Python之探秘凱撒密碼

何青波

【摘 要】本案例是以身邊事物入手，鼓勵(lì)學(xué)生多觀察生活、多思考，介紹了高中信息技術(shù)《可以復(fù)用的代碼》這一節(jié)課的案例背景、案例過(guò)程及案例反思;介紹了利用自定義函數(shù)進(jìn)行凱撒密碼加密的思路與過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】案例;自定義函數(shù);密碼;密鑰;學(xué)生主體

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）09-062-03

案例背景

自定義函數(shù)雖然在粵教版教材中并未單獨(dú)拿出一節(jié)課來(lái)需要講授，但在學(xué)考和很多比賽中，都出現(xiàn)了自定義函數(shù)的身影，因此有必要拿出一節(jié)課講授自定義函數(shù)，同時(shí)回顧之前所學(xué)內(nèi)容。由于凱撒密碼對(duì)每一次傳輸?shù)男畔⒍家M(jìn)行加密，即加密功能這一部分代碼是需要重復(fù)使用的，故可以通過(guò)探究學(xué)習(xí)自定義函數(shù)對(duì)凱撒密碼加密。

案例描述

1.情景模擬，課堂導(dǎo)入

為充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，引起學(xué)生對(duì)編程學(xué)習(xí)的興趣，課前我隨機(jī)找到幾個(gè)學(xué)生，其中不乏性格外向、具有表演能力的學(xué)生，也有性格內(nèi)斂、需要多些表現(xiàn)機(jī)會(huì)的學(xué)生，告訴他們表演的主題為“上課傳紙條，紙條信息卻被老師截獲”，讓學(xué)生自導(dǎo)自演，進(jìn)行情景模擬再現(xiàn)。上課伊始，幾個(gè)學(xué)生的精彩出演，有意想不到的效果。此時(shí)，我趁機(jī)拋出問(wèn)題讓學(xué)生思考：如何對(duì)紙條信息進(jìn)行加密，紙條即便被老師發(fā)現(xiàn)也不會(huì)獲取到任何有價(jià)值的信息？學(xué)生很活躍，很多學(xué)生都提到了加密，我順勢(shì)引出了最原始的加密方式—— 凱撒密碼，同時(shí)引出了本堂課的教學(xué)主題—— Python之探秘凱撒密碼。

2.視頻介紹“凱撒密碼”

班級(jí)里僅有少部分學(xué)生聽(tīng)說(shuō)過(guò)凱撒密碼，但對(duì)它加密的原理一知半解。為讓學(xué)生充分理解凱撒密碼加密的原理，我利用視頻介紹凱撒密碼的加密原理，并在視頻播放前讓學(xué)生帶著如下幾個(gè)問(wèn)題觀看視頻并思考：

（1）什么是明文和密文？

（2）什么是密鑰？它的作用是什么？

（3）用自己的語(yǔ)言組織一下凱撒密碼加密的原理是怎樣的？

學(xué)生對(duì)于密碼加密有著較高的求知欲，學(xué)習(xí)興趣濃厚，所以在觀看完視頻后，每個(gè)小組派了一名代表回答問(wèn)題。加密前的原始信息稱為明文，加密后的字母信息稱為密文，移位發(fā)生的偏移量稱為加密算法的密鑰。有了密鑰，發(fā)送方就可以將明文加密成密文發(fā)給接收方，接收方知道加密時(shí)使用的密鑰就可以將密文還原成明文，破譯出真正的密碼信息。凱撒密碼加密的原理是依次對(duì)明文中的每個(gè)字符依據(jù)密鑰按照字母表順序進(jìn)行一定的偏移，得到對(duì)應(yīng)的密文字符。

3.任務(wù)驅(qū)動(dòng)，激發(fā)興趣

任務(wù)一：系統(tǒng)內(nèi)置函數(shù)實(shí)現(xiàn)凱撒密碼加密

“假設(shè)密鑰為2，將明文‘a(chǎn)加密轉(zhuǎn)換成密文的過(guò)程是怎樣的呢？讓我們一起畫(huà)出它的示意圖。”在Python里面，字符是不能直接與整數(shù)進(jìn)行相加運(yùn)算的，但計(jì)算機(jī)中的英文字符編碼統(tǒng)一采用的是ASCII編碼，所以順勢(shì)回顧了Python中可以用來(lái)查詢字符對(duì)應(yīng)ASCII的內(nèi)置函數(shù)ord（）及可以用來(lái)查詢ASCII對(duì)應(yīng)字符的內(nèi)置函數(shù)chr（），并與學(xué)生合力畫(huà)出了示意圖，如圖1所示。有了示意圖，學(xué)生對(duì)凱撒密碼加密的原理理解得愈發(fā)深刻。

