Python之探秘凱撒密碼

何青波

【摘 要】本案例是以身邊事物入手，鼓勵學生多觀察生活、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、案例過程及案例反思;介紹了利用自定義函數(shù)進行凱撒密碼加密的思路與過程。

【關(guān)鍵詞】案例;自定義函數(shù);密碼;密鑰;學生主體

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】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拿出一節(jié)課來需要講授，但在學考和很多比賽中，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)，同時回顧之前所學內(nèi)容。由于凱撒密碼對每一次傳輸?shù)男畔⒍家M行加密，即加密功能這一部分代碼是需要重復(fù)使用的，故可以通過探究學習自定義函數(shù)對凱撒密碼加密。

案例描述

1.情景模擬，課堂導(dǎo)入

為充分調(diào)動學生學習的積極性，引起學生對編程學習的興趣，課前我隨機找到幾個學生，其中不乏性格外向、具有表演能力的學生，也有性格內(nèi)斂、需要多些表現(xiàn)機會的學生，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”，讓學生自導(dǎo)自演，進行情景模擬再現(xiàn)。上課伊始，幾個學生的精彩出演，有意想不到的效果。此時，我趁機拋出問題讓學生思考：如何對紙條信息進行加密，紙條即便被老師發(fā)現(xiàn)也不會獲取到任何有價值的信息？學生很活躍，很多學生都提到了加密，我順勢引出了最原始的加密方式—— 凱撒密碼，同時引出了本堂課的教學主題—— Python之探秘凱撒密碼。

2.視頻介紹“凱撒密碼”

班級里僅有少部分學生聽說過凱撒密碼，但對它加密的原理一知半解。為讓學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生帶著如下幾個問題觀看視頻并思考：

（1）什么是明文和密文？

（2）什么是密鑰？它的作用是什么？

（3）用自己的語言組織一下凱撒密碼加密的原理是怎樣的？

學生對于密碼加密有著較高的求知欲，學習興趣濃厚，所以在觀看完視頻后，每個小組派了一名代表回答問題。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明文中的每個字符依據(jù)密鑰按照字母表順序進行一定的偏移，得到對應(yīng)的密文字符。

3.任務(wù)驅(qū)動，激發(fā)興趣

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

“假設(shè)密鑰為2，將明文‘a(chǎn)加密轉(zhuǎn)換成密文的過程是怎樣的呢？讓我們一起畫出它的示意圖?！痹赑ython里面，字符是不能直接與整數(shù)進行相加運算的，但計算機中的英文字符編碼統(tǒng)一采用的是ASCII編碼，所以順勢回顧了Python中可以用來查詢字符對應(yīng)ASCII的內(nèi)置函數(shù)ord（）及可以用來查詢ASCII對應(yīng)字符的內(nèi)置函數(shù)chr（），并與學生合力畫出了示意圖，如圖1所示。有了示意圖，學生對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來表示。請第一組和第二組的同學利用自然語言來描述凱撒加密算法，第三組和第四組的同學利用流程圖來描述凱撒加密算法?！边@樣，老師與學生一起順勢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，同學們利用自然語言來描述凱撒加密算法基本都沒有什么問題。但用流程圖來描述凱撒加密算法時，學生因為剛接觸流程圖相關(guān)圖形及符號，容易錯用流程圖圖形。

之后將待全部完成的程序下發(fā)給學生，經(jīng)過剛才算法描述方法的學習，學生基本能夠補充完整ord（）和chr（）函數(shù)完善程序。在按F5鍵運行程序后，有學生提出疑問：“密鑰為2時，‘y偏移2位后，程序運行后得到的結(jié)果為什么是左花括號？”有其他同學通過翻閱課本上的ASCII表發(fā)現(xiàn)，在ASCII表中，字符y往后移動2位后，對應(yīng)的字符就是左花括號?！叭绻用軙r超過了字符‘z，就需要從‘a(chǎn)重新開始，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。那如何實現(xiàn)循環(huán)偏移呢？”找三個同學A、B、C上講臺圍成一個圈做一個依次報1-20之間數(shù)字的游戲，之后隨機說出1-20之間的一個數(shù)字，比如17，詢問在座的同學們剛才報過17這個數(shù)字的是哪個同學，同學們異口同聲回答B(yǎng)同學。隨機找個學生詢問為什么是B同學？學生給出了用17除以總?cè)藬?shù)求余數(shù)的方法。這時同學們恍然大悟，開始思考可以通過給26個小寫英文字母重新編下號，使用求余數(shù)的方法實現(xiàn)循環(huán)偏移。

