Plotting and Programming in Python: Вміст проєкту

Потрібна допомога

Ми додаємо вправи нижче для того, щоб план уроку зробити більш конкретним. Будемо вдячні за пропозиції (як у вигляді нових готових вправ, так і вигляді коментарів до вже існуючих).

Розділи, що використовуються

Поради Michael Pollan, якби він навчав програмування на R або Python:

1. Напишіть код.
2. Не надто багато.
3. Переважно сценарії.

— Michael Koontz

Цей урок розроблено з використанням скороченого варіанту розділу «Розуміння вмісту». Основні пункти:

1. Припущення щодо аудиторії, часу тощо. (У цьому пункті поточний проект містить деякі висновки і результати
   • вони повинні бути перероблені.)

2. Бажані результати: учні повинні розуміти загальні цілі та вміти робити підсумкові оцінки за півдня деталізація.

3. План уроку: кожен епізод має заголовок, який описує, що буде розглянуто, потім в дужках вказується час, необхідний на вивчення матеріалу та виконання навчальних вправ.

Етап 1: Припущення

• Аудиторія
  • Студенти багатьох спеціальностей від космології до археології
  • Хто обробляв дані в електронних таблицях, а також за допомогою інтерактивних інструментів, таких як SAS
  • Але не просунулися далі CPD (copy-paste-despair / копіював-вставив-впав в розпач)
• Обмеження
  • Один повний день 09:00-16:30
    • 06:15 заняття
    • 0:45 обід
    • 0:30 разом на дві перерви на каву
  • Учні використовують інстальоване програмне забезпечення на своїх комп’ютерах
    • Можуть використовувати віртуальні машини або хмарні ресурси на розсуд інструктора
    • Але необхідно опціонально зберегти інстальоване програмне забезпечення
  • Немає залежності від інших модулів Carpentry
    • Не вимагається знання системи керування версіями
  • Використовується Jupyter Notebook
    • Оригінальний інструмент, який використовують багато інструкторів
    • Насправді альтернативи просто немає
    • І це означає, що навіть люди, які вже трохи вивчали Python раніше, ймовірно, дізнаються щось нове
• Мотивуючий приклад
  • Створення двовимірних графіків, придатних для включення в документи
  • Приваблює майже всіх
  • Робить урок придатним для використання і в Data Carpentry, і в Software Carpentry
    • Це означає, що навіть люди, які вже трохи вивчили Python раніше, ймовірно, дізнаються щось нове
• Дані
  • Завжди використовуйте дані Gapminder
  • Розділяйте дані на декілька файлів в залежності від континенту
    • Щоб відображати результати із прикладів якісніше (наприклад, використовуйте Австралію/Нову Зеландію, тобто лише два рядки)
    • І дозвольте використання декількох наборів даних у прикладах
• Сфокусуйтеся на Pandas замість of NumPy
  • Зробіть урок придатним для використання і в Data Carpentry, і в Software Carpentry
  • Новачки, швидше за все, захочуть аналізувати дані
  • А користувачі з певним досвідом:
    • сприймуть аналіз даних як щось вже відоме,
    • але навряд вони стикалися з Pandas, тому вони все одно отримають від уроку щось корисне
• Завдання переважно не полягатимуть у «написати цей код з нуля»
  • Хочете багато коротких вправ, які можна надійно виконати за відведений час
  • Тож використовуйте MCQ, заповніть пропуски, проблеми Парсонса, «налаштуйте цей код» тощо.

Етап 2: Бажані результати

Питання

Як мені…

• …читати табличні дані?
• …побудувати вектор значень?
• …створити графік часових рядів?
• …створити свій графік для кожного набору даних?
• …отримати додаткові дані для побудови графіку з набору даних?
• …писати програми, які я можу читати та повторно використовувати в майбутньому?

Навички

Я зможу…

• …писати короткі сценарії, в яких будуть цикли та умовні оператори.
• …написати функції з фіксованою кількістю параметрів, які повертають єдиний результат.
• …імпортувати бібліотеки та звертатися до вмісту цих бібліотек.
• …повертати та форматувати дані за допомогою Pandas.

