第一週：課程介紹與回顧

課程目標及學習方法介紹

回顧基礎程式設計概念（變數、資料型態、控制結構等）

• 教學目標
  • 回顧與強化變數、資料型態及控制結構的基本概念
  • 透過範例程式與練習，加深學生對這些基礎概念的理解

第一部分：變數與資料型態（45分鐘）

變數的基本概念

• 定義與宣告
• 變數命名規則與最佳實踐

資料型態介紹

• 整數型態（int）
• 浮點數型態（float/double）
• 字串型態（String）
• 布林型態（boolean）

範例程式：變數與資料型態的使用

# 範例1：簡單的變數宣告與賦值
name = "Alice"
age = 17
height = 165.5
is_student = True

print("Name:", name)
print("Age:", age)
print("Height:", height, "cm")
print("Is student:", is_student)

課堂練習：變數與資料型態

• 練習1：定義自己的變數，並輸出基本個人資料（如姓名、年齡、學校名稱等）。

# 定義變數並賦值
name = "jason"
age = 18
school_name = "Zhensheng High School"
major = "Electronic Equipment Maintenance"

# 輸出個人資料
print("姓名:", name)
print("年齡:", age)
print("學校名稱:", school_name)
print("專業:", major)

• 練習2：計算兩個數字的和、差、積、商，並輸出結果。

# 輸入兩個數字
num1 = float(input("請輸入第一個數字: "))
num2 = float(input("請輸入第二個數字: "))

# 計算和、差、積、商
sum_result = num1 + num2
difference_result = num1 - num2
product_result = num1 * num2
quotient_result = num1 / num2

# 輸出計算結果
print("兩個數字的和是:", sum_result)
print("兩個數字的差是:", difference_result)
print("兩個數字的積是:", product_result)
print("兩個數字的商是:", quotient_result)

Python 基本運算介紹

• Python 提供了多種基本運算符，這些運算符可以用來執行數學計算和邏輯運算。以下是 Python 中常用的基本運算符及其功能介紹。

數學運算符

運算符	描述	例子	結果
+	加法	3 + 5	8
-	減法	10 - 4	6
*	乘法	7 * 6	42
/	除法	8 / 2	4.0
//	整數除法	9 // 4	2
%	取餘數	10 % 3	1
**	指數運算	2 ** 3	8

# 數學運算示例
a = 10
b = 3

加法 = a + b          # 10 + 3
減法 = a - b          # 10 - 3
乘法 = a * b          # 10 * 3
除法 = a / b          # 10 / 3
整數除法 = a // b     # 10 // 3
取餘數 = a % b        # 10 % 3
指數運算 = a ** b     # 10 ** 3

print("加法:", 加法)
print("減法:", 減法)
print("乘法:", 乘法)
print("除法:", 除法)
print("整數除法:", 整數除法)
print("取餘數:", 取餘數)
print("指數運算:", 指數運算)

邏輯運算符

運算符	描述	例子	結果
and	邏輯與	True and False	False
or	邏輯或	True or False	True
not	邏輯非	not True	False

# 邏輯運算示例
x = True
y = False

邏輯與 = x and y          # True and False
邏輯或 = x or y           # True or False
邏輯非 = not x            # not True

print("邏輯與:", 邏輯與)
print("邏輯或:", 邏輯或)
print("邏輯非:", 邏輯非)

比較運算符

運算符	描述	例子	結果
==	相等	5 == 5	True
!=	不相等	5 != 3	True
>	大於	5 > 3	True
<	小於	5 < 3	False
>=	大於或等於	5 >= 5	True
<=	小於或等於	3 <= 5	True

# 比較運算示例
x = 5
y = 3

相等 = (x == y)         # 5 == 3
不相等 = (x != y)       # 5 != 3
大於 = (x > y)          # 5 > 3
小於 = (x < y)          # 5 < 3
大於等於 = (x >= 5)     # 5 >= 5
小於等於 = (y <= 5)     # 3 <= 5

print("相等:", 相等)
print("不相等:", 不相等)
print("大於:", 大於)
print("小於:", 小於)
print("大於等於:", 大於等於)
print("小於等於:", 小於等於)

