Python 語言與應(yīng)用

廣東省深圳市羅湖區(qū)教育科學(xué)研究院 宗 艷

一、什么是Python

Python 由荷蘭數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究學(xué)會(huì)的吉多·范羅蘇姆于1990 年初設(shè)計(jì)。吉多最初的設(shè)計(jì)理念是想設(shè)計(jì)出一款既簡單又功能強(qiáng)大的語言，還能簡單有效地面向?qū)ο缶幊?。事?shí)證明，Python 確實(shí)如此。Python 是解釋型語言，兼容性好，能在多個(gè)平臺(tái)使用，而且簡單易學(xué)。近年來，隨著版本的不斷更新和語言新功能的添加，Python 逐漸被用于獨(dú)立的、大型項(xiàng)目的開發(fā)。

從權(quán)威的Tiobe2022 年發(fā)布的最新編程排行榜可以看到，Python 在2021 年、2022 年連續(xù)兩年名列編程排行榜第一名，位列其后的是C、Java、C++等。Python 已是目前最熱門的編程語言。

Python 現(xiàn)在如此受歡迎，但是過去多年卻并非如此。通過7 種受歡迎的編程語言近25 年的排行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們可以看到各大編程語言的起伏路徑。編程語言歷年排行統(tǒng)計(jì)如圖1 所示。

圖1

從圖1 可以看到，在1997 年時(shí)Python 排名是第28位。那么，25 年時(shí)間躍升至排行榜第一位，原因是什么？為何會(huì)有如此大的反差呢？

通過對(duì)Python 的學(xué)習(xí)和使用，我們可以概括出兩個(gè)原因。其一，Python 為追求簡單易用，隱藏了機(jī)器實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，這使Python 對(duì)電腦配置有很高的要求，這與當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)相違背。在資源有限的情況下，當(dāng)時(shí)的程序員更加關(guān)注計(jì)算機(jī)資源利用的最大化，而不是語言是否易入門、易閱讀，因此最初 Python 只是一種小眾編程語言。其二，當(dāng)今AI 技術(shù)及其應(yīng)用備受關(guān)注，迎來一波熱潮，Python 的模塊化使得AI 的開發(fā)變得容易。2011 年后人工智能進(jìn)入蓬勃發(fā)展期，先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)逐漸成熟并應(yīng)用于社會(huì)生活，Python 在人工智能領(lǐng)域大展拳腳。2021 年SlashData 發(fā)布的調(diào)查顯示，有70% 的機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)者會(huì)使用Python。在人工智能領(lǐng)域，開發(fā)者更需要集中精力在程序邏輯而不是語言實(shí)現(xiàn)，Python 的簡單哲學(xué)、豐富的三方庫和框架、不依賴平臺(tái)的特性及龐大的社區(qū)人群構(gòu)建了一個(gè)最適宜的高效開發(fā)環(huán)境，Python得以廣泛應(yīng)用。另外，創(chuàng)客文化的盛行也為Python 的流行推波助瀾。

二、支持Python 的硬件開發(fā)板

軟件需要靠硬件來實(shí)現(xiàn)其功能。隨著Python 的日漸普及，除了面向電腦的Python 語言以外，針對(duì)單片機(jī)開發(fā)板的Micropython 語言版本也被開發(fā)出來。Micropython 與Python 的語法基本一致，而對(duì)應(yīng)這兩種語言的開發(fā)板也相繼出現(xiàn)。

（一）支持Micropython 的開發(fā)板

目前支持Micropython 的開發(fā)板主要有以下幾種：

1.Pyboard

Pyboard 由官方開發(fā)，是支持完整 MicroPython 軟件功能的官方微控制器開發(fā)板。它通過USB 連接到電腦，內(nèi)置一個(gè)USB 閃存來保存 Python 程序，接通電源即可運(yùn)行。Pyboard 與 Windows、Mac 和 Linux 兼容，但國內(nèi)比較少見，使用的人較少。

