Python 教學

第1課：Python 簡介與第一個程式

基礎

了解什麼是 Python，為什麼它是最適合初學者的程式語言，並寫出你的第一個程式。

什麼是 Python？

Python 是一種高階程式語言，由 Guido van Rossum 在 1991 年創造。它的名字來自英國喜劇團體「Monty Python」。

為什麼選擇 Python？

簡單易學：語法接近自然語言，容易理解
功能強大：可以做很多事情，從網站到人工智慧
社群活躍：有很多人使用，容易找到幫助
免費開源：完全免費使用

你的第一個 Python 程式：

# 這是註解，電腦會忽略這行
# 你的第一個 Python 程式

print("Hello, World!")
print("歡迎來到 Python 的世界！")
print("我正在學習程式設計")

程式碼解釋：

# 註解：以 # 開頭的是註解，用來解釋程式碼，電腦會忽略
print()：這是一個函數，用來在螢幕上顯示文字
引號：文字要放在引號裡面，可以用單引號 ' 或雙引號 "
括號：函數後面要加括號，要顯示的內容放在括號裡

每一行程式碼就是一個指令，電腦會從上到下依序執行。

💡 實作練習

試著修改上面的程式碼，讓它顯示你的名字和你想說的話！

Python 的應用領域：

🌐 網頁開發

Instagram、YouTube 都使用 Python

🤖 人工智慧

機器學習、深度學習

📊 資料科學

資料分析、視覺化

🔧 自動化

自動處理重複性工作

第2課：變數與資料型別

基礎

學習如何使用變數來儲存資料，以及 Python 中的基本資料型別。

什麼是變數？

變數就像是一個盒子，可以用來儲存資料。你可以給這個盒子取一個名字，然後把東西放進去，之後就可以用這個名字來取出裡面的東西。

在 Python 中，建立變數非常簡單，只要用 = 符號就可以了：

基本變數宣告：

# 字串 (文字)
name = "小明"
city = "台北"
message = "Hello, World!"

# 整數 (沒有小數點的數字)
age = 25
score = 100
year = 2024

# 浮點數 (有小數點的數字)
height = 175.5
weight = 65.2
temperature = 36.5

# 布林值 (True 或 False)
is_student = True
is_raining = False
has_license = True

# 顯示變數內容
print("姓名:", name)
print("年齡:", age)
print("身高:", height)
print("是學生:", is_student)

資料型別詳解：

🔤 字串 (str)

用來儲存文字，要用引號包起來

"Hello" 或 'Hello'

🔢 整數 (int)

沒有小數點的數字

42, -10, 0

🔢 浮點數 (float)

有小數點的數字

3.14, -2.5, 0.0

✅ 布林值 (bool)

只有兩個值：True 或 False

True, False

變數命名規則：

只能包含字母、數字和底線 (_)
不能以數字開頭
不能使用 Python 的關鍵字 (如 if, for, while 等)
建議使用有意義的名字

✅ 好的變數名： name, age, student_count, is_valid
❌ 不好的變數名： 1name, if, a, x123

檢查資料型別：

# 使用 type() 函數檢查資料型別
name = "小明"
age = 25
height = 175.5
is_student = True

print(type(name))       # 
print(type(age))        # 
print(type(height))     # 
print(type(is_student)) # 

# 更友善的顯示方式
print(f"name 的型別是: {type(name).__name__}")
print(f"age 的型別是: {type(age).__name__}")
print(f"height 的型別是: {type(height).__name__}")
print(f"is_student 的型別是: {type(is_student).__name__}")

💡 實作練習

建立變數來儲存你的個人資訊：姓名、年齡、身高、是否為學生，然後用 print() 顯示出來！

第3課：運算子與表達式

基礎

學習如何使用各種運算子進行計算、比較和邏輯運算。

算術運算子：

# 基本算術運算
a = 10
b = 3

print(f"{a} + {b} = {a + b}")    # 加法：13
print(f"{a} - {b} = {a - b}")    # 減法：7
print(f"{a} * {b} = {a * b}")    # 乘法：30
print(f"{a} / {b} = {a / b}")    # 除法：3.333...
print(f"{a} // {b} = {a // b}")  # 整數除法：3
print(f"{a} % {b} = {a % b}")    # 餘數：1
print(f"{a} ** {b} = {a ** b}")  # 次方：1000

# 實際應用範例
price = 100
discount = 0.2  # 20% 折扣
final_price = price * (1 - discount)
print(f"原價：{price}，折扣後：{final_price}")

比較運算子：

# 比較運算子
x = 5
y = 10

print(f"{x} == {y}: {x == y}")   # 等於：False
print(f"{x} != {y}: {x != y}")   # 不等於：True
print(f"{x} > {y}: {x > y}")     # 大於：False
print(f"{x} < {y}: {x < y}")     # 小於：True
print(f"{x} >= {y}: {x >= y}")   # 大於等於：False
print(f"{x} <= {y}: {x <= y}")   # 小於等於：True

# 字串比較
name1 = "Alice"
name2 = "Bob"
print(f"'{name1}' == '{name2}': {name1 == name2}")  # False

# 比較的結果是布林值
age = 18
is_adult = age >= 18
print(f"是否成年：{is_adult}")  # True

邏輯運算子：

# 邏輯運算子
age = 20
has_license = True
has_car = False

# and：兩個條件都要為 True
can_drive = age >= 18 and has_license
print(f"可以開車：{can_drive}")  # True

# or：至少一個條件為 True
has_transport = has_license or has_car
print(f"有交通工具：{has_transport}")  # True

# not：反轉布林值
is_minor = not (age >= 18)
print(f"是未成年：{is_minor}")  # False

# 複雜的邏輯組合
weather = "sunny"
temperature = 25
is_good_weather = weather == "sunny" and temperature > 20
print(f"天氣好：{is_good_weather}")  # True

