python编程 ：第二十三课：程序不“生气” – 错误处理 (try-except)

• 时长: 90 分钟
• 教学目标:
  • 理解程序在运行过程中可能出现的“错误”（在 Python 中叫做“异常”）。
  • 知道为什么我们需要处理这些错误，让程序更健壮、对用户更友好。
  • 学习 try...except 语句的基本语法，用来“尝试”执行一段代码，并在出错时“捕获”错误。
  • 学会捕获不同类型的错误（比如用户输入不是数字、文件找不到、字典里没有这个键）。
  • 理解 try...except 代码块的执行流程。
  • 能够为常见的可能出错的代码添加错误处理，防止程序意外停止。

课程内容

1. 复习与引入 (10 分钟)

• 复习: 快速回顾元组和集合的特点和用法，以及它们与列表和字典的区别。
• 提出问题: 老师提问：“我们写了很多程序了，有时候程序运行得好好的，但有时候运行到一半就突然停下来了，还出现红色的英文提示，你们遇到过吗？比如，我们让用户输入数字，用户却输入了文字，程序就会报错；我们尝试打开一个文件，但那个文件根本不存在，程序也会报错；我们用键去字典里找值，但字典里没有这个键，程序又会报错。”
• 引出错误处理: 这些突然停下来的情况，就是程序遇到了“错误”（更专业的说法是“异常”）。对于用户来说，程序突然停下来是很糟糕的体验。一个好的程序应该能预测到这些可能发生的错误，并在错误发生时，不是直接崩溃，而是给用户一个友好的提示，或者尝试做一些补救措施。这叫做错误处理。

2. 什么是错误（异常）？为什么要处理它们？ (15 分钟)

• 概念: 错误（异常）是在程序运行过程中发生的特殊事件，它中断了程序正常的执行流程。比如：
  • ValueError: 值错误，比如把文字转换为数字时，文字不是有效的数字。
  • TypeError: 类型错误，比如尝试把数字和列表相加。
  • ZeroDivisionError: 除零错误，比如计算 10 / 0。
  • NameError: 名称错误，使用了没有定义过的变量。
  • IndexError: 索引错误，访问列表、元组、字符串时使用了不存在的索引。
  • KeyError: 键错误，访问字典时使用了不存在的键。
  • FileNotFoundError: 文件未找到错误，要打开的文件不存在。
• 为什么要处理错误？
  • 防止程序崩溃: 最直接的好处是程序不会因为一个小问题就完全停止运行。
  • 提升用户体验: 用户看到的是友好的提示（“请输入有效的数字”），而不是一堆看不懂的红色错误信息。
  • 让程序更稳定: 即使在 unexpected 的情况下，程序也能保持运行或以可控的方式退出。
  • 方便调试: 我们可以根据捕获到的错误信息，知道问题出在哪里。

3. 尝试做… 如果出错就捕获 – try…except (20 分钟)

• 基本思想: 使用 try...except 语句，告诉 Python：“你先‘尝试’执行这段代码，如果执行过程中没有出错，就太好了；但如果在这段代码里发生了错误，不要崩溃，而是跳到 except 后面的代码块里去执行错误处理的代码。”
• 语法:

  try:
      # 这里放你“尝试”执行的、可能会出错的代码
      print("尝试执行可能会出错的代码...")
      # 示例：可能会出错的除法
      result = 10 / 0 # 这行会引发 ZeroDivisionError
      print("这行代码在出错后不会执行") # 如果上面一行出错，这行会被跳过
  except:
      # 如果 try 块里的代码出错了，就执行这里的代码
      # 这里写错误处理的代码
      print("啊哈！出错啦！")
      print("程序会继续往下运行。")
  
  # try-except 块后面的代码，无论是否出错都会执行
  print("程序到这里了。")
  

• 执行流程:
  1. 程序先进入 try 块，执行里面的代码。
  2. 如果在 try 块执行过程中没有发生任何错误，那么 except 块里面的代码会被完全跳过，程序接着执行 try-except 块后面的代码。
  3. 如果在 try 块执行过程中发生了错误，程序会立即停止执行 try 块中出错点后面的代码，跳到对应的 except 块中执行错误处理代码，然后接着执行 try-except 块后面的代码。
• 演示: 老师演示一个会引起 ZeroDivisionError 的代码，先不加 try-except，让学生看程序崩溃。 然后加上 try-except，再次运行，让学生看程序捕获错误并继续运行。
• 动手实践: 学生编写一个简单的除法程序，故意让除数是 0，然后用 try-except 捕获错误，打印“除数不能为零！”的提示。