2.Tpyboard

Tpyboard 是國內(nèi)開發(fā)的一款支持Micropython 的開發(fā)板，以遵照MIT 許可為基礎(chǔ)。它基于單片機(jī)，通過USB 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該開發(fā)板內(nèi)置4 個(gè)LED 燈、一個(gè)加速傳感器，可在3V～10V 之間的電壓正常工作，有豐富的支持文檔和開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用比較廣泛。

3.掌控板

這是另一款國內(nèi)開發(fā)的支持Micropython 的開發(fā)板，板上集成了Wi-Fi 模塊、顯示器、環(huán)境光感應(yīng)器、音量感應(yīng)器、喇叭等，不需外接多個(gè)器件就可以完成許多實(shí)驗(yàn)。掌控板在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用上比較有優(yōu)勢(shì)。

（二）支持Python 的開發(fā)板

直接支持Python 的開發(fā)板主要有：

1.樹莓派

樹莓派(Raspberry Pi）， 是為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)。樹莓派是只有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux。樹莓派接口豐富，特別適合用來開發(fā)與人工智能相關(guān)的產(chǎn)品。

2.Jetson Nano

Jetson Nano 是英偉達(dá)公司研制的一款性能強(qiáng)大、體積小巧的智能芯片，其配備了四核處理芯片，能夠運(yùn)行多種算法和AI 框架，支持多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行實(shí)現(xiàn)圖像分類、人臉識(shí)別、語音處理、目標(biāo)檢測(cè)及物體識(shí)別追蹤等，適用于開發(fā)小結(jié)構(gòu)、低成本、低能耗的設(shè)備。

三、Python 語言應(yīng)用案例——基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)

Python 語言目前在我國中小學(xué)人工智能教育中的運(yùn)用已呈燎原之勢(shì)。

“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”由深圳市一所中學(xué)的學(xué)生設(shè)計(jì)制作完成，作品基于Python 語言，是一款可用于食堂、超市等大型人流場(chǎng)所的智能結(jié)算設(shè)備。該項(xiàng)目在2019 年獲得廣東省青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng)，是一項(xiàng)非常優(yōu)秀的科技創(chuàng)新成果。

（一）項(xiàng)目的語言設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目在參加省賽之前需要經(jīng)過深圳市青少年科技創(chuàng)新大賽的選拔。參加市賽時(shí)作品用的是Arduino C 語言。在市賽階段，作者就發(fā)現(xiàn)機(jī)器視覺識(shí)別率低，識(shí)別速度太慢且容易出錯(cuò)，導(dǎo)致結(jié)算效率低；所用硬件因?yàn)槭艿剿懔Φ南拗疲直媛室驳?。因此在確定被推薦將參加省賽時(shí)，作者對(duì)硬件和軟件都進(jìn)行了升級(jí)——硬件平臺(tái)更換成Jetson Nano ，軟件更換成Python。這樣，Python的優(yōu)越性就充分展示出來了：

(1）使用Python 加Jetson Nano 的組合后，運(yùn)用了YOLOv4 的算法，支持的硬件更強(qiáng)大，識(shí)別率由原來的75%提升到95%左右,而且識(shí)別速度得到提高，分辨的效率提高了3 倍。

(2）算力提升以后，系統(tǒng)的訓(xùn)練時(shí)間大幅度縮減。以前訓(xùn)練認(rèn)識(shí)一個(gè)物體可能要1 分鐘，新設(shè)備大概只要20 秒，極大地節(jié)約了時(shí)間成本。

(3）Python 支持更高分辨率的攝像頭。原先的Arduino 只支持320×240 分辨率的設(shè)備，現(xiàn)在可以支持1280×960 的設(shè)備，這樣可采集的信息更多，對(duì)物品識(shí)別的正確率也得到提高。

使用 Python 完成項(xiàng)目功能后，項(xiàng)目的識(shí)別率、結(jié)算速度得到極大的提升，能夠順利、高效地完成智能結(jié)算工作。作品在參加省賽的現(xiàn)場(chǎng)展示中，表現(xiàn)優(yōu)異。

（二）項(xiàng)目的功能設(shè)計(jì)

