Apprendre à programmer avec Python


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Introduction

A l'origine, les présentes notes ont été rédigées à l'intention des élèves qui suivent le cours Programmation et langages de l'option Sciences& informatique au 3e degré de transition de l'enseignement secondaire belge. Il s'agit d'un texte expérimental qui s'inspire largement de plusieurs autres documents publiés sous licence libre sur l'internet.

Nous proposons dans ces notes une démarche d'apprentissage non linéaire qui est très certainement critiquable. Nous sommes conscients qu'elle apparaîtra un peu chaotique aux yeux de certains puristes, mais nous l'avons voulue ainsi parce que nous sommes convaincus qu'il existe de nombreuses manières d'apprendre (pas seulement la programmation, d'ailleurs), et qu'il faut accepter d'emblée ce fait établi que des individus différents n'assimilent pas les mêmes concepts dans le même ordre. Nous avons donc cherché avant tout à susciter l'intérêt et à ouvrir un maximum de portes, en nous efforçant tout de même de respecter les principes directeurs suivants :

  • L'apprentissage que nous visons doit être adapté au niveau de compréhension et aux connaissances générales d'un élève moyen. Nous nous refusons d'élaborer un cours qui soit réservé à une « élite » de petits génies. Dans la même optique, notre ambition reste généraliste : nous voulons mettre en évidence les invariants de la programmation et de l'informatique, sans poursuivre une spécialisation quelconque.
  • Les outils utilisés au cours de l'apprentissage doivent être modernes et performants, mais il faut aussi que l'élève puisse se les procurer en toute légalité pour son usage personnel. Toute notre démarche d'apprentissage repose en effet sur l'idée que l'élève devra très tôt mettre en chantier des réalisations personnelles qu'il pourra développer et exploiter à sa guise.
  • L'élève qui apprend doit pouvoir rapidement réaliser de petites applications graphiques.
    Les étudiants auxquels nous nous adressons sont en effet fort jeunes (en théorie, ils sont à peine arrivés à l'âge ou l'on commence à pouvoir faire des abstractions). Dans ce cours, nous avons pris le parti d'aborder très tôt la programmation d'une interface graphique, avant même d'avoir présenté l'ensemble des structures de données disponibles, parce que nous observons que les jeunes qui arrivent aujourd'hui dans nos classes « baignent » déjà dans une culture informatique à base de fenêtres et autres objets graphiques interactifs. S'ils choisissent d'apprendre la programmation, ils sont forcément impatients de créer par eux-mêmes des applications (peut-être très simples) où l'aspect graphique est déjà bien présent. Nous avons donc choisi cette approche un peu inhabituelle afin de permettre à nos élèves de se lancer très tôt dans de petits projets personnels attrayants, par lesquels ils puissent se sentir valorisés. Nous leur imposerons cependant de réaliser leurs projets sans faire appel à l'un ou l'autre de ces environnements de programmation sophistiqués qui écrivent automatiquement de nombreuses lignes de code, parce que nous ne voulons pas non plus masquer la complexité sous-jacente.

Certains nous reprocheront que notre démarche n'est pas suffisamment centrée sur l'algorithmique pure et dure. Nous pensons qu'une telle approche n'est guère adaptée aux jeunes, pour les raisons déjà évoquées ci-dessus. Nous pensons également qu'elle est moins primordiale que par le passé. Il semble en effet que l'apprentissage de la programmation moderne par objets nécessite plutôt une mise en contact aussi précoce que possible de l'étudiant avec des objets et des bibliothèques de classes préexistants. Ainsi il apprend très tôt à raisonner en termes d'interactions entre objets, plutôt qu'en termes de procédures, et cela l'autorise assez vite à tirer profit de concepts avancés, tels que l'héritage et le polymorphisme.

Nous avons par ailleurs accordé une place assez importante à la manipulation de différents types de structures de données, car nous estimons que c'est la réflexion sur les données qui doit rester la colonne vertébrale de tout développement logiciel.

