课程二:Python文件与数据处理——从零开始的IO编程

适合对象：零编程基础的大一新生  课程目标：掌握文件读写、目录操作和序列化基础，能独立完成简单的数据处理任务（如日志记录、配置文件管理）。

课程大纲

模块1：文件读写——与计算机"对话"的基础

1.1 打开文件的"钥匙"——文件模式

Python 提供了内置的 open() 函数来打开文件，并提供了多种模式来读取、写入和追加文件内容。

• 生活类比：用记事本打开文档时，选择"只读"或"编辑"模式。

• 核心模式：

• r：读取模式（默认）。如果文件不存在，会引发 FileNotFoundError。

• w：写入模式。如果文件不存在，会创建一个新文件；如果文件存在，会清空文件内容。

• a：追加模式。如果文件不存在，会创建一个新文件；如果文件存在，会在文件末尾追加内容。

• b：二进制模式。可以与其他模式结合使用，如 rb、wb 等。

• 示例演示：

  # 读取文件with open('D:/example.txt', 'r') as file:  content = file.read()  print(content)# 写入文件with open('D:/example.txt', 'w') as file:  file.write('Hello, World!\n')  file.write('This is a test.\n')# 追加内容到文件with open('D:/example.txt', 'a') as file:  file.write('Appending a new line.\n')

1.3 动手实验

• 任务：创建一个文本文件，写入你的课程表，然后读取并打印内容。

• 提示：使用with语句自动关闭文件，避免资源泄露。

• 参考答案：

  with open('D:/课程表.txt', 'w', encoding='utf-8') as f:  f.write("周一：高数\n周二：Python\n周三：英语")with open('D:/课程表.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:  print(f.read())

模块2：目录操作——管理你的"文件抽屉"

2.1 路径的"指南针"——绝对路径与相对路径

• 生活类比
  ：告诉朋友"图书馆在3号楼2层" vs "从校门直走50米左转"。
• 核心概念
  ：
• 绝对路径：从磁盘根目录开始的完整路径（如D:/学习/课程表.txt）。
• 相对路径：相对于当前工作目录的路径（如./文档/日记.txt）。
• 路径拼接技巧
  ：用os.path.join()避免手动拼接错误。

2.2 目录操作方法

Python 提供了 os、os.path 和 shutil 模块来操作文件和目录。以下是一些常见的文件和目录操作示例：

• 获取当前工作目录：

  import oscurrent_directory = os.getcwd()print(current_directory)

• 更改当前工作目录：

  new_directory = 'D:/Python零基础教程/IO编程'os.chdir(new_directory)

• 创建目录：

  # 创建单个目录os.makedirs('D:/new_directory', exist_ok=True)  # exist_ok=True 表示如果目录已存在则不抛出异常# 创建多级目录os.makedirs('D:/parent_directory/child_directory', exist_ok=True)

• 删除目录：

  # 删除空目录os.rmdir('D:/empty_directory')# 删除非空目录及其内容import shutilshutil.rmtree('D:/non_empty_directory')

• 列出目录内容：

  # 列出当前目录下的文件和子目录contents = os.listdir('.')print(contents)# 列出指定目录下的文件和子目录specified_directory = 'D:/Python零基础教程/IO编程'contents = os.listdir(specified_directory)print(contents)

2.3 目录操作实战

• 任务：创建"学习资料"文件夹，并将本课程笔记保存到其中。

• 代码示例：

  import osfrom pathlib import Path# 创建目录（如果不存在）os.makedirs("D:/学习资料/课程笔记", exist_ok=True)# 保存文件到新目录Path("D:/学习资料/课程笔记/第一课笔记.txt").write_text("今天学会了文件操作！", encoding='utf-8')

2.4 互动练习

• 任务：列出当前目录下的所有.txt文件，并打印它们的绝对路径。

• 提示：使用os.listdir()和os.path.abspath()。

• 参考答案：

  import osfor filename in os.listdir('D:/'):if filename.endswith('.txt'):      print(os.path.abspath(filename))

模块3：序列化——让数据"会说会走"

3.1 什么是序列化？

• 生活类比
  ：把玩具（数据）放进盒子（文件）保存，需要时再拿出来玩。
• 核心场景
  ：将Python对象（如列表、字典）保存到文件，或从文件加载数据。

序列化是将变量从内存中变成可存储或传输的过程。在 Python 中，序列化被称为 pickling，反序列化被称为 unpickling。Python 提供了 pickle 模块来实现序列化。

