2018年第7期168
研究与探讨
信息技术与信息化
Ｊｕｐｙｔｅｒ　Ｎｏｔｅｂｏｏｋ在Ｐｙｔｈｏｎ教学中的应用探索
薛煜阳* XUE Yu- yang
摘　要        针对国内高校程序设计课程教学的现状和存在的问题，本文提出利用Python 作为程序设计课程的教学
语言。Python 语言具有简洁性、易读性、可扩展性，有助于提高学生对计算机编程的兴趣，提升教学质量，有利于学生计算思维的培养。
关键词        Jupyter Notebook；Python；程序设计
doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2018.07.052
* 新疆财经大学网络与实验教学中心 新疆乌鲁木齐 830012
1 引言
随着计算机技术对各行业的不断渗入，国内高校对非计算机专业通常都会开设一门计算机语言编程课程，以便培养学生的计算思维，主要讲授为C、JAVA、C++、VB 等传统程序设计语言。传统程序设计语言或语法复杂，对计算机相关理论知识要求较高，入门困难，对编程能力的要求较高，或功能、编程思想陈旧、版本陈旧不能适应计算机技术的发展。在面对“互联网+”时代背景下，这些传统编程语言的课程教学多年缺少变化，已经与时代有所脱节，尤其是在面对大数据分析、云计算、人工智能、计算机视觉等新兴领域，不具有优势。而Python 语言简单易学、扩展库丰富、功能强大，得到了包括谷歌、雅虎等工业界的青睐。随着导致国外教育界的广泛推广，但在国内目前采用Python 教学的高校较少。2 Python 程序设计语言python大数据就业前景
Python 是一种解释性高级语言，具有简洁、易读、扩展性好、平台可移植性、开源等优点，同时具有丰富、强大的第三方工具库。可广泛应用于科学计算、数据分析、数据可视化、数据处理、Web 自动化运营、自然语言处理、计算机视觉等领域[1]。
Python 语言在进行程序编程语言教学过程中，主要有以下优点：
（1）语法简单，易于阅读。Python 免费开源，舍弃了C、C++之类的关于指针的用法，学习的切入点多，有不同类型的源码，可以根据学生的实际情况进行选择。Python 自身所包含的关键字相对其他程
序设计语言较少，语法相对固定，结构清晰，便于学生进行阅读。
（2）Python 具有跨平台性，支持Linux、Windows 等多
种操作系统。根据不同的发行版本，能够自动解决第三方工具包之间的依赖，安装简单，不容易出错。Python 的IDE 工具也较多，包括PyCharm、Eclipse 与PyDev 组合、Komodo、EditPlus 等进行开发。
（3）功能强大。支持面向对象编程，提供了丰富的数据类型，如元组、集合、列表、字典等，过滤了底层内存管理，垃圾回收等细节。针对有速度要求的环境，可以调用C++、C 语言写成的库文件。
（4）文档丰富和第三方扩展库丰富
Ptyhon 目前主要有两个版本Python2和Python3，其中Python3成为工业界和学术界的主流。国内外使用Python 的人数较多，技术文档资源丰富，各类第三方扩展库。例如科学计算常用的扩展库：NumPy、SciPy 和Matplotlib，分别为Python 提供了快速数组处理、数值运算以及绘图功能；计算机视觉库OpenCV、三维可视化库VTK、医学图像处理库ITK 等各种行业的扩展库。这些扩展库都有专业的社区进行维护，功能强大，技术资源丰富，使各行各业的研究者都能到对应的工具包。
（5）Python 良好的就业前景。
目前Python 在云计算、大数据、移动互联网、创意游戏、机器学习、计算机视觉等方面有广泛的应用，就业需求广泛，包括数据分析师、运维工程师、产品测试等。3 国内外Python 教学使用情况
随着Python 语言的优势，逐渐获得了工业界、学术界的大量支持，如谷歌公司开发的Tensorflow，是目前使用人数最多的深度学习框架。Caffe 框架，基于运行效率的考虑，底层采用C++编写，然后提供Python 封装。在好莱坞，工业光魔公司采用 Python 制作商业动画， 效果令人惊艳。Python 在自动化运维方面已经深入人心，比如Saltstack、
Ansible 等自动化平台。YouTube、豆瓣等著名大型网站就是
