从第一台电子计算机诞生至今，计算机技术革命的浪潮一浪高过一浪。硬件方面，从电子管、晶体管到集成电路，工艺技术不断提高；软件方面，汇编语言、C++、Java、Python你方唱罢我登场。抛开摩尔定律、安迪比尔定律，一个不争的事实是，计算机的数量已经悄然超过人类的总数量。毫不夸张地说，我们生活在一个计算机的世界中，看看我们每天的生活，起床是被手机的闹钟叫醒的，吃早饭的时候顺便刷朋友圈或者今日头条，上班路上听喜马拉雅，甚至上厕所都在翻阅公众号或者玩游戏。至于办公，更是一分钟也离不开计算机，浏览器、Office、PDF、Photoshop不胜枚举。下班回家后，很多孩子的作业都是在手机端完成的，不少课程也在移动端，老师的点评和互动在网络上，甚至提交作业也是通过手机或者计算机实现的。对于这一切，我们都已经习以为常。

而另一个明显的事实却往往被我们所忽略了，软件越来越多，操作越来越方便，界面越来越友好且不必说，单是编程语言也越来越方便、简单，门槛越来越低，这是一个显著的趋势。20年前，听说某人会使用Office，那自然是一个IT精英了，听说某人居然会写C语言代码，那就是计算机大神了，这些精英是普通人很难企及的，因为大部分人连计算机都没摸过。可现在看看，在每个办公场所，哪里没有计算机？在每个城市甚至乡村中，都有那么一些被称为“码农”的人，他们是这个社会最重要的工种之一，如果某个人不会使用计算机，他甚至很难找到一份工作。再过一二十年将会发生什么？毫无疑问，每个人都需要掌握一门编程语言！

阿尔法狗已经将包括柯洁、李世石在内的那些最聪明的围棋高手远远地抛到后面，AI技术已经深入人们生活的方方面面，大数据可以轻易地描绘出每个人的购物习惯、个人喜好、经济收入、社会关系，除非不上网。我们注意到，一些发达省份，已经将信息技术作为高考的一个科目，而这只是一个开始，程序设计的大幕已经在中学校园拉开，这便给那些创造力十足、敢闯敢试、聪明而充满活力的大脑插上了飞翔的翅膀。诚然，我们的高考是百万人过一座独木桥，但转折就在当下，掌握一种用途广泛、上手极易的程序设计语言无疑是弯道超车的不二之选。百万大军中争得为数不多的“985”“211”“双一流”高校的青睐是一条传统道路；剑走偏锋，发展兴趣，大胆创新，用Python这个人人可及的工具实现和验证自己的想法则是一条创新之路，且不乏成功案例。

Python编程之旅——与小博士漫游太阳系前言Python作为一种脚本语言，有着广泛的使用场景，无论在大数据开发、人工智能、科学研究中都是当红角色。此外，Python语言有众多优秀的第三方库可供选择，从一开始就拒绝刀耕火种，天然地站在巨人的肩膀上。我们在上中学的时候都有过很多想法，苦于没有实现这些想法的工具和条件，只能想想而已。但当前的中学生有条件了，可以通过程序代码改变这个世界，改变自己的命运，就像盖茨一样，就像扎克伯格一样！早点接触Python，就像20年前那些会用Office，会写C++代码，拥有梦想，思想超前的人，他们创造了百度，创造了腾讯，改变了人们生活的方式，创造了信息时代的游戏规则。如果想用最小的成本将自己的想法变成现实，那么Python将是最佳的选择。

如果有勇气接触Python，就会发现上手Python比想象的容易得多。本书中用到的数学知识都在初中课本范围内，因此对于中学生，对于没有接触过程序设计的人都不会造成太大的困难，几乎是零门槛的。坦诚地说，对于绝大部分人来说，学一门计算机语言是枯燥的。本书最大的特色是将Python语言的各知识点融入一个科幻故事中，随着故事的展开，一层层不断推进知识的讲解，并以一种充满趣味的方式对相关知识灵活应用，同时力求以实用为目标。此外，以《元哥说Python》话外音的方式，用诙谐幽默的语言和形象的类比，深入浅出地讲解原本枯燥乏味的程序设计知识。本书的章节安排如下。 

