《数据加密与安全》教学设计

赵明阳

● 课标要求

认识到信息系统应用过程存在的风险，熟悉信息系统安全防范的常用技术方法，养成规范的信息系统操作习惯，树立信息安全意识。掌握一种程序设计语言的基本知识，使用程序设计语言实现简单算法。通过解决实际问题，体验程序设计的基本流程，感受算法的效率，掌握程序调试与运行的方法。

● 教学内容分析

本课是浙教版高中信息技术必修2《信息系统与社会》第3章第2节第1课时，第3章的内容主要是信息系统的安全，而本课内容是该章的核心部分之一，主要学习数据安全的重要性，了解密码与密钥的区别，明文、密钥、密文之间的关系，掌握恺撒加密算法与换位加密算法并尝试体验用计算机程序实现等。对恺撒加密与解密还涉及程序的实现，教材采用Python语言实现加密算法。

● 学情分析

学生对数据安全有一定的生活经验和感性体验，但是对加密算法了解较少，没有接触过程序实现加密算法。学生学习过进制转换、字符的编码、算法的表示及程序设计基础等内容，这些理论与操作基础可以帮助他们更好地理解与掌握加密算法。高一的学生思维活跃，好奇心强，信息安全意识偏弱，他们具备了一定的逻辑思维能力，但对利用计算机编程解决问题却鲜有尝试，需要教师在课堂中给予鼓励并适当地指导启发。

● 教学目标及重难点

教学目标：掌握恺撒加密算法与换位加密算法并尝试体验利用计算机程序实现;借助数字化资源自主探究、合作学习，学会分析问题并改进算法;感受利用计算机编程解决问题的优势，学会采用简单的技术手段，保护数据、信息的安全。

重点：理解并掌握两种加密算法（恺撒加密算法与换位加密算法）。

难点：正确分析问题并改进加密算法。

● 设计构想

1.整体设想

本节内容的教学安排2个课时，第1课时主要学习数据安全的重要性，了解密码与密钥的区别，明文、密钥、密文之间的关系，掌握恺撒加密算法与换位加密算法并尝试体验用计算机程序实现。第2课时学习异或加密算法并体验三种加密算法的解密过程，利用实践与体验“文档安全保护”学会以不同的方式来保护数据安全。本节课是第1课时内容。

2.教法学法

本课以“数据加密”主题为主线，以“提升学生发现问题、分析问题、解决问题的能力”为辅线，通过让学生学习并实践体验恺撒加密算法与换位加密算法两种加密算法，探究利用计算机编程解决问题的一般过程。课堂中教师采用情境教学贴近生活，联系实际;利用任务驱动法，面向全体，层层递进;借助数字化资源，通过引导学生进行自主探究、合作学习等方式培养他们自主学习的能力。整个课堂中学生根据学习任务单，学习恺撒加密算法与换位加密算法，并通过程序实现体验利用计算机解决问题的优势。

3.情境与任务

通过播放某网站用户信息泄露的新闻引出情境，并与学生探讨数据安全的话题，引出数据加密的任务。“课堂任务单”贯穿整个课堂，通过两个“实践与体验”任务学习并掌握恺撒加密与换位加密算法。

4.学生活动

根据教师提供的学习任务单，学习两种加密算法，并利用程序体验计算机解决问题的优势。通过任务单中的实例分析两种加密算法的缺点，根据教师的引导提出并分析结合两种加密算法来提升数据的安全。

5.核心素养的落实

本课通过真实事件引入，在引导学生探讨数据安全的重要性与课中讨论分析两种加密算法的缺点中，渗透信息意识的培养;通过分析加密算法并抽象建模以及体验程序实践，并分析两种加密算法的缺点来改进算法，提升学生的计算思维;利用自助学习材料提升学生的数字化学习能力;通过本课的学习，强化学生信息社会责任。

6.评价设计

过程性评价：在整个课堂教学过程中，引导学生通过完成课堂任务单来记录思维过程，教师在与学生交流过程中及时给予评价。终结性评价：通过网络平台完成自我评价。

● 教学过程

1.情境导入

教师播放新闻视频创设情境，引导学生互动探讨：用户数据如何被泄露？如何规避数据泄露风险？非明文密码对数据的安全有何作用？接着师生共同探讨数据的各种安全隐患，教师引导学生思考如何有效规避数据泄露方面的危害，并引出数据加密的重要性。

设计意图：通过生活真实事件导入，提升学生参与课堂的兴趣，以引导学生讨论探究数据信息安全的重要性。

2.新知初探

提出任务情境：“小王是某系统的管理员，数据库中的注册信息全部是明文存储的，为了提升安全性，小王希望将密码字段的内容进行加密，他该如何实现？”师生共同探讨加密策略，教师引出恺撒加密法与换位加密法，通过课件直观演示并讲授恺撒加密算法。

接着，引导学生通过数字化学习包自主探究学习换位加密算法，并比较两种算法的不同。布置学生完成“课堂任务单”实践与体验1中的第1条加密任务并尝试完成第2条加密任务，理解体会恺撒加密与换位加密的算法思想及明文、密钥、密文之间的关系。