Python 中的 += 運算符

• += 是 Python 中的一種增量賦值運算符，它的主要作用是將變量的當前值與右側的值相加，然後將結果賦值給左側的變量。這是一個簡潔的方式來執行加法並更新變量的值。

x += y

• 這相當於：

x = x + y

• 使用範例

# 初始化變量
x = 10
y = 5

# 使用 += 運算符
x += y  # 等同於 x = x + y

print("x 的新值:", x)  # 輸出: x 的新值: 15

• 特點
  • += 運算符可以用於數字類型，也可以用於其他可加的數據類型，如字串和列表。
  • 當用於字串時，+= 將兩個字串連接起來。
  • 當用於列表時，+= 將右側列表的元素添加到左側列表中。

# 字串範例
name = "Alice"
name += " Smith"  # 等同於 name = name + " Smith"

print("完整名稱:", name)  # 輸出: 完整名稱: Alice Smith

• 列表範例

# 列表範例
numbers = [1, 2, 3]
numbers += [4, 5]  # 等同於 numbers = numbers + [4, 5]

print("更新後的列表:", numbers)  # 輸出: 更新後的列表: [1, 2, 3, 4, 5]

第二部分：控制結構（75分鐘）

條件判斷結構

• if、else if、else結構
• 巢狀條件判斷
  是指在一個條件判斷語句內部再包含其他條件判斷語句。這樣的結構使得程式能夠處理更複雜的邏輯判斷。

# 輸入年齡和身高
age = int(input("請輸入年齡: "))
height = float(input("請輸入身高（以公尺為單位）: "))

# 根據年齡判斷
if age >= 18:
    # 如果年齡大於等於18，進行身高判斷
    if height >= 1.7:
        print("您符合參加成人體育活動的條件。")
    else:
        print("您的身高不符合參加成人體育活動的條件。")
else:
    print("您不符合參加成人體育活動的年齡條件。")

範例程式：條件判斷

# 範例2：判斷年齡並給予不同回應
age = int(input("輸入您的年齡: "))
if age < 18:
    print("你是未成年人。")
elif age >= 18 and age < 65:
    print("你是一個成年人了。")
else:
    print("你是一位老年人。")

迴圈結構

• for迴圈
• while迴圈
• 迴圈控制：break與continue

範例程式：迴圈的應用

# 範例3：計算1到10的總和
total = 0
for i in range(1, 11):
    total += i
print("1 到 10 的數字總和為:", total)

# 範例4：使用while迴圈進行猜數字遊戲
secret_number = 7
guess = 0
while guess != secret_number:
    guess = int(input("猜數字（1-10）: "))
    if guess < secret_number:
        print("太低!")
    elif guess > secret_number:
        print("太高了!")
    else:
        print("恭喜！你猜對了！")

課堂練習：控制結構

• 練習3：根據輸入的分數，判斷學生的成績等級（A、B、C、D、F）。

# 輸入學生分數
score = int(input("請輸入學生的分數（0-100之間）: "))

# 判斷成績等級
if score >= 90:
    grade = "A"
elif score >= 80:
    grade = "B"
elif score >= 70:
    grade = "C"
elif score >= 60:
    grade = "D"
else:
    grade = "F"

# 輸出成績等級
print("學生的成績等級是:", grade)

• 練習4：使用for或while迴圈，設計一個程序，輸出1到100之間所有的偶數。
  • 使用 for 迴圈

# 使用for迴圈輸出1到100之間所有的偶數
print("1到100之間的偶數有：")
for i in range(2, 101, 2):
    print(i)

• 使用 while 迴圈

# 使用while迴圈輸出1到100之間所有的偶數
print("1到100之間的偶數有：")
num = 2
while num <= 100:
    print(num)
    num += 2

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第二週：進階函數設計

在這一週的課程中，我們將深入探討 Python 中的進階函數設計，包括以下主題：

1. 函數定義與參數傳遞

• 函數定義
  • 使用 def 關鍵字來定義函數。
  • 函數可以接受參數，並返回值。
• 範例

def greet(name):
    return f"Hello, {name}!"

print(greet("Alice"))  # 輸出: Hello, Alice!