Choix d'un premier langage de programmation

Il existe un très grand nombre de langages de programmation, chacun avec ses avantages et ses inconvénients. L'idéal serait certainement d'en utiliser plusieurs, et nous ne pouvons qu'encourager les professeurs à présenter de temps à autre quelques exemples tirés de langages différents. Il faut cependant bien admettre que nous devons avant tout viser l'acquisition de bases solides, et que le temps dont nous disposons est limité. Dans cette optique, il nous semble raisonnable de n'utiliser d'abord qu'un seul langage, au moins pendant la première année d'études.

Mais quel langage allons-nous choisir pour commencer ?

Lorsque nous avons commencé à réfléchir à cette question, durant notre préparation d'un curriculum pour la nouvelle option Sciences & Informatique, nous avions personnellement accumulé une assez longue expérience de la programmation sous Visual Basic (Micro$oft) et sous Clarion (Top$peed). Nous avions également expérimenté quelque peu sous Delphi (Borl@nd). Il était donc naturel que nous pensions d'abord exploiter l'un ou l'autre de ces langages (avec une nette préférence pour Clarion, qui reste malheureusement peu connu).

Si nous souhaitons les utiliser comme outils de base pour un apprentissage général de la programmation, ces langages présentent toutefois deux gros inconvénients :

  • Ils sont liés à des environnements de programmation (c'est-à-dire des logiciels) propriétaires. Cela signifie donc, non seulement que l'institution scolaire désireuse de les utiliser devrait acheter une licence de ces logiciels pour chaque poste de travail (ce qui risque de se révéler assez coûteux), mais surtout que les élèves souhaitant utiliser leurs compétences de programmation ailleurs qu'à l'école seraient implicitement forcés d'en acquérir eux aussi des licences, ce que nous ne pouvons pas accepter.
  • Ce sont des langages spécifiquement liés au seul système d'exploitation Windows. Ils ne sont pas « portables » sur d'autres systèmes (Unix, MacOS, etc.). Cela ne cadre pas avec notre projet pédagogique qui ambitionne d'inculquer une formation générale (et donc diversifiée) dans laquelle les invariants de l'informatique seraient autant que possible mis en évidence.

Nous avons alors décidé d'examiner l'offre alternative, c'est-à-dire celle qui est proposée gratuitement dans la mouvance de l'informatique libre1. Ce que nous avons trouvé nous a enthousiasmés : non seulement il existe dans le monde de l'Open Source des interpréteurs et des compilateurs gratuits pour toute une série de langages, mais le véritable cadeau consiste dans le fait que ces langages sont modernes, performants, portables (c'est-à-dire utilisables sur différents systèmes d'exploitation tels que Windows, Linux, MacOS ...), et fort bien documentés.

Le langage dominant y est sans conteste C/C++. Ce langage s'impose comme une référence absolue, et tout informaticien sérieux doit s'y frotter tôt ou tard. Il est malheureusement très rébarbatif et compliqué, trop proche de la machine. Sa syntaxe est peu lisible et fort contraignante. La mise au point d'un gros logiciel écrit en C/C++ est longue et pénible. (Les mêmes remarques valent aussi dans une large mesure pour le langage Java).

D'autre part, la pratique moderne de ce langage fait abondamment appel à des générateurs d'applications et autres outils d'assistance très élaborés tels C++Builder, Kdevelop, etc. Ces environnements de programmation peuvent certainement se révéler très efficaces entre les mains de programmeurs expérimentés, mais ils proposent d'emblée beaucoup trop d'outils complexes, et ils présupposent de la part de l'utilisateur des connaissances qu'un débutant ne maîtrise évidemment pas encore. Ce seront donc aux yeux de celui-ci de véritables « usines à gaz » qui risquent de lui masquer les mécanismes de base du langage lui-même. Nous laisserons donc le C/C++ pour plus tard.

