下载文档原格式
教科版2019信息技术必修1数据与计算第3单元认识数据3.4加密与解密教学设计【教材分析】本项目包含“任务一解开网站账号被盗之谜”和“任务二让数据‘隐身’”两个任务。
任务一包含两个活动：“活动1 防范‘盗窃’行为”，“活动2 设置安全密码”。
任务一是让学生通过“活动1”，总结防范密码被盗的各种现实的或潜在的形式，加强信息安全意识。
通过“活动2设置安全密码”，守住信息安全的第一道防线。
为增强说服力，让学生借助Python程序，体验简单整数密码被破解的过程和耗时。
另外，在较大数据规模的运算中，如何提高运算效率，也是活动2的一个“副产品”。
活动1主要是从意识层面谈密码安全防范，活动2则从技术层面演示简单整数密码的不安全性。
建议任务一安排1课时。
任务二包含两个活动：“活动1 古老的‘隐身术’”，“活动2 揭密‘隐身术’”。
任务二通过“活动1”，讲述加密技术的历史，引入加密解密概念。
活动2引入恺撒密码，解剖恺撒密码的加密原理，并以流程图、程序实现加密算法。
建议任务二安排1课时。
通过两个任务的学习，使学生能认识到密码的安全性在于难以被破解，以及加法密码的基本原理和算法，能够写出相应的加密解密算法和程序，充分认识信息安全的重要性，采取一定的技术措施保障信息安全。
【教学建议】在2017版普通高中信息技术课程标准中，26次提到“信息安全”。
信息安全成为信息技术学科四大核心素养中的“信息意识”和“信息社会责任”中的重点内容：具备信息社会责任的学生，具有一定的信息安全意识与能力，能够遵守信息法律法规，信守信息社会的道德与伦理准则，在现实空间和虚拟空间中遵守公共规范，既能有效维护信息活动中个人的合法权益，又能积极维护他人合法权益和公共信息安全；关注信息技术革命所带来的环境问题与人文问题；对于信息技术创新所产生的新观念和新事物，具有积极学习的态度、理性判断和负责行动的能力。
关于信息安全和数据保护，内容是非常丰富的，教师可根据情况适当拓展，因地制宜，因材施教。
3.4 加密与解密本节内容按2课时设计。
第一课时教学重难点【教学重点】会分析生活中由密码引起的数据安全问题，理解对数据进行保护的意义。
【教学难点】用穷举法破解密码。
【教学过程】一、引入1.学生预习，阅读第77页“任务一解开网站账号被盗之谜”之“活动1 防范‘盗窃’行为”，填写第78页的表3.4.1。
2.教师检查，并评讲填写情况，引出数据安全、密码的话题。
表3.4.1 密码盗窃与防盗分析表二、密码密码是指用来核对用户ID以验证用户就是本人的一组字符。
活动2设置安全密码打开教科书配套资源中的“数据安全性测试.py”，运行并测试穷举搜索一个5位、7位和9位的数字密码，分别需要多长时间，填写表3.4.2。
（详见配套资源“数据安全性测试(有界面).fld”和“数据安全性测试(有界面).py”）表3.4.2 穷举搜索密码需要的时间实现穷举搜索的自定义函数jiemi()的程序代码如下：def jiemi():d1=datetime.datetime.now() #获取当前系统时间d1p=int(varin.get()) #获取输入文本框的数字密码for i in range(0,p+1): #从0循环到正确密码数值if i==p: #如果密码相同d2=datetime.datetime.now() #获取当前系统时间d2d=d2-d1 #取得时间差#在输出文本框中显示解密用时varout.set(str(d.seconds)+"秒"+str(d.microseconds/1000)+"毫秒")程序运行效果如下：【比一比】当然，我们也可以编写无可视化界面的程序，程序更简单。
（详见配套资源“数据安全性测试(无界面).py”）程序运行效果如下：请比较有可视化界面与无可视化界面两个程序运算的快慢，将最快的结果填入表3.4.2。
【算一算】你的电脑1秒最多能试探大约多少个整数密码？【做一做】1.有可视化界面程序中的jiemi()函数中的for循环改为while条件循环：运算速度是提高了，还是降低了？再将i=i+1改为i+=1，运算速度有无变化？你能得出什么结论？2.为计算1秒最多能试探多少个整数密码，某同学认为用原来的jiemi()函数要试探性多次输入p的值，结果不稳定不精确，于是他将jiemi()函数修改为jiemi2()：结果会怎么样？为什么？【想一想】1.如果密码包含数字和大小写英文字母，那么5位、7位、9位密码的最大循环次数分别是多少次？估算你的电脑分别需要多少时间试探？2.如果密码包含数字、大小写英文字母和键面特殊字符（不含空格共有32个键面特殊字符），那么5位、7位、9位密码的最大循环次数分别是多少次？估算你的电脑分别需要多少时间试探？三、小结（防字典破解）设置安全密码，不用生日、姓名及拼音缩写、手机号、简单数字组合、单词、身份证号、用户Id等等。