運算子優先順序：

Python 運算子的優先順序（由高到低）：

括號 () - 最高優先權
次方 **
乘法 *、除法 /、整數除法 //、餘數 %
加法 +、減法 -
比較運算子 ==、!=、>、<、>=、<=
邏輯運算子 not
邏輯運算子 and
邏輯運算子 or - 最低優先權

實用範例：

# 計算 BMI
height = 1.75  # 公尺
weight = 70    # 公斤
bmi = weight / (height ** 2)
print(f"BMI: {bmi:.2f}")

# 判斷是否為偶數
number = 8
is_even = number % 2 == 0
print(f"{number} 是偶數：{is_even}")

# 計算圓的面積
import math
radius = 5
area = math.pi * radius ** 2
print(f"半徑 {radius} 的圓面積：{area:.2f}")

# 溫度轉換
celsius = 25
fahrenheit = celsius * 9/5 + 32
print(f"{celsius}°C = {fahrenheit}°F")

💡 實作練習

試著寫一個程式計算兩個數字的所有算術運算結果，並比較它們的大小關係！

第4課：輸入與輸出

中級

學習如何從使用者獲取輸入，以及如何格式化輸出。

使用者輸入 - input()：

# 基本輸入
name = input("請輸入你的姓名：")
print(f"你好，{name}！")

# 輸入數字（需要轉換型別）
age_str = input("請輸入你的年齡：")
age = int(age_str)  # 轉換為整數
print(f"你今年 {age} 歲")

# 簡化寫法
age = int(input("請輸入你的年齡："))
height = float(input("請輸入你的身高（公尺）："))

print(f"你今年 {age} 歲，身高 {height} 公尺")

# 輸入多個值
full_name = input("請輸入姓名（姓 名）：")
first_name, last_name = full_name.split()
print(f"姓：{first_name}，名：{last_name}")

格式化輸出：

# f-string 格式化（推薦）
name = "小明"
age = 25
score = 87.5

print(f"姓名：{name}")
print(f"年齡：{age}")
print(f"成績：{score}")

# 數字格式化
pi = 3.14159
print(f"圓周率：{pi:.2f}")      # 保留2位小數：3.14
print(f"圓周率：{pi:.4f}")      # 保留4位小數：3.1416

# 百分比格式
percentage = 0.875
print(f"正確率：{percentage:.1%}")  # 87.5%

# 對齊格式
print(f"{'姓名':<10}{'年齡':<5}{'成績':<8}")
print(f"{'小明':<10}{25:<5}{87.5:<8}")
print(f"{'王小華':<10}{23:<5}{92.3:<8}")

# 其他格式化方法
print("姓名：{}，年齡：{}".format(name, age))
print("姓名：%s，年齡：%d" % (name, age))

實用範例：

# 簡單計算機
print("=== 簡單計算機 ===")
num1 = float(input("請輸入第一個數字："))
operator = input("請輸入運算符號（+, -, *, /）：")
num2 = float(input("請輸入第二個數字："))

if operator == "+":
    result = num1 + num2
elif operator == "-":
    result = num1 - num2
elif operator == "*":
    result = num1 * num2
elif operator == "/":
    if num2 != 0:
        result = num1 / num2
    else:
        result = "錯誤：不能除以零"
else:
    result = "錯誤：無效的運算符號"

print(f"{num1} {operator} {num2} = {result}")

# BMI 計算器
print("\n=== BMI 計算器 ===")
weight = float(input("請輸入體重（公斤）："))
height = float(input("請輸入身高（公尺）："))

bmi = weight / (height ** 2)
print(f"你的 BMI 是：{bmi:.2f}")

if bmi < 18.5:
    category = "體重過輕"
elif bmi < 24:
    category = "正常範圍"
elif bmi < 27:
    category = "過重"
else:
    category = "肥胖"

print(f"BMI 分類：{category}")

💡 實作練習

寫一個程式詢問使用者的姓名、年齡和興趣，然後用漂亮的格式顯示這些資訊！

第5課：條件判斷 (if/elif/else)

中級

學習如何讓程式根據不同條件執行不同的動作。

基本 if 語句：

# 基本 if 語句
age = 18

if age >= 18:
    print("你已經成年了！")
    print("可以投票了")

# if-else 語句
weather = "sunny"

if weather == "sunny":
    print("今天天氣很好，適合出門")
else:
    print("今天天氣不太好")

# 多重條件 if-elif-else
score = 85

if score >= 90:
    grade = "A"
    print("優秀！")
elif score >= 80:
    grade = "B"
    print("良好！")
elif score >= 70:
    grade = "C"
    print("及格")
elif score >= 60:
    grade = "D"
    print("勉強及格")
else:
    grade = "F"
    print("不及格，需要加油")

print(f"你的等級是：{grade}")

巢狀條件判斷：

# 巢狀條件判斷
age = 20
has_license = True
has_car = False

if age >= 18:
    print("你已經成年")
    if has_license:
        print("你有駕照")
        if has_car:
            print("你可以開自己的車")
        else:
            print("你可以租車或借車")
    else:
        print("你需要先考駕照")
else:
    print("你還未成年，不能開車")

# 複雜的邏輯判斷
temperature = 25
humidity = 60
wind_speed = 5

if temperature > 20:
    if humidity < 70:
        if wind_speed < 10:
            print("天氣很舒適")
        else:
            print("有點風，但還不錯")
    else:
        print("有點悶熱")
else:
    print("有點涼")

實用範例：

# 密碼強度檢查
password = input("請輸入密碼：")
length = len(password)
has_upper = any(c.isupper() for c in password)
has_lower = any(c.islower() for c in password)
has_digit = any(c.isdigit() for c in password)

print("密碼強度分析：")

if length < 6:
    print("❌ 密碼太短（至少6個字元）")
elif length < 8:
    print("⚠️ 密碼長度一般")
else:
    print("✅ 密碼長度足夠")

if has_upper and has_lower and has_digit:
    print("✅ 密碼包含大小寫字母和數字")
    strength = "強"
elif (has_upper and has_lower) or (has_lower and has_digit):
    print("⚠️ 密碼還可以更強")
    strength = "中等"
else:
    print("❌ 密碼太簡單")
    strength = "弱"

print(f"整體強度：{strength}")