在完成任务单的时候学生很容易发现问题：“当文本中字符较少时可以采用手工加密，如果需要对大量文本字符进行加密，该如何实现？”教师引导学生提出利用计算机程序来实现加密工作。展示并分析利用恺撒加密算法对文本进行加密的流程图，布置实践与体验1中的体验2（第2条）：打开Python程序，利用计算机程序实践体验完成实践与体验1中的体验2（第2条）与体验3（第3条）加密任务。在实践过程中，学生若遇到疑问，可通过数字化学习资源自助、互助解决问题。之后进行任务反馈交流，教师参与讨论并实时评价。

设计意图：引导学生分析问题，学会根据问题特征抽象建立模型并设计简单加密算法，提高其分析归纳能力和合作探究意识;让学生經历利用计算机程序解决实际问题的过程，培养其发现问题、分析问题、解决问题的能力，增强思维的严密性。

3.深入分析，改进算法

在学习两种加密算法之后，教师引导学生分析恺撒加密与换位加密算法的解密过程，提出“恺撒加密法本质上只有25种密钥，容易被黑客通过枚举密钥暴力破解，换位加密法容易被看出换位的策略”，引导学生思考并讨论如何在原有的算法基础上改进加密算法增加密文的安全性，并提出解决方案——利用恺撒加密与换位加密有机结合的形式提升密文的安全性。布置实践与体验2：实践体验利用改进的加密程序进行加密，感受改进后的加密算法与原算法的区别。学生按照自己的算法思想改进程序，完成后提交任务单。之后反馈成果并展示交流。

设计意图：通过引导学生分析恺撒加密法的缺点来发现问题，并解决问题，让学生在探究中理解，在活动中收获，在发现中提高。引导学生评估问题的解决方案，并采用恰当的方法改进算法，感受加密算法并不神秘。

4.拓展提高，总结升华

教师介绍保护数据安全的其他加密方式，并让学生实践体验利用设置口令的方式保护数据安全的方法。之后再介绍其他更加复杂的加密算法，如DES分组加密算法、非对称的RSA加密算法、MD5加密算法等。

设计意图：引导学生学习利用信息技术解决问题，并能迁移到解决生活中的相关问题中。激发学生继续深入学习的兴趣，提升其信息安全意识。

最后，教师引导学生总结本节课所学内容，让学生通过网络平台填写课堂自我评价表，并提交课堂任务单。教师布置课后思考练习题。

设计意图：通过总结与评价梳理本课知识点，布置学生填写课堂自我评价表实现自我诊断、自我反思、自我调整、自我激励。布置课后思考练习，激发学生继续学习算法与程序设计的兴趣。

● 教学反思

本课具有以下三个方面的优点：第一，创设生活化的情境，激发学生的学习兴趣。本课通过真实案例引入，激发学生学习兴趣，使枯燥的学习变得生动有趣，学生在主动需求下完成任务，事半功倍。第二，以任务为主线实施课堂教学，加强学生探究学习。本课以“数据加密”主题为主线，以提升学生发现问题、分析问题、解决问题的能力为辅线，通过让学生学习并实践体验两种加密算法，探究利用计算机编程解决问题的一般过程。本节课充分体现了学生是学习的主体，教师是主导，学生在自主学习和主动探究的氛围中学习新知，主动建构，不断深入。第三，创设数字化学习环境，培养学生数字化学习能力，落实核心素养。为学生提供多样的学习资源（视频、文档、网络平台等），在多媒体教学平台中，教师发布教学资源，进行任务布置，开展教学评价，充分体现了数字化学习环境的优势，丰富了教学手段，改变了教学方式。

本课内容需要不断引导学生发现问题、分析问题，然后使用课堂所学解决问题，需要学生在学习过程中思考并学习实践，所以时间比较紧。若需要让学生自己动手实现加密算法的代码，可以再增加一个课时，让学生有充分的时间对该课的知识和技能进行内化。

点  评

“数据加密与安全”这一教学内容选自浙教版高中信息技术必修2《信息系统与社会》，赵老师在设计时采用四线合一，即将教学组织线的5个环节紧紧围绕“数据加密”这条任务主题线展开，在教师的精心组织下，学生沿着“思考→分析→实践→总结→反思”认知学习线，展开对“为何要加密→如何加密→加密的程序实现→解密过程与加密算法的改进→了解其他加密算法”内容体系线的学习，勾勒出“数据加密与安全”的立体教学，培养了学生关于数据安全方面的发现问题、分析问题、解决问题的能力，凸显新课标提出的数据、算法、信息社会等学科大概念。整个教学过程通过真实事件引出在日常生活和工作学习中应该加强防护意识，引导学生探讨数据安全的重要性，分析恺撒加密法、换位加密法两种加密算法的缺点，提出改进和完善算法，进一步加强数据、信息安全意识，提升计算思维，增强信息社会责任感，较好地落实了信息技术学科核心素养，达成了本节课的教学目标。本节课在如何处理新教材、如何让学生在实践探究中有效体验数据加密与安全等偏理論化的知识进行了探索，取得了较好的效果，值得借鉴与学习。