• 參數傳遞
  • 位置參數：根據位置傳遞的參數。
  • 關鍵字參數：通過指定參數名稱來傳遞的參數。
  • 默認參數：可以為參數設置默認值。
  • 可變參數：使用 *args 和 **kwargs 來接收可變數量的參數。
    • *args 用於接收 任意數量的 位置參數。
    • 當函數被調用時，所有的位置參數都會被收集到一個元組中。
    • **kwargs 用於接收 任意數量的 關鍵字參數。
    • 當函數被調用時，所有的關鍵字參數會被收集到一個字典中。
• 範例

def add(a, b=0):
    return a + b

print(add(5, 3))  # 輸出: 8
print(add(5))     # 輸出: 5

def print_info(*args, **kwargs):
    print("位置參數:", args)
    print("關鍵字參數:", kwargs)

print_info(1, 2, 3, name="Alice", age=25)

• 在上述 print_info 函數的呼叫中：

• 位置參數 1, 2, 3 被收集到元組 args 中，輸出為 (1, 2, 3)。

• 關鍵字參數 name="Alice" 和 age=25 被收集到字典 kwargs 中，輸出為 {'name': 'Alice', 'age': 25}。

• 函數列表操作練習
  以列表作為參數，輸出指定值。

def find_max(numbers):
    return max(numbers)

print(find_max([1, 5, 3, 8, 2]))

• 函數數學運算練習
  以列表作為參數，計算後輸出指定值。

def calculate_average(numbers):
    return sum(numbers) / len(numbers)

print(calculate_average([1, 2, 3, 4, 5])) 

2. 遞迴（Recursion）的概念與應用

• 遞迴概念
  • 遞迴是函數調用自身的過程。
    通常用於解決可以分解為相同子問題的問題。
  • 遞迴範例：計算階乘

def factorial(n):
    if n == 0:
        return 1
    else:
        return n * factorial(n - 1)

print(factorial(5))  # 輸出: 120

執行流程

呼叫 factorial(5): 程式碼先呼叫 factorial 函數，並將 5 作為參數傳遞。
執行 if n == 0:: 由於 n 不等於 0，因此執行 else 程式碼區塊。
遞迴呼叫: 程式碼執行 return n * factorial(n - 1)，即 5 * factorial(4)。
遞歸呼叫 factorial(4): 程式碼再次呼叫 factorial 函數，並將 4 作為參數傳遞。
遞歸呼叫 factorial(3): 由於 n 不等於 0，程式碼再次遞迴呼叫 factorial(3)。
遞歸呼叫 factorial(2): 同樣，程式碼遞歸呼叫 factorial(2)。
遞歸呼叫 factorial(1): 程式碼遞歸呼叫 factorial(1)。
遞歸呼叫 factorial(0): 最後，程式碼遞歸呼叫 factorial(0)。
傳回基線值: 由於 n 等於 0，factorial(0) 傳回 1。
回溯計算: 程式碼逐層回溯，計算 1 * 1 = 1、2 * 1 = 2、3 * 2 = 6、4 * 6 = 24、5 * 24 = 120。
最終結果: 最終，factorial(5) 返回 120，並列印輸出結果。

• 遞迴應用
  • 遞迴常用於數據結構（如樹和圖）的遍歷。
  • 確保每次遞迴都有明確的終止條件，以避免無窮遞迴。

3. 函數重載與匿名函數

• 函數重載
  Python 不支持傳統的函數重載，但可以通過可變參數來模擬。
• 範例

def multiply(a, b=1):
    return a * b

print(multiply(2, 3))  # 輸出: 6
print(multiply(5))     # 輸出: 5

執行流程

定義函數: 程式碼首先定義了 multiply 函數，它接受兩個參數，並傳回它們的乘積。
第一次呼叫: 程式碼呼叫 multiply 函數，傳遞參數 2 和 3，函數傳回 6，並列印列印輸出結果。
第二次呼叫: 程式碼呼叫 multiply 函數，只傳遞參數 5，由於 b 是可選參數，使用預設值 1，函數傳回 5，並列印輸出結果。

