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。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)入門知識時(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)語言，因?yàn)镻ython具有清晰和簡潔的語法，以及直觀的用戶環(huán)境。Python語言的基本集合庫功能非常強(qiáng)大，而且易于使用。Python語言的交互特性提供了一個便利的環(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)的語言特性來解決面臨的問題。我們沒有采用傳統(tǒng)的語言元素結(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。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)前文的重要知識點(diǎn)。
摘要總結(jié)　列表是不同對象的有序集合。列表的表示方式是包括在方括號中的以逗號分隔的值。
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)將一個大問題分解成更小的、可管理的任務(wù)。這個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法元素。

作為對教師和學(xué)生反饋的回應(yīng)，我們增加了附錄D，其中提供了各章中部分動手實(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，能使我們在不引入額外復(fù)雜性的情況下解決更有趣的問題。例如，我們在第1章中使用turtle（海龜）圖形模塊來介紹簡單的圖形。在第6章中，我們通過使用一個簡單的圖像對象來介紹圖像處理，該圖像對象自動從文件中加載圖像，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。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)熟悉對象的思想，因此，構(gòu)建自定義的對象自然而然成為下一步的目標(biāo)。這部分的個示例強(qiáng)調(diào)多個真實(shí)對象之間交互的重要性。在實(shí)現(xiàn)了簡單的類之后，我們通過創(chuàng)建一個圖形庫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。教師可以在一個學(xué)期內(nèi)講完整本書的內(nèi)容，也可以在兩個學(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。書中常常會先提供一個簡單的代碼版本，要求學(xué)生修改簡單代碼以改進(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，我們在每一節(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，動手實(shí)踐所學(xué)的知識。
教師可能會發(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)生在一個學(xué)期內(nèi)能夠完成30多個小型編程任務(wù)。
也可以把本書作為計(jì)算機(jī)科學(xué)動手實(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)教育主動學(xué)習(xí)的發(fā)展趨勢，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、賦值語句、使用turtle對象、簡單的for循環(huán)結(jié)構(gòu)、簡單的函數(shù)
第2章 估算圓周率的各種方法 累加器模式、簡單選擇語句、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、語法和生長規(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 在模擬中使用對象，許多具有簡單行為的對象可能導(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 繼承和多態(tài)性，使用turtle模塊實(shí)現(xiàn)更高層次的圖形庫
第13章 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個簡單的電子游戲 事件驅(qū)動的程序設(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?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)錯誤，請通過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、同事和家人對本書的貢獻(xiàn)。
首先感謝出版商Jones & Bartlett Lear