圖1? 凱撒密碼加密原理示意圖

“假設(shè)加密前的明文字符用x表示，加密后的密文字符用y表示，密鑰用變量offset來(lái)表示。請(qǐng)第一組和第二組的同學(xué)利用自然語(yǔ)言來(lái)描述凱撒加密算法，第三組和第四組的同學(xué)利用流程圖來(lái)描述凱撒加密算法。”這樣，老師與學(xué)生一起順勢(shì)回顧了算法描述的三種方法。而有了凱撒密碼加密的示意圖，同學(xué)們利用自然語(yǔ)言來(lái)描述凱撒加密算法基本都沒(méi)有什么問(wèn)題。但用流程圖來(lái)描述凱撒加密算法時(shí)，學(xué)生因?yàn)閯偨佑|流程圖相關(guān)圖形及符號(hào)，容易錯(cuò)用流程圖圖形。

之后將待全部完成的程序下發(fā)給學(xué)生，經(jīng)過(guò)剛才算法描述方法的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本能夠補(bǔ)充完整ord（）和chr（）函數(shù)完善程序。在按F5鍵運(yùn)行程序后，有學(xué)生提出疑問(wèn)：“密鑰為2時(shí)，‘y偏移2位后，程序運(yùn)行后得到的結(jié)果為什么是左花括號(hào)？”有其他同學(xué)通過(guò)翻閱課本上的ASCII表發(fā)現(xiàn)，在ASCII表中，字符y往后移動(dòng)2位后，對(duì)應(yīng)的字符就是左花括號(hào)。“如果加密時(shí)超過(guò)了字符‘z，就需要從‘a(chǎn)重新開(kāi)始，即‘y偏移2位得到的字符應(yīng)該是a，我們把這種偏移方式叫做循環(huán)偏移。那如何實(shí)現(xiàn)循環(huán)偏移呢？”找三個(gè)同學(xué)A、B、C上講臺(tái)圍成一個(gè)圈做一個(gè)依次報(bào)1-20之間數(shù)字的游戲，之后隨機(jī)說(shuō)出1-20之間的一個(gè)數(shù)字，比如17，詢問(wèn)在座的同學(xué)們剛才報(bào)過(guò)17這個(gè)數(shù)字的是哪個(gè)同學(xué)，同學(xué)們異口同聲回答B(yǎng)同學(xué)。隨機(jī)找個(gè)學(xué)生詢問(wèn)為什么是B同學(xué)？學(xué)生給出了用17除以總?cè)藬?shù)求余數(shù)的方法。這時(shí)同學(xué)們恍然大悟，開(kāi)始思考可以通過(guò)給26個(gè)小寫(xiě)英文字母重新編下號(hào)，使用求余數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)循環(huán)偏移。

任務(wù)二：自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)單個(gè)字符的加密

“假設(shè)加密前的明文字符編號(hào)為xid，加密后的密文字符編號(hào)為yid，密鑰用變量offset來(lái)表示。”學(xué)生可嘗試寫(xiě)出（xid+offset）%26獲得對(duì)小寫(xiě)字母的循環(huán)偏移值即yid的值。再次讓學(xué)生熟悉了ASCII表，同時(shí)回顧了求余思想及求余符號(hào)%。此時(shí)順勢(shì)讓學(xué)生思考：什么是函數(shù)？即完成某個(gè)會(huì)重復(fù)使用的特定功能或操作的程序就被稱為函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)如果是同學(xué)們自己定義的就被稱為自定義函數(shù)。老師用課件顯示自定義函數(shù)的格式，對(duì)其要點(diǎn)進(jìn)行講解，之后讓同學(xué)們將收到的循環(huán)偏移程序改寫(xiě)成帶自定義函數(shù)的程序。由于時(shí)間受限，最終只看了兩個(gè)學(xué)生完成的程序，讓其他同學(xué)幫助這兩個(gè)學(xué)生找出程序出現(xiàn)的錯(cuò)誤，同時(shí)再次概括使用自定義函數(shù)需要注意的問(wèn)題：一是應(yīng)用def來(lái)聲明自定義函數(shù)，函數(shù)先聲明之后才能被調(diào)用;二是應(yīng)使用縮進(jìn)來(lái)表示函數(shù)體內(nèi)容，函數(shù)若有返回值時(shí)，使用return語(yǔ)句返回函數(shù)的計(jì)算結(jié)果;三是理解圓括號(hào)中可以定義參數(shù)，明確函數(shù)名及冒號(hào)的位置，起函數(shù)名稱時(shí)最好見(jiàn)名知意。

