python编程 ：第二十二课：更多样的“容器” – 元组 (Tuple) 和集合 (Set)

• 时长: 90 分钟
• 教学目标:
  • 学习“元组”的概念：一种有序的、但不可改变的数据集合。
  • 掌握创建元组的方法 ()。
  • 学会通过位置编号（索引）访问元组中的元素（与列表类似）。
  • 理解元组的不可变性（immutable），知道它与列表的主要区别。
  • 了解元组的简单应用场景。
  • 学习“集合”的概念：一种无序的、包含唯一元素的数据集合。
  • 掌握创建集合的方法 {} 或 set()。
  • 学会向集合中添加和删除元素。
  • 理解集合“元素唯一”的特点，知道它如何自动去除重复项。
  • 学会使用 in 运算符高效地检查元素是否在集合中。
  • 初步了解集合的简单操作（例如：去重）。
  • 能够区分列表、元组、集合的特点和适用场景。

课程内容

1. 复习与引入 (10 分钟)

• 复习: 快速回顾列表（有序、可变、可以有重复）和字典（无序、键值对、通过键查找、键唯一）这两种数据结构的特点和用法。
• 提出问题: 老师提问：“我们用列表可以存一串可以变动的数据，比如待办事项列表。用字典可以存有标签的数据，比如学生的分数。但如果我有一个数据集合，比如一个点的坐标 (x, y)，它由两个值组成，并且这个坐标一旦确定就不应该随便变动，用列表或字典总感觉不是最贴切的。有没有一种数据结构，像列表一样有序存放多个数据，但是一旦创建就不能修改呢？” “又比如，我有一堆学生的姓名，里面有很多重复的名字，我只想知道所有不同的姓名有哪些，怎么办？如果把这些名字放到列表里，我怎么快速去掉重复项？”
• 引出新知识: 这就需要用到新的数据结构了：元组 (Tuple) 和 集合 (Set)。元组用来存放有序但不可变的数据，集合用来存放无序且唯一的元素。

2. 有序但不可变的数据集合 – 元组 (Tuple) (20 分钟)

• 概念: 元组是一种有序的集合，和列表非常相似，区别在于元组一旦创建，里面的元素就不能再添加、删除或修改。元组是不可变的 (immutable)。
• 创建语法: 使用圆括号 () 来创建元组，元素之间用逗号 , 分隔。

  # 创建一个元组，存放一个点的坐标
  point = (3, 4)
  print(point)
  print(type(point)) # 输出 <class 'tuple'>
  
  # 创建一个包含不同类型元素的元组
  my_tuple = ("apple", 123, 3.14)
  print(my_tuple)
  
  # 创建一个空的元组
  empty_tuple = ()
  print(empty_tuple)
  
  # 注意：创建只包含一个元素的元组需要在元素后面加逗号
  single_element_tuple = (5,) # 必须加逗号！
  print(single_element_tuple)
  print(type(single_element_tuple)) # 输出 <class 'tuple'>
  
  # 如果不加逗号，只是一个普通的数字外面套了括号
  not_a_tuple = (5)
  print(not_a_tuple)
  print(type(not_a_tuple)) # 输出 <class 'int'>
  

• 访问元素: 和列表一样，使用方括号 [] 和索引（从 0 开始）来访问元组中的元素。也支持负数索引和切片。

  my_tuple = ("apple", 123, 3.14)
  print(my_tuple[0])   # 访问第一个元素 'apple'
  print(my_tuple[-1])  # 访问最后一个元素 3.14
  print(my_tuple[0:2]) # 切片 ('apple', 123)
  

• 不可变性 (重点！): 元组一旦创建，里面的元素就不能修改、添加或删除。尝试这样做会报错。

  my_tuple = ("apple", 123, 3.14)
  # my_tuple[1] = 456  # 错误！不能修改元组的元素
  # my_tuple.append("banana") # 错误！元组没有 append 方法
  # del my_tuple[0] # 错误！不能删除元组的元素
  