經(jīng)過多次的項(xiàng)目方案分析及試驗(yàn)，“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”項(xiàng)目最終確定由放置物品、對(duì)比數(shù)據(jù)庫、結(jié)算物品價(jià)格、識(shí)別人臉、對(duì)比數(shù)據(jù)庫、扣費(fèi)并播報(bào)、完成結(jié)算七個(gè)技術(shù)流程實(shí)現(xiàn)智能結(jié)算功能。其中，在放置物品、識(shí)別人臉兩個(gè)程序判斷中，如果得到否定的指令(no）,工作流程將轉(zhuǎn)到深度學(xué)習(xí)、錄入數(shù)據(jù)庫階段，然后再轉(zhuǎn)為下一流程。“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”工作流程圖如圖2 所示。

圖2

（三）項(xiàng)目的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.項(xiàng)目的應(yīng)用

作為人口大國的中國，在超市、食堂排長隊(duì)結(jié)算的現(xiàn)象十分常見。排長隊(duì)等候消耗了購買者以及工作人員的大量時(shí)間，其中消耗時(shí)間最多的就是結(jié)算環(huán)節(jié)。因此，迫切需要一個(gè)有效的設(shè)備改進(jìn)結(jié)算慢的問題。作者在日常生活中通過汽車使用ETC 通道的案例得到靈感：ETC 通道相比普通人工收費(fèi)通道結(jié)算速度更快、通行效率更高。因此，學(xué)生產(chǎn)生了通過智能結(jié)算方式改善超市、食堂等結(jié)算慢這一情況的想法。

“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”項(xiàng)目運(yùn)用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，例如計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別、人臉識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)。硬件使用了Arduino 和Jetson Nano，傳送帶部分使用了光電傳感器，控制傳送帶的運(yùn)送與停止，同時(shí)避免過多用電。

“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”適合應(yīng)用于超市、食堂等人流量較大的商戶結(jié)算。機(jī)器在工作之前先對(duì)商品外觀形態(tài)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，在工作時(shí)對(duì)傳送帶上需要結(jié)算的流動(dòng)商品逐一進(jìn)行識(shí)別、計(jì)價(jià)，并且進(jìn)行語音播報(bào)，最后通過人臉識(shí)別(或者其他付款方式）進(jìn)行結(jié)算。

2.項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)

“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”對(duì)比現(xiàn)有的各類結(jié)算方式，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

與傳統(tǒng)的人工結(jié)算相比，“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”的優(yōu)點(diǎn)有：

(1）結(jié)算速度快，不需要等待人工計(jì)算結(jié)果；

(2）結(jié)算結(jié)果準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，極大地保障了購買者和商家的利益；

(3）支付方式多樣，支持人臉識(shí)別。

與現(xiàn)在已有的智能結(jié)算設(shè)備相比，“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”的優(yōu)點(diǎn)：不需要尋找條形碼，由系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別商品，方便視力不佳人士。

3.項(xiàng)目的展望

對(duì)于“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”，作者未來將繼續(xù)開展研究，提高機(jī)器的識(shí)別準(zhǔn)確率，持續(xù)完善設(shè)備，不斷優(yōu)化，迭代升級(jí)。

“基于Jetson Nano 的智能結(jié)算系統(tǒng)”目前已經(jīng)申請(qǐng)了專利，作者和輔導(dǎo)老師希望在對(duì)項(xiàng)目進(jìn)一步改進(jìn)完善后，能夠推向市場(chǎng)，以探索基礎(chǔ)教育階段的“創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”教育實(shí)質(zhì)，真正實(shí)現(xiàn)雙創(chuàng)精神。

四、新課標(biāo)背景下Python 的學(xué)習(xí)模式

Python 語言與人工智能(AI）緊密聯(lián)系。AI 技術(shù)已經(jīng)滲透到生活的方方面面，從智能手機(jī)的語音助手到網(wǎng)上購物時(shí)的商品推薦，無一不用到人工智能技術(shù)。而Python 也已經(jīng)逐步在網(wǎng)絡(luò)爬蟲、數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、金融、測(cè)試等多個(gè)領(lǐng)域扎根壯大。

