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密码的“秘密语言”——凯撒密码与文本加密工具开发 ​

课题 ​

从“字母移位”到“代码加密”：实现自己的密码工具

教学时间 ​

2课时（90分钟）

课前准备 ​

  • 教师端：电脑（Python 3.10+）、投影仪、多媒体课件（含凯撒密码历史动画：凯撒用字母移位传递军事指令）、字母表海报（A-Z编号0-25）、加密解密流程图。
  • 学生端：电脑（Python环境）、练习纸（字母移位对照表）、密码本（记录自己设计的加密规则）、小组任务卡（“秘密情报传递”场景）。
  • 教学素材：代码模板（caesar_cipher.py）、加密挑战题库（不同难度的明文与密文）、AI调试助手（可提示“移位计算错误”等问题）。

一、导入活动：“秘密情报”游戏——感知加密逻辑（15分钟） ​

活动1：“字母移位”猜谜——理解加密原理 ​

  • 教师出示密文：“Khoor Zruog”，提示规则：“每个字母往后移3位（A→D，B→E……）”，引导学生解密（答案：“Hello World”）。
  • 分组尝试：给每组一段密文（如“Ldpdvw”），用字母表海报手动解密，记录“移位→对应字母”的步骤。

活动2：凯撒密码历史故事——建立任务意义 ​

  • 播放动画：古罗马凯撒用字母移位加密军事指令，防止敌人截获情报。
  • 提问：“如果现在要给好朋友发一句不想被别人看懂的话，怎么用类似方法加密？”引出“编程实现自动加密”的任务。

二、知识点讲解：加密工具的“核心逻辑”（30分钟） ​

模块1：凯撒密码原理——字母的“数学移位”（10分钟） ​

  • 核心规则：将字母按顺序编号（A=0，B=1……Z=25），加密时每个字母编号+移位值（如移位3：A→3→D），超过25则循环（如Z=25+3=28→28-26=2→C）。
  • 数学公式：
    • 加密：(字母编号 + 移位值) % 26
    • 解密：(字母编号 - 移位值) % 26
    • 举例：E（4）移位3→4+3=7→H；C（2）移位5→2+5=7→H。

模块2：Python实现加密——字符与ASCII码（15分钟） ​

  • 关键函数：
    • ord(字符)：获取字符的ASCII码（如ord('A')=65，ord('a')=97）；
    • chr(数字)：将ASCII码转回字符（如chr(68)='D'）。
  • 加密函数代码演示：
    python
    def encrypt(text, shift):
    result = ""
    for char in text:  # 遍历每个字符
        if char.isupper():  # 大写字母
            # 计算新ASCII码：(原码-65 + shift) %26 +65（65是'A'的ASCII码）
            new_code = (ord(char) - 65 + shift) % 26 + 65
            result += chr(new_code)
        elif char.islower():  # 小写字母
            new_code = (ord(char) - 97 + shift) % 26 + 97  # 97是'a'的ASCII码
            result += chr(new_code)
        else:  # 非字母（空格、标点）不变
            result += char
    return result

# 测试：加密“Hello”，移位3
plaintext = "Hello"
ciphertext = encrypt(plaintext, 3)
print("密文：", ciphertext)  # 输出：Khoor

模块3：解密函数——反向移位（5分钟） ​

  • 解密是加密的逆过程，只需将shift改为-shift：
    python
    def decrypt(text, shift):
    return encrypt(text, -shift)  # 复用加密函数，移位值取负

# 测试：解密“Khoor”，移位3
print("明文：", decrypt(ciphertext, 3))  # 输出：Hello

三、实践项目：“秘密信件”加密工具开发（25分钟） ​

基础任务（全员完成）：简易加密器 ​

  • 要求：完善代码模板，实现“输入明文和移位值→输出密文”功能，支持大小写字母和标点。
  • 代码框架（需补全encrypt函数）：
    python
    def encrypt(text, shift):
    # 学生补全加密逻辑（参考讲解示例）
    result = ""
    # （此处填写循环和条件判断代码）
    return result

# 交互部分
message = input("请输入要加密的内容：")
shift = int(input("请输入移位值（1-25）："))
encrypted = encrypt(message, shift)
print(f"加密后的密文：{encrypted}")

进阶任务（选做）：加密解密一体化工具 ​

  • 增加菜单选择（1=加密，2=解密），输入密文和移位值可还原明文：
    python
    choice = input("请选择功能（1=加密，2=解密）：")
if choice == "1":
    # 调用encrypt函数
else:
    # 调用decrypt函数

创意任务（挑战）：“多规则加密” ​

  • 设计混合规则（如“字母移位+替换特定字符”，如A→D且空格→#），让工具更难破解，撰写规则说明文档。

教师支持： ​

  • 提供“ASCII码速查表”（A-Z：65-90，a-z：97-122）；
  • AI调试助手可分析学生代码报错（如“忘记处理小写字母”），生成修改建议（如“添加elif char.islower()分支”）。

四、项目展示与“情报战”游戏（15分钟） ​

  1. 工具测试：每组用自己的加密工具加密一句“情报”（如“下午3点操场集合”），移位值保密，将密文传给另一组，对方用解密工具还原，计时比拼。
  2. 问题复盘：讨论“解密失败的原因”（如移位值错误、代码未处理标点），共同优化工具（如增加“提示：包含数字和标点”）。

五、总结与拓展（5分钟） ​

课堂总结： ​

  • 凯撒密码核心：字母移位（用ord()和chr()实现ASCII码计算）；
  • 加密解密逻辑：(编号±移位值) %26，复用函数减少代码重复；
  • 编程价值：将手动加密的“繁琐步骤”转化为“一键操作”，提高效率。

课后拓展： ​

  1. 给朋友发一封加密邮件（用自己的工具），附上解密方法（移位值）；
  2. 思考：“如果移位值是13（ROT13加密），加密和解密有什么关系？”（提示：加密两次等于解密）。

教学理论支撑： ​

  1. 皮亚杰形式运算阶段理论：通过“字母编号→数学移位→代码实现”的三阶抽象，培养逻辑推理能力（从具体字母到抽象公式）。
  2. 维果茨基最近发展区：从“手动解密”（现有能力）到“代码加密”（潜在能力），通过函数模板和AI调试助手搭建支架，降低跨越难度。
  3. 自我决定理论：“秘密情报”场景满足自主需求（设计加密规则），小组解密挑战满足胜任需求（成功还原情报），增强学习动机。
  4. STEAM教育融合：结合技术（编程实现）、数学（模运算）、历史（凯撒密码）、语言（文本处理），体现跨学科问题解决的价值。

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