  虽然元组本身不可变，但如果元组里的元素是可变对象（比如列表），那么可以修改这个可变元素内部的值，但不能替换掉这个元素本身。

  mutable_in_tuple = ([1, 2], "hello")
  mutable_in_tuple[0].append(3) # 合法！修改了元组里的列表
  print(mutable_in_tuple) # 结果是 ([1, 2, 3], "hello")
  # mutable_in_tuple[0] = [4, 5] # 错误！不能替换元组的元素
  

• 何时使用元组: 当你需要一个有序的数据集合，并且希望这些数据在程序运行过程中不会被意外修改时，就应该使用元组。例如：函数返回多个值（通常作为元组返回）、点的坐标、固定的配置信息等。
• 动手实践: 学生创建不同内容的元组，尝试访问元素。 尝试修改、添加、删除元组的元素，观察报错。 创建包含一个列表的元组，尝试修改里面的列表元素。

3. 无序且唯一的“去重器” – 集合 (Set) (25 分钟)

• 概念: 集合是一种无序的集合，它里面的元素都是唯一的，不会有重复。集合的主要用途是进行成员关系测试（判断一个元素是否在集合里）和去除重复元素。
• 创建语法: 使用花括号 {} 或者 set() 函数来创建集合。

  # 创建一个集合，重复的元素会被自动去除
  my_set = {1, 2, 2, 3, 4, 4, 5}
  print(my_set) # 输出可能是 {1, 2, 3, 4, 5} (顺序可能不同)
  print(type(my_set)) # 输出 <class 'set'>
  
  # 从列表创建集合 (常用于去重)
  my_list = [1, 2, 2, 3, 4, 4, 5]
  set_from_list = set(my_list)
  print("列表去重后：", set_from_list) # 输出 {1, 2, 3, 4, 5}
  
  # 创建一个空的集合
  empty_set = set() # 不能用 {}，{} 是空字典
  print(empty_set)
  print(type(empty_set)) # 输出 <class 'set'>
  
  # 集合的元素必须是不可变的类型（数字、字符串、元组等），不能是列表或字典
  # invalid_set = {[1, 2], 3} # 错误！集合元素不能是列表
  

• 添加元素 – .add(): 向集合中添加一个元素。如果元素已存在，集合不会改变。

  fruits_set = {"apple", "banana"}
  fruits_set.add("cherry") # 添加新元素
  fruits_set.add("apple")  # 添加已存在的元素 (不会改变集合)
  print(fruits_set) # 输出可能是 {'apple', 'banana', 'cherry'}
  

• 删除元素 – .remove(), .discard():
  • .remove(元素值): 删除集合中指定的元素。如果元素不存在，会报错。
  • .discard(元素值): 删除集合中指定的元素。如果元素不存在，不会报错。通常推荐使用 discard()。

    my_set = {1, 2, 3, 4}
    my_set.remove(3) # 删除 3
    my_set.discard(2) # 删除 2
    my_set.discard(5) # 删除 5 (不存在，不报错)
    # my_set.remove(5) # 报错！
    print(my_set) # 输出可能是 {1, 4}
    

• 检查成员关系 – in (高效): 使用 in 运算符检查一个元素是否在集合中，速度非常快。

  fruits_set = {"apple", "banana", "cherry"}
  print("apple" in fruits_set)  # True
  print("orange" in fruits_set) # False
  

• 遍历集合: 集合是无序的，但可以使用 for 循环遍历集合中的每一个元素。遍历的顺序是不确定的。

  my_set = {1, 5, 2, 4, 3}
  print("--- 遍历集合 ---")
  for element in my_set:
      print(element)
  # 每次运行，打印顺序可能不同
  

