python编程 ：第十六课：和电脑“书写”与“阅读” – 文件操作

第十六课：和电脑“书写”与“阅读” – 文件操作

• 时长: 90 分钟
• 教学目标:
  • 理解文件的概念：电脑上用来长期存放数据的地方。
  • 知道为什么程序需要文件操作（保存数据、读取数据、和外界交换数据）。
  • 学会使用 open() 命令来打开一个文件，并理解打开文件的不同模式（读取 ‘r’，写入 ‘w’，追加 ‘a’）。
  • 掌握向文件写入内容的方法（.write()）。
  • 掌握从文件读取内容的方法（.read(), .readline(), .readlines())，并理解它们的区别。
  • 重要: 学会使用 with open(...) as ...: 语句，这是推荐的文件操作方式，它可以确保文件在使用后被正确关闭。
  • 了解文件操作中可能遇到的简单问题（比如文件不存在），以及 with open 如何简化处理。

课程内容

1. 复习与引入 (10 分钟)

• 复习: 快速回顾我们学过的数据结构：列表（存多个有序数据）、字典（存键值对）。这些数据都存在程序的内存里。
• 提出问题: 老师提问：“我们学过的变量、列表、字典，它们里面的数据都存在电脑的内存里。但是，当我们程序运行结束，或者电脑关机再开机后，内存里的数据就全部丢失了。如果我想把我们计算的学生分数、或者写的猜数字游戏的最高纪录、或者我们写的日记永久地保存起来，下次打开程序还能看到，怎么办呢？这些数据不能只放在内存里呀。”
• 引出文件: 这时候，我们就需要把数据写到电脑的硬盘上，写成一个文件。文件就像我们现实中的日记本、相册、书本一样，可以把信息长期保存起来。程序可以通过文件操作（读和写），和这些硬盘上的数据进行交互。

2. 打开文件的大门 – open() 函数 (15 分钟)

• 概念: 在对文件进行读写操作之前，程序必须先“打开”这个文件。使用内置的 open() 函数来完成。
• 语法: 文件对象 = open(文件路径, 模式)
  • 文件路径: 文件在电脑里的位置和名字。如果是和你的 Python 程序放在同一个文件夹里，直接写文件名就行了，比如 "my_diary.txt"。如果不在同一个文件夹，需要写完整的路径。
  • 模式 (mode): 告诉 Python 你打开文件是想做什么。这是第二个重要的参数，用字符串表示。
• 常用的模式:
  • 'r' (read): 读取模式。打开文件只为了读里面的内容。如果文件不存在，会报错。
  • 'w' (write): 写入模式。打开文件是为了写内容。
    • 如果文件已经存在，里面的原有内容会被清空！
    • 如果文件不存在，Python 会为你创建一个新的文件。
  • 'a' (append): 追加模式。打开文件是为了在文件末尾添加新内容。
    • 如果文件已经存在，新内容会写在文件最后面，不会覆盖原有内容。
    • 如果文件不存在，Python 会为你创建一个新的文件。
• 文件对象: open() 函数会返回一个“文件对象”，我们可以通过这个对象来对文件进行读写操作。
• 重要！关闭文件: 对文件操作完成后，一定要“关闭”文件，就像用完笔要盖上笔盖、读完书要合上一样。关闭文件可以确保数据被真正地保存到硬盘，并释放电脑的资源。使用文件对象的 .close() 方法。

  # 老方法：打开文件，操作，然后关闭
  # 打开一个文件用于写入 ('w' 模式)
  my_file = open("hello.txt", "w")
  # ... 在这里进行文件写入操作 ...
  print("文件已打开，准备写入...")
  # 操作完成后，关闭文件
  my_file.close()
  print("文件已关闭。")
  
  # 尝试以读取模式打开一个不存在的文件 (会报错)
  # try:
  #     file_to_read = open("not_exist.txt", "r")
  #     file_to_read.close()
  # except FileNotFoundError:
  #     print("错误：要读取的文件不存在！")
  

• 动手实践: 老师演示如何用 'w' 模式打开一个文件，然后立即关闭。 让学生尝试写代码打开一个文件（比如 my_data.txt）用 'w' 模式，然后关闭它。 演示尝试用 'r' 模式打开一个不存在的文件，看到报错信息。

