20254221 实验四《Python程序设计》实验报告
实验项目：天气助手
学生姓名：张祖贤
学号：20254221
班级：2542
指导教师：王志强
完成日期：2026年5月26日
一、实验概述
（1）实验目的
本次实验基于Python语言开发一款多功能天气助手程序，综合运用网络请求、数据解析、文件读写、数据统计、数据可视化等编程知识，完成一体化应用开发。具体实验目的如下：
1.掌握requests库的使用方法，实现第三方开放API调用
2.掌握json格式数据解析、本地文件读写操作，实现数据的持久存储
3.运用matplotlib库完成数据可视化，将统计数据以折线图形式直观展示
4.将不同功能拆分为独立区域，提升代码的可读性与可维护性
5.掌握异常捕获与程序调教方法，提升程序容错能力与问题排查能力
（2）实验环境
1.操作系统：Windows11
2.开发工具：PyCharm Community Edition
3.编程语言：Python3.10
4.核心依赖库：requests,json,datetime,matplotlib
(3)实验背景/全课总结
本学期，我系统地学习了Python程序设计的核心知识体系。以下是我对这门课程的全面梳理与总结：
一、Python简介与开发环境
Python是一门跨平台、解释型的高级编程语言。相比于机器更能理解的“低级语言”，Python的语法更贴近人类自然语言，具有极高的可读性。
核心特性：Python具备强大的跨平台能力，能在多种操作系统上无缝运行。
行业地位：在TIOBE编程语言流行度排行榜中，Python常年稳居榜首
二、基础语法与流程控制
基础规范：单行注释使用#，多行注释使用""" """。if、else、for、def等不能作为变量名或函数名使用。
数据类型与运算：掌握了整型（整数）、浮点型（小数）、复数、字符串以及布尔型等基本数据类型。能运用算术运算符（+、-、*、/、%）、比较运算符（==、<=、>=、!=）以及逻辑运算符进行数据处理。
输入输出：通过input()获取用户输入，利用print()展示结果。
循环：学会了使用if-elif-else进行条件分支判断；通过for和while循环处理重复逻辑，并配合break（跳出循环）、continue（跳过本次循环）和pass（占位符）制作程序。
三、序列、容器与字符串处理
列表 (List)： 使用[]表示，元素可变。list.sort()是直接修改原列表，而sorted()则是创建一个新的排序副本。
元组 (Tuple)：使用()表示，一旦创建不可修改
字典 (Dict)： 使用{}表示，以“键值对”形式存储，查找效率极高。
集合 (Set)： 使用{}表示，具有无序且元素不重复的特性，常用于去重。
切片操作：这是访问序列元素的好手，语法为Sname[start:end:step]。其中start为起始位置（包含），end为截止位置（不包含），step为步长。
字符串与正则：字符串是用引号包裹的一串字符。除了基础的索引与切片，还学习了split（分割）、join（拼接）等常用方法。同时，引入了正则表达式（Regular Expression），能够高效地进行复杂的字符串匹配（如匹配手机号、邮箱等）。
四、函数：
使用def关键字定义。掌握了位置参数、关键字参数、默认参数以及可变参数（*args, **kwargs）的灵活运用。
面向对象：
核心概念：“类”是具有相同属性和行为对象的统称（集合），而“对象”是类的具体实例。类的实例化就是根据蓝图创造具体事物的过程。
三要素：封装（隐藏内部细节）、继承（代码复用与扩展）、多态（不同对象对同一消息做出不同响应）。
方法：__init__构造方法用于初始化对象属性，self代表实例本身。此外，还学习了模块（Module）与包（Package）的导入与管理，以实现代码的模块化。
五、异常处理、调试与文件操作
程序的健壮性和数据持久化是工程实践中的关键。
异常处理：通过try-except-else-finally结构捕获并处理程序运行时的错误（如ValueError、FileNotFoundError等），防止程序意外崩溃。
计算机原理：结合冯·诺依曼体系架构（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备），理解了数据在内存与外存之间的流转，以及二进制运算的底层逻辑。
文件操作：掌握了使用open()打开文件，read()/write()进行读写，seek()移动文件指针，以及close()关闭文件。
六、网络爬虫与数据库