第1章，调皮捣蛋、不爱学习的中学生Clude在参加一场未来生活博览会后，发生了180°的转变，喜欢上了Python，并立志要取得顶尖学府的博士学位。介绍了Python可以做哪些事情，使读者对Python有一个直观的概念。最后，介绍了Python的安装和开发环境的搭建。

第2章，将探访地球的外星文明作为引子，故事徐徐展开，面对飞船AI的考核，Python成为主人公攻坚克难的利器。以《笑傲江湖》中剑宗和气宗作为类比，介绍了编译型语言和解释型语言的特点，说明了Python的独特优势。通过《元哥说Python》的话外音，以非常幽默的方式介绍了Python的基本语法，这也是全书的基础部分。

第3章，很快迎来了AI的第一次考验，一个非常神奇的数学问题——黑洞数。在第2章理解Python基本语法的基础上，完成了第一个Python程序，同时提出程序优化的概念，这是一种精益求精的精神。在此基础上，介绍了Python中函数的使用，这也是本章的重点。当然故事也要推进下去，主人公的误操作导致他们陷入了黑域（科幻小说《三体》中的概念）。

第4章，介绍第三方库的使用，这是提高开发效率的最佳手段，Python第三方库使我们得以集中精力于有所创新的地方，而不用去重复开发那些别人已经做得非常好的功能。本章做了一个意义特别的应用——土星背景的词云贺卡，信息来源是刘慈欣老师《三体》科幻小说中云天明讲给陈心的故事《王国的新画师》，其中用到中文jieba分词和wordcloud词云两个Python第三方库。

第5章，介绍基于turtle库的应用开发，从古老的印度故事切入，介绍等比数列和无限逼近的概念，并细致地讲解了turtle的使用方法。本章完成了3个程序实例、等比数列柱状图、turtle太阳系模型，以及一个非常漂亮的时钟。

第6章，介绍基于tkinter的界面开发，详细地介绍了tkinter控件、布局和canvas画布，并演示了如何使用tkinter做出动画效果。此外，用tkinter制作了真实比例的太阳系模型，通过滑块调整系数实现太阳和八大行星的放大、缩小、同屏显示。

第7章，介绍Python第三方图像处理库PIL的使用，对于图像的创建、剪切、粘贴、调整大小、旋转、翻转、过滤效果均做了举例演示。在此基础上综合应用，实现了图片验证码生成工具，这也是网上最常用的应用之一。而此时主人公对太阳系的考察已经深入地球，有感于清风明月和古诗美酒，在AI的要求下，他们决定用tkinter做一个动态的地月系统，真切地模拟月相的变化。

第8章，有了之前的Python基础和多个应用开发的实践积累，程序开发也从单纯的功能实现转到设计层次。本章通过“把大象装冰箱”的例子，对比了面向过程和面向对象这两种程序设计思想，进而引出“类”的概念。作为一个应用实例，介绍了非常经典的路径优化“旅行家问题”。故事情节也在发展，主人公得到一个神秘文件，从中可以恢复出1977年发射的“旅行者1号”飞船携带的黄金光盘，小博士Clude实现了一个刮刮卡效果。这个例子实现了软件开发、太空探索、项目娱乐的统一。

第9章，Python有一个非常强大的图表库matplotlib，在科学研究和论文写作上是一把利器。本章介绍了使用matplotlib绘制经典图表的案例，实际上这已经是大学课堂上的内容了，一旦了解了matplotlib，读者就会发现自己可以轻松掌握这项黑科技。同龄的中学生还在题海战术中苦苦挣扎的时候，你已经实现了弯道超车。知识需要迁移和融合，本章将一元二次方程曲线作为一个应用案例，将之前学过的tkinter嫁接到matplotlib上，学习编程语言的同时，加深对数学的理解。

第10章，有了前面章节的知识，读者已经可以利用Python进行简单的程序开发了，本章将再次实现跨越，介绍线程的使用。线程是程序设计中的一个非常关键的概念，对于提高应用的效率和处理能力至关重要，一旦掌握了线程的使用，读者就是一个真正的软件工程师了。主人公迷上了地球文明的历史，圆周率的计算被再次发掘出来。本章演示了使用“割圆法”和“蒙特卡洛方法”两种不同的思路实现圆周率的求解问题，练习线程使用的同时，复习tkinter相关知识。