3. 向文件“写字” – 写入文件 (20 分钟)

• .write(字符串): 这是最常用的写入方法，将一个字符串写入文件。 注意：write() 不会自动帮你换行，你需要手动添加换行符 \n。
• .writelines(字符串列表): 可以将一个包含字符串的列表写入文件。它会把列表里的每个字符串依次写入，但同样不会自动添加换行符 \n。
• 使用 'w' 模式写入: 写入内容，会覆盖原有内容。

  # 使用 'w' 模式写入文件
  file_write_w = open("my_output_w.txt", "w", encoding='utf-8') # 建议加上 encoding='utf-8'
  file_write_w.write("这是第一行内容。\n") # 手动加换行
  file_write_w.write("这是第二行内容。\n")
  file_write_w.write("数字也可以写入，但要先转成字符串：" + str(123) + "\n")
  file_write_w.close() # 记得关闭！
  print("内容已写入 my_output_w.txt 文件。")
  
  # 写入一个列表
  lines_to_write = ["春天来了，\n", "花儿开了。\n", "小鸟在唱歌。\n"]
  file_write_list = open("my_list_output.txt", "w", encoding='utf-8')
  file_write_list.writelines(lines_to_write)
  file_write_list.close()
  print("列表内容已写入 my_list_output.txt 文件。")
  

• 使用 'a' 模式追加: 在文件末尾添加内容。

  # 使用 'a' 模式追加写入文件
  file_append_a = open("my_output_a.txt", "a", encoding='utf-8') # 如果文件不存在会新建
  file_append_a.write("这是追加的第一行。\n")
  file_append_a.write("这是追加的第二行。\n")
  file_append_a.close() # 记得关闭！
  print("内容已追加到 my_output_a.txt 文件。")
  

• 动手实践: 学生编写代码，分别使用 'w' 和 'a' 模式向同一个文件写入内容，观察文件内容的变化（打开文件查看）。 尝试使用 .writelines() 写入一个字符串列表。 强调手动加 \n。

4. 从文件“看字” – 读取文件 (20 分钟)

• 使用 'r' 模式读取: 打开文件只为了读取内容。
• .read(n): 读取文件中的 n 个字符。如果不指定 n，则读取整个文件内容。
• .readline(): 读取文件中的一行内容，包括换行符。
• .readlines(): 读取文件中的所有行，并将每一行作为一个字符串存到列表中返回。每行字符串会包含换行符 \n。
• 读取示例:

  # 确保 my_output_w.txt 文件存在并有内容
  
  # 读取整个文件
  file_read_all = open("my_output_w.txt", "r", encoding='utf-8')
  content = file_read_all.read()
  print("--- 读取整个文件 ---")
  print(content)
  file_read_all.close() # 记得关闭！
  
  # 逐行读取
  file_read_line = open("my_output_w.txt", "r", encoding='utf-8')
  print("--- 逐行读取 ---")
  line1 = file_read_line.readline()
  line2 = file_read_line.readline()
  print("第一行:", line1)
  print("第二行:", line2)
  file_read_line.close() # 记得关闭！
  
  # 读取所有行到列表中
  file_read_lines = open("my_output_w.txt", "r", encoding='utf-8')
  lines_list = file_read_lines.readlines()
  print("--- 读取所有行到列表 ---")
  print(lines_list)
  file_read_lines.close() # 记得关闭！
  
  # 常用方法：使用 for 循环逐行读取 (更简洁)
  # 这种方法会自动处理文件对象和逐行读取，非常方便
  print("--- 使用 for 循环逐行读取 ---")
  file_read_for = open("my_output_w.txt", "r", encoding='utf-8')
  for line in file_read_for:
      print("读到一行:", line, end="") # line 已经包含换行符，所以 print 就不加额外换行了
  file_read_for.close() # 记得关闭！
  

• 动手实践: 学生尝试用不同的读取方法读取之前写入的文件，观察输出结果。 特别是对比 read(), readline(), readlines() 的区别，以及 for 循环逐行读取的方便之处。

5. 最好的文件操作方式 – with 语句 (15 分钟)