Pour nos débuts dans l'étude de la programmation, il nous semble préférable d'utiliser un langage de plus haut niveau, moins contraignant, à la syntaxe plus lisible. Veuillez aussi consulter à ce sujet la préface de « How to think like a computer scientist », par Jeffrey Elkner (voir page 358).

Après avoir successivement examiné et expérimenté quelque peu les langages Perl et Tcl/Tk , nous avons finalement décidé d'adopter Python, langage très moderne à la popularité grandissante.

1 Un logiciel libre (Free Software) est avant tout un logiciel dont le code source est accessible à tous (Open source). Souvent gratuit (ou presque), copiable et modifiable librement au gré de son acquéreur, il est généralement le produit de la collaboration bénévole de centaines de développeurs enthousiastes dispersés dans le monde entier. Son code source étant "épluché" par de très nombreux spécialistes (étudiants et professeurs universitaires), un logiciel libre se caractérise la plupart du temps par un très haut niveau de qualité technique. Le plus célèbre des logiciels libres est le système d'exploitation GNU/Linux, dont la popularité ne cesse de s'accroître de jour en jour.

Présentation du langage Python, par Stéfane Fermigier.

Python est un langage portable, dynamique, extensible, gratuit, qui permet (sans l'imposer) une approche modulaire et orientée objet de la programmation. Python est développé depuis 1989 par Guido van Rossum et de nombreux contributeurs bénévoles.

Caractéristiques du langage

Détaillons un peu les principales caractéristiques de Python, plus précisément, du langage et de ses deux implantations actuelles:

  • Python est portable, non seulement sur les différentes variantes d'Unix, mais aussi sur les OS propriétaires: MacOS, BeOS, NeXTStep, MS-DOS et les différentes variantes de Windows. Un nouveau compilateur, baptisé JPython, est écrit en Java et génère du bytecode Java.
  • Python est gratuit, mais on peut l'utiliser sans restriction dans des projets commerciaux.
  • Python convient aussi bien à des scripts d'une dizaine de lignes qu'à des projets complexes de plusieurs dizaines de milliers de lignes.
  • La syntaxe de Python est très simple et, combinée à des types de données évolués (listes, dictionnaires,...), conduit à des programmes à la fois très compacts et très lisibles. A fonctionnalités égales, un programme Python (abondamment commenté et présenté selon les canons standards) est souvent de 3 à 5 fois plus court qu'un programme C ou C++ (ou même Java) équivalent, ce qui représente en général un temps de développement de 5 à 10 fois plus court et une facilité de maintenance largement accrue.
  • Python gère ses ressources (mémoire, descripteurs de fichiers...) sans intervention du programmeur, par un mécanisme de comptage de références (proche, mais différent, d'un garbage collector).
  • Il n'y a pas de pointeurs explicites en Python.
  • Python est (optionnellement) multi-threadé.
  • Python est orienté-objet. Il supporte l'héritage multiple et la surcharge des opérateurs. Dans son modèle objets, et en reprenant la terminologie de C++, toutes les méthodes sont virtuelles.
  • Python intègre, comme Java ou les versions récentes de C++, un système d'exceptions, qui permettent de simplifier considérablement la gestion des erreurs.
  • Python est dynamique (l'interpréteur peut évaluer des chaînes de caractères représentant des expressions ou des instructions Python), orthogonal (un petit nombre de concepts suffit à engendrer des constructions très riches), réflectif (il supporte la métaprogrammation, par exemple la capacité pour un objet de se rajouter ou de s'enlever des attributs ou des méthodes, ou même de changer de classe en cours d'exécution) et introspectif (un grand nombre d'outils de développement, comme le debugger ou le profiler, sont implantés en Python lui-même).
  • Comme Scheme ou SmallTalk, Python est dynamiquement typé. Tout objet manipulable par le programmeur possède un type bien défini à l'exécution, qui n'a pas besoin d'être déclaré à l'avance.
  • Python possède actuellement deux implémentations. L'une, interprétée, dans laquelle les programmes Python sont compilés en instructions portables, puis exécutés par une machine virtuelle (comme pour Java, avec une différence importante: Java étant statiquement typé, il est beaucoup plus facile d'accélérer l'exécution d'un programme Java que d'un programme Python). L'autre génère directement du bytecode Java.
  • Python est extensible : comme Tcl ou Guile, on peut facilement l'interfacer avec des bibliothèques C existantes. On peut aussi s'en servir comme d'un langage d'extension pour des systèmes logiciels complexes.
  • La bibliothèque standard de Python, et les paquetages contribués, donnent accès à une grande variété de services : chaînes de caractères et expressions régulières, services UNIX standards (fichiers, pipes, signaux, sockets, threads...), protocoles Internet (Web, News, FTP, CGI, HTML...), persistance et bases de données, interfaces graphiques.
  • Python est un langage qui continue à évoluer, soutenu par une communauté d'utilisateurs enthousiastes et responsables, dont la plupart sont des supporters du logiciel libre. Parallèlement à l'interpréteur principal, écrit en C et maintenu par le créateur du langage, un deuxième interpréteur, écrit en Java, est en cours de développement.
  • Enfin, Python est un langage de choix pour traiter le XML.

