本书旨在介绍STEM教育的历史背景、理论基础和课程设计方法。围绕计算思维驱动的STEM课程设计展开，帮助读者深度理解STEM教育课程的含义和基本理论，计算思维的核心理论，并让学习者掌握有效设计STEM课程的方法和能力。

如果要评选21 世纪教师的必备素养，计算思维应该是其重要组成部分。计算思维 （Computational Thinking）是指运用计算机科学的概念进行问题求解、系统设计和人类行 为理解等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。著名计算机科学家周以真（Jeannette Wing）教授在2006 年提出：计算思维是21 世纪每位儿童都应该掌握的技能，此后计算 思维风靡全球。教育的从业者纷纷开始探索计算思维的培养方式，越来越多的国家开始 普及计算机科学教育。 在信息社会的人工智能时代，计算思维是每个人必备的基本技能。虽然计算思维并 不等同于编程，但是编程是培养和实践计算思维的重要手段，因此21 世纪的师范生非常 需要掌握一门程序设计语言。 Python 作为当前流行的程序设计语言，在人工智能、大数据分析等领域被广泛使用。 我国的中学信息技术课程也逐步开始围绕Python 编程展开。相较于C 语言和Java，Python 因其优雅简洁的特点对初学者更为友好，非常适合作为编程入门语言。 作者讲授编程导论课程十年有余，拥有丰富的教学实践经验。作者认为，同样是学 习编程，专业人才与非专业人才在学习内容的深度与广度上都应该有所区别。虽然市面 上发行了大量关于Python 编程的书籍，但是多数都是面向专业人才的。许多高校的师范 专业（例如教育技术专业）都开设了程序设计入门课程，选用的教材通常是计算机专业 的入门教材。本书作为Python 编程导论，面向的读者群体是师范生或中小学教师。 本书主要有以下三大特点。 第一，关注基础概念。本书的内容包含Python 编程的核心概念，例如：变量、数据 类型、运算符、条件语句、循环语句、函数等。目前市面上大部分编程导论教材通常在 前两章介绍基本概念，大部分章节主要介绍面向对象、接口、数据结构等高阶内容。然 而，通过作者在编程教育领域的深入调查发现：许多本科生学习编程导论课程后，并没 有完全理解最基本的变量概念、程序的顺序结构，对类、对象、接口等需要大量编程实 践才能掌握的概念更是一知半解。因此，本书主要关注编程的基础概念，对相关内容进 行深入详细的介绍。 第二，强调任务驱动。学习编程应该围绕问题解决来展开，不适合以纯概念、纯知 识的方式进行。本书在介绍相关知识点和语句时，将围绕实际问题，通过任务驱动的方 式来讲解，并提供大量样例代码，方便读者进行实践与练习。本书通过任务驱动，可以 帮助读者更好地掌握编程技能。 第三，注重学科融合。近年出台的义务教育新课标非常强调跨学科活动，因此师范 生作为未来的教师，需要掌握一定的跨学科教学设计能力。编程课程可以与许多学科融 合，是设计跨学科教学的利器。本书中大多数任务与案例都体现了跨学科性，强调编程 与学科知识的融合。本书第7 章将介绍跨学科编程案例，用编程的方法进行学科问题 探究。 本书作为面向师范生的Python 编程导论，也适合其他非计算机专业的初学者学习。 本书从培养和实践计算思维角度出发，涵盖的内容非常丰富。如果读者能够按照本书中 所有的代码案例进行实践，一定会在计算思维方面受益匪浅。 钱逸舟 2022 年7 月9 日

第1 章 绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 Python 编程 ...................................................................................................... 1 1.1.1 程序的概念 ........................................................................................... 1 1.1.2 为什么学习Python .............................................................................. 2 1.1.3 Python 是一种解释型语言 .................................................................. 4 1.1.4 Python 的发展历程 .............................................................................. 5 1.2 编写一个Python 程序 ..................................................................................... 6 1.2.1 安装Python .......................................................................................... 6 1.2.2 运行Python .......................................................................................... 7 1.2.3 尝试运行Python 代码 ....................................................................... 10 1.2.4 第一个完整的Python 程序 ............................................................... 11 1.2.5 人机互动 ............................................................................................. 13 本章小结 .................................................................................................................. 15 关键术语 .................................................................................................................. 15 课后习题 .................................................................................................................. 15 第2 章 数据与运算 .................................................................................................. 16 2.1 变量 ................................................................................................................ 16 2.1.1 变量的概念 ......................................................................................... 16 2.1.2 变量赋值 ............................................................................................. 17 2.1.3 变量的命名 ......................................................................................... 18 2.2 数据类型 ......................................................................................................... 20 2.2.1 基本数据类型 ..................................................................................... 20 2.2.2 常见运算符 ......................................................................................... 22 2.2.3 类型转换 ............................................................................................. 24 2.3 数据的输入与输出 ........................................................................................ 28 2.3.1 input()函数 .......................................................................................... 28 2.3.2 print()函数 .......................................................................................... 31 2.3.3 f-strings 格式化输出 .......................................................................... 33 2.4 运算符进阶 .................................................................................................... 36 2.4.1 ** 幂运算符 ....................................................................................... 36 2.4.2 // 取整除运算符 ................................................................................ 38 2.4.3 %取余数运算符 ................................................................................. 39 本章小结 .................................................................................................................. 42 关键术语 .................................................................................................................. 43 课后习题 .................................................................................................................. 43 第3 章 条件语句 ...................................................................................................... 44 3.1 布尔表达式 .................................................................................................... 44 3.1.1 回忆布尔类型 ..................................................................................... 44 3.1.2 关系运算符 ......................................................................................... 45 3.1.3 逻辑运算符 ......................................................................................... 46 3.2 if-else 语句 ..................................................................................................... 48 3.2.1 求绝对值 ............................................................................................. 48 3.2.2 动物园门票 ......................................................................................... 50 3.2.3 判断奇偶数 ......................................................................................... 51 3.3 if-elif-else 语句 ............................................................................................... 53 3.3.1 动物园门票进阶 ................................................................................. 53 3.3.2 数字比大小 ......................................................................................... 56 3.3.3 空气质量报告程序 ............................................................................. 59 3.3.4 石头剪刀布游戏 ................................................................................. 61 本章小结 .................................................................................................................. 63 关键术语 .................................................................................................................. 63 课后习题 .................................................................................................................. 64 第4 章 循环语句 ...................................................................................................... 65 4.1 while 循环 ...................................................................................................... 65 4.1.1 while 循环基础 ................................................................................... 65 4.1.2 while 循环进阶 ................................................................................... 66 4.1.3 棋盘的麦粒 ......................................................................................... 68 4.1.4 冰雹猜想 ............................................................................................. 70 4.2 for 循环 ........................................................................................................... 