# 簡單的遊戲：猜數字
import random

secret_number = random.randint(1, 10)
guess = int(input("猜一個1到10之間的數字："))

if guess == secret_number:
    print("🎉 恭喜你猜對了！")
elif abs(guess - secret_number) == 1:
    print("😊 很接近了！")
else:
    print("😔 猜錯了")

print(f"正確答案是：{secret_number}")

💡 實作練習

寫一個程式判斷一個年份是否為閏年（能被4整除但不能被100整除，或者能被400整除）！

第6課：迴圈 (for/while)

進階

學習如何使用迴圈來重複執行程式碼，提高程式效率。

for 迴圈：

# 基本 for 迴圈
print("數數字：")
for i in range(5):
    print(f"第 {i+1} 次")

# range() 的不同用法
print("\n從1到10：")
for num in range(1, 11):
    print(num, end=" ")

print("\n\n偶數：")
for num in range(0, 11, 2):  # 從0到10，每次增加2
    print(num, end=" ")

# 遍歷字串
print("\n\n遍歷字串：")
word = "Python"
for letter in word:
    print(f"字母：{letter}")

# 遍歷列表
print("\n遍歷列表：")
fruits = ["蘋果", "香蕉", "橘子"]
for fruit in fruits:
    print(f"我喜歡吃{fruit}")

# 使用 enumerate 獲取索引
print("\n帶索引的遍歷：")
for index, fruit in enumerate(fruits):
    print(f"{index+1}. {fruit}")

while 迴圈：

# 基本 while 迴圈
count = 1
while count <= 5:
    print(f"計數：{count}")
    count += 1  # 等同於 count = count + 1

# 使用者輸入驗證
print("\n密碼驗證：")
password = ""
while password != "123456":
    password = input("請輸入密碼：")
    if password != "123456":
        print("密碼錯誤，請重試")
print("密碼正確！")

# 累加計算
print("\n計算1到100的總和：")
total = 0
num = 1
while num <= 100:
    total += num
    num += 1
print(f"1到100的總和是：{total}")

# 無限迴圈（小心使用）
print("\n簡單選單：")
while True:
    choice = input("選擇操作 (1:問候, 2:時間, q:退出)：")
    if choice == "1":
        print("你好！")
    elif choice == "2":
        import datetime
        print(f"現在時間：{datetime.datetime.now()}")
    elif choice == "q":
        print("再見！")
        break  # 跳出迴圈
    else:
        print("無效選擇")

迴圈控制：

# break：跳出迴圈
print("找到第一個偶數：")
for num in range(1, 10):
    if num % 2 == 0:
        print(f"找到偶數：{num}")
        break
    print(f"{num} 是奇數")

# continue：跳過當前迭代
print("\n只印出奇數：")
for num in range(1, 10):
    if num % 2 == 0:
        continue  # 跳過偶數
    print(f"{num} 是奇數")

# 巢狀迴圈
print("\n九九乘法表：")
for i in range(1, 10):
    for j in range(1, 10):
        result = i * j
        print(f"{i}×{j}={result:2d}", end="  ")
    print()  # 換行

# else 子句（迴圈正常結束時執行）
print("\n尋找質數：")
num = 17
for i in range(2, num):
    if num % i == 0:
        print(f"{num} 不是質數")
        break
else:
    print(f"{num} 是質數")

💡 實作練習

寫一個程式印出1到20之間所有的質數！

第7課：串列 (List)

進階

學習如何使用串列來儲存和操作多個資料。

建立和存取串列：

# 建立串列
fruits = ["蘋果", "香蕉", "橘子"]
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
mixed = ["小明", 25, True, 175.5]  # 可以混合不同型別
empty_list = []  # 空串列

print("水果串列：", fruits)
print("數字串列：", numbers)
print("混合串列：", mixed)

# 存取串列元素（索引從0開始）
print(f"第一個水果：{fruits[0]}")
print(f"第二個水果：{fruits[1]}")
print(f"最後一個水果：{fruits[-1]}")  # 負索引從後面算

# 串列切片
print(f"前兩個水果：{fruits[0:2]}")
print(f"從第二個開始：{fruits[1:]}")
print(f"到第二個為止：{fruits[:2]}")
print(f"全部水果：{fruits[:]}")

# 串列長度
print(f"水果數量：{len(fruits)}")

# 檢查元素是否存在
if "蘋果" in fruits:
    print("有蘋果！")

if "葡萄" not in fruits:
    print("沒有葡萄")

串列操作：

# 修改串列
fruits = ["蘋果", "香蕉", "橘子"]
print("原始串列：", fruits)

# 修改元素
fruits[1] = "芒果"
print("修改後：", fruits)

# 新增元素
fruits.append("葡萄")  # 在末尾新增
print("新增葡萄：", fruits)

fruits.insert(1, "草莓")  # 在指定位置插入
print("插入草莓：", fruits)

# 刪除元素
fruits.remove("橘子")  # 刪除指定元素
print("刪除橘子：", fruits)

deleted_fruit = fruits.pop()  # 刪除並返回最後一個元素
print(f"刪除了：{deleted_fruit}")
print("刪除後：", fruits)

deleted_fruit = fruits.pop(0)  # 刪除並返回指定位置的元素
print(f"刪除了：{deleted_fruit}")
print("刪除後：", fruits)

# 串列合併
more_fruits = ["鳳梨", "西瓜"]
fruits.extend(more_fruits)  # 或使用 fruits += more_fruits
print("合併後：", fruits)

# 清空串列
# fruits.clear()  # 清空所有元素

串列方法和實用技巧：

# 串列排序和搜尋
numbers = [3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6]
print("原始數字：", numbers)

# 排序
numbers.sort()  # 原地排序
print("排序後：", numbers)

numbers.sort(reverse=True)  # 降序排序
print("降序排序：", numbers)