Stéfane Fermigier est le président de l'AFUL (Association Francophone des Utilisateurs de Linux et des logiciels libres). Ce texte est extrait d'un article paru dans le magazine Programmez! en décembre 1998. Il est également disponible sur http://www.linux-center.org/articles/9812/python.html)

Plusieurs versions différentes ?

Comme cela a été évoqué dans le texte ci-dessus, Python continue à évoluer sans cesse. Mais cette évolution ne vise qu'à améliorer ou perfectionner le produit. De ce fait, vous ne devez pas craindre de devoir tôt ou tard modifier tous vos programmes afin de les adapter à une nouvelle version qui serait devenue incompatible avec les précédentes. Les exemples de ce livre ont été réalisés les uns après les autres sur une période de temps relativement longue : certains ont été développés sous Python 1.5.2, puis d'autres sous Python 1.6, Python 2.0, Python 2.1, Python 2.2 et enfin Python 2.3.
Tous continuent cependant à fonctionner sans problème sous cette dernière version, et ils continueront certainement à fonctionner sans modification majeure sur les versions futures.
Installez donc sur votre système la dernière version disponible, et amusez-vous bien !

Distribution de Python - Bibliographie

Les différentes versions de Python (pour Windows, Unix, etc.), son tutoriel original, son manuel de référence, la documentation des bibliothèques de fonctions, etc. sont disponibles en téléchargement gratuit depuis l'internet, à partir du site web officiel : http://www.python.org

Il existe également de très bons ouvrages imprimés concernant Python. Si la plupart d'entre eux n'existent encore qu'en version anglaise, on peut cependant déjà se procurer en traduction française les manuels ci-après :

  • Python en concentré, par Alex Martelli, traduction d'Éric Jacoboni, Editions O'Reilly, Paris, 2004, 645 p., ISBN 2-84177-290-X. C'est le premier ouvrage de référence véritable édité en langue française. Une mine de renseignements essentielle.
  • Introduction à Python, par Mark Lutz & David Ascher, traduction de Sébastien Tanguy, Olivier Berger & Jérôme Kalifa, Editions O'Reilly, Paris, 2000, 385 p., ISBN 2-84177-089-3. Cet ouvrage est une excellente initiation à Python pour ceux qui pratiquent déjà d'autres langages.
  • L'intro Python, par Ivan Van Laningham, traduction de Denis Frère, Karine Cottereaux et Noël Renard, Editions CampusPress, Paris, 2000, 484 p., ISBN 2-7440-0946-6
  • Python précis & concis (il s'agit d'un petit aide-mémoire bien pratique), par Mark Lutz, traduction de James Guérin, Editions O'Reilly, Paris, 2000, 80 p., ISBN 2-84177-111-3