71 4.2.1 for 循环基础 ....................................................................................... 71 4.2.2 range()函数 ......................................................................................... 72 4.2.3 数列求和 ............................................................................................. 74 4.2.4 计算圆周率π ...................................................................................... 75 4.2.5 蒙特卡洛方法 ..................................................................................... 77 4.2.6 质数判断 ............................................................................................. 79 4.3 循环嵌套 ........................................................................................................ 80 4.3.1 字符三角形 ......................................................................................... 80 4.3.2 求100 以内的质数 ............................................................................. 82 本章小结 .................................................................................................................. 83 关键术语 .................................................................................................................. 84 课后习题 .................................................................................................................. 84 第5 章 数据类型进阶 .............................................................................................. 85 5.1 list 列表 .......................................................................................................... 85 5.1.1 list 简介 ............................................................................................... 85 5.1.2 list 操作 ............................................................................................... 87 5.2 tuple 元组 ....................................................................................................... 92 5.2.1 tuple 简介 ............................................................................................ 92 5.2.2 tuple 操作 ............................................................................................ 93 5.3 dict 字典 ......................................................................................................... 96 5.3.1 dict 简介 .............................................................................................. 96 5.3.2 dict 操作 .............................................................................................. 98 5.4 str 字符串 ..................................................................................................... 100 5.4.1 str 简介 .............................................................................................. 100 5.4.2 str 操作 .............................................................................................. 102 本章小结 ................................................................................................................ 105 关键术语 ................................................................................................................ 105 课后习题 ................................................................................................................ 105 第6 章 函数 ........................................................................................................... 106 6.1 函数入门 ...................................................................................................... 106 6.1.1 内置函数 ........................................................................................... 106 6.1.2 函数定义 ........................................................................................... 107 6.1.3 函数调用过程 ................................................................................... 108 6.1.4 计算统计数据 ................................................................................... 111 6.2 函数进阶 ...................................................................................................... 119 6.2.1 递归................................................................................................... 119 6.2.2 最大公约数 ....................................................................................... 121 6.2.3 斐波那契数列 ................................................................................... 123 本章小结 ................................................................................................................ 125 关键术语 ................................................................................................................ 126 课后习题 ................................................................................................................ 126 第7 章 跨学科编程案例 ......................................................................................... 127 7.1 素数探究 ...................................................................................................... 127 7.1.1 判断素数 ........................................................................................... 127 7.1.2 孪生素数 ........................................................................................... 130 7.1.3 素数个数 ........................................................................................... 132 7.1.4 哥德巴赫猜想 ................................................................................... 135 7.2 概率游戏 ...................................................................................................... 137 7.2.1 掷骰子 ............................................................................................... 137 7.2.2 帕斯卡的游戏 ................................................................................... 139 7.2.3 蒙提霍尔问题 ................................................................................... 142 7.3 二进制 .......................................................................................................... 144 7.3.1 看懂二进制数 ................................................................................... 144 7.3.2 进制转换 ........................................................................................... 145 7.3.3 小数转二进制 ................................................................................... 147 7.4 凯撒密码 ...................................................................................................... 148 7.4.1 信息加密 ........................................................................................... 148 7.4.2 实现加密函数 ................................................................................... 150 7.4.3 解密信息 ........................................................................................... 151 7.5 探索分形 ...................................................................................................... 154 7.5.1 海龟绘图 ........................................................................................... 154 7.5.2 绘制分形树 ....................................................................................... 156 7.5.3 科赫雪花 ........................................................................................... 160 7.6 布朗运动 ....................................................................................................... 163 7.6.1 醉龟漫步 ........................................................................................... 163 7.6.2 醉龟军团 ........................................................................................... 165 7.6.3 气体扩散 ........................................................................................... 168 本章小结 ................................................................................................................ 170 关键术语 ................................................................................................................ 170 课后习题 ................................................................................................................ 170