《數據加密與安全》教學設計

趙明陽

● 課標要求

認識到信息系統應用過程存在的風險，熟悉信息系統安全防范的常用技術方法，養成規范的信息系統操作習慣，樹立信息安全意識。掌握一種程序設計語言的基本知識，使用程序設計語言實現簡單算法。通過解決實際問題，體驗程序設計的基本流程，感受算法的效率，掌握程序調試與運行的方法。

● 教學內容分析

本課是浙教版高中信息技術必修2《信息系統與社會》第3章第2節第1課時，第3章的內容主要是信息系統的安全，而本課內容是該章的核心部分之一，主要學習數據安全的重要性，了解密碼與密鑰的區別，明文、密鑰、密文之間的關系，掌握愷撒加密算法與換位加密算法并嘗試體驗用計算機程序實現等。對愷撒加密與解密還涉及程序的實現，教材采用Python語言實現加密算法。

● 學情分析

學生對數據安全有一定的生活經驗和感性體驗，但是對加密算法了解較少，沒有接觸過程序實現加密算法。學生學習過進制轉換、字符的編碼、算法的表示及程序設計基礎等內容，這些理論與操作基礎可以幫助他們更好地理解與掌握加密算法。高一的學生思維活躍，好奇心強，信息安全意識偏弱，他們具備了一定的邏輯思維能力，但對利用計算機編程解決問題卻鮮有嘗試，需要教師在課堂中給予鼓勵并適當地指導啟發。

● 教學目標及重難點

教學目標：掌握愷撒加密算法與換位加密算法并嘗試體驗利用計算機程序實現;借助數字化資源自主探究、合作學習，學會分析問題并改進算法;感受利用計算機編程解決問題的優勢，學會采用簡單的技術手段，保護數據、信息的安全。

重點：理解并掌握兩種加密算法（愷撒加密算法與換位加密算法）。

難點：正確分析問題并改進加密算法。

● 設計構想

1.整體設想

本節內容的教學安排2個課時，第1課時主要學習數據安全的重要性，了解密碼與密鑰的區別，明文、密鑰、密文之間的關系，掌握愷撒加密算法與換位加密算法并嘗試體驗用計算機程序實現。第2課時學習異或加密算法并體驗三種加密算法的解密過程，利用實踐與體驗“文檔安全保護”學會以不同的方式來保護數據安全。本節課是第1課時內容。

2.教法學法

本課以“數據加密”主題為主線，以“提升學生發現問題、分析問題、解決問題的能力”為輔線，通過讓學生學習并實踐體驗愷撒加密算法與換位加密算法兩種加密算法，探究利用計算機編程解決問題的一般過程。課堂中教師采用情境教學貼近生活，聯系實際;利用任務驅動法，面向全體，層層遞進;借助數字化資源，通過引導學生進行自主探究、合作學習等方式培養他們自主學習的能力。整個課堂中學生根據學習任務單，學習愷撒加密算法與換位加密算法，并通過程序實現體驗利用計算機解決問題的優勢。

3.情境與任務

通過播放某網站用戶信息泄露的新聞引出情境，并與學生探討數據安全的話題，引出數據加密的任務。“課堂任務單”貫穿整個課堂，通過兩個“實踐與體驗”任務學習并掌握愷撒加密與換位加密算法。

4.學生活動

根據教師提供的學習任務單，學習兩種加密算法，并利用程序體驗計算機解決問題的優勢。通過任務單中的實例分析兩種加密算法的缺點，根據教師的引導提出并分析結合兩種加密算法來提升數據的安全。

5.核心素養的落實

本課通過真實事件引入，在引導學生探討數據安全的重要性與課中討論分析兩種加密算法的缺點中，滲透信息意識的培養;通過分析加密算法并抽象建模以及體驗程序實踐，并分析兩種加密算法的缺點來改進算法，提升學生的計算思維;利用自助學習材料提升學生的數字化學習能力;通過本課的學習，強化學生信息社會責任。

6.評價設計

過程性評價：在整個課堂教學過程中，引導學生通過完成課堂任務單來記錄思維過程，教師在與學生交流過程中及時給予評價。終結性評價：通過網絡平臺完成自我評價。

● 教學過程

1.情境導入

教師播放新聞視頻創設情境，引導學生互動探討：用戶數據如何被泄露？如何規避數據泄露風險？非明文密碼對數據的安全有何作用？接著師生共同探討數據的各種安全隱患，教師引導學生思考如何有效規避數據泄露方面的危害，并引出數據加密的重要性。

設計意圖：通過生活真實事件導入，提升學生參與課堂的興趣，以引導學生討論探究數據信息安全的重要性。

2.新知初探

提出任務情境：“小王是某系統的管理員，數據庫中的注冊信息全部是明文存儲的，為了提升安全性，小王希望將密碼字段的內容進行加密，他該如何實現？”師生共同探討加密策略，教師引出愷撒加密法與換位加密法，通過課件直觀演示并講授愷撒加密算法。

接著，引導學生通過數字化學習包自主探究學習換位加密算法，并比較兩種算法的不同。布置學生完成“課堂任務單”實踐與體驗1中的第1條加密任務并嘗試完成第2條加密任務，理解體會愷撒加密與換位加密的算法思想及明文、密鑰、密文之間的關系。