• 动手实践: 学生创建包含重复数字的列表，用 set() 将其转换为集合进行去重，并打印结果。 创建一个集合，尝试添加和删除元素（使用 remove 和 discard），观察区别。 使用 in 检查元素是否在集合中。 遍历集合并打印元素。

4. 列表、元组、集合的区别和选择 (10 分钟)

• 总结对比:
  • 列表 (List): 有序，可变，可以有重复元素。用途：需要管理顺序、需要修改元素、需要增删元素的数据集合。
  • 元组 (Tuple): 有序，不可变，可以有重复元素。用途：存储固定不变的数据集合，作为字典的键（如果元素本身不可变）、函数返回多个值。
  • 集合 (Set): 无序，可变（可以增删元素），元素唯一。用途：去重、成员关系测试（判断元素是否存在）、进行集合运算（交集、并集等 – 简单提及）。
• 何时选择: 根据你存储数据的特点和需求来选择：
  • 数据顺序重要吗？会改变吗？ → 列表
  • 数据顺序重要吗？不会改变吗？ → 元组
  • 数据顺序不重要？需要快速查找某个元素？需要去掉重复项？ → 集合

5. 课堂练习 (15 分钟)

让学生独立完成以下练习：

• 练习 1: 创建一个包含重复数字的列表，例如 numbers = [10, 20, 10, 30, 40, 20, 50]。使用 set() 方法将其转换为集合，实现去重，并打印去重后的结果。

  numbers = [10, 20, 10, 30, 40, 20, 50]
  # TODO: 将列表转换为集合
  # TODO: 打印集合
  

• 练习 2: 创建一个元组，存放你的出生年月日，例如 birthday = (2010, 5, 15)。尝试修改元组中的年份，看看会发生什么。
• 练习 3: 创建两个列表，分别代表两个小组的同学名字（可能有重复）。例如 group1 = ["小明", "小红", "小刚"], group2 = ["小刚", "小丽", "小强"]。使用集合找出所有不同的同学名字。（提示：将两个列表都转换为集合，然后可以使用集合的并集操作 | 或 set1.union(set2)）。

  group1 = ["小明", "小红", "小刚"]
  group2 = ["小刚", "小丽", "小强"]
  # TODO: 将 group1 转换为集合
  # TODO: 将 group2 转换为集合
  # TODO: 计算两个集合的并集
  # TODO: 打印所有不同的同学名字
  

6. 总结与提问 (5 分钟)

• 回顾: 回顾本节课内容：元组 (有序、不可变、())，集合 (无序、唯一、{}或set())，如何创建、访问/增删元素，以及列表、元组、集合的对比和适用场景。
• 提问:
  • 元组和列表最主要的区别是什么？
  • 如何创建一个只包含数字 10 的元组？
  • 如何创建一个空的集合？
  • 集合有什么特点？（至少说出两点）
  • 怎么判断一个元素是否在集合里？
  • 如果我有很多重复的数据，想快速去掉重复项，用什么数据结构比较方便？
• 答疑: 回答学生问题。

7. 布置课后作业 (5 分钟)

• 作业 1: 创建一个元组，存放一周七天的英文名称。使用索引打印出“Tuesday”（周二）和“Thursday”（周四）。尝试将“Sunday”改为“Weekend”，观察结果。
• 作业 2: 编写一个程序，让用户输入一些数字（用空格分隔），将这些数字存储在一个列表中。然后使用集合找出用户输入的所有不同的数字，并打印出来。
• 作业 3: 编写一个程序，有两个字符串列表，分别代表两个兴趣小组的成员姓名。找出同时参加了这两个兴趣小组的成员姓名（两个列表的交集）。（提示：将列表转换为集合，使用集合的交集操作 & 或 set1.intersection(set2)）。
• 作业 4: (选做) 编写一个函数 check_duplicates(input_list)，接收一个列表作为参数。判断列表中是否存在重复元素，如果存在，返回 True；如果不存在，返回 False。（提示：可以将列表转换为集合，然后比较列表和集合的长度）。