3.4加密与解密4.问题分析：（1）如何替换a～w或A～W间的字母: （2）如何替换x～z或X～Z间的字母: （3）字母以外的其他字符：掌握恺撒加密的原理，为后面理解代码、完善程序做好铺垫。
5．代码选填并调试、运行程序。
（学生演示完成的程序）学生理解代码后，实现恺撒加密。
课堂小结提醒：了解密码安全与加密、解密的技术能够帮助我们保护个人隐私。
同时，我们也要从自己做起，遵守相关法律和必要的道德规范，共同维护健康、良好的数据环境。
总结梳理本节课知识点。
要求学生遵守相关法律、法规、道德规范。
学情分析本节课是教育科学出版社高中信息技术必修１《数据与计算》中《3.4加密与解密》一节，本节包含以下几个方面的学习任务：1.树立保护数据安全意识。
2.体验密码破解，防范密码盗窃，掌握设置安全密码的技巧。
3.加密、解密的概念及原理。
4.用Ｐython实现简单的加密算法。
其中，体验密码破解，防范密码被盗，掌握设置安全密码技巧这部分内容学生有模糊的意识，但没有实际的体验和深入的了解，需要让每个学生充分参与，在体验、经验的基础上领悟、归纳、总结；避免直接灌输结论，更不要让学生机械背诵结论。
加密、解密的概念及原理这一部分内容难度不大，但学生没接触过，也非常容易混淆，需要让学生在理解的基础上掌握。
本节中的难点是用Python实现恺撒加密，要求学生有较强能力的Python编程基础知识，能够理解恺撒加密的算法和程序，尤其要理解加密过程中如何编程实现字母替换。
而学生对Python编程掌握水平层次不一，理解程序的算法和语句有困难，需要在教学中充分铺垫、诱导、启发、示范、练习，对学生学习中的难点、盲点重点训练，循序渐进，最终完成学习任务。
效果分析本节课是教育科学出版社高中信息技术必修１《数据与计算》中《3.4加密与解密》一节，本节包含以下几个方面的学习任务：1.树立保护数据安全意识。
2.体验密码破解，防范密码盗窃，掌握设置安全密码的技巧。
第三单元认识数据3.4 加密与解密（第2课时）教材分析任务二包含活动1“古老的‘隐身术’”和活动2“揭秘‘隐身术’”两个活动。
在任务二中，通过活动1讲述加密技术的历史，引入加密、解密的概念。
在活动2中引入了凯撒密码，解剖凯撒密码的加密原理，并以流程图、程序实现加密算法。
教学目标通过任务二的学习，学生能认识到加法密码的基本原理和算法，能够写出相应的加密、解密算法和程序，充分认识信息安全的重要性，采取一定的技术措施保障信息安全。
教学重难点教学重点：恺撒密码的加密与解密算法。
教学难点：恺撒密码的加密与解密算法。
课前准备教师准备：打开微机，投影机，课件。
学生准备：结合课本提前预习。
教学过程附录1：活动1 古老的“隐身术”附录2：凯撒密码流程图附录3：凯撒加密算法程序代码和界面截图程序运行效果如下：对应代码如下：def CaesarCipher(): #Button按钮激发函数c=mingwen.get("0.0", "end") #获取Text组件mingwen的明文内容b=""miwen.delete("0.0", "end") #清空Text组件miwen的内容for i in range(len(c)): #获取明文内容的每一个字母，并加密if 'a'<=c[i]<='w' or 'A'<=c[i]<='W': #判断a～w或A～W间的字母b=b+chr(ord(c[i])+3) #生成密文elif 'x'<=c[i]<='z' or 'X'<=c[i]<='Z': #判断x～z或X～Z间的字母b=b+chr(ord(c[i])-23) #生成密文else: #字母以外的明文内容不变b=b+c[i]miwen.insert("0.0",b) #在Text组件miwen中显示结果附录4：解密算法c=input("请输入密文:")b=""for i in range(0,len(c)): #获取密文内容的每一个字母，并破解if 'd'<=c[i]<='z' or 'D'<=c[i]<='Z': #判断d-z或D-Z间的字母b=b+chr(ord(c[i])-3) #破解密文elif 