第11章，主人公初心不改，在刚进入太阳系的时候便决心做出一个太阳系模型，随着知识和技能的积累，时机终于成熟了。本章实现了太阳系的逼真动画效果，并介绍模块化的设计思路。太阳本尊、八大行星、闪烁的星光、漫天的流星雨……应有尽有，八大行星的公转速度是按照真实比例进行的，读者能看到被称为“神行太保墨丘利”的水星步伐轻盈，同时也会感慨于年迈体弱的海王星步履蹒跚。

第12章，Office是当前办公中无论如何也绕不过去的，我们不满足于手动操作Word和Excel。本章使用Python第三方库，自己封装了WordOpt类和ExcelOpt类，并在此基础上通过Python代码实现了一个非常漂亮的Word格式的太阳系考察报告，包括段落、表格、图片等常规因素。

第13章，主人公着迷于中国古诗词，于是决定做一个网络爬虫，从网页上把小学课本中的古诗词全部爬取下来，并且用tkinter做了一个界面，实现了启动爬取、搜索诗词、导出诗词等功能。作为一个综合性的案例，本章用到的知识比较全面，涉及Python网络编程、数据库相关操作、Web页面解析、文件读写等众多内容，不要求所有的读者掌握本章内容，建议学有余力的读者可以挑战一下自己。

本书读者对象： 

本书是为中学生编写的，只需要有初中的知识水平，便可以无障碍地阅读，书中大多数内容都是较为贴近中学教材的。阅读本书不要求读者具有程序设计的基础，可以从零开始，当然如果读者曾经学习过其他的编程语言，无疑掌握起本书内容来将会更加容易。因为重点突出，表述幽默，实例清新有趣，且有故事情节穿插其中，学习曲线也较为平坦，本书也可以作为对Python语言感兴趣的读者的入门读物。

如何阅读本书： 

书中第2章是最基础的知识，相对略显枯燥，但却是后续章节的基础，需要认真掌握，其后章节是伴随着故事情节循序渐进展开，建议按照章节顺序阅读。

由于是面对初学者，书中的代码基本上是完整呈现的，因此在局部可能占据较大篇幅，书中所用到的代码和资源均可在清华大学出版社网站中找到。每章结尾都提供了专门的习题供读者练习，习题的参考答案在清华大学出版社网站中可以找到。考虑到部分读者可能对计算机操作不太熟悉，书中以扫描二维码的方式提供了部分演示视频。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行，尽管本书提供了完整的代码文件，还是建议读者一行行地录入代码，在键盘的噼啪声中，大脑会在无意间构建起学习的回路。“学而不思则罔，思而不学则殆”，Python的学习更是如此，学习、思考、实操，一个都不能少！

人类文明是迅速发展的，从500年前的地理大发现开始，人类社会的发展进入了快车道。工业革命和信息革命犹如两级火箭，将知识更新和技术进步的速度推到了一个历史上从未有过的高度。万物互联、人工智能、大数据处理这些前沿技术影响着人们生活的方方面面，甚至在不知不觉间决定了未来的方向。教育理念和方法唯有顺应时代的潮流才不至于走上弯路，互联网带来无限的可能性，创新是时代的潮流，本书希望为中学生推开一扇窗户，从传统中跳出来，透过迷茫看清时代前进的方向，灵活学习，不断创新，这条路已经被璀璨的星光照亮，迈出关键的一步，你将有机会与他们争辉一方。

30年前，我们开始奋发学习英语，因为改革开放打开了国门，我们面对的是金发碧眼的西方人；如今我们奋发学习Python，因为未来是人工智能的世界，我们面对的是无所不在的智能机器，有的人会控制它们，剩下的人将被它们控制，或许今天你已经做出了选择，相信历史会照亮未来的行程。

Hello World 

Hello Python

Hello Robots

Hello AI

限于作者水平，书中不免有不足之处，请多批评指正，不胜感激！

樊瑞元2020年1月