python编程 ：第十八课：Python 的“工具箱” – 模块的初步使用

第十八课：Python 的“工具箱” – 模块的初步使用

• 时长: 90 分钟
• 教学目标:
  • 理解“模块”的概念：别人写好的、可以拿来用的 Python 代码文件。
  • 知道为什么需要使用模块（省时省力，利用别人的智慧）。
  • 学会使用 import 关键字将模块引入到自己的程序中。
  • 掌握如何使用模块中提供的函数和变量。
  • 通过使用 math 模块学习进行更复杂的数学计算。
  • 通过使用 random 模块学习如何让程序产生随机性（比如实现简单的摇骰子、抽签）。
  • 初步了解 import 的不同形式（as 别名，from...import）。

课程内容

1. 复习与引入 (10 分钟)

• 复习: 快速回顾错误处理 try...except 和文件操作。 提及我们自己写代码来完成任务（比如计算平均分、找列表最大值）。
• 提出问题: 老师提问：“如果我想计算一个数的平方根怎么办？比如根号 9 是 3。或者我想计算圆的面积需要用到圆周率 π (大概 3.14159)。再或者我想让电脑帮我随机选一个幸运数字，或者模拟扔骰子，怎么做到呢？这些功能我们自己写是不是很麻烦？”
• 引出模块: 其实，很多常用的功能（比如各种数学计算、生成随机数、处理时间和日期等等），已经有很多厉害的程序员帮我们写好了，打包成一个个叫做模块 (Module)的文件，就像一个个专门的“工具箱”。我们只需要把这些工具箱“拿过来”用就行了，不用自己重新制造工具。

2. 什么是模块？ (10 分钟)

• 概念: 模块就是一个包含 Python 代码的文件（通常是以 .py 结尾）。这个文件里可以有函数、变量、甚至类（以后会学）。
• 打个比方:
  • 模块就像一个乐高积木套装，里面有很多不同形状和功能的积木（函数、变量），你可以拿来用。
  • 模块就像一个文具盒，里面有铅笔（函数）、橡皮（函数）、尺子（变量 π）等工具，你需要用哪个就拿哪个。
• 标准库: Python 自己就自带了很多非常实用的模块，这些模块被称为 Python 的“标准库”。我们今天学的 math 和 random 就是标准库中的模块。

3. 把工具箱“拿过来” – import 语句 (15 分钟)

• 作用: 使用 import 关键字，可以把一个模块“加载”到我们的程序中，这样我们就可以使用这个模块里的工具了。
• 语法: import 模块名称
• 演示:

  # 导入 math 模块 (数学工具箱)
  import math
  
  # 导入 random 模块 (随机数工具箱)
  import random
  
  print("模块导入完成。") # 导入成功后，通常不会有输出
  # 如果模块名写错了，import 会报错：ModuleNotFoundError
  # import maths # 错误！模块名可能写错了
  

• 动手实践: 学生尝试导入 math 模块和 random 模块。 故意把模块名写错，观察 ModuleNotFoundError 错误。

4. 使用工具箱里的“工具” – 访问模块内容 (15 分钟)

• 语法: 导入模块后，要使用模块里面的函数或变量，需要先写模块名，然后用一个点 . 连接要使用的函数或变量的名字。

  import math
  
  # 使用 math 模块里的 pi 变量 (圆周率)
  print("圆周率 π 大约是:", math.pi)
  
  # 使用 math 模块里的 sqrt 函数 (平方根)
  num = 9
  sqrt_result = math.sqrt(num)
  print(f"{num} 的平方根是:", sqrt_result)
  
  radius = 5
  # 使用 math.pi 计算圆的面积
  area = math.pi * radius * radius
  print(f"半径为 {radius} 的圆的面积是:", area)
  

  import random
  
  # 使用 random 模块里的 randint 函数 (生成指定范围内的随机整数，包含两端)
  # 模拟扔骰子 (生成 1 到 6 的随机整数)
  dice_roll = random.randint(1, 6)
  print("你扔的骰子点数是:", dice_roll)
  
  # 随机选择列表中的一个元素 (使用 random.choice 函数)
  fruits = ["苹果", "香蕉", "橙子", "葡萄"]
  lucky_fruit = random.choice(fruits)
  print("今天你的幸运水果是:", lucky_fruit)
  