# 不改變原串列的排序
original = [3, 1, 4, 1, 5]
sorted_list = sorted(original)
print("原始：", original)
print("排序後：", sorted_list)

# 搜尋和計數
fruits = ["蘋果", "香蕉", "蘋果", "橘子", "蘋果"]
print(f"蘋果的位置：{fruits.index('蘋果')}")  # 第一次出現的位置
print(f"蘋果出現次數：{fruits.count('蘋果')}")

# 反轉串列
fruits.reverse()
print("反轉後：", fruits)

# 串列推導式（List Comprehension）
squares = [x**2 for x in range(1, 6)]
print("平方數：", squares)

even_numbers = [x for x in range(1, 11) if x % 2 == 0]
print("偶數：", even_numbers)

# 多維串列
matrix = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
print("矩陣：", matrix)
print(f"第二行第三列：{matrix[1][2]}")  # 6

# 複製串列
original = [1, 2, 3]
copy1 = original.copy()  # 淺複製
copy2 = original[:]      # 切片複製
copy3 = list(original)   # 轉換複製
print("原始：", original)
print("複製：", copy1)

💡 實作練習

建立一個學生成績串列，計算平均分數，找出最高分和最低分！

第8課：字典與集合

進階

學習 Python 中的字典 (Dictionary) 和集合 (Set)，掌握鍵值對資料結構。

字典 (Dictionary) 基礎：

# 建立字典
student = {
    "name": "小明",
    "age": 20,
    "grade": "大二",
    "subjects": ["數學", "物理", "程式設計"]
}

# 存取字典元素
print(f"姓名：{student['name']}")
print(f"年齡：{student['age']}")

# 使用 get() 方法（更安全）
print(f"科系：{student.get('major', '未設定')}")

# 新增或修改元素
student["major"] = "資訊工程"
student["age"] = 21

print("更新後的學生資料：")
print(student)

# 刪除元素
del student["grade"]
removed_subjects = student.pop("subjects")
print(f"移除的科目：{removed_subjects}")

# 檢查鍵是否存在
if "name" in student:
    print(f"學生姓名：{student['name']}")

# 取得所有鍵、值、鍵值對
print("所有鍵：", list(student.keys()))
print("所有值：", list(student.values()))
print("所有鍵值對：", list(student.items()))

字典的進階操作：

# 巢狀字典
class_data = {
    "class_name": "程式設計班",
    "students": {
        "001": {"name": "小明", "score": 85},
        "002": {"name": "小華", "score": 92},
        "003": {"name": "小美", "score": 78}
    },
    "teacher": {"name": "王老師", "subject": "程式設計"}
}

# 存取巢狀字典
print(f"班級：{class_data['class_name']}")
print(f"學生001的分數：{class_data['students']['001']['score']}")

# 遍歷字典
print("\n學生成績：")
for student_id, info in class_data["students"].items():
    print(f"學號 {student_id}：{info['name']} - {info['score']}分")

# 字典推導式
scores = {student_id: info["score"]
          for student_id, info in class_data["students"].items()}
print(f"\n成績字典：{scores}")

# 計算平均分數
average_score = sum(scores.values()) / len(scores)
print(f"平均分數：{average_score:.1f}")

# 合併字典
default_settings = {"theme": "light", "language": "zh-TW"}
user_settings = {"theme": "dark", "font_size": 14}

# Python 3.9+ 的合併語法
final_settings = default_settings | user_settings
print(f"最終設定：{final_settings}")

# 或使用 update() 方法
default_settings.update(user_settings)
print(f"更新後設定：{default_settings}")

集合 (Set) 基礎：

# 建立集合
fruits = {"蘋果", "香蕉", "橘子", "蘋果"}  # 重複的元素會被自動移除
print(f"水果集合：{fruits}")

# 從串列建立集合（去除重複）
numbers = [1, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 5]
unique_numbers = set(numbers)
print(f"唯一數字：{unique_numbers}")

# 空集合
empty_set = set()  # 注意：{} 是空字典，不是空集合

# 新增元素
fruits.add("葡萄")
fruits.update(["草莓", "芒果"])
print(f"新增後：{fruits}")

# 移除元素
fruits.remove("香蕉")      # 如果元素不存在會出錯
fruits.discard("鳳梨")     # 如果元素不存在不會出錯
removed_fruit = fruits.pop()  # 隨機移除一個元素
print(f"移除 {removed_fruit} 後：{fruits}")

# 檢查元素是否存在
if "蘋果" in fruits:
    print("集合中有蘋果")

# 集合長度
print(f"水果種類數量：{len(fruits)}")

# 清空集合
fruits_copy = fruits.copy()
fruits.clear()
print(f"清空後：{fruits}")
print(f"備份：{fruits_copy}")

集合運算：

# 集合運算範例
math_students = {"小明", "小華", "小美", "小強", "小麗"}
english_students = {"小華", "小美", "小剛", "小芳", "小麗"}

print(f"數學班學生：{math_students}")
print(f"英文班學生：{english_students}")

# 聯集（Union）- 所有學生
all_students = math_students | english_students
# 或使用 math_students.union(english_students)
print(f"所有學生：{all_students}")

# 交集（Intersection）- 兩班都有的學生
both_classes = math_students & english_students
# 或使用 math_students.intersection(english_students)
print(f"兩班都有的學生：{both_classes}")

# 差集（Difference）- 只在數學班的學生
only_math = math_students - english_students
# 或使用 math_students.difference(english_students)
print(f"只在數學班的學生：{only_math}")

# 對稱差集（Symmetric Difference）- 只在一個班的學生
only_one_class = math_students ^ english_students
# 或使用 math_students.symmetric_difference(english_students)
print(f"只在一個班的學生：{only_one_class}")

# 子集合檢查
small_group = {"小明", "小華"}
print(f"{small_group} 是數學班的子集合：{small_group.issubset(math_students)}")
print(f"數學班是 {small_group} 的超集合：{math_students.issuperset(small_group)}")

