初中信息科技大概念视解下单元项目式教学 ——以“加密和解密”为例

初中信息科技大概念视解下单元项目式教学 ——以“加密和解密”为例

王朝华

  浙江省台州市椒江区第二中学  318000

摘要：本文探讨了初中信息科技课程中大概念视解下单元项目式教学的实践效果。以初中信息科技“加密和解密”内容为例，通过在课堂上实施该教学模式，并对学生的学习成果进行评估，发现该模式能够提高学生的学习兴趣、主动性和实践能力。介绍大概念视解和项目式教学的理论基础，阐述具体的教学实践过程，总结该教学模式的优点和需要进一步探讨的问题。

关键词：大概念视解；项目式教学；初中信息科技

大概念视解是指在教学中，以学科核心概念为主线，将相关知识、技能和价值观有机整合，形成具有内在联系的知识网络。通过大概念视解，学生可以更好地理解学科知识，提高学习效果。项目式教学是一种以学生为中心的教学方式，它通过组织学生参与实际项目的设计、实施和评价，使学生在实践中学习知识和技能，培养解决问题的能力和创新思维。项目式教学的关键在于选题的设计和实施过程的引导。信息技术学科注重算法、数据等核心概念，要求学生掌握程序设计语言的基本知识，利用Python实现简单的算法，解决实际问题。但目前学生在学习Python编程的过程中难以学以致用，如何将所学知识应用于解决真实问题是教学中亟待突破的点。下面，以浙江教育出版社出版2023版八上第三单元《互联网与物联网的安全》，其中第11课《数据备份与加密》、第12课《数据解密》内容为例，介绍此种教学设计的思路与实施路径。

一、项目设计

随着信息技术的飞速发展，网络安全问题日益突出。初中信息科技课程中的“加密和解密”内容，不仅有助于学生了解信息安全的基本知识，还能培养其安全意识和防范能力。因此，我们设计了以“校园信息安全的守护者”为主题的项目，旨在通过实践活动，让学生了解信息安全的重要性，掌握基本的加密和解密技术，提高其信息安全素养。引导学生学习密码的设置、加密、破译，理解保护数据的意义。项目的难点是利用凯撒加密算法理解加密思想，并通过程序设计实现加密与解密。学生将综合运用Python编程中的循环、条件语句、字符串和ASCII码转换函数等知识点解决真实情境中的问题。

二、教学流程

（一）情境创设

在数字化的时代，信息安全问题日益严峻。我们的学校，作为一个知识的殿堂，也面临着信息安全的挑战。为了应对这一挑战，我们设定了一个特别的项目——“校园信息安全的守护者”。

在这个项目中，学生们将化身为信息安全的守护者，通过学习和实践加密和解密技术，来保卫校园的信息安全。他们将了解如何设置密码、使用加密算法和保护个人信息等，以确保校园网络和数据的安全。

（二）项目分解

项目式教学以基本知识内容为基础，从学科中的核心概念和关键能力出发，深入探索项目的内在本质。通过准确表征和理解项目，我们将复杂的项目拆解为一系列具有逻辑关联和意义的问题，从而对项目形成全面而深刻的认识。遵循这一教学理念，笔者针对“信息的守护者”这一主题，将其巧妙地分解为“信息的隐身”和“揭秘隐身术”两个子任务。这样的设计不仅有助于学生对项目内容的逐层深入理解，还能激发他们的探索欲望和实践能力。

子任务1：“信息的隐身”这一子任务，旨在通过理论学习和实践操作，让学生深入理解数据加密的原理和过程。教师为学生提供了详细的学习任务单，即以数据为核心的理论任务单，引导学生逐步探索加密技术的奥秘。让学生需要阅读教师提供相关材料，并探究“情境创设”中关于“将信息转换为内容”的各个要素——“信息”“内容”“转换的方法”在加密和解密技术中对应的专业名词。通过对这些基本概念的理解，学生建立起对加密和解密技术的初步认识。

有了初步的认识后，教师帮助学生总结加密与解密的核心理论：原始信息（数据）被称为明文，而加密后的信息（数据）则称为密文。加密的过程就是将明文隐匿起来，使其在缺少特殊信息（数据）时不可读。相反，解密或解码则是将密文还原成明文的过程。在这个过程中，控制加密和解密的关键是密钥。

子任务2：“揭秘隐身术”是本项目的核心环节，重点在于让学生深入了解凯撒密码算法及其思想，并培养他们的编程能力，使其能够合理设计加密和解密程序。

为了引导学生主动探索，教师发放了实践任务单，要求学生分组搜集各种加密算法，如凯撒密码、维吉尼亚密码、哈希算法等，并进行展示和比较。这种学习方式不仅拓展了学生的视野，还帮助他们建立起对加密算法多样性的认识。