3.2 Pickle 序列化

• 序列化：

  import pickle# 将对象序列化为 bytesd = {'name': 'Alice', 'age': 20}serialized_data = pickle.dumps(d)# 将对象序列化并写入文件with open('D:/dump.txt', 'wb') as file:  pickle.dump(d, file)

• 反序列化：

  # 从 bytes 反序列化对象deserialized_data = pickle.loads(serialized_data)# 从文件反序列化对象with open('D:/dump.txt', 'rb') as file:  loaded_data = pickle.load(file)

3.3 JSON——数据交换的"通用语言"

如果需要在不同编程语言之间传递数据，可以使用 JSON 格式进行序列化。Python 提供了 json 模块来实现 JSON 序列化。

• 示例：保存学生信息到JSON文件。

  import jsonstudents = [{"name": "张三", "score": 85}, {"name": "李四", "score": 72}]# 序列化（对象→JSON字符串）with open('D:/学生信息.json', 'w', encoding='utf-8') as f:  json.dump(students, f, ensure_ascii=False, indent=2)# 反序列化（JSON字符串→对象）with open('D:/学生信息.json', 'r', encoding='utf-8') as f:  loaded_students = json.load(f)  print(loaded_students)  # 输出原始列表

• JSON 序列化方法：

  import json# 将对象序列化为 JSON 字符串json_str = json.dumps(d)# 将 JSON 字符串写入文件with open('D:/dump1.json', 'w') as file:  json.dump(d, file)# 从 JSON 字符串反序列化对象loaded_json = json.loads(json_str)# 从文件反序列化 JSON 对象with open('D:/dump1.json', 'r') as file:  loaded_from_file = json.load(file)

3.4 避坑指南

• 中文乱码问题
  ：设置encoding='utf-8'和ensure_ascii=False。
• 文件格式匹配
  ：JSON文件需用.json后缀，避免用.txt。

模块4：综合实战——打造迷你日志系统

4.1 任务需求

• 创建一个日志文件，记录每天的学习进度（如"2025-10-30：学习了文件操作"）。
• 每次运行程序时，自动追加新日志，并读取最近3条日志显示。

4.2 代码框架

import datetime# 追加日志defadd_log(content):with open('D:/学习日志.txt', 'a', encoding='utf-8') as f:        f.write(f"{datetime.datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')}：{content}\n")# 读取最近3条日志defread_recent_logs():with open('D:/学习日志.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:        lines = f.readlines()[-3:]  # 取最后3行for line in lines:            print(line.strip())# 测试add_log("学习了IO编程")read_recent_logs()

4.3 扩展挑战

• 任务：修改日志系统，支持按日期筛选日志（如只显示2025年10月的日志）。
• 提示：结合字符串分割和日期比较。

课程总结与作业

1. 总结
   ：

• 文件读写是数据持久化的基础，with语句可自动管理资源。
• 目录操作需注意路径格式，推荐使用pathlib模块。
• 序列化（如JSON）是数据交换的关键，需关注编码和格式问题。

1. 课后作业
   ：

• 作业1：编写程序，将班级学生成绩（字典格式）保存为JSON文件，并读取验证。
• 作业2：创建一个"照片管理器"，允许用户输入照片名称和拍摄日期，保存到文本文件并支持查询。

1. 参考资料
   ：

• 廖雪峰教程原文：
• 文件读写：https://liaoxuefeng.com/books/python/io/file/index.html
• 操作文件和目录：https://liaoxuefeng.com/books/python/io/dir/index.html
• 序列化：https://liaoxuefeng.com/books/python/io/serialization/index.html
• 官方文档：：
• Python IO编程：https://docs.python.org/3/tutorial/inputoutput.html

课程特色：

• 生活化场景
  ：用日记本、文件抽屉等类比解释抽象概念。
• 安全优先
  ：强调with语句和exist_ok=True避免资源泄露和目录创建错误。
• 实战驱动
  ：通过日志系统、照片管理器等任务强化应用能力。
• 避坑指南
  ：提前预警中文乱码、路径拼接等常见问题。