# 檢查是否有交集
print(f"兩班有共同學生：{not math_students.isdisjoint(english_students)}")

實用範例 - 學生管理系統：

# 學生管理系統
class StudentManager:
    def __init__(self):
        self.students = {}
        self.subjects = set()

    def add_student(self, student_id, name, age):
        """新增學生"""
        self.students[student_id] = {
            "name": name,
            "age": age,
            "subjects": set(),
            "scores": {}
        }
        print(f"學生 {name} 已新增")

    def enroll_subject(self, student_id, subject):
        """學生選課"""
        if student_id in self.students:
            self.students[student_id]["subjects"].add(subject)
            self.subjects.add(subject)
            print(f"學生 {self.students[student_id]['name']} 已選修 {subject}")
        else:
            print("學生不存在")

    def add_score(self, student_id, subject, score):
        """新增成績"""
        if student_id in self.students:
            if subject in self.students[student_id]["subjects"]:
                self.students[student_id]["scores"][subject] = score
                print(f"已記錄 {subject} 成績：{score}")
            else:
                print(f"學生未選修 {subject}")
        else:
            print("學生不存在")

    def get_student_info(self, student_id):
        """取得學生資訊"""
        if student_id in self.students:
            student = self.students[student_id]
            print(f"\n學生資訊：")
            print(f"姓名：{student['name']}")
            print(f"年齡：{student['age']}")
            print(f"選修科目：{student['subjects']}")
            print(f"成績：{student['scores']}")

            if student['scores']:
                avg_score = sum(student['scores'].values()) / len(student['scores'])
                print(f"平均分數：{avg_score:.1f}")
        else:
            print("學生不存在")

    def get_subject_students(self, subject):
        """取得選修某科目的學生"""
        students_in_subject = set()
        for student_id, info in self.students.items():
            if subject in info["subjects"]:
                students_in_subject.add(info["name"])
        return students_in_subject

# 使用範例
manager = StudentManager()

# 新增學生
manager.add_student("001", "小明", 20)
manager.add_student("002", "小華", 19)
manager.add_student("003", "小美", 21)

# 學生選課
manager.enroll_subject("001", "數學")
manager.enroll_subject("001", "物理")
manager.enroll_subject("002", "數學")
manager.enroll_subject("002", "英文")
manager.enroll_subject("003", "物理")
manager.enroll_subject("003", "英文")

# 新增成績
manager.add_score("001", "數學", 85)
manager.add_score("001", "物理", 78)
manager.add_score("002", "數學", 92)
manager.add_score("002", "英文", 88)

# 查詢資訊
manager.get_student_info("001")

# 查詢選修數學的學生
math_students = manager.get_subject_students("數學")
print(f"\n選修數學的學生：{math_students}")

💡 實作練習

建立一個圖書館管理系統，使用字典儲存書籍資訊，使用集合管理借閱者和書籍類別！

第9課：函數定義與參數

進階

學習如何定義自己的函數，使用參數和回傳值，讓程式碼更模組化和可重用。

函數基礎：

# 定義簡單函數
def greet():
    """問候函數"""
    print("你好！歡迎學習 Python！")

# 呼叫函數
greet()

# 帶參數的函數
def greet_person(name):
    """問候特定人員的函數"""
    print(f"你好，{name}！")

greet_person("小明")
greet_person("小華")

# 帶多個參數的函數
def introduce(name, age, city):
    """自我介紹函數"""
    print(f"我是 {name}，今年 {age} 歲，住在 {city}")

introduce("小美", 20, "台北")

# 帶預設值的參數
def greet_with_title(name, title="同學"):
    """帶預設稱謂的問候函數"""
    print(f"你好，{title} {name}！")

greet_with_title("小明")           # 使用預設值
greet_with_title("王老師", "老師")  # 覆蓋預設值

# 關鍵字參數
def create_profile(name, age, city="未知", hobby="閱讀"):
    """建立個人檔案"""
    print(f"姓名：{name}")
    print(f"年齡：{age}")
    print(f"城市：{city}")
    print(f"興趣：{hobby}")
    print("-" * 20)

# 不同的呼叫方式
create_profile("小明", 25)
create_profile("小華", 22, city="高雄")
create_profile("小美", 24, hobby="游泳", city="台中")
create_profile(age=23, name="小強")  # 完全使用關鍵字參數

回傳值：

# 回傳單一值
def add_numbers(a, b):
    """加法函數"""
    result = a + b
    return result

sum_result = add_numbers(5, 3)
print(f"5 + 3 = {sum_result}")

# 回傳多個值
def calculate(a, b):
    """計算四則運算"""
    addition = a + b
    subtraction = a - b
    multiplication = a * b
    division = a / b if b != 0 else None
    return addition, subtraction, multiplication, division

# 接收多個回傳值
add, sub, mul, div = calculate(10, 3)
print(f"10 + 3 = {add}")
print(f"10 - 3 = {sub}")
print(f"10 * 3 = {mul}")
print(f"10 / 3 = {div:.2f}")

# 回傳字典
def get_student_info(name, scores):
    """計算學生資訊"""
    average = sum(scores) / len(scores)
    grade = "A" if average >= 90 else "B" if average >= 80 else "C"

    return {
        "name": name,
        "scores": scores,
        "average": average,
        "grade": grade
    }

student = get_student_info("小明", [85, 92, 78, 96])
print(f"學生：{student['name']}")
print(f"平均分數：{student['average']:.1f}")
print(f"等級：{student['grade']}")

# 條件回傳
def check_age(age):
    """檢查年齡類別"""
    if age < 18:
        return "未成年"
    elif age < 65:
        return "成年人"
    else:
        return "長者"

print(f"15歲是：{check_age(15)}")
print(f"30歲是：{check_age(30)}")
print(f"70歲是：{check_age(70)}")