Визначення

Я дізнаюся…

• …що програма - це частина обладнання, яке виконує аналіз
  • Програму потрібно перевіряти/налагоджувати перед/під час використання
  • Аналіз програми потрібно робити відтворюваним, доступним для перегляду та обміну
• …що програми пишуться для людей, а не для комп’ютерів
  • Значущі імена змінної
  • Створення модулів для зручності читання та повторного використання
  • Відсутність дублювання
  • Призначення та використання документа
• …що немає магії: програми, що використовуються, нічим не відрізняються від тих, які створюються
• …як присвоїти значення змінним
• …що таке цілі числа, числа з плаваючою точкою, рядки, масиви NumPy і структури даних Pandas
• …як відстежити виконання циклу for
• …як відстежити виконання операторів if/else
• …як створити та індексувати списки
• …як створити та індексувати масиви NumPy
• …як створити та індексувати структури даних Pandas
• …як створити графіки часових рядів
• …яка різниця між призначенням і викликом функції
• …де знайти документацію про стандартні бібліотеки
• …як дізнатися, що пропонує Python для наукових досліджень

Етап 3: Навчальний план

Підсумкове оцінювання

• Проміжний результат: створення графіка часових рядів для кожного файлу в каталозі.
• Остаточний результат: повернути значення зі структури даних Pandas і створити порівняльний графік багаторядкового часового ряду.

Інтерактивний запуск і вихід з програми (9:00)

• Навчання: 15 хв (через проблеми з налаштуванням)
  • Запустіть Jupyter Notebook, створіть новий документ та вийдіть із Jupyter Notebook.
  • Створіть в блокноті комірки типу Markdown.
  • Створіть в блокноті комірки Python та виконайте їх.
• Завдання: 0 хв (враховується в навчальний час - без окремої вправи)
  • Створіть список у Markdown
  • Що буде відображатися, якщо кілька виразів помістити в одну клітинку?
  • Змініть існуючу клітинку з коду на Markdown
  • Візуалізація рівнянь у стилі LaTeX

Змінні та призначення (9:15)

• Навчання: 10 хв.
  • Напишіть програми, які присвоюють скалярні значення змінним і виконують обчислення з цими значеннями.
  • Правильно відстежуйте у програмах значення змінних, які використовують скалярне присвоєння.
• Завдання: 10 хв.
  • Відстеження виконання коду, що міняє місцями два значення за допомогою проміжної змінної.
  • Передбачення кінцевих значень змінних після виконання декількох призначень.
  • Що станеться при спробі присвоїти індекс?
  • Яке ім’я для змінної є кращим: m, min або minutes?
  • Що повертають наступні вирази?

Типи даних і перетворення типів (09:35)

• Навчання: 10 хв.
  • Поясніть ключові відмінності між цілими числами та числами з плаваючою комою.
  • Поясніть ключові відмінності між числами та символьними рядками.
  • Використовуйте вбудовані функції для перетворення цілих чисел, чисел з плаваючою комою та рядків.
• Завдання: 10 хв.
  • Який тип має вираз 3.4?
  • Який тип має вираз 3.25 + 4?
  • Який тип значення ви б використали для представлення:
    • Кількість днів, які пройшли з початку року.
    • Час, що минув з початку року.
    • тощо.
  • Як можна використовувати // (цілочисельне ділення) і % (за модулем)?
  • Що поверне функція int("3.4")?
  • Які значення набуде вираз, що розглядається, якщо використовувати float, int та string?
  • Яке значення виразу 1+2j + 3 слід очікувати?

Вбудовані функції та Довідка (09:55)

• Навчання: 15 хв.
  • Пояснення призначення функцій.
  • Правильно виклик вбудованих функції Python.
  • Правильне використання вкладених вбудованих функцій.
  • Використання Довідки для відображення документації про вбудовані функції.
  • Правильний опис ситуацій, в яких виникають помилки SyntaxError і NameError.
• Завдання: 10 хв.
  • Пояснення порядку дій у наступній ситуації.
  • Що поверне кожна вкладена комбінація функцій min та max?
  • Чому max та min не повертають None, якщо немає аргументів?
  • Беручи до уваги те, що ми вже виконали раніше, який індекс отримає останній символ у рядку?