以“凯撒算法”为例，教师引导学生亲身体验凯撒密码的加密过程。学生需要自主探究凯撒加密算法的原理，并在教师的指导下，将任务单上的代码补充完整。通过编程实践，学生深刻体会“信息的隐身”的实现过程，并成功地对信息进行加密。

在教学过程中，教师特别注重锻炼学生举一反三的能力。通过灵活分析问题、描述算法、编写程序以及调试运行等实践环节，学生不仅能够掌握凯撒密码的加密和解密方法，还能自主推导和类比其他加密算法，从而独立完成解密程序的设计。

（三）算法探究

教师利用学生已有的数轴和偏移量的数学知识，以“凯撒加密算法”为例，引导他们抽象出加密算法的数学关系。

教师展示算法规则，让学生在字母表上进行简单的偏移操作。通过观察，学生发现规律：将图中每个字母用字母表中该字母偏移后的第三个字母替换。此时，教师提出问题：“这个规律适用于所有字母吗？最后几个字母的规律是什么？”学生思考后回答：“如果明文字母在‘A’和‘W’之间，直接后移3位得到相应密文字母；如果明文字母在‘X’和‘Z’之间，则返回字母表的开头按顺序后移。”

教师呈现凯撒密码表，学生从中观察到字母在字母表中的位置与ASCII码之间的对应关系，并建立了数学表达式。以字符Z为例，向后偏移3位变成字母C，对应的ASCII值-26再向后偏移ASCII值+3。学生得出数学表达式：A-W的密文码值等于明文码值加3；X-Z的密文码值等于明文码值减23。

通过这一过程，学生成功抽象出凯撒加密算法的核心原理——将明文中的每个字母向后移动固定位置。同时，他们也理解了计算机中英文字符是以ASCII编码形式存储和处理的，偏移过程是通过对ASCII码值进行加减操作实现的。

图1

（四）编程测试

在编程测试阶段，学生需要思考如何运用Python语言来表述明文、密文和密钥的概念。他们需要参考教师发放的实践任务单，画出详细的流程图，以助于分析凯撒密码核心算法代码所涉及的知识点。

凯撒加密过程可以被拆分为以下三个子问题：

1.如何针对密码中的每一个字符进行处理？

2.如何实现ASCII码和字符之间的转换？

3.如何处理不同大小写的字符？

在解决子问题1时，学生可以采用循环结构来遍历密码中的每一个字符，这样可以确保每个字符都能得到处理。

对于子问题2，它涉及到ASCII码和字符之间的转换。在Python中，我们可以使用ord()函数将字符转换为对应的ASCII值，而chr()函数则可以将ASCII值转换回对应的字符。因此，在凯撒加密过程中，明文转换为密文实际上是一个“字符-数值-字符”的两次变换过程。具体来说，对于字母表中的A-W部分，密文可以通过“密文=chr(ord(明文)+3)”的方式得到；而对于X-Z部分，则可以通过“密文=chr(ord(明文)-23)”的方式实现。这样一来，学生就可以利用这两个函数来实现加密算法了。

至于子问题3，学生可以采用条件结构来判断字符所处的范围，即A-W、X-Z以及非字母的其他字符。这样可以根据不同的范围采取不同的处理方式，确保加密过程的准确性。

示例代码如图2所示，学生在完成实践任务单时，可以重点根据注释来补全第3行到第9行的代码。完成后，他们需要提交加密程序的作业，并自主推导解密算法以完善整个程序。在这个过程中，学生需要注意字母表变换的范围，以确保程序的正确性。如图3所示。

图2

图3

（五）成果评价

在项目评价环节，我们将实施以素养为导向的表现性评价。学生将有机会分享他们设计的作品，同时教师会对典型错误、易错点以及课堂上出现的生成性问题进行归纳总结。评估将围绕学生的编程项目成果、代码质量、解决问题的思维和创新性等多个维度进行。此外，学生还将根据教师设计的表现性评价量表进行同伴互评，以全面评估学生在编程项目中的能力和素养。

三、结束语

本文探讨了初中信息科技课程中大概念视解下单元项目式教学的实践效果，以“加密和解密”为例，发现该教学模式能够提高学生的学习兴趣、主动性和实践能力。然而，如何更好地选题设计、完善评价机制等问题仍需进一步探讨。展望未来，我们将继续深入研究大概念视解和项目式教学的理论与实践，为初中信息科技教育的改革与发展做出贡献。

参考文献：

[1]张莉芬·高中信息技术项目式学习教学模式研究[J]·数字通信世界。

[2]李可·基于MD5加密的身份认证系统研究[J]·网络安全技术与应用。

[3]吴敏·高中信息技术项目化教学策略探析[A]·名师在线。