• 问题: 每次操作完文件都要记得 close()，如果忘记了或者程序中间报错了，文件可能就没关上，数据没保存好，或者资源没释放。
• with open(...) as ...: 的好处: 这种语句块可以确保文件在使用完毕后自动关闭，不管中间是否发生错误。这是 Python 中推荐的文件操作方式。
• 语法:

  with open(文件路径, 模式, encoding='utf-8') as 文件对象:
      # 在这里对 文件对象 进行读写操作
      print("文件已自动打开，正在操作...")
      # 这个代码块结束时，文件会自动关闭
  # 代码块外部，文件已经关闭了
  print("with 块结束，文件已自动关闭。")
  

  `as 文件对象` 后面的名字可以自己定，比如 `f` 是常用的简称。

• 使用 with 重写之前的例子:

  print("--- 使用 with 写入文件 ---")
  with open("my_with_output.txt", "w", encoding='utf-8') as f:
      f.write("使用 with 写入第一行。\n")
      f.write("使用 with 写入第二行。\n")
  
  print("--- 使用 with 逐行读取文件 ---")
  try: # 使用 try...except 结构处理文件不存在的读取错误
      with open("my_with_output.txt", "r", encoding='utf-8') as f:
          for line in f:
              print("读到一行:", line, end="")
  except FileNotFoundError:
      print("错误：要读取的文件不存在。")
  

• 动手实践: 学生将之前使用 open() 和 close() 的读写代码，修改为使用 with open(...) as f: 的方式。 特别注意缩进。 尝试读取一个不存在的文件，观察 try...except 的效果（如果时间允许讲 try...except，否则只演示 FileNotFoundError）。

6. 课堂练习 (10 分钟)

让学生独立完成以下练习：

• 练习 1: 编写一个程序，使用 with open 和 'w' 模式，创建一个名为 my_notes.txt 的文件，向其中写入三行你的个人信息或喜欢的句子，每行独立。

  # 在这里写你的代码
  # TODO: 使用 with open 打开文件 'my_notes.txt'，模式 'w'
      # TODO: 写入第一行
      # TODO: 写入第二行
      # TODO: 写入第三行
  

• 练习 2: 编写一个程序，使用 with open 和 'r' 模式，打开上一个练习创建的 my_notes.txt 文件，使用 for 循环逐行读取文件内容并打印。
• 练习 3: 编写一个程序，使用 with open 和 'a' 模式，向 my_notes.txt 文件末尾追加一行新的内容。然后再次读取并打印整个文件内容，确认新内容被追加。

7. 总结与提问 (5 分钟)

• 回顾: 回顾本节课内容：文件的概念和作用，open() 打开文件和不同的模式（’r’, ‘w’, ‘a’），文件写入 .write(), .writelines()（注意 \n），文件读取 .read(), .readline(), .readlines(), for 循环逐行读取，最推荐的 with open(...) as f: 语句（自动关闭文件）。
• 提问:
  • 为什么要使用文件？
  • 打开文件读取用什么模式？写入并覆盖用什么模式？写入并添加到末尾用什么模式？
  • .write() 会自动换行吗？
  • .read() 和 .readline() 有什么区别？
  • with open 的最大好处是什么？
  • 如果用 'r' 模式打开的文件不存在会怎样？
• 答疑: 回答学生问题。

8. 布置课后作业 (5 分钟)

• 作业 1: 编写一个程序，询问用户输入一段文字（比如日记的一段）。使用 with open 和 'a' 模式，将用户输入的文字写入一个叫做 diary.txt 的文件末尾。每次运行程序都可以往日记里追加新的内容。
• 作业 2: 编写一个程序，创建一个数字列表 numbers = [10, 20, 30, 40, 50]。使用 with open 和 'w' 模式，将列表中的每个数字写入一个叫做 numbers.txt 的文件，每个数字占一行。
• 作业 3: 编写一个程序，使用 with open 和 'r' 模式，打开上一个作业创建的 numbers.txt 文件，读取其中的数字，计算这些数字的总和，并打印结果。（提示：读取到的数字是字符串，需要转换为整数再相加）。
• 作业 4: (选做) 编写一个简单的学生信息管理程序。使用一个列表存储学生信息（每个学生是一个字典，包含姓名和分数）。让用户选择：1. 添加学生信息，2. 显示所有学生信息，3. 将学生信息保存到文件，4. 从文件加载学生信息，5. 退出。 保存和加载时，可以考虑每行保存一个学生信息（比如用逗号分隔姓名和分数），读取时再解析。