En langue anglaise, le choix est évidemment beaucoup plus vaste. Nous apprécions personnellement beaucoup Python : How to program, par Deitel, Liperi & Wiedermann, Prentice Hall, Upper Saddle River - NJ 07458, 2002, 1300 p., ISBN 0-13-092361-3 , très complet, très clair, agréable à lire et qui utilise une méthodologie éprouvée, Core Python programming, par Wesley J. Chun, Prentice Hall, 2001, 770 p., ISBN 0-13-026036-3 dont les explications sont limpides, et Learn to program using Python, par Alan Gauld, Addison-Wesley, Reading, MA, 2001, 270 p., ISBN 0-201-70938-4 , qui est un très bon ouvrage pour débutants.

Pour aller plus loin, notamment dans l'utilisation de la bibliothèque graphique Tkinter, on pourra utilement consulter Python and Tkinter Programming, par John E. Grayson, Manning publications co., Greenwich (USA), 2000, 658 p., ISBN 1-884777-81-3 , et surtout l'incontournable Programming Python (second edition) de Mark Lutz, Editions O'Reilly, Paris, 2001, 1255 p., ISBN 0-596-00085-5, qui est une extraordinaire mine de renseignements sur de multiples aspects de la programmation moderne (sur tous systèmes).

Si vous savez déjà bien programmer, et que vous souhaiter progresser encore en utilisant les concepts les plus avancés de l'algorithmique Pythonienne, procurez vous Python cookbook, par Alex Martelli et David Ascher, Editions O'Reilly, Paris, 2002, 575 p., ISBN 0-596-00167-3 , dont les recettes sont savoureuses.

Si vous souhaitez plus particulièrement exploiter aux mieux les ressources liées au système d'exploitation Windows, Python Programming on Win32, par Mark Hammond & Andy Robinson, Editions O'Reilly, Paris, 2000, 654 p., ISBN 1-56592-621-8 est un ouvrage précieux.

Référence également fort utile, la Python Standard Library de Fredrik Lundh, Editions O'Reilly, Paris, 2001, 282 p., ISBN 0-596-00096-0

Pour le professeur qui souhaite utiliser cet ouvrage comme support de cours

Nous souhaitons avec ces notes ouvrir un maximum de portes. A notre niveau d'études, il nous paraît important de montrer que la programmation d'un ordinateur est un vaste univers de concepts et de méthodes, dans lequel chacun peut trouver son domaine de prédilection. Nous ne pensons pas que tous nos étudiants doivent apprendre exactement les mêmes choses. Nous voudrions plutôt qu'ils arrivent à développer chacun des compétences quelque peu différentes, qui leur permettent de se valoriser à leurs propres yeux ainsi qu'à ceux de leurs condisciples, et également d'apporter leur contribution spécifique lorsqu'on leur proposera de collaborer à des travaux d'envergure.

De toute manière, notre préoccupation primordiale doit être d'arriver à susciter l'intérêt, ce qui est loin d'être acquis d'avance pour un sujet aussi ardu que la programmation d'un ordinateur. Nous ne voulons pas feindre de croire que nos jeunes élèves vont se passionner d'emblée pour la construction de beaux algorithmes. Nous sommes plutôt convaincus qu'un certain intérêt ne pourra durablement s'installer qu'à partir du moment où ils commenceront à réaliser qu'ils sont devenus capables de développer un projet personnel original, dans une certaine autonomie.

Ce sont ces considérations qui nous ont amenés à développer une structure de cours que certains trouveront peut-être un peu chaotique. Le principal fil conducteur en est l'excellent « How to think like a computer scientist », mais nous l'avons un peu éclaté pour y insérer toute une série d'éléments concernant la gestion des entrées/sorties, et en particulier l'interface graphique Tkinter. Nous souhaiterions en effet que les élèves puissent déjà réaliser l'une ou l'autre petite application graphique dès la fin de leur première année d'études.