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信息技术与信息化
利用Python 编写的。很多在线游戏的后台都是Python 开发的。
由于工业界的巨大需求，国内外有大量的高校采用Python 作为教学对象。目前国际上排名前 100 的高校中 80% 都在开设 Python 程序设计[3]，包括麻省理工学院、斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校等著
名高校。Coursera 等在线教育平台上有大量关于Python 的教学内容。在国内嵩天等人，在其高校内已经开展Python 教学改革，编著并出版了相应的教材。车万翔等人将C 语言和Python 语言对比，展示了相关教学效果[4]
。张莉认为采用 Python 教学可以较
好地提高学生的主动学习能力、学习兴趣和热情以及问题求
解能力[5]。
4 Jupyter 环境搭建及使用
Jupyter Notebook 可以让学生以浏览器远程访问的方式进行Python 的交互式编程，支持包括Python 在内的40 多种编程语言[6]。Jupyter Notebook 的本质是一个 Web 应用程序，便于创建和共享程序文档，支持实时代码，数学方程，可视化等。建议教师在Python 教学中，推荐使用Anaconda 发行版本[7]，其自带了Numpy、Scipy、Matplotlib、 Jupy-ter Notebook 等，该版本能够自动解决各开发包之间的版本依赖，安装十分简单。学生可以将其编写的Python 代码的说明文字、代码、图表、公式、结论都整合在一个文档中。不仅能在文档中执行代码，还能以网页形式分享。其他重要的插件主要有：tqdm_notebook、Collapsible headings
等。
图1 执行Python 的运行代码
用户启动Jupyter Notebook 后，点击新建按钮，建立Python3文档，进行交互编程，如图1。Notebook 文档是由一系列单元（Cell）构成，分为代码单元和Markdown 单元。对于代码单元，用户进行代码编写，点击运行按钮，其结果就会显示在本单元下方。代码单元左边有序列标记。Markdown 单元可以对文本进行编辑，采用Markdown 语法，来设置文本格式、插入链接、图片、数学公式等。在代码单
元，用户既可以单步执行，也可以输入一段代码进行执行。图1中显示，赋值变量采用单步执行，循环语句采用代码块的形式进行运行。最终的运行结果显示在代码单元的下方。
除了可以利用Python 进行编程外，还可以进行利用相关领域的工具包，进行专业领域的学习。如机器学习，通过下载scikit-learn 的关于PCA 算法的代码[8]，
上传到服务器。用户在代码单元执行完毕，点击运行按钮，可以看到图形化结果，十分直观，同时可以整个运行过程可以做成文档进行
分析和记录。
图2 执行scikit-learn 代码效果演示
5 结语
本文讨论了Python 程序设计编程语言的特点，以及在工业界、国内外教学的使用情况，结合Jupyter Notebook 演示了在Python 教学过程中的使用，提出建立高校采用Python 语言进行程序设计课程的教学，以适应高校教学改革和人才培养的需要，以便取得更好的教学效果。
参考文献：
[1]赵广辉. 面向新工科的 Python 程序设计交叉融合案例教学[J].计算机教育.2017.8:23-27.
[2]秦科，刘贵松. 面向 Python 应用的大学教学改革初探[J].计算机教育.2017.9:21-25.
[3]嵩天，黄天羽, 礼欣. Python 语言: 程序设计课程教学改革的理想选择[J]. 中国大学教学, 2016(2): 15-20.
[4]车万翔, 苏小红，袁永峰，等.计算机专业高级语言程序设计课程改革探索[J].计算机教育, 2014(13): 56-58.[5] 张莉，金莹，张洁.基于MOOC 的“Python 玩转数据”翻转课堂实践与研究[J].工业和信息化教育, 2017(3): 70-76.
（收稿日期：2018-07-06）

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