任務(wù)三：自定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)一段文本的加密

“發(fā)送方與接收方之間現(xiàn)在擬定如下規(guī)則：當(dāng)對(duì)明文字符串進(jìn)行加密時(shí)，若該字符是小寫(xiě)字母就對(duì)其進(jìn)行加密，否則不加密。請(qǐng)同學(xué)們思考如何實(shí)現(xiàn)對(duì)一段文本的加密？”引導(dǎo)學(xué)生思考解決問(wèn)題的方法：

（1）把明文中的字符一個(gè)個(gè)拿出來(lái)進(jìn)行判斷（循環(huán)結(jié)構(gòu)for）。

（2）如果該字符是小寫(xiě)字母（選擇結(jié)構(gòu)if），就對(duì)其進(jìn)行加密（自定義的加密函數(shù)），否則就什么也不做。

（3）字符串的連接操作（+）。

之后讓同學(xué)們小組合作，上機(jī)嘗試完善半成品程序并展示。

def encode（x，key）：? ? ? ? ?#單個(gè)字符的加密實(shí)現(xiàn)

xid = ord（x） - 97

yid = ————

y = chr（97 + yid）

return y

def text（str，key）：? ? ? ?#文本的凱撒加密算法實(shí)現(xiàn)，key為密鑰

result = ''

for i in str：? ? ? ? ? # i表示明文字符串str中依次獲取到的每個(gè)字符

if ————：? ? ? ? ?#如果i是小寫(xiě)字母

i =————

result += i? ? ? ? #字符串的連接操作

return result

print（text（'Attack Tomorrow！'，2），end=""）

讓同學(xué)們根據(jù)完善好的程序思考：

（1）如果偏移量變成5，修改哪個(gè)地方？

（2）程序是從哪一句開(kāi)始執(zhí)行的？

（3）自定義函數(shù)有哪些優(yōu)點(diǎn)？

通過(guò)對(duì)這三個(gè)問(wèn)題的思考，學(xué)生基本可以自己總結(jié)出自定義函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。有的學(xué)生提到了模塊化;有的學(xué)生說(shuō)當(dāng)需要修改代碼時(shí)，只需要修改一次代碼。對(duì)于正確的回答我給予了肯定，同時(shí)給出比較專業(yè)的術(shù)語(yǔ)“降低代碼的冗余度和代碼重用”，此時(shí)學(xué)生更容易理解術(shù)語(yǔ)。

4.總結(jié)鞏固，課堂升華

總結(jié)本課所學(xué)內(nèi)容，并用課件呈現(xiàn)，同時(shí)展開(kāi)頭腦風(fēng)暴。“如何看待及更好地對(duì)信息進(jìn)行安全保護(hù)？”學(xué)生踴躍回答，有提到備份保護(hù)的，有提到用更安全加密方式的，學(xué)生進(jìn)一步感受到了安全保護(hù)的重要性。

課件呈現(xiàn)——可以復(fù)用的代碼：

（1）函數(shù)的分類：（系統(tǒng)內(nèi)置函數(shù)、自定義函數(shù)）

（2）函數(shù)的定義：def 函數(shù)名（參數(shù)）：

函數(shù)體

return 返回值

（3）函數(shù)的調(diào)用：函數(shù)名（參數(shù)）

（4）函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)：降低代碼的冗余度和代碼重用。

案例反思

（1）要引導(dǎo)學(xué)生多對(duì)身邊事物進(jìn)行留意觀察，提出疑問(wèn)，進(jìn)而想辦法去分析、解決問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，這樣可以大大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣。

（2）在課堂上，要始終堅(jiān)持學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，教師不僅要教授知識(shí)，還要注重對(duì)學(xué)生思想層面及價(jià)值觀的引導(dǎo)。比如讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到加密及安全保護(hù)的重要性，從而讓學(xué)生在課堂上真正實(shí)現(xiàn)“在學(xué)中做、在做中創(chuàng)、在創(chuàng)中樂(lè)”。

（3）積極參加游戲和被給予肯定的同學(xué)往往在課堂上比往常更活躍些，所以要經(jīng)常對(duì)學(xué)生予以鼓勵(lì)，增強(qiáng)學(xué)生的獲得感和自信心。

（4）整體來(lái)講，這是綜合實(shí)戰(zhàn)比較成功的一節(jié)課，學(xué)生不僅對(duì)之前學(xué)過(guò)的內(nèi)容做了很好的鞏固，同時(shí)也真正實(shí)現(xiàn)了寓教于樂(lè)，也反映了學(xué)生具備較好的綜合素養(yǎng)。但因一節(jié)課的時(shí)間有限，本堂課只能讓學(xué)生在半成品作品基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充完善，學(xué)生上機(jī)實(shí)踐時(shí)間較短，影響了教學(xué)效果。

作者單位：山東濟(jì)南大學(xué)城實(shí)驗(yàn)高級(jí)中學(xué)