式

2 系統架構：以系統方式思考產品的技術實現：系統架構，關注數據流、模塊化、體系架構

3 設計與實現：結合架構完成關鍵設計及系統實現：結合可擴展性、靈活性等進行設計優化

4 用戶體驗：從用戶角度思考應用效果：用戶至上，體驗優先，以用戶為中心

六、單元小結

計算思維：抽象計算過程和自動化執行

計算生態：競爭發展、相互依存、快速更迭

用戶體驗：進度展示、異常處理等

IPO、自頂向下、模塊化、配置化、應用開發的四個步驟

總結

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