• 匿名函數（Lambda 函數）
  使用 lambda 關鍵字定義的匿名函數，通常用於簡單的函數。
• 範例

# 定義一個匿名函數
add = lambda x, y: x + y

print(add(3, 5))  # 輸出: 8

# 使用匿名函數進行排序
pairs = [(1, 2), (3, 1), (5, 0)]
sorted_pairs = sorted(pairs, key=lambda pair: pair[1])

print(sorted_pairs)  # 輸出: [(5, 0), (3, 1), (1, 2)]

執行流程

初始狀態: pairs 清單包含三個元組：(1, 2)、(3, 1) 和 (5, 0)。

排序依據: sorted() 函數使用匿名函數 lambda pair: pair[1] 作為排序依據，它會取得每個元組的第二個元素。

排序過程:

首先，sorted() 函數會比較 (1, 2) 和 (3, 1) 的第二個元素，即 2 和 1。由於 1 小於 2，因此 (3, 1) 會排在 (1, 2) 之前。
接著，sorted() 函數會比較 (3, 1) 和 (5, 0) 的第二個元素，即 1 和 0。由於 0 小於 1，因此 (5, 0) 會排在 (3, 1) 之前。
最後，sorted() 函數會比較 (1, 2) 和 (5, 0) 的第二個元素，即 2 和 0。由於 0 小於 2，因此 (5, 0) 會排在 (1, 2) 之前。
排序結果: 最終，sorted_pa​​irs 清單包含三個元組，依照第二個元素從小到大排序：[(5, 0), (3, 1), (1, 2)]。

• 總結
  本週我們學習了如何定義函數、傳遞參數、遞迴的概念及其應用，以及函數重載和匿名函數的使用。

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第三週：資料結構介紹

陣列（Array）與串列（List）的進階操作
鏈結串列（Linked List）的基本概念與實作
目標：

• 理解陣列和串列的進階操作，並能應用於程式設計中。
• 掌握鏈結串列的基本概念，並能實作簡單的鏈結串列。

課程大綱：

1. 陣列與串列的進階操作

1.1 陣列

• 二維陣列

  • 概念： 二維陣列可以想像成表格，由多個一維陣列組成，每個一維陣列代表表格的一行。
  • 建立： 在程式中，可以使用巢狀迴圈建立二維陣列，例如：
    ​​​​​​​​# 建立一個 3x4 的二維陣列
    ​​​​​​​​array = [[0 for _ in range(4)] for _ in range(3)]
    

  • 存取： 使用兩個索引值存取二維陣列中的元素，例如：
    ​​​​​​​​# 存取二維陣列中的元素
    ​​​​​​​​element = array[1][2]
    

  • 操作： 可以在二維陣列中進行各種操作，例如：
    • 遍歷所有元素：使用巢狀迴圈遍歷所有元素。
    • 計算元素總和：使用巢狀迴圈計算所有元素的總和。
    • 搜尋特定元素：使用巢狀迴圈搜尋特定元素。

• 陣列排序

  • 概念： 陣列排序是指將陣列中的元素按照特定順序排列。
  • 常見排序演算法：
    • 冒泡排序： 逐一比較相鄰元素，交換位置，直到所有元素都排序完成。
    • 插入排序： 將未排序的元素逐一插入已排序的元素中，直到所有元素都排序完成。
    • 選擇排序： 找出未排序元素中最小的元素，並與第一個未排序元素交換位置，直到所有元素都排序完成。
  • 實作： 使用程式碼實作上述排序演算法，並比較不同演算法的效率。

• 陣列搜尋

  • 概念： 陣列搜尋是指在陣列中查找特定元素。
  • 常見搜尋演算法：
    • 線性搜尋： 逐一比較陣列中的元素，直到找到目標元素或遍歷完所有元素。
    • 二元搜尋： 適用於已排序的陣列，每次將搜尋範圍縮減一半，直到找到目標元素或搜尋範圍為空。
  • 實作： 使用程式碼實作上述搜尋演算法，並比較不同演算法的效率。

1.2 串列

• 串列的增刪改查操作

  • 增： 在串列中新增元素，例如：
    ​​​​​​​​# 在串列的末尾新增元素
    ​​​​​​​​list.append(element)
    ​​​​​​​​# 在串列的特定位置新增元素
    ​​​​​​​​list.insert(index, element)
    

