《Python與科學(xué)計算》課程教學(xué)大綱

《Python與科學(xué)計算》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱Python與科學(xué)計算PythonScientificComputing課程編碼CTL120121020開課院部控制科學(xué)與工程學(xué)院課程團(tuán)隊（未設(shè)置）學(xué)分2.0課內(nèi)學(xué)時32講授32實驗0上機(16)實踐0課外學(xué)時32適用專業(yè)自動化授課語言中文先修課程程序設(shè)計（C/C++）、線性代數(shù)、高等數(shù)學(xué)（2-1）、高等數(shù)學(xué)（2-2）、數(shù)學(xué)實驗、程序設(shè)計課程設(shè)計課程簡介（限選）Python是一種解釋性的高級語言，其語法嚴(yán)格而又簡潔，開發(fā)效率高，適合編程初者學(xué)習(xí)。Python能夠調(diào)用C、C++、Fortran等很多其他語言編譯的程序庫，又具備豐富的開源資源，已廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計算、服務(wù)器開發(fā)和工程領(lǐng)域。課程將結(jié)合自動化領(lǐng)域中的系統(tǒng)建模、分析、仿真、信號分析以及數(shù)據(jù)和圖像處理問題，講授如何使用Python實現(xiàn)相關(guān)的科學(xué)計算方法。在講授數(shù)組、繪圖和符號運算等科學(xué)計算基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，重點講授代數(shù)方程組求解、常微分方程求解、信號處理與分析、數(shù)據(jù)與圖像處理基礎(chǔ)4個方面的內(nèi)容。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握Python的開發(fā)技術(shù)，并用于專業(yè)相關(guān)數(shù)學(xué)問題的求解。課程將數(shù)學(xué)方法與程序開發(fā)相結(jié)合，著重培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)知識和程序設(shè)計方法來解決自動化復(fù)雜工程問題的能力，為從事系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計、大數(shù)據(jù)和智能信息處理的后續(xù)學(xué)習(xí)與研究工作打下基礎(chǔ)。Pythonisanexplanatoryhigh-levellanguagewithstrictandconcisesyntaxandhighdevelopmentefficiency,whichissuitableforbeginnerstolearn.PythoncancalllibrariescompiledinmanyotherlanguagessuchasC,C++,andFortran,andhasrichopen-sourceresources.Ithasbeenwidelyusedinscientificcomputing,serverdevelopment,andengineering.ThecoursewillteachhowtousePythontoimplementrelevantscientificcomputingmethodsincombinationwithsystemmodeling,analysis,simulation,signalanalysis,anddataandimageprocessingproblemsinthefieldofautomation.Onthebasisofteachingbasicscientificcomputingknowledgesuchasvectors,matrix,plotting,andsymbolicoperation.Itfocusesonteachingalgebraicequationssolution,ordinarydifferentialequationssolution,signalprocessing,andanalysis,fouraspectsofdataandimageprocessingFoundation.Throughcourselearning,studentscanmasterPythondevelopmenttechnologyanduseittosolveprofessionalrelatedmathematicalproblems.Thecoursecombinesmathematicalmethodswithprogramdevelopment,focusingoncultivatingstudents'abilitytoapplymathematicalknowledgeandprogramdesignmethodstosolveautomatedcomplexengineeringproblems,inordertoengageinsystemmodeling,analysis,design,thefollow-upstudyandresearchworkofbigdataandintelligentinformationprocessinglaythefoundation.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號代號課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：掌握科學(xué)計算方法的基本方法，并用于求解系統(tǒng)建模、分析以及信號處理等自動化相關(guān)的數(shù)學(xué)問題。