（一）Python 學(xué)習(xí)體現(xiàn)新課標(biāo)的核心素養(yǎng)

新課標(biāo)全面貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹人的教育根本任務(wù)，注重素質(zhì)教育。信息科技新課標(biāo)明確了需要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)包括信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面，期望通過信息科技課程學(xué)習(xí)讓學(xué)生形成正確的價(jià)值觀、必備品格及關(guān)鍵能力。

(1）Python 學(xué)習(xí)能夠培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)。學(xué)生通過Python 學(xué)習(xí)，能具有一定的信息感知力，熟悉信息傳遞的內(nèi)在邏輯；能根據(jù)目標(biāo)導(dǎo)向找尋有效的數(shù)字平臺(tái)與資源解決問題，并崇尚科學(xué)精神、原創(chuàng)精神。同時(shí)，能培養(yǎng)學(xué)生掌握核心技術(shù)的意識(shí)，以及依法合理應(yīng)用信息的意識(shí)。

(2）Python 學(xué)習(xí)有助于學(xué)生計(jì)算思維的養(yǎng)成。在學(xué)習(xí)Python 的過程中，學(xué)生能夠熟悉計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的抽象、分解、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)，在面對(duì)具體問題時(shí)，可以進(jìn)行抽象、分解、建模并通過算法解決問題，同時(shí)培養(yǎng)反思、優(yōu)化能力。

(3）Python 學(xué)習(xí)提升學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。學(xué)生通過Python 學(xué)習(xí)學(xué)會(huì)選用合適的數(shù)字設(shè)備、平臺(tái)及資源，學(xué)會(huì)探究性學(xué)習(xí)；養(yǎng)成利用信息科技進(jìn)行學(xué)習(xí)與生活的習(xí)慣，能夠創(chuàng)造性地解決問題。

(4）Python 學(xué)習(xí)能增強(qiáng)學(xué)生信息社會(huì)責(zé)任感。通過Python 學(xué)習(xí)，學(xué)生能理解信息科技給學(xué)習(xí)、生活帶來的各種影響，學(xué)會(huì)負(fù)責(zé)任地共享信息和資源；領(lǐng)悟網(wǎng)絡(luò)空間是人類活動(dòng)空間的有機(jī)組成部分，網(wǎng)絡(luò)空間活動(dòng)必須遵守一定的秩序，繼而形成良好的信息道德品質(zhì)，增強(qiáng)信息社會(huì)責(zé)任感。

（二）新課標(biāo)背景下Python 的學(xué)習(xí)模式

新課標(biāo)背景下Python 的學(xué)習(xí)活動(dòng)以素養(yǎng)提升為目標(biāo)，以真實(shí)情境為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)心智學(xué)習(xí)和實(shí)踐的協(xié)同發(fā)展。為了體現(xiàn)新課標(biāo)要求，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是Python 學(xué)習(xí)活動(dòng)的最適切形式。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種任務(wù)驅(qū)動(dòng)的特定教學(xué)模式，它注重的不僅僅是項(xiàng)目的最終結(jié)果，也包括學(xué)生通過學(xué)習(xí)活動(dòng)獲取知識(shí)及技能的方法。

新課標(biāo)背景下Python 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建包括以下幾個(gè)方面：

1. Python 課程目標(biāo)構(gòu)建

在Python 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建中，首先就是要對(duì)課程目標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建。明確了課程目標(biāo)的要求，才能在教育工作中科學(xué)地實(shí)施對(duì)策，將新課程標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)。

2. Python 課程體系構(gòu)建

在Python 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建中，為了保證教學(xué)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該進(jìn)行有效的課程體系構(gòu)建。及時(shí)有效地構(gòu)建Python 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)課程體系，才能保障教育工作朝著預(yù)期目標(biāo)發(fā)展。

3. Python 課程評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

在Python 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)模式構(gòu)建中，應(yīng)對(duì)課程評(píng)價(jià)體系進(jìn)行科學(xué)有效的構(gòu)建，使教學(xué)評(píng)價(jià)可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)要求及時(shí)進(jìn)行教學(xué)反饋，切實(shí)地為教育工作服務(wù)。