進階參數處理：

# *args - 可變位置參數
def sum_all(*numbers):
    """計算所有數字的總和"""
    total = 0
    for num in numbers:
        total += num
    return total

print(f"總和：{sum_all(1, 2, 3)}")           # 6
print(f"總和：{sum_all(1, 2, 3, 4, 5)}")    # 15
print(f"總和：{sum_all(10, 20)}")           # 30

# **kwargs - 可變關鍵字參數
def create_user(**user_info):
    """建立使用者資料"""
    print("使用者資料：")
    for key, value in user_info.items():
        print(f"  {key}: {value}")

create_user(name="小明", age=25, city="台北")
create_user(name="小華", age=22, email="xiaohua@example.com", hobby="游泳")

# 混合使用
def process_data(required_param, *args, **kwargs):
    """處理資料的通用函數"""
    print(f"必要參數：{required_param}")
    print(f"額外位置參數：{args}")
    print(f"關鍵字參數：{kwargs}")

process_data("重要資料", 1, 2, 3, name="測試", version=1.0)

# 解包參數
def multiply(a, b, c):
    """三個數相乘"""
    return a * b * c

numbers = [2, 3, 4]
result = multiply(*numbers)  # 解包串列
print(f"2 * 3 * 4 = {result}")

user_data = {"name": "小明", "age": 25, "city": "台北"}
create_user(**user_data)  # 解包字典

# Lambda 函數（匿名函數）
square = lambda x: x ** 2
print(f"5的平方：{square(5)}")

# 在其他函數中使用 lambda
numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
squared_numbers = list(map(lambda x: x ** 2, numbers))
print(f"平方數：{squared_numbers}")

even_numbers = list(filter(lambda x: x % 2 == 0, numbers))
print(f"偶數：{even_numbers}")

實用函數範例：

# 計算機函數庫
def calculator():
    """簡單計算機"""

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

    def subtract(a, b):
        return a - b

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

    def divide(a, b):
        if b == 0:
            return "錯誤：除數不能為零"
        return a / b

    def power(a, b):
        return a ** b

    def factorial(n):
        """計算階乘"""
        if n < 0:
            return "錯誤：負數沒有階乘"
        if n == 0 or n == 1:
            return 1
        result = 1
        for i in range(2, n + 1):
            result *= i
        return result

    # 回傳函數字典
    return {
        "add": add,
        "subtract": subtract,
        "multiply": multiply,
        "divide": divide,
        "power": power,
        "factorial": factorial
    }

# 使用計算機
calc = calculator()
print(f"5 + 3 = {calc['add'](5, 3)}")
print(f"10 - 4 = {calc['subtract'](10, 4)}")
print(f"6 * 7 = {calc['multiply'](6, 7)}")
print(f"15 / 3 = {calc['divide'](15, 3)}")
print(f"2^8 = {calc['power'](2, 8)}")
print(f"5! = {calc['factorial'](5)}")

# 文字處理函數
def text_analyzer(text):
    """分析文字的函數"""

    def word_count():
        return len(text.split())

    def char_count():
        return len(text)

    def char_count_no_spaces():
        return len(text.replace(" ", ""))

    def most_common_char():
        char_freq = {}
        for char in text.lower():
            if char.isalpha():
                char_freq[char] = char_freq.get(char, 0) + 1

        if char_freq:
            return max(char_freq, key=char_freq.get)
        return None

    return {
        "text": text,
        "word_count": word_count(),
        "char_count": char_count(),
        "char_count_no_spaces": char_count_no_spaces(),
        "most_common_char": most_common_char()
    }

# 分析文字
sample_text = "Python 是一種很棒的程式語言"
analysis = text_analyzer(sample_text)

print(f"文字：{analysis['text']}")
print(f"字數：{analysis['word_count']}")
print(f"字元數：{analysis['char_count']}")
print(f"字元數（不含空格）：{analysis['char_count_no_spaces']}")
print(f"最常出現的字元：{analysis['most_common_char']}")

# 遞迴函數範例
def fibonacci(n):
    """計算費波那契數列"""
    if n <= 1:
        return n
    return fibonacci(n-1) + fibonacci(n-2)

print("費波那契數列前10項：")
for i in range(10):
    print(f"F({i}) = {fibonacci(i)}")

# 改良版（使用記憶化）
def fibonacci_memo(n, memo={}):
    """使用記憶化的費波那契函數"""
    if n in memo:
        return memo[n]
    if n <= 1:
        return n
    memo[n] = fibonacci_memo(n-1, memo) + fibonacci_memo(n-2, memo)
    return memo[n]

print(f"F(30) = {fibonacci_memo(30)}")  # 更快的計算

💡 實作練習

建立一個密碼生成器函數，可以根據指定長度和複雜度要求生成安全密碼！

第10課：檔案處理與異常處理

進階

學習如何讀寫檔案，以及如何處理程式執行時可能發生的錯誤。

檔案讀取：

# 基本檔案讀取
# 方法1：手動關閉檔案
file = open("example.txt", "r", encoding="utf-8")
content = file.read()
print(content)
file.close()

# 方法2：使用 with 語句（推薦）
with open("example.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    content = file.read()
    print(content)
# 檔案會自動關閉

# 讀取檔案的不同方式
with open("example.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    # 讀取整個檔案
    all_content = file.read()
    print("整個檔案：")
    print(all_content)

with open("example.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    # 逐行讀取
    print("\n逐行讀取：")
    for line_number, line in enumerate(file, 1):
        print(f"第{line_number}行：{line.strip()}")

with open("example.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    # 讀取所有行到串列
    lines = file.readlines()
    print(f"\n總共 {len(lines)} 行")
    for i, line in enumerate(lines):
        print(f"行 {i+1}: {line.strip()}")

# 讀取指定行數
with open("example.txt", "r", encoding="utf-8") as file:
    first_line = file.readline().strip()
    second_line = file.readline().strip()
    print(f"第一行：{first_line}")
    print(f"第二行：{second_line}")

# 檢查檔案是否存在
import os

filename = "example.txt"
if os.path.exists(filename):
    print(f"檔案 {filename} 存在")
    with open(filename, "r", encoding="utf-8") as file:
        content = file.read()
        print(f"檔案大小：{len(content)} 字元")
else:
    print(f"檔案 {filename} 不存在")

