第7讲 随机的乐趣（Python中的random库学习）

环节一：（情境导入）5min

教学活动1

1.教师讲授情境故事，设置悬念，吸引学生兴趣；（教师播放PPT）

教师：“每逢节假日，商城都会安排一些抽奖活动，以便吸引人气，刺激消费。小楷经常被抽奖活动吸引，闹着要去参加，一心想赢个大礼包。妈妈每次都会阻止说每次摇奖都是随机过程，中奖是小概率事件，绝大多数人都不会得奖。小楷虽然还不了解太过专业的概率知识，但是却想利用Python语言设计一个模拟抽

奖过程的小程序，来验证一下中奖的难易程度。同学们，你们是那个幸运的中奖人吗？”

学生聆听情境故事，积极回应老师，对随机概率事件产生兴趣；

教师：“好的，同学们，我们一起去想一想，中奖为什么那么难？今天我们的学习将分成三个模块，第一个模块，认识随机数；第二个模块，一起完成猜数字游戏的实践任务；第三个模块，思维拓展，学习真伪随机数、随机数产生方法及随机事件和概率等知识。”

学生聆听教师讲授。 

活动意图说明：

通过情境故事吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，导入本节课的内容----随机的乐趣

环节二：（原理讲解）20min

教学活动2 

1.教师讲解随机数和伪随机数的知识内容； 

教师：“人们把在随机试验中，可能出现也可能不出现，而在大量重复试验中具有某种规律性的事件叫作随机事件。例如，在抛掷一枚硬币的试验中，“正面向上”是一个随机事件，“反面向上”是另一个随机事件。尽管能事先预测随机试验的所有可能结果，但是在进行一次试验之前不能确定哪一个结果会出现。随机数是随机事件的结果，是不确定性的产物。也就是说，随机数产生之前不可预测，产生的结果不可预测，随机事件中产生的后面那个数与前面那个数毫无关系。计算机产生的随机数是根据某一算法产生的，属于模拟随机数，具有类似随机数的性质，但并不是真正的随机数，也称为伪随机数。”

学生认真聆听教师讲解随机数和伪随机数的知识内容；

2.教师讲解random 库的知识内容，并进行相关演示；

教师：“随机数在程序设计中十分有用， Python内置了random库用于产生各种需要的伪随机数。random库中提供了一系列随机生成函数，常用的如表7-1所示。 表7-1所示的random库中，最基本的函数是seed和random函数，为了方便编程，扩展了6个随机数函数。需要注意的是，随机数产生与种子有关。例如，利用seed(10)设定种子，然后利用random()等函数每次产生一个随机数。此时，随机数的生成过程如图7-2所示。接下来做一个编程练习，练习1：产生随机整数randint函数程序及结果如图，说明：程序运行时产生的随机数为3，因此打印了三个点数。”

学生聆听教师讲解random 库的知识内容，教师播放PPT，进行相关操作演示；

3. 教师讲解random 库的使用的知识内容，并进行操作演示；

教师：“利用函数库编程是Python的特色，函数库使用前需要先引用。函数库的引用方法有多种，以random库为例，具体说明如下：第一种方法，如图：这种方式下，对random库中的函数采用random.func()形式使用，例如，如图：第二种方法，如图，这种方式下，对random库中的函数可以直接采用<函数名>()的形式使用，例如，如图：下面这种方法也可以将random库的所有函数加以引用。引用了random库后，就可以体验库中各种函数的功能，如图：接下来，做一个编程练习，练习2：产生随机小数random函数，程序及结果如图。”

学生聆听教师讲解中文字符串知识内容，教师播放PPT，进行相关操作演示；

4.教师讲解random 库的使用知识内容，并进行相关演示；

教师：“表7-1中所列的随机生成函数在编程中有着广泛的应用，可以用来生成整数、浮点数、奇数、偶数和字符串等。下面是一个综合应用的示例：如图；接下来做一个编程练习，练习3：产生任意范围随机整数uniform函数，程序及结果如图。”

活动意图说明

配合PPT和Python编程语言进行讲解，让学生从亲身经验中体会随机数、随机产生及random库的使用等知识。

环节三：（项目制作）25min

教学活动3

教师带领学生借助软件完成猜数字游戏的编程设计；

教师：“1.实践任务：手机上有一款叫“Bulls and Cows”的猜数字小游戏，很多人把它当作一种益智类游戏在闲暇时间参与，有一定人气。通常由两个人玩，一方出数字，一方猜。也可以一个人和计算机玩，计算机随机出数字供玩家猜。猜数字游戏通常会设置猜测次数的上限，会记录玩家的成功率和用时，如图所示；请利用随机数生成的方法，设计一个模拟猜数字的小游戏，计算机随机生成一个在1~9中的整数，供参与者去猜，猜对猜错都给出提示信息。2.设计和分析：使用random模块中的randint函数生成1到9的随机点数，并存储在一个变量中。使用input()语句来收集玩家的猜测，并存储在另一个变量中。使用if语句来比较两个变量的大小，如果两个变量相等，打印“你真厉害！”，如果不相等，打印“再来一次吧”；参考代码及结果如图。”