Très concrètement, cela signifie que nous pensons pouvoir explorer les huit premiers chapitres de ces notes durant la première année de cours. Cela suppose que l'on aborde d'abord toute une série de concepts importants (types de données, variables, instructions de contrôle du flux, fonctions et boucles) d'une manière assez rapide, sans trop se préoccuper de ce que chaque concept soit parfaitement compris avant de passer au suivant, en essayant plutôt d'inculquer le goût de la recherche personnelle et de l'expérimentation. Il sera souvent plus efficace de réexpliquer les notions et les mécanismes essentiels en situation, dans des contextes variés.

Dans notre esprit, c'est surtout en seconde année que l'on cherchera à structurer les connaissances acquises, en les approfondissant. Les algorithmes seront davantage décortiqués et commentés. Les projets, cahiers des charges et méthodes d'analyse seront discutés en concertation. On exigera la tenue régulière d'un cahier de notes et la rédaction de rapports techniques pour certains travaux.

L'objectif ultime sera pour chaque élève de réaliser un projet de programmation original d'une certaine importance. On s'efforcera donc de boucler l'étude théorique des concepts essentiels suffisamment tôt dans l'année scolaire, afin que chacun puisse disposer du temps nécessaire.

Il faut bien comprendre que les nombreuses informations fournies dans ces notes concernant une série de domaines particuliers (gestion des interfaces graphiques, des communications, des bases de données, etc.) sont matières facultatives. Ce sont seulement une série de suggestions et de repères que nous avons inclus pour aider les étudiants à choisir et à commencer leur projet personnel de fin d'études. Nous ne cherchons en aucune manière à former des spécialistes d'un certain langage ou d'un certain domaine technique : nous voulons simplement donner un petit aperçu des immenses possibilités qui s'offrent à celui qui se donne la peine d'acquérir une compétence de programmeur.

Exemples du livre

Le code source des exemples de ce livre peut être téléchargé à partir du site de l'auteur :

http://www.ulg.ac.be/cifen/inforef/swi/python.htm

Remerciements

Ces notes sont pour une partie le résultat d'un travail personnel, mais pour une autre - bien plus importante - la compilation d'informations et d'idées mises à la disposition de tous par des professeurs et des chercheurs bénévoles. Comme déjà signalé plus haut, l'une de mes sources les plus importantes a été le cours de A.Downey, J.Elkner & C.Meyers : How to think like a computer scientist. Merci encore à ces professeurs enthousiastes. J'avoue aussi m'être largement inspiré du tutoriel original écrit par Guido van Rossum lui-même (l'auteur principal de Python), ainsi que d'exemples et de documents divers émanant de la (très active) communauté des utilisateurs de Python. Il ne m'est malheureusement pas possible de préciser davantage les références de tous ces textes, mais je voudrais que leurs auteurs soient assurés de toute ma reconnaissance.

Merci également à tous ceux qui oeuvrent au développement de Python, de ses accessoires et de sa documentation, à commencer par Guido van Rossum, bien sûr, mais sans oublier non plus tous les autres (Il sont (mal)heureusement trop nombreux pour que je puisse les citer tous ici).

Merci encore à mes collègues Freddy Klich, Christine Ghiot et David Carrera, professeurs à l'Institut St. Jean-Berchmans de Liège, qui ont accepté de se lancer dans l'aventure de ce nouveau cours avec leurs élèves, et ont également suggéré de nombreuses améliorations. Un merci tout particulier à Christophe Morvan, professeur à l'IUT de Marne-la-Vallée, pour ses avis précieux et ses encouragements.

Grand merci aussi à Florence Leroy, mon éditrice chez O'Reilly, qui a corrigé mes incohérences et mes belgicismes avec une compétence sans faille.

Merci enfin à mon épouse Suzel, pour sa patience et sa compréhension.


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