檔案寫入：

# 寫入檔案（覆蓋模式）
with open("output.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("這是第一行\n")
    file.write("這是第二行\n")
    file.write("這是第三行\n")

print("檔案寫入完成")

# 附加模式（不覆蓋原內容）
with open("output.txt", "a", encoding="utf-8") as file:
    file.write("這是附加的第四行\n")
    file.write("這是附加的第五行\n")

# 寫入串列內容
lines_to_write = [
    "Python 是很棒的語言\n",
    "檔案處理很重要\n",
    "記得要處理異常\n"
]

with open("lines_output.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.writelines(lines_to_write)

# 格式化寫入
students = [
    {"name": "小明", "age": 20, "score": 85},
    {"name": "小華", "age": 19, "score": 92},
    {"name": "小美", "age": 21, "score": 78}
]

with open("students.txt", "w", encoding="utf-8") as file:
    file.write("學生成績報告\n")
    file.write("=" * 30 + "\n")

    for student in students:
        line = f"姓名：{student['name']:<6} 年齡：{student['age']:<3} 分數：{student['score']}\n"
        file.write(line)

    average = sum(s['score'] for s in students) / len(students)
    file.write(f"\n平均分數：{average:.1f}\n")

print("學生資料已寫入檔案")

# 同時讀寫檔案
with open("data.txt", "w+", encoding="utf-8") as file:
    # 先寫入
    file.write("第一行資料\n第二行資料\n第三行資料\n")

    # 移動到檔案開頭
    file.seek(0)

    # 讀取內容
    content = file.read()
    print("檔案內容：")
    print(content)

異常處理基礎：

# 基本 try-except 結構
try:
    number = int(input("請輸入一個數字："))
    result = 10 / number
    print(f"10 除以 {number} 等於 {result}")
except ValueError:
    print("錯誤：請輸入有效的數字")
except ZeroDivisionError:
    print("錯誤：不能除以零")

# 捕捉多種異常
def safe_divide(a, b):
    try:
        result = a / b
        return result
    except ZeroDivisionError:
        print("錯誤：除數不能為零")
        return None
    except TypeError:
        print("錯誤：參數必須是數字")
        return None

print(safe_divide(10, 2))    # 正常情況
print(safe_divide(10, 0))    # 除零錯誤
print(safe_divide(10, "a"))  # 型別錯誤

# 使用 else 和 finally
def read_file_safe(filename):
    try:
        with open(filename, "r", encoding="utf-8") as file:
            content = file.read()
    except FileNotFoundError:
        print(f"錯誤：找不到檔案 {filename}")
        content = None
    except PermissionError:
        print(f"錯誤：沒有權限讀取檔案 {filename}")
        content = None
    else:
        print(f"成功讀取檔案 {filename}")
    finally:
        print("檔案讀取操作完成")

    return content

# 測試
content = read_file_safe("existing_file.txt")
content = read_file_safe("non_existing_file.txt")

# 捕捉所有異常
def risky_operation(data):
    try:
        # 可能出錯的操作
        result = data[0] / data[1]
        return result
    except Exception as e:
        print(f"發生未預期的錯誤：{type(e).__name__}: {e}")
        return None

print(risky_operation([10, 2]))     # 正常
print(risky_operation([10, 0]))     # 除零錯誤
print(risky_operation([]))          # 索引錯誤

進階異常處理：

# 自定義異常
class InvalidAgeError(Exception):
    """年齡無效的自定義異常"""
    def __init__(self, age, message="年齡必須在 0 到 150 之間"):
        self.age = age
        self.message = message
        super().__init__(self.message)

class InvalidScoreError(Exception):
    """分數無效的自定義異常"""
    pass

def validate_age(age):
    """驗證年齡"""
    if not isinstance(age, int):
        raise TypeError("年齡必須是整數")
    if age < 0 or age > 150:
        raise InvalidAgeError(age)
    return True

def validate_score(score):
    """驗證分數"""
    if not isinstance(score, (int, float)):
        raise TypeError("分數必須是數字")
    if score < 0 or score > 100:
        raise InvalidScoreError(f"分數 {score} 超出範圍 (0-100)")
    return True

# 使用自定義異常
def create_student(name, age, score):
    try:
        validate_age(age)
        validate_score(score)
        return {
            "name": name,
            "age": age,
            "score": score,
            "status": "valid"
        }
    except (InvalidAgeError, InvalidScoreError, TypeError) as e:
        print(f"建立學生資料失敗：{e}")
        return {"status": "error", "message": str(e)}

# 測試
print(create_student("小明", 20, 85))    # 正常
print(create_student("小華", -5, 90))    # 年齡錯誤
print(create_student("小美", 25, 150))   # 分數錯誤

# 重新拋出異常
def process_data(data):
    try:
        # 處理資料
        result = complex_calculation(data)
        return result
    except ValueError as e:
        print(f"資料處理警告：{e}")
        # 重新拋出異常讓上層處理
        raise
    except Exception as e:
        print(f"未知錯誤：{e}")
        # 轉換為更具體的異常
        raise RuntimeError(f"資料處理失敗：{e}") from e

def complex_calculation(data):
    if not data:
        raise ValueError("資料不能為空")
    return sum(data) / len(data)

# 異常鏈
try:
    result = process_data([])
except RuntimeError as e:
    print(f"最終錯誤：{e}")
    print(f"原始錯誤：{e.__cause__}")

# 使用 assert 進行除錯
def calculate_average(scores):
    assert isinstance(scores, list), "分數必須是串列"
    assert len(scores) > 0, "分數串列不能為空"
    assert all(isinstance(score, (int, float)) for score in scores), "所有分數必須是數字"

    return sum(scores) / len(scores)

