信息的加密與傳遞

李佩寧

在STEM領域，信息傳遞的基礎源于用各種方式模擬、編譯和反編譯現實中的語言。運用數學手段指導這個過程，然后通過技術手段完成，這是信息技術的基礎。懂得基于密碼的信息傳遞的基本原理，是在現代社會理解與應用信息技術的核心和基石。

一、課程重點

本課程通過讓學生了解密碼，進而習得多種基于密碼的信息傳遞方式。

【涉及領域】工程、幾何學、數學、密碼學、寫作

【建議年級】小學高年級

【建議時間】密碼學Ⅰ120分鐘；密碼學Ⅱ125分鐘；密碼學Ⅲ130分鐘

【材料】筆、紙張、彩旗若干

二、課程任務

學習密碼學的思想，熟悉并實踐使用摩斯密碼，基于摩斯密碼的原理，創造自己的密碼；學習旗語，自行創造旗語并完成較有效率的信息傳遞。

三、課程步驟

（一）密碼學Ⅰ

1.導入（15分鐘）

第一步，簡述現代戰爭情景，讓學生思考以下問題。

（1）現代戰爭和古代戰爭的區別在哪里？

（2）信息在現代戰爭中的作用是什么？在日常生活中又起到什么關鍵作用？

（3）如果敵人摧毀了我方的現代信息通信系統，我方首先要用什么方式傳遞信息？

第二步，介紹信息傳遞和密碼的概念。信息傳遞是通過各種手段傳遞雙方都能達成共識的有意義內容的過程。密碼則是在信息傳遞中用于達成共識并做到保密的一種信息處理手段，重點在于編譯和反編譯。

第三步，確保學生理解密碼的概念，向學生提出以下問題。

（1）語言是不是密碼？為什么？

（2）現實生活中哪些地方用到了密碼？

2.宣布任務一及評價量規（10分鐘）

【宣布任務】依照摩斯密碼表，仔細研究之后，試著傳遞一條純英文的密文信息，要求各組設置一個觀察者。宣布任務后，呈現評價量規（見表1）。

3.任務一的執行（10分鐘）

正式執行任務。開始后，教師計時。要求學生依照評價量規，并考慮以下問題。

（1）信息內容分為幾類？（如大寫字母、小寫字母、空格）

（2）信息如何加密、傳遞以及解密？分工如何？（需要以下角色：制定內容分類和區分的規劃者，明文向密文翻譯工作者，傳遞者，密文向明文翻譯工作者，加密和解密的審查者，觀察記錄者）

4.總結和反思（25分鐘）

當有小組完成任務后，教師記錄該組用時，并檢查比對初始的明文和最終通過加密解密過程得出的明文有無區別。全部小組完成后，討論以下問題。

（1）小組應怎樣分工？

（2）加密和解密是否出現問題？原因是什么？

（3）怎樣處理不同類別的信息內容？

（4）觀察者觀察到了什么？

（5）【拓展問題】小組討論畫出思考和執行任務的流程圖。

5.宣布任務二及評價量規（15分鐘）

【宣布任務】依照摩斯密碼表，仔細研究之后，試著再傳遞一次信息，要求各組設置一個觀察者。各組通過討論，改進原來的分工和設計。宣布任務后，呈現評價量規（見表2）。

6.任務二的執行（25分鐘）

正式執行任務。開始后，教師計時。要求學生依照評價量規，并考慮以下問題。

（1）信息內容分為幾類？（如中文、數字、大寫字母、小寫字母、空格、標點）

（2）信息如何加密和傳遞以及解密？分工如何？（需要以下角色：制定內容分類和區分的規劃者，明文向密文翻譯工作者，傳遞者，密文向明文翻譯工作者，加密和解密的審查者，觀察記錄者）