'a'<=c[i]<='c' or 'A'<=c[i]<='C': #判断a-c或A-C间的字母b=b+chr(ord(c[i])+23) #破解密文else:b=b+c[i] #字母以外的密文不变print("你的明文为:"+b)附录5：凯撒密码改进def NewCaesar(m,n,t):z='';i=0while i<len(t):tmp=t[i].upper()if tmp in m:if ord(t[i])<=90:z+=n[m.find(tmp)]else:z+=n[m.find(tmp)].lower()else:z+=t[i]i+=1return zm='ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ'n='QWERTYUIOPASDFGHJKLZXCVBNM'a=input('请输入明文a=')b=NewCaesar(m,n,a)print('对应的密文为:',b)c=NewCaesar(n,m,b)print('解密后明文为:',c)if a==c:print('加密解密成功！') else:print('加密解密失败！')input("运行完毕，请按回车键退出...")。
3.4 加密与解密
本节内容按2课时设计。
第一课时
教学重难点
【教学重点】会分析生活中由密码引起的数据安全问题，理解对数据进行保护的意义。
【教学难点】用穷举法破解密码。
【教学过程】
一、引入
1.学生预习，阅读第77页“任务一解开网站账号被盗之谜”之“活动1 防范‘盗窃’行为”，填写第78页的表3.4.1。
2.教师检查，并评讲填写情况，引出数据安全、密码的话题。
表3.4.1 密码盗窃与防盗分析表
二、密码
密码是指用来核对用户ID以验证用户就是本人的一组字符。
活动2设置安全密码
打开教科书配套资源中的“数据安全性测试.py”，运行并测试穷举搜索一个5位、7位和9位的数字密码，分别需要多长时间，填写表3.4.2。
（详见配套资源“数据安全性测试(有界面).fld”和“数据安全性测试(有界面).py”）
表3.4.2 穷举搜索密码需要的时间
实现穷举搜索的自定义函数jiemi()的程序代码如下：
def jiemi():
d1=datetime.datetime.now() #获取当前系统时间d1
p=int(varin.get()) #获取输入文本框的数字密码
for i in range(0,p+1): #从0循环到正确密码数值
if i==p: #如果密码相同
d2=datetime.datetime.now() #获取当前系统时间d2
d=d2-d1 #取得时间差
#在输出文本框中显示解密用时
varout.set(str(d.seconds)+"秒"+str(d.microseconds/1000)+"毫秒")
程序运行效果如下：
【比一比】当然，我们也可以编写无可视化界面的程序，程序更简单。
（详见配套资源“数据安全性测试(无界面).py”）
程序运行效果如下：
请比较有可视化界面与无可视化界面两个程序运算的快慢，将最快的结果填入表3.4.2。
【算一算】
你的电脑1秒最多能试探大约多少个整数密码？
【做一做】
1.有可视化界面程序中的jiemi()函数中的for循环改为while条件循环：
运算速度是提高了，还是降低了？
再将i=i+1改为i+=1，运算速度有无变化？
你能得出什么结论？
2.为计算1秒最多能试探多少个整数密码，某同学认为用原来的jiemi()函数要试探性多次输入p的值，结果不稳定不精确，于是他将jiemi()函数修改为jiemi2()：
结果会怎么样？为什么？
【想一想】
1.如果密码包含数字和大小写英文字母，那么5位、7位、9位密码的最大循环次数分别是多少次？估算你的电脑分别需要多少时间试探？
2.如果密码包含数字、大小写英文字母和键面特殊字符（不含空格共有32个键面特殊字符），那么5位、7位、9位密码的最大循环次数分别是多少次？估算你的电脑分别需要多少时间试探？
三、小结
（防字典破解）设置安全密码，不用生日、姓名及拼音缩写、手机号、简单数字组合、单词、身份证号、用户Id等等。
（防暴力破解）设置安全密码，要同时包含大小写字母、数字、特殊符号，不少于8个字符
为提高运算速度，尽可能采用计数循环for语句代替条件循环while语句，复合赋值语句