是1.21.22M2目標(biāo)2：掌握Python語言及程序設(shè)計方法，并能用于解決于自動化領(lǐng)域中建模、分析、仿真以及信號與圖像處理問題。是5.25.2三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式課外學(xué)時課外環(huán)節(jié)1第1章第1章Python簡介本章重點：Python語言的特點，運行Python程序的方法M2////21.11.1編程環(huán)境Python的版本及開發(fā)環(huán)境，運行及調(diào)試Python程序的方法。介紹控制臺運行、Jupyter以及編輯器集成開發(fā)環(huán)境中運行與調(diào)試的方法。M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機31.21.2Python語言特點Python語言的特點，包括代碼規(guī)范、基本語句、函數(shù)、對象等。M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機41.31.3Python在科學(xué)計算中的應(yīng)用常用的Python科學(xué)計算庫及功能，包括Numpy,Scipy,SymPy,Matplotlib,TensorFlow等。M21講授1自學(xué)/上機51.41.4軟件庫的安裝及使用軟件包的管理與使用方法，利用pip或conda安裝與卸載軟件包，通過import使用軟件庫。M21講授/上機1自學(xué)/上機6第2章第2章科學(xué)計算基礎(chǔ)本章重點難點：數(shù)學(xué)模型、數(shù)組、繪圖、符號運算M1,M2////72.12.1數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計算問題介紹常見的數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計算問題，包括線性代數(shù)方程組、非線性代數(shù)方程組、常微分方程與偏微分方程、最優(yōu)化、插值等；M1,M21講授1自學(xué)/上機82.22.2數(shù)組Python中的列表與Numpy數(shù)組，利用Python實現(xiàn)數(shù)組、向量、矩陣的操作與運算。M1,M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機92.32.3可視化Matplotlib庫的基本繪圖方法，包括曲線繪制、標(biāo)注以及坐標(biāo)軸設(shè)置等。M1,M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機102.42.4符號運算SymPy符號庫的使用，包括符號定義、基本運算方法、表達(dá)式的變換、符號與數(shù)值的轉(zhuǎn)化、數(shù)學(xué)符號的顯示等。M1,M22講授/上機2自學(xué)/上機11第3章第3章代數(shù)方程求解本章重點難點：一元高次方程求根、線性代數(shù)方程組求解、非線性代數(shù)方程組求解M1,M2////123.13.1一元高次方程求根與根軌跡一元高次方程的求根問題及方程求根在線性系統(tǒng)穩(wěn)定系分析和性能分析中的應(yīng)用。M1,M22講授/上機2自學(xué)/上機133.23.2線性代數(shù)方程組線性代數(shù)方程組的求解方法，包括矩陣的求逆、特征值計算方法及其在在線性系統(tǒng)平衡狀態(tài)、特征值計算中的應(yīng)用。M1,M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機143.33.3超定線性代數(shù)方程組與最小二乘超定線性代數(shù)方程組及最小二乘算法，線性時間序列模型的辨識。M1,M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機153.43.4非線性代數(shù)方程組雅可比矩陣、非線性代數(shù)方程組的數(shù)值求解方法，非線性系統(tǒng)的平衡狀態(tài)計算，非線性系統(tǒng)的線性化。M1,M22講授/上機2自學(xué)/上機16第4章第4章常微分方程求解介紹常微分方程及其在線性系統(tǒng)時域分析中的應(yīng)用。本章重點難點：高階線性微分方程和一階線性微分方程組的求解M1,M2////174.14.1常微分方程與動態(tài)系統(tǒng)動態(tài)系統(tǒng)的微分方程模型，微分方程的解與系統(tǒng)的運動軌跡，微分與積分的符號運算。M1,M21講授1自學(xué)/上機184.24.2高階線性微分方程利用拉氏變換求解高階線性微分方程。M1,M22講授/練習(xí)2自學(xué)/上機194.34.3一階線性微分方程組高階微分方程到一階微分方程組的轉(zhuǎn)化，矩陣的指數(shù)函數(shù)及狀態(tài)方程的解。M1,M22講授/上機2自學(xué)/上機204.44.4非線性微分方程組數(shù)值積分的歐拉法及其在非線性系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用。M1,M21講授/上機1自學(xué)/上機21第5章第5章信號處理與分析Python在信號處理以及頻域分析中的應(yīng)用。