7.全班討論（20分鐘）

所有小組完成后，挑選第一名的小組進行匯報總結。若時間允許，讓盡可能多的組員發言。發言內容基于以下問題。

（1）第二次密碼傳遞，小組如何分工？

（2）相比第一次，做出了哪些改進？

（3）是否預料到明文內容的復雜性？如何應對？

（4）怎樣改進以使完成的任務效率更高？

挑選其他組各個分工位置上的學生進行提問，問題如下。若時間允許，請各組的觀察者做觀察報告。

（1）你在從事分工任務時，是否比發言小組對應分工人員做的好？若是，好在哪里？若不是，怎樣改進？

（2）整個信息傳遞過程中最容易出錯的是哪個環節？如何避免出錯？

（二）密碼學Ⅱ

1.導入（15分鐘）

第一步，簡述旗語和旗語的由來，讓學生思考以下問題。

（1）旗語的特點是什么？

（2）相比摩斯密碼，旗語適合傳遞密碼信息嗎？

第二步，頭腦風暴。內容涉及以下問題：如果用旗語傳遞密碼，應當怎樣設計旗語？有什么可利用的優勢？有什么應當規避的劣勢？

2.宣布任務一及評價量規（10分鐘）

【宣布任務】依照摩斯密碼表，仔細研究之后，試著用旗語的方式傳遞一條純英文的密文信息，要求各組設置一個觀察者。宣布任務后，呈現評價量規（見表3）。

3.任務一的執行（10分鐘）

正式執行任務。開始后，教師計時。要求學生依照評價量規，并考慮以下問題。

（1）信息內容分為幾類？（如大寫字母、小寫字母、空格）

（2）使用旗語時，信息如何加密、傳遞以及解密？分工如何？（需要以下角色：制定內容分類和區分的規劃者，明文向密文翻譯工作者，打旗人，將旗語轉化為有聲語言工作者，將有聲語言轉化為書面語工作者，加密和解密的審查者，觀察記錄者）

4.總結和反思（25分鐘）

當有小組完成任務后，教師記錄該組用時，并檢查比對初始的明文和最終通過加密解密過程得出的明文有無區別。全部小組完成后，討論以下問題。

（1）小組應怎樣分工？

（2）加密和解密是否出現了問題？原因是什么？

（3）是否預先考慮了旗語的特點？

（4）空格如何用旗語表達？

（5）觀察者觀察到了什么？

（6）【拓展問題】小組討論畫出思考和執行任務的流程圖。

5.宣布任務二及評價量規（25分鐘）

【宣布任務】自創旗語，并用該旗語試著再傳遞一次信息，要求各組設置一個觀察者。各組通過討論，改進原來的分工和設計。宣布任務后，呈現評價量規（見表4）。

6.任務二的執行（25分鐘）

正式執行任務。開始后，教師計時。要求學生依照評價量規，并考慮以下問題。

（1）信息內容分為幾類？（如中文、數字、大寫字母、小寫字母、空格、標點）

（2）如何區分拼音形成的漢字和英文字母形成的單詞（無意義音節）？

（3）如何避免旗語的動作發生混淆？什么樣的動作會造成接收者誤解？怎樣避免？

（4）如何用更簡單、更少的動作組合傳達更復雜、更多樣化的信息？

（5）【拓展思考】用旗子在空中畫出漢字傳遞是否可行？

7.寫作（15分鐘）

如果向他人介紹自己創造的旗語，要怎樣寫一份說明書？試著寫出來。

（三）密碼學Ⅲ

1.導入（15分鐘）

第一步，簡述明文和密文類型相同的密碼，讓學生思考以下問題。

（1）如果要求明文和密文都使用英文字母，如何加密？有幾種方式？（如前后綴式、插入式、擴充式、空間顛倒式、錯位式）

（2）【拓展思考】如果要求以英文為明文、數字為密文，有怎樣的加密方法？

第二步，介紹古羅馬軍事運用的密碼棒，讓學生討論密碼棒的優缺點。

2.宣布任務一及評價量規（10分鐘）

【宣布任務】自定義一種明文和密文類型相同的密碼，仔細研究之后，按要求試著傳遞一條密文信息，要求各組設置一個觀察者。宣布任務后，呈現評價量規（見表5）。

3.任務一的執行（10分鐘）

正式執行任務。開始后，教師計時。要求學生依照評價量規，并考慮以下問題。

（1）密碼的可操作性如何？是否出現編碼方式過難，組員難以掌握而出錯頻繁的現象？

（2）可以提前做好哪些工作以避免出錯？

4.總結和反思（25分鐘）

當有小組完成任務后，教師記錄該組用時，并檢查比對初始的明文和最終通過加密解密過程得出的明文有無區別。全部小組完成后，討論以下問題。

（1）小組應怎樣分工？

（2）加密和解密是否出現了問題？原因是什么？

（3）是否設計了難以掌握的編碼方式？編碼方式有無漏洞？

（4）觀察者觀察到了什么？

（5）【拓展問題】小組討論畫出思考和執行任務的流程圖。

5.宣布任務二及評價量規（25分鐘）

【宣布任務】制作密碼本和說明書（要求給密碼命名并署名），之后交換小組的一半成員，學習各組的密碼，試著再各傳遞一次信息。要求各組設置一個觀察者。通過評價各組的學習情況和密碼傳遞情況，來評價原來各組的密碼說明書寫作。宣布任務后，呈現評價量規（見表6）。

6.任務二的執行（25分鐘）

正式執行任務。教師記錄每組每次任務用時和正確率。

7.全班討論（20分鐘）

所有小組完成后，挑選第一名的小組進行匯報總結。若時間允許，讓盡可能多的組員發言。發言內容基于以下問題。

（1）小組設計的密碼復雜性如何？

（2）小組設計的密碼新穎性如何？

（3）小組設計的密碼保密性如何？

（4）小組設計的密碼綜合的安全性如何？為什么這么看？

（5）綜合各組結果，整個信息傳遞過程中最容易出錯的是哪個環節？如何避免？

（6）各組負責人怎樣看待他人給出的意見？

（責任編輯 張慧籽）