4. 捕获不同类型的错误 (20 分钟)

• 捕获所有错误: 只写 except: 可以捕获任何类型的错误，但这样不太好，因为我们不知道具体是什么错误。
• 捕获特定错误: 在 except 后面指定要捕获的错误类型。

  try:
      num_str = input("请输入一个数字：")
      num = int(num_str) # 如果输入的不是数字，这里会引发 ValueError
      result = 10 / num  # 如果输入的数字是 0，这里会引发 ZeroDivisionError
      print("计算结果是:", result)
  except ValueError:
      # 只捕获 ValueError
      print("输入错误：您输入的不是一个有效的数字！")
  except ZeroDivisionError:
      # 只捕获 ZeroDivisionError
      print("计算错误：除数不能为零！")
  except:
      # 捕获上面没有指定的其他所有错误
      print("发生了其他类型的错误！")
  
  print("程序继续。")
  

• 获取错误信息: 可以在 except 后面加上 as 变量名，将错误对象存储到一个变量里，方便打印错误信息或进行更详细的处理。

  try:
      my_dict = {"a": 1, "b": 2}
      print(my_dict["c"]) # 这里会引发 KeyError
  except KeyError as e: # 捕获 KeyError，并将错误对象赋值给变量 e
      print(f"字典错误：找不到键 {e}") # 错误对象 e 会包含键的信息
  except Exception as e: # Exception 可以捕获大多数常见的错误
      print(f"发生了其他错误：{e}") # 打印错误信息
  

• 演示: 老师演示如何捕获 ValueError (输入非数字)，KeyError (访问不存在的字典键)，FileNotFoundError (打开不存在的文件)，并分别打印不同的提示信息。
• 动手实践: 学生编写程序，让用户输入一个数字，并将其转换为整数。使用 try-except ValueError 捕获错误，如果用户输入的不是数字，打印“请只输入整数！”。

5. 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，尝试打开一个叫做 non_existent_file.txt 的文件（这个文件不存在）。使用 try-except FileNotFoundError 捕获错误，如果文件不存在，打印“错误：文件未找到！”。

  # 在这里写你的代码
  file_name = "non_existent_file.txt"
  try:
      # TODO: 尝试以读取模式打开文件
      # TODO: 如果成功打开 (不会执行 except 块)，可以打印一句成功的提示，或者读取内容 (但因为文件不存在，这里不会执行到)
      pass # 用 pass 占位
  except FileNotFoundError:
      # TODO: 捕获 FileNotFoundError，打印错误信息
      pass
  

• 练习 2: 编写一个程序，有一个字典 student_grades = {"小明": 90, "小红": 85}。让用户输入一个学生名字，尝试打印这个学生的分数。使用 try-except KeyError 捕获错误，如果输入的学生名字不在字典中，打印“字典中没有找到这个学生。”
• 练习 3: 编写一个程序，让用户输入两个数字。尝试将它们转换为浮点数，并计算第一个数除以第二个数的结果。使用 try-except 捕获可能的 ValueError 和 ZeroDivisionError，分别打印不同的错误提示。

6. 总结与提问 (5 分钟)

• 回顾: 回顾本节课内容：什么是异常，为什么处理异常，try...except 语句的基本用法，如何捕获特定类型的异常，如何使用 as 获取错误信息，以及 try-except 的执行流程。
• 提问:
  • 程序运行时出错叫做什么？
  • 为什么要使用 try...except？
  • try 块里的代码什么时候会执行？
  • except 块里的代码什么时候会执行？
  • except ValueError: 是捕获什么错误？
  • 如何获取错误的具体信息并打印出来？
• 答疑: 回答学生问题。

7. 布置课后作业 (5 分钟)

• 作业 1: 编写一个程序，让用户输入一个整数的索引。尝试从一个固定列表（例如 my_list = [10, 20, 30, 40, 50]) 中获取该索引对应的元素并打印。使用 try-except ValueError（如果用户输入不是整数）和 try-except IndexError（如果索引超出范围）捕获错误，并打印相应的错误提示。
• 作业 2: 编写一个程序，从一个叫做 settings.txt 的文件中读取内容（这个文件可能不存在）。如果文件不存在，使用 try-except 捕获错误，并创建一个新的 settings.txt 文件，往里面写入一行默认内容：“language: en”。如果文件存在，则读取并打印文件内容。
• 作业 3: (选做) 编写一个函数 safe_divide(num1, num2)，接收两个参数。在函数内部使用 try-except 捕获 ZeroDivisionError。如果除法成功，返回结果；如果发生除零错误，打印错误提示并返回 None。在主程序中调用这个函数并打印返回值。