Кава: 15 min (10:20)

Бібліотеки (10:35)

• Навчання: 10 хв.
  • Поясніть, що таке бібліотека та для чого програмісти їх створюють і використовують.
  • Пишіть програми, які імпортують і використовують стандартні бібліотеки Python.
  • Знаходьте та читайте документацію про стандартні бібліотеки в інтерактивному режимі (в інтерпретаторі) або онлайн.
• Завдання: 10 хв.
  • Яку функцію зі стандартної математичної бібліотеки можна використати для обчислення квадратного кореня?
  • Яка бібліотека підходить для вибору випадкового значення з набору даних?
  • Якщо help(math) видає помилку, що ви забули зробити?
  • Заповніть пропуски в коді нижче, щоб запускалися оператор імпорту та програма в цілому.

Зчитування табличних даних (10:55)

• Навчання: 10 хв.
  • Імпортуйте бібліотеку Pandas.
  • Використовуйте Pandas, щоб завантажити простий набір даних CSV.
  • Отримайте базову інформацію про Pandas DataFrame.
• Завдання: 10 хв.
  • Зчитайте дані про Америки та відобразіть їхню підсумкову статистику.
  • Що роблять .head та .tail?
  • Який(і) рядок(и) слід передати в read_csv, щоб зчитувати файли з інших каталогів?
  • Як можна записати дані CSV?

DataFrames (11:15)

• Навчання: 15 хв.
  • Виберіть окремі значення з DataFrame Pandas.
  • Виділіть цілі рядки або цілі стовпці з dataFrame.
  • Виберіть підмножину рядків і стовпців із DataFrame за одну операцію.
  • Виберіть підмножину з DataFrameданих за єдиним булевим критерієм.
• Завдання: 15 хв.
  • Напишіть вираз для визначення ВВП Сербії на душу населення у 2007 році.
  • Яке правило регулює те, що включається (або не включається) до числових та іменованих фрагментів у Pandas?
  • Що робить кожен рядок у наступній короткій програмі?
  • Що роблять idxmin та idxmax?
  • Напишіть вирази, щоб отримати ВВП на душу населення для всіх країн у 1982 році, для всіх країни після 1985 року тощо.
  • Враховуючи те, як змінилися кордони після 1900 року, що б ви зробили, якби вас попросили створити таблицю ВВП на душу населення для Польщі 20-го сторіччя?

Графік (11:45)

• Навчання: 15 хв.
  • Створіть графік часового ряду, який відповідає одному набору даних.
  • Створіть діаграму розсіювання, яка показує зв’язок між двома наборами даних.
• Вправи: 15 хв.
  • Заповніть порожні поля, щоб побудувати графік мінімального ВВП на душу населення в європейських країнах.
  • Змініть приклад так, щоб створити точкову діаграму ВВП на душу населення в країнах Азії.
  • Поясніть, що робить кожен аргумент plot у наступному прикладі.

Обід (12:15): 45 min

Списки (13:00)

• Навчання: 10 хв.
  • Поясніть, навіщо програмам потрібні колекції значень.
  • Напишіть програми, які створюють списки, індексують їх, а також розрізають і змінюють їх через призначення та виклик методів.
• Завдання: 10 хв.
  • Заповніть порожні поля, щоб програма повернула потрібні результати.
  • Наскільки великими є наступні зрізи?
  • Що повертають вирази з від’ємним індексом?
  • Що робить «stride» у зрізі?
  • Як зрізи задовольняють межі діапазону?
  • Які відмінності між цими двома способами сортування?
  • Яка різниця між new = old та new = old[:]?