• 演示: 老师演示导入 math 模块并使用 math.pi 和 math.sqrt()。 演示导入 random 模块并使用 random.randint() 和 random.choice()。
• 动手实践: 学生尝试使用 math 模块计算其他数字的平方根。 尝试使用 random.randint() 生成 1 到 100 之间的随机数。 尝试使用 random.choice() 从自己创建的列表中随机选一个元素。

5. 更多导入方式 (简单介绍) (10 分钟)

• 导入并起别名 (import ... as ...): 如果模块名字很长，或者想给模块起个短一点的名字，可以使用 as 关键字。

  import random as rd # 给 random 模块起个别名叫 rd
  
  print("用别名调用随机整数函数:", rd.randint(1, 10))
  # 现在不能再用 random.randint 了，只能用 rd.randint
  

• 只导入模块中的部分内容 (from ... import ...): 如果只需要模块中的少数几个函数或变量，可以使用 from 模块名 import 名称1, 名称2, ...。 这样使用时就不用写模块名和点 . 了。

  from math import pi, sqrt # 只从 math 模块导入 pi 和 sqrt
  
  print("直接使用 pi:", pi)       # 不用写 math.pi
  print("直接使用 sqrt:", sqrt(25)) # 不用写 math.sqrt(25)
  
  # from random import * # 不建议初学者使用这种方式，它会导入模块里的所有东西，容易混淆名字
  

• 讲解目的: 让学生了解有不同的导入方式，知道它们的基本语法。 强调初学者优先使用 import 模块名称 的方式，这样使用时需要写 模块名称.功能名称，能清楚地知道这个功能是从哪个模块来的，避免名字冲突。
• 动手实践: 学生尝试使用 import ... as ... 给 random 模块起个别名，然后使用别名调用函数。 尝试使用 from math import pi，然后直接打印 pi。

6. 课堂练习 (15 分钟)

让学生独立完成以下练习：

• 练习 1: 编写一个程序，导入 math 模块，计算半径为 10 的圆的周长和面积并打印出来。（周长 = 2 * π * 半径，面积 = π * 半径²）。

  import math
  radius = 10
  # TODO: 计算周长和面积，使用 math.pi
  # TODO: 打印结果
  

• 练习 2: 编写一个程序，导入 random 模块，模拟掷硬币 5 次。每次都随机打印“正面”或“反面”。（提示：可以使用 random.randint(0, 1) 或 random.choice(["正面", "反面"])，结合 for 循环重复 5 次）。
• 练习 3: 编写一个程序，导入 random 模块。创建一个学生名字列表。使用 random.choice() 从列表中随机抽取一名学生，打印出“恭喜 [随机抽取到的学生名字]，你是今天的幸运儿！”

7. 总结与提问 (10 分钟)

• 回顾: 回顾本节课内容：模块的概念（工具箱），为什么要用模块，import 模块名 导入模块，使用 模块名.功能名 调用模块内容。 学习了 math 模块（数学运算）和 random 模块（随机数）。 简单了解了 as 别名和 from...import。
• 提问:
  • 模块是什么？有什么用？
  • 如何把一个叫做 time 的模块导入到你的程序里？
  • 导入 math 模块后，如何使用里面的圆周率 π？ 如何计算 16 的平方根？
  • 导入 random 模块后，如何生成一个 1 到 100 之间的随机整数？ 如何从列表 [a, b, c] 中随机选一个元素？
  • 为什么初学者建议使用 import 模块名 这种方式导入？
• 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，导入 math 模块，计算并打印 2 的 8 次方（可以使用 math.pow() 函数或 ** 运算符）以及 64 的平方根。
• 作业 2: 编写一个程序，导入 random 模块，模拟生成 6 个双色球号码：5个红色球（1-33 之间的随机整数，不能重复）和1个蓝色球（1-16 之间的随机整数）。打印生成的号码。（提示：红色球不重复可以先生成一个范围内的数字列表，然后使用 random.sample() 或循环配合检查是否已存在）。
• 作业 3: (选做) 编写一个简单的石头剪刀布游戏。导入 random 模块，让电脑随机出一个手势（石头、剪刀、布）。然后让用户输入一个手势，判断用户赢、输还是平局。 使用 if-elif-else 结构进行判断。