网络爬虫：爬虫（网络蜘蛛）是一种按照特定规则自动抓取互联网信息的脚本。其基本原理是模拟浏览器向服务器发送请求（Request），获取响应（Response），并对网页数据进行解析与提取。
法律边界：学习爬虫必须严守法律底线。必须遵守《网络安全法》，不得非法获取公民个人信息或破坏目标网站系统。
数据库：了解了数据库的基本概念，并掌握了基础的增删改查（CRUD）操作，为数据的存储与管理打下了基础。
二、实验分析与设计
（1）结合实验要求与实际使用场景，我们可以知道程序实现五个核心功能所需要的条件与流程内容
1.实时天气查询：支持输入城市名称，调用天气API，获取并展示城市、时间、天气状况、温度等实时气象信息
2.历史数据存储：将每一次查询的天气数据自动保存至本地json文件，实现数据持久化，关闭程序后数据不丢失
3.历史记录查看：读取本地json文件，按顺序展示历史查询记录
4.气象数据分析：对历史温度数据进行运算，统计出最高温度、最低温度和平均温度
5.数据可视化展示：基于历史查询时间与对应温度，绘制温度变化折线图，直观反映温度变化趋势
6.天气预报：向天气API发送访问即可
7.天气情况分析：调取选中城市15天的污染情况并绘制饼状图
（2）实验设计
依照实验要求，我基于API的数据获取，分别制作了五个相对独立的模块，在从心知天气获取了相应数据后，可独立运行，避免了一锅端的问题。以下是用到的相应的函数
1.天气查询模块
（get_weather函数，调用心知天气API，发送网络请求，解析返回的json数据）
相应技术：requests网络请求、try-except异常捕获、json多层解析、字典get()容错取值、字符串格式化
2.数据存储模块
（save_history函数,将查询到的天气数据写入本地json文件，实现数据持久化）
相应技术：列表追加、文件读写、json.dump写入文件、utf-8编码、中文乱码处理
3.数据加载模块
（load_history函数，在程序启动时读取本地json文件，加载历史天气记录；文件不存在则初始化空列表）
相应技术：文件读取、json.load解析文件、FileNotFoundError异常捕获、全局变量修改
4.数据分析模块
（analyze_history函数,提取历史温度数据，计算最高温、最低温与平均温度）
相应技术：列表推导式、数值类型转换、内置函数 max/min/sum/len 、小数四舍五入
5.数据可视化模块
（plot_weather函数，提取时间、温度数据，利用matplotlib绘制温度变化折线图）
相应技术：图表创建、折线绘制、坐标轴/标题设置、标签旋转、布局自适应
6.主交互模块
（main主函数，程序入口，循环菜单、接收用户输入、调度所有功能函数）
相应技术：while无限循环、分支判断if-elif-else、控制台输入input()、遍历for-enumerate
三、实验成果
（2）源代码
（3）问题与解决
1.问题：API无法调用，导致没有数据来源
解决方案：找到可以免费提供天气信息的网站，并分清相应的公钥、密钥（选择密钥作为API Key）
2.问题：本地json文件缺失，查询不到历史记录
解决方案：找到相应存储路径，恢复文件
3.问题：无法绘制饼状图
解决方案：将调取的城市天气从30天改为15天
心得体会与课程建议
（1）体会
1.我对Python初步的了解其实是通过一个叫编码农场的游戏，在知道了循环，输入输出的用法后，基本就停下了。而在Python课上，我就进一步深化了对编程的理解，能够制作一些相对简单的游戏或小程序。在制作这个天气助手时，遇到了蛮多问题，又是没有API，要是没有装相应的依赖包，又是分不清公钥密钥，但最后也都是解决了（干事儿也一样，总得全面地想，少了哪个环节都不行）。
2.其实在我眼中Python这门课跟学一个自然语言差不了多少，都拥有固定语法规则，依靠单元组合表达含义，这应该也跟英语一样，平时可能用不到，等到关键时候会有大用吧。
3.这里特别想说一下实验三，自己因为乱改注册表导致做的很勉强，但老师您也是帮了很多，非常尽责，非常美味
4.其实咱们日常生活中有很多东西都是以代码为基础的，只是我不会往那方面想罢了。学习了Python后我偶尔也会想想这个程序是怎么运行的，用到了什么函数的了，说不定我以后会去尝试搞一下可视化编程？
（2）建议
1.老师讲的非常细致，点赞点赞
2.其实我觉得Python这门课可以讲的更有趣，更有参与感一些。比如说可以先给大家展示一下这个能做成什么程序，放宽一些加分条件什么的。这样大家的参与感会更好，会更积极，学的东西也更扎实
3.可以再多一些小组任务，会更有意思，也可以相互促进。
4.可以讲慢一些，有点跟不上（）
参考资料
《零基础学python》
浙公网安备 33010602011771号