Цикли (13:20)

• Навчання: 10 хв.
  • Поясніть, для чого зазвичай використовуються цикли for.
  • Проаналізуйте виконання простого (невкладеного) циклу та правильно вкажіть значення змінних у кожній ітерації.
  • Напишіть цикли for, які використовують шаблон накопичувача для агрегування значень.
• Завдання: 15 хв.
  • Чи є помилка відступу синтаксичною чи помилкою виконання?
  • Простежте, в якому порядку виконуються рядки цієї програми.
  • Заповніть пропуски в цій програмі, щоб вона перевернула рядок.
  • Заповніть пропуски в цій серії прикладів, щоб навчитися накопичувати значення.
  • Змініть порядок і відступи в цих рядках, щоб обчислити сукупну суму значень списку.

Зациклення (13:45)

• Навчання: 5 хв.
  • Навчіться читати та писати вирази модулю glob, які відповідають наборам файлів. Використовуйте модуль glob для створення списків файлів
  • Напишіть цикли for для виконання операцій над файлами, зазначеними в списку.
• Завдання: 10 хв.
  • Які назви файлів не відповідають виразу модуля glod?
  • Змініть цю програму так, щоб вона зберігала кількість записів у найкоротшому файлі.
  • Напишіть програму, яка зчитує дані та будує по них графіки для всіх регіонів.

Написання функцій (14:00)

• Навчання: 10 хв.
  • Знайдіть і поясніть різницю між визначенням функції та викликом функції.
  • Напишіть функцію, яка використовує невелику фіксовану кількість вхідних аргументів, а видає єдиний результат.
• Завдання: 15 хв.
  • Цей код визначає та викликає функцію. Подумайте, що вона друкує під час запуску?
  • Поясніть, чому ця коротка програма повертає відповіді саме в такому порядку?
  • Заповніть порожні поля, щоб створити функцію, яка знаходить мінімальне значення у файлі даних.
  • Заповніть порожні поля, щоб створити функцію, яка знаходить перше від’ємне значення в списку. Що робить ваша функція, якщо список порожній?
  • Чому іноді корисно передавати аргументи, називаючи відповідні параметри?
  • Заповніть пропуски та перетворіть цей короткий фрагмент коду на функцію.

Область застосування змінної (14:25)

• Навчання: 10 хв.
  • Визначення локальних і глобальних змінних.
  • Ідентифікуйте параметри як локальні змінні.
  • Прочитайте відстеження та визначте файл, функцію та номер рядка, у якому сталася помилка.
• Завдання: 10 хв.
  • Відстежуйте зміни значень у цій програмі, ретельно відрізняйте локальні змінні від глобальних.

Кава (14:45): 15 хв.

Умови (15:00)

• Навчання: 10 хв.
  • Правильно писати програми, які використовують оператори if і else і прості булеві вирази (без логічних операторів).
  • Відстежувати виконання невкладених умовних операторів і умовних операторів всередині циклів.
• Завдання: 15 хв.
  • Простежити за виконанням цього умовного оператора.
  • Заповнити пропуски так, щоб ця функція замінювала від’ємні значення нулями.
  • Змінити цю програму так, щоб вона обробляла лише файли, які містять менше 50 записів.
  • Змінити цю програму так, щоб вона завжди знаходила найбільші та найменші значення у списку, незалежно від того, які значення знаходяться у списку.

Стиль програмування (15:25)

• Навчання: 15 хв.
  • Як я можу зробити свої програми більш читабельними?
  • Як більшість програмістів форматують свій код?
  • Як програми самі можуть перевірити свою роботу?
• Завдання: 15 хв.
  • Які рядки цього коду будуть доступні як онлайн-довідка?
  • Перетворіть коментарі в цій програмі на рядки документів.
  • Перепишіть цю коротку програму так, щоб її було легше читати.

Підсумок (15:55)

• Навчання: 20 хв.
  • Назвіть і знайдіть сайти наукової спільноти Python для програмного забезпечення, семінарів і допомоги.
• Задання: 0 хв.
  • Немає.

Зворотній зв’язок (16:15)

• Навчання: 0 хв.
• Завдання: 15 хв.
  • Збір та обробка відгуків

Завершення (16:30)