# 在除錯模式下會檢查 assert
try:
    avg = calculate_average([85, 92, 78])
    print(f"平均分數：{avg}")

    # 這會觸發 AssertionError
    avg = calculate_average([])
except AssertionError as e:
    print(f"斷言錯誤：{e}")

實用範例 - 日誌系統：

import datetime
import os

class Logger:
    """簡單的日誌系統"""

    def __init__(self, log_file="app.log"):
        self.log_file = log_file
        self.ensure_log_directory()

    def ensure_log_directory(self):
        """確保日誌目錄存在"""
        log_dir = os.path.dirname(self.log_file)
        if log_dir and not os.path.exists(log_dir):
            try:
                os.makedirs(log_dir)
            except OSError as e:
                print(f"無法建立日誌目錄：{e}")

    def write_log(self, level, message):
        """寫入日誌"""
        timestamp = datetime.datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")
        log_entry = f"[{timestamp}] {level}: {message}\n"

        try:
            with open(self.log_file, "a", encoding="utf-8") as file:
                file.write(log_entry)
        except Exception as e:
            print(f"寫入日誌失敗：{e}")

    def info(self, message):
        """資訊日誌"""
        self.write_log("INFO", message)
        print(f"INFO: {message}")

    def warning(self, message):
        """警告日誌"""
        self.write_log("WARNING", message)
        print(f"WARNING: {message}")

    def error(self, message):
        """錯誤日誌"""
        self.write_log("ERROR", message)
        print(f"ERROR: {message}")

    def read_logs(self, lines=10):
        """讀取最近的日誌"""
        try:
            with open(self.log_file, "r", encoding="utf-8") as file:
                all_lines = file.readlines()
                recent_lines = all_lines[-lines:] if len(all_lines) > lines else all_lines
                return recent_lines
        except FileNotFoundError:
            return ["日誌檔案不存在"]
        except Exception as e:
            return [f"讀取日誌失敗：{e}"]

# 檔案處理工具類
class FileManager:
    """檔案管理工具"""

    def __init__(self):
        self.logger = Logger("logs/file_manager.log")

    def safe_read_file(self, filename):
        """安全讀取檔案"""
        try:
            self.logger.info(f"開始讀取檔案：{filename}")

            with open(filename, "r", encoding="utf-8") as file:
                content = file.read()

            self.logger.info(f"成功讀取檔案：{filename}，大小：{len(content)} 字元")
            return content

        except FileNotFoundError:
            error_msg = f"檔案不存在：{filename}"
            self.logger.error(error_msg)
            return None

        except PermissionError:
            error_msg = f"沒有權限讀取檔案：{filename}"
            self.logger.error(error_msg)
            return None

        except UnicodeDecodeError:
            error_msg = f"檔案編碼錯誤：{filename}"
            self.logger.error(error_msg)
            return None

        except Exception as e:
            error_msg = f"讀取檔案時發生未知錯誤：{filename} - {e}"
            self.logger.error(error_msg)
            return None

    def safe_write_file(self, filename, content):
        """安全寫入檔案"""
        try:
            self.logger.info(f"開始寫入檔案：{filename}")

            # 確保目錄存在
            directory = os.path.dirname(filename)
            if directory and not os.path.exists(directory):
                os.makedirs(directory)

            with open(filename, "w", encoding="utf-8") as file:
                file.write(content)

            self.logger.info(f"成功寫入檔案：{filename}，大小：{len(content)} 字元")
            return True

        except PermissionError:
            error_msg = f"沒有權限寫入檔案：{filename}"
            self.logger.error(error_msg)
            return False

        except OSError as e:
            error_msg = f"寫入檔案時發生系統錯誤：{filename} - {e}"
            self.logger.error(error_msg)
            return False

        except Exception as e:
            error_msg = f"寫入檔案時發生未知錯誤：{filename} - {e}"
            self.logger.error(error_msg)
            return False

# 使用範例
file_manager = FileManager()

# 測試讀取檔案
content = file_manager.safe_read_file("test.txt")
if content:
    print("檔案內容：", content[:100])  # 只顯示前100字元

# 測試寫入檔案
test_content = "這是測試內容\n包含多行文字\n用於測試檔案寫入功能"
success = file_manager.safe_write_file("output/test_output.txt", test_content)

if success:
    print("檔案寫入成功")
else:
    print("檔案寫入失敗")

# 查看日誌
logger = Logger("logs/file_manager.log")
recent_logs = logger.read_logs(5)
print("\n最近的日誌：")
for log in recent_logs:
    print(log.strip())

💡 實作練習

建立一個配置檔案管理器，能夠讀取和寫入 JSON 格式的設定檔，並包含完整的錯誤處理！

學習目標

第1課：Python 簡介與第一個程式

什麼是 Python？

你的第一個 Python 程式：

程式碼解釋：

💡 實作練習

Python 的應用領域：

第2課：變數與資料型別

什麼是變數？

基本變數宣告：

資料型別詳解：

變數命名規則：

檢查資料型別：

💡 實作練習

第3課：運算子與表達式

算術運算子：

比較運算子：

邏輯運算子：

運算子優先順序：

實用範例：

💡 實作練習

第4課：輸入與輸出

使用者輸入 - input()：

格式化輸出：

實用範例：

💡 實作練習

第5課：條件判斷 (if/elif/else)

基本 if 語句：

巢狀條件判斷：

實用範例：

💡 實作練習

第6課：迴圈 (for/while)

for 迴圈：

while 迴圈：

迴圈控制：

💡 實作練習

第7課：串列 (List)

建立和存取串列：

串列操作：

串列方法和實用技巧：

💡 實作練習

第8課：字典與集合

字典 (Dictionary) 基礎：

字典的進階操作：

集合 (Set) 基礎：

集合運算：

實用範例 - 學生管理系統：

💡 實作練習

第9課：函數定義與參數

函數基礎：

回傳值：

進階參數處理：

實用函數範例：

💡 實作練習

第10課：檔案處理與異常處理

檔案讀取：

檔案寫入：

異常處理基礎：

進階異常處理：

實用範例 - 日誌系統：

💡 實作練習