任務(wù)二：自定義函數(shù)實現(xiàn)單個字符的加密

“假設(shè)加密前的明文字符編號為xid，加密后的密文字符編號為yid，密鑰用變量offset來表示?！睂W生可嘗試寫出（xid+offset）%26獲得對小寫字母的循環(huán)偏移值即yid的值。再次讓學生熟悉了ASCII表，同時回顧了求余思想及求余符號%。此時順勢讓學生思考：什么是函數(shù)？即完成某個會重復(fù)使用的特定功能或操作的程序就被稱為函數(shù)，而這個函數(shù)如果是同學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，對其要點進行講解，之后讓同學們將收到的循環(huán)偏移程序改寫成帶自定義函數(shù)的程序。由于時間受限，最終只看了兩個學生完成的程序，讓其他同學幫助這兩個學生找出程序出現(xiàn)的錯誤，同時再次概括使用自定義函數(shù)需要注意的問題：一是應(yīng)用def來聲明自定義函數(shù)，函數(shù)先聲明之后才能被調(diào)用;二是應(yīng)使用縮進來表示函數(shù)體內(nèi)容，函數(shù)若有返回值時，使用return語句返回函數(shù)的計算結(jié)果;三是理解圓括號中可以定義參數(shù)，明確函數(shù)名及冒號的位置，起函數(shù)名稱時最好見名知意。

任務(wù)三：自定義函數(shù)實現(xiàn)對一段文本的加密

“發(fā)送方與接收方之間現(xiàn)在擬定如下規(guī)則：當對明文字符串進行加密時，若該字符是小寫字母就對其進行加密，否則不加密。請同學們思考如何實現(xiàn)對一段文本的加密？”引導(dǎo)學生思考解決問題的方法：

（1）把明文中的字符一個個拿出來進行判斷（循環(huán)結(jié)構(gòu)for）。

（2）如果該字符是小寫字母（選擇結(jié)構(gòu)if），就對其進行加密（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（+）。

之后讓同學們小組合作，上機嘗試完善半成品程序并展示。

def encode（x，key）：? ? ? ? ?#單個字符的加密實現(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字符

if ————：? ? ? ? ?#如果i是小寫字母

i =————

result += i? ? ? ? #字符串的連接操作

return result

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

讓同學們根據(jù)完善好的程序思考：

（1）如果偏移量變成5，修改哪個地方？

（2）程序是從哪一句開始執(zhí)行的？

（3）自定義函數(shù)有哪些優(yōu)點？

通過對這三個問題的思考，學生基本可以自己總結(jié)出自定義函數(shù)的優(yōu)點。有的學生提到了模塊化;有的學生說當需要修改代碼時，只需要修改一次代碼。對于正確的回答我給予了肯定，同時給出比較專業(yè)的術(shù)語“降低代碼的冗余度和代碼重用”，此時學生更容易理解術(shù)語。

4.總結(jié)鞏固，課堂升華

總結(jié)本課所學內(nèi)容，并用課件呈現(xiàn)，同時展開頭腦風暴。“如何看待及更好地對信息進行安全保護？”學生踴躍回答，有提到備份保護的，有提到用更安全加密方式的，學生進一步感受到了安全保護的重要性。

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：降低代碼的冗余度和代碼重用。

案例反思

（1）要引導(dǎo)學生多對身邊事物進行留意觀察，提出疑問，進而想辦法去分析、解決問題，強調(diào)理論與實踐相結(jié)合，這樣可以大大激發(fā)學生學習知識的興趣。

（2）在課堂上，要始終堅持學生是學習的主體，教師不僅要教授知識，還要注重對學生思想層面及價值觀的引導(dǎo)。比如讓學生認識到加密及安全保護的重要性，從而讓學生在課堂上真正實現(xiàn)“在學中做、在做中創(chuàng)、在創(chuàng)中樂”。

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

（4）整體來講，這是綜合實戰(zhàn)比較成功的一節(jié)課，學生不僅對之前學過的內(nèi)容做了很好的鞏固，同時也真正實現(xiàn)了寓教于樂，也反映了學生具備較好的綜合素養(yǎng)。但因一節(jié)課的時間有限，本堂課只能讓學生在半成品作品基礎(chǔ)上進行補充完善，學生上機實踐時間較短，影響了教學效果。

作者單位：山東濟南大學城實驗高級中學