本章重點難點：典型信號、頻率特性與頻域分析的繪圖方法M1,M2////225.15.1典型信號及其拉氏變換控制系統(tǒng)中常用的信號，包括理想單位脈沖信號、階躍信號、斜坡信號、正弦信號。M1,M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機235.25.2卷積卷積積分與離散卷積，時間序列模型與卷積。M1,M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機245.35.3線性系統(tǒng)的頻率特性頻率特性的計算，截止頻率、穩(wěn)定裕度的計算。M1,M22講授/上機2自學(xué)/上機255.45.4頻域分析的繪圖方法典型環(huán)節(jié)的奈奎斯特圖、波特圖的繪制，近似對數(shù)頻率特性曲線繪制。M1,M22講授/上機2自學(xué)/上機265.55.5傅里葉分析信號的傅里葉變換、低通濾波器M1,M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機27第6章第6章數(shù)據(jù)與圖像處理基礎(chǔ)本章重點難點：數(shù)據(jù)加載與存儲、數(shù)據(jù)庫連接、OpenCV的使用M2////286.16.1數(shù)據(jù)加載與存儲從數(shù)據(jù)文件中加載與存儲數(shù)據(jù)，包括文本文件、json文件、excel文件等。M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機296.26.2數(shù)據(jù)庫連接與操作從主流數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫獲取與存儲數(shù)據(jù)M21講授/練習(xí)1自學(xué)/上機306.36.3圖像的加載與顯示利用OpenCV加載與顯示圖像。M20.5講授/上機1自學(xué)/上機316.46.3圖像的表示方法與基本操作圖像數(shù)據(jù)的數(shù)組表示，像素的訪問，及使用OpenCV完成圖像操作的基本方法。M21.5講授/上機1自學(xué)/上機四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)總評占比1平時作業(yè)1.針對每部分學(xué)習(xí)內(nèi)容布置作業(yè)。2.作業(yè)使用Python編程完成，提交程序及作業(yè)文檔。3.考核學(xué)生對電力拖動自動控制系統(tǒng)基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力題型主要有作圖、分析和計算題。40%2平時表現(xiàn)1.要求學(xué)生參與日常教學(xué)活動，如回答問題、隨堂測驗、討論等。2.要求學(xué)生在上機或在線完成Python編程。20%3大作業(yè)1.完成系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、信號處理、數(shù)據(jù)及圖像處理方面的大作業(yè)。2.要求使用Python編程計算，提交作業(yè)報告。40%五、評分細(xì)則序號課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時作業(yè)80%A-熟練掌握數(shù)學(xué)方法，并在自動化涉及的相關(guān)數(shù)學(xué)問題中靈活使用。B-較好地掌握數(shù)學(xué)方法，并應(yīng)用于自動化涉及的相關(guān)數(shù)學(xué)問題。C-基本掌握數(shù)學(xué)方法，能夠在指導(dǎo)下應(yīng)用數(shù)學(xué)方法解決自動化相關(guān)問題。D-對求解問題的數(shù)學(xué)方法不理解，不能應(yīng)用數(shù)學(xué)方法求解自動化相關(guān)的問題。2M1平時表現(xiàn)20%A-能夠積極思考老師提出的問題，課綱回答問題積極主動，參加討論活躍。B-能夠思考老師提出的問題，課綱回答問題較為主動，并主動參加討論。C-能夠跟上老師上課的節(jié)奏，參與課堂活動。D-上課不認(rèn)真聽講，不參加課堂的教學(xué)活動。3M2平時表現(xiàn)20%A-熟練掌握Python開發(fā)方法，獨立完成程序設(shè)計，代碼規(guī)范、效率高。B-較好地掌握Python開發(fā)方法，能夠完成程序設(shè)計工作，程序較為規(guī)范。C-基本掌握Python開發(fā)方法，基本完成程序設(shè)計工作。D-沒有掌握Python開發(fā)方法，不能獨立完成程序設(shè)計的任我。4M2大作業(yè)80%A-熟練使用Python解決控制系統(tǒng)建模、分析、仿真以及數(shù)據(jù)處理問題。B-較好地掌握Python在系統(tǒng)建模、分析、仿真及數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用方法。C-基本能夠使用Python解決自動化相關(guān)的數(shù)學(xué)問題。D-不能運用Python編程實現(xiàn)自動化相關(guān)問題的求解。評分等級說明：[A,B,C,D,E]=[90-100,80-89,70-79,60-69,0-59];[A,B,C,D]=[90-100,75-89,60-74,0-59];[A,B,C]=[90-100,75-89,60-74,0-59];[M,N]=[80-100,0-79]六、教材與參考資料序號教學(xué)參考資料明細(xì)1圖書|Python科學(xué)計算基礎(chǔ)教程,HemantKumarMeh