  • 刪： 從串列中刪除元素，例如：
    ​​​​​​​​# 刪除串列中的特定元素
    ​​​​​​​​list.remove(element)
    ​​​​​​​​# 刪除串列中特定位置的元素
    ​​​​​​​​del list[index]
    

  • 改： 修改串列中元素的值，例如：
    ​​​​​​​​# 修改串列中特定位置的元素值
    ​​​​​​​​list[index] = new_value
    

  • 查： 查詢串列中元素的值，例如：
    ​​​​​​​​# 查詢串列中特定位置的元素值
    ​​​​​​​​value = list[index]
    

• 串列的應用

  • 佇列： 遵循先進先出 (FIFO) 的原則，例如：
    • 顧客排隊等待服務。
    • 處理任務的順序。
  • 堆疊： 遵循後進先出 (LIFO) 的原則，例如：
    • 函式呼叫的堆疊。
    • 瀏覽器歷史記錄。

2. 鏈結串列

2.1 鏈結串列的概念

• 定義： 鏈結串列是一種線性資料結構，由一系列節點組成，每個節點包含資料域和指標域。指標域指向下一個節點，形成一個鏈結。
• 節點： 鏈結串列的節點通常包含兩個部分：
  • 資料域： 儲存實際的資料。
  • 指標域： 指向下一個節點的指標。

2.2 鏈結串列的實作

• 建立鏈結串列：

  • 首先，定義一個節點類別，包含資料域和指標域。
  • 然後，建立一個頭節點，作為鏈結串列的起始點。
  • 隨後，根據需要，建立新的節點，並將其插入到鏈結串列中。

• 插入節點：

  • 找到要插入節點的位置。
  • 建立一個新的節點，並將其資料域設定為要插入的資料。
  • 將新節點的指標域指向要插入位置的下一個節點。
  • 將要插入位置的前一個節點的指標域指向新節點。

• 刪除節點：

  • 找到要刪除的節點。
  • 將要刪除節點的前一個節點的指標域指向要刪除節點的下一個節點。
  • 將要刪除的節點從記憶體中釋放。

3. 課堂練習

• 設計一個程式，利用陣列儲存學生的成績，並計算平均成績。
• 設計一個程式，利用串列儲存待辦事項，並提供新增、刪除、修改和查詢功能。
• 實作一個簡單的鏈結串列，並進行插入和刪除節點的操作。

4. 課後作業

• 實作一個程式，利用二維陣列儲存棋盤，並設計一個簡單的棋盤遊戲。
• 實作一個程式，利用串列儲存一個購物清單，並提供新增、刪除、修改和查詢功能。
• 實作一個鏈結串列，並設計一個函式，用於判斷鏈結串列中是否存在重複的節點。

第四週：物件導向設計（OOP）基礎

類別與物件
封裝（Encapsulation）、繼承（Inheritance）、多型（Polymorphism）

第五週：物件導向設計（OOP）進階

抽象類別與介面（Interface）
多重繼承與組合

第六週：檔案處理

檔案讀寫的基本操作
二進位檔案與文字檔案處理

第七週：例外處理與除錯

例外處理機制（try, catch, finally）
常見錯誤除錯技巧

第八週：期中考試準備與複習

回顧與練習，準備期中考試

第九週：期中考試

第十週：演算法入門

常見演算法介紹（排序、搜尋）
時間複雜度與空間複雜度的概念

第十一週：排序演算法

泡沫排序（Bubble Sort）、選擇排序（Selection Sort）、插入排序（Insertion Sort）
演算法的實作與比較

第十二週：搜尋演算法

線性搜尋（Linear Search）與二元搜尋（Binary Search）
搜尋演算法的實作與應用

第十三週：資料結構進階

堆疊（Stack）與佇列（Queue）
樹狀結構（Tree）與二元樹（Binary Tree）

第十四週：圖形使用者介面（GUI）程式設計入門

GUI 基本概念
事件驅動程式設計

第十五週：進階GUI設計

視窗小工具（如按鈕、文字框、選單等）的使用
GUI專案的實作與展示

第十六週：專案開發與團隊合作

小組專案設計與開發
版本控制系統（如Git）的基本使用

第十七週：期末專案展示

小組專案展示與同儕互評
專案優化與報告準備

第十八週：期末考試與總結

期末考試
課程總結與未來學習建議