（如i+=1）代替简单赋值语句(i=i+1)
四、练习
试编写程序，破解超级密码——可能包含数字、大小写英文字母和键面特殊字符（不含空格共有32个键面特殊字符）在内的4位字符组成的密码，每个字符的ASCII 码值在33至126之间。
种算法的快慢。
第二课时
教学重难点
【教学重点】恺撒密码的加密与解密算法。
【教学难点】恺撒密码的加密与解密算法。
【教学过程】
一、引入
1.学生预习，阅读第
79页“任务二 让数据 ‘隐身’”之“活动1 古老的‘隐身术’”，填写表3.4.3，引入“加密”话题。
2.教师检查，并评讲填写情况，引出数据安全、数据加密话题。
表3.4.3 数据加密技术的发展
二、加法密码
加密就是将原始信息（数据）隐匿起来，使之在缺少特殊信息（数据）时不可读。
原始信息（数据）称为明文，加密后的信息（数据）称为密文。
将密文还原成明文的过程称为解密（或解码）。
恺撒密码只是简单地将明文中的每一个字母用字母表中该字母后的第3个字母替换。
例如，将明文中的a用d替换，b用e替换，……，z用c替换。
像恺撒密码这样，明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文，这种密码称为加法密码，又称为移位密码。
（详见配套资源“恺撒密码加密算法流程图.doc”、“恺撒密码(加密有界面).py”）
对应代码如下：
def CaesarCipher(): #Button按钮激发函数
c=mingwen.get("0.0", "end") #获取Text组件mingwen的明文内容
b=""
miwen.delete("0.0", "end") #清空Text组件miwen的内容
for i in range(len(c)): #获取明文内容的每一个字母，并加密 if 'a'<=c[i]<='w' or 'A'<=c[i]<='W': #判断a～w或A～W间的字母b=b+chr(ord(c[i])+3) #生成密文
elif 'x'<=c[i]<='z' or 'X'<=c[i]<='Z': #判断x～z或X～Z间的字母 b=b+chr(ord(c[i])-23) #生成密文
else: #字母以外的明文内容不变 b=b+c[i]
miwen.insert("0.0",b) #在Text组件miwen中显示结果
程序运行效果如下：
【试一试】请写出恺撒密码的解密算法。
（详见配套资源“恺撒密码(解密无界面).py”）
c=input("请输入密文:")
b=""
for i in range(0,len(c)): #获取密文内容的每一个字母，并破解 if 'd'<=c[i]<='z' or 'D'<=c[i]<='Z': #判断d-z或D-Z间的字母
b=b+chr(ord(c[i])-3) #破解密文
elif 'a'<=c[i]<='c' or 'A'<=c[i]<='C': #判断a-c或A-C间的字母
b=b+chr(ord(c[i])+23) #破解密文
else:
b=b+c[i] #字母以外的密文不变
print("你的明文为:"+b)
【想一想】恺撒密码的安全性能如何？
可以说，保密性能极差。
将明文字符前移或后移一个固定的长度d（称为密钥），即使改变d的值，也最多只需25次尝试d的值，就能破解。
三、小结
加密和解密也是属于字符编码范畴。
密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。
研究密码变化的客观规律，应用于编制密码以保守通信秘密的，称为编码学；应用于破译密码以获
取通信情报的，称为破译学。
二者总称密码学。
四、练习
编程：考虑到恺撒密码的安全性极差，应对算法进行改进。
一种可行的改进方式是，建立一个明文字符与密文字符之间的一一映射表，即“密表”，如：
明文：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
密文：QWERTYUIOPASDFGHJKLZXCVBNM
加密时，A→Q,B→W，…,解密时Q→A,W→B，…，小写字母对应法则也相同，即a→q,b →w,…。
原先恺撒密码只有一个“密钥”，现在好比有25个“密钥”，这样保密性能大大提升，破解难度大大增加。
另外，这个“密表”也是可以按需要改变的。
你能写出这种改进的恺撒密码的加密与解密算法吗？试一试。
（详见配套资源“恺撒密码改进.py”）。