教师操作Python编程语言，并讲解根据具体操作步骤猜数字游戏的编程设计，并进行操作演示；

学生聆听教师讲解利用Python完成猜数字游戏的编程设计的过程和方法；

教师讲解完成后，教师可留给学生5min时间让学生自己操作学习；

活动意图说明

屏幕共享，教师演示操作，培养学生动手操作能力，让学生直观学习编程设计过程，掌握逻辑结构。

环节四：（思维拓展）10min

教学活动4

1.教师讲解伪随机数与真随机数的相关内容；

教师：“随机数和随机概率事件是不确定性的产物，其结果是不可预测的，产生前也不可预见。无论计算机产生的随机数看起来多么的“随机”，也不是真正意义上的随机数。计算机是按照一定算法产生随机数的，其结果是确定的、可预见的，应该成为伪随机数。一个随机数是否是真正意义上的随机数，是不能判断的。如果存在一种判断随机数的方法，那么这个随机数就有确定性，就不是随机数。。”

学生认真聆听教师讲解伪随机数与真随机数的相关内容；

2.教师讲解梅森伪随机数产生方法相关内容；

教师：“梅森旋转算法（ Mersenne twister）是一个伪随机数发生算法。由松本真和西村拓士在1997年开发，基于有限二进制字段上的矩阵线性递归。可以快速产生高质量的伪随机数。梅森旋转算法是R、 Python、 Ruby、 IDL、 Free Pascal、 PHP、 Maple、 Matlab、 GNU编程语言的默认伪随机数产生器，整个伪随机数产生算法主要分为三个阶段：

第一阶段：获得基础的梅森旋转链；

第二阶段：对于旋转链进行旋转算法；

第三阶段：对于旋转算法所得的结果进行处理；算法实现的过程中，使用了梅森素数作为参数，故此得名。梅森素数很稀少，迄今才发现51个，但梅森素数多数都是数值很大的素数。数值越大意味着成为素数的概率就越低。这样的大素数特别适合做加密密钥、随机数产生器。基于梅森大素数设计的伪随机数生成算法，优点是周期非常长，均等分布，生成的伪随机数质量高，速度特别快。缺点是空间成本大，最初的版本需要 2.5kB缓存空间，精简版本也需要127 bits。。”

学生认真聆听教师讲解梅森伪随机数产生方法相关内容；

3.教师讲解随机事件与概率相关内容；

教师：“（1）随机事件；为了研究随机现象，就要进行实验或对随机现象进行观察。这种实验或观察的过程称为随机试验，它具有下面两个特征：1. 可以在完全相同的条件下重复进行；2. 试验会出现哪些可能的结果在试验前是已知的，但每次试验究竟会出现哪一个结果在试验前是无法准确预知的；在随机试验中可能发生也可能不发生的事件称为随机事件。作为极端情况，把每次试验中都必然出现的事件称为必然事件；把每次试验中都不可能发生的事件称为不可能

事件；（2）概率，研究随机试验，不仅需要分析它在一定条件下可能产生的各种结果，而且还要分析各种结果发生的可能性大小。实验表明，随着试验次数的增加，事件发生的频率总在某个介于0与1之间的常数附近，而且摆动幅度很小。比如，不断重复地抛硬币，出现“正面向上”的频率总在0.5附近。在随机试验中，如果随着试验次数的增加，事件A出现的频率在某个常数p附近摆动并逐渐稳定于p，则称p为事件A的概率，记为P(A) = p。概率具有如下的性质：1.0≤ P(A)≤ 1。2.当事件A与B互不相容时，则有P(A+B) = P(A) + P(B)。3.必然事件的概率为1，不可能事件的概率为0。”

学生认真聆听教师讲解随机事件与概率相关内容；

活动意图说明

增强学生对随机数产生方法及概率的认识，更好利用Python语言进行编程设计。

环节五：（展示小结）5min

教学活动5

1.学生发言，展示作品，进行逻辑代码讲解；

2.教师对学生作品进行评价；

教师：“同学们，在看了大家的作品后，老师觉得大家都完成的非常好，老师给同学们一个大大的赞。”

总结本节课的知识内容，巩固本节课的知识点，铺垫下一节课。

环节六：（能力提升）5min

教学活动6

1. 教师讲解羊车门问题；

教师；“羊车门问题”出自美国一家杂志主办的一次专栏节目，问题表述如下：台上有三扇关闭的门，只知道一扇门后面停有汽车，其余两扇门后面都是山羊。参赛者只能选择打开某一扇门，并会得到门后的礼物。在开启它之前，主持人会从另外两扇门中打开一扇门，露出门后的山羊。此时，允许参赛者更换自己的选择，如图所示。”

学生聆听教师讲解羊车门问题；

2.根据所学知识，利用Python编程计算羊车门问题；

教师：“请通过Python编程计算每种情况下猜中汽车的概率，然后利用随机函数模拟批量随机事件的产生，编写程序验证所得出的结论。”

活动意图说明

通过项目式学习的体验效果，让学生可以更直接的体验Python编程的应用，提高学生的参与感。