在完成任務單的時候學生很容易發現問題：“當文本中字符較少時可以采用手工加密，如果需要對大量文本字符進行加密，該如何實現？”教師引導學生提出利用計算機程序來實現加密工作。展示并分析利用愷撒加密算法對文本進行加密的流程圖，布置實踐與體驗1中的體驗2（第2條）：打開Python程序，利用計算機程序實踐體驗完成實踐與體驗1中的體驗2（第2條）與體驗3（第3條）加密任務。在實踐過程中，學生若遇到疑問，可通過數字化學習資源自助、互助解決問題。之后進行任務反饋交流，教師參與討論并實時評價。

設計意圖：引導學生分析問題，學會根據問題特征抽象建立模型并設計簡單加密算法，提高其分析歸納能力和合作探究意識;讓學生經歷利用計算機程序解決實際問題的過程，培養其發現問題、分析問題、解決問題的能力，增強思維的嚴密性。

3.深入分析，改進算法

在學習兩種加密算法之后，教師引導學生分析愷撒加密與換位加密算法的解密過程，提出“愷撒加密法本質上只有25種密鑰，容易被黑客通過枚舉密鑰暴力破解，換位加密法容易被看出換位的策略”，引導學生思考并討論如何在原有的算法基礎上改進加密算法增加密文的安全性，并提出解決方案——利用愷撒加密與換位加密有機結合的形式提升密文的安全性。布置實踐與體驗2：實踐體驗利用改進的加密程序進行加密，感受改進后的加密算法與原算法的區別。學生按照自己的算法思想改進程序，完成后提交任務單。之后反饋成果并展示交流。

設計意圖：通過引導學生分析愷撒加密法的缺點來發現問題，并解決問題，讓學生在探究中理解，在活動中收獲，在發現中提高。引導學生評估問題的解決方案，并采用恰當的方法改進算法，感受加密算法并不神秘。

4.拓展提高，總結升華

教師介紹保護數據安全的其他加密方式，并讓學生實踐體驗利用設置口令的方式保護數據安全的方法。之后再介紹其他更加復雜的加密算法，如DES分組加密算法、非對稱的RSA加密算法、MD5加密算法等。

設計意圖：引導學生學習利用信息技術解決問題，并能遷移到解決生活中的相關問題中。激發學生繼續深入學習的興趣，提升其信息安全意識。

最后，教師引導學生總結本節課所學內容，讓學生通過網絡平臺填寫課堂自我評價表，并提交課堂任務單。教師布置課后思考練習題。

設計意圖：通過總結與評價梳理本課知識點，布置學生填寫課堂自我評價表實現自我診斷、自我反思、自我調整、自我激勵。布置課后思考練習，激發學生繼續學習算法與程序設計的興趣。

● 教學反思

本課具有以下三個方面的優點：第一，創設生活化的情境，激發學生的學習興趣。本課通過真實案例引入，激發學生學習興趣，使枯燥的學習變得生動有趣，學生在主動需求下完成任務，事半功倍。第二，以任務為主線實施課堂教學，加強學生探究學習。本課以“數據加密”主題為主線，以提升學生發現問題、分析問題、解決問題的能力為輔線，通過讓學生學習并實踐體驗兩種加密算法，探究利用計算機編程解決問題的一般過程。本節課充分體現了學生是學習的主體，教師是主導，學生在自主學習和主動探究的氛圍中學習新知，主動建構，不斷深入。第三，創設數字化學習環境，培養學生數字化學習能力，落實核心素養。為學生提供多樣的學習資源（視頻、文檔、網絡平臺等），在多媒體教學平臺中，教師發布教學資源，進行任務布置，開展教學評價，充分體現了數字化學習環境的優勢，豐富了教學手段，改變了教學方式。

本課內容需要不斷引導學生發現問題、分析問題，然后使用課堂所學解決問題，需要學生在學習過程中思考并學習實踐，所以時間比較緊。若需要讓學生自己動手實現加密算法的代碼，可以再增加一個課時，讓學生有充分的時間對該課的知識和技能進行內化。

點 ?評

“數據加密與安全”這一教學內容選自浙教版高中信息技術必修2《信息系統與社會》，趙老師在設計時采用四線合一，即將教學組織線的5個環節緊緊圍繞“數據加密”這條任務主題線展開，在教師的精心組織下，學生沿著“思考→分析→實踐→總結→反思”認知學習線，展開對“為何要加密→如何加密→加密的程序實現→解密過程與加密算法的改進→了解其他加密算法”內容體系線的學習，勾勒出“數據加密與安全”的立體教學，培養了學生關于數據安全方面的發現問題、分析問題、解決問題的能力，凸顯新課標提出的數據、算法、信息社會等學科大概念。整個教學過程通過真實事件引出在日常生活和工作學習中應該加強防護意識，引導學生探討數據安全的重要性，分析愷撒加密法、換位加密法兩種加密算法的缺點，提出改進和完善算法，進一步加強數據、信息安全意識，提升計算思維，增強信息社會責任感，較好地落實了信息技術學科核心素養，達成了本節課的教學目標。本節課在如何處理新教材、如何讓學生在實踐探究中有效體驗數據加密與安全等偏理論化的知識進行了探索，取得了較好的效果，值得借鑒與學習。