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字符串的“魔法变身”——文本加密与解密工具 ​

课题 ​

字符串的“拆分与替换”：用Python实现简易密码加密器

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、生活加密场景图：如手机密码、快递单信息遮挡）、实物道具（字母卡片A-Z、密码本模板）、“加密任务卡”（写有明文与密文对应示例）。
  • 学生端：电脑（Python环境）、笔记本、双色笔（标注代码逻辑）、加密练习纸（提前打印明文句子）。
  • 教学素材：代码模板（字符串操作基础框架）、奖励徽章（“加密小能手”“逻辑拆解王”）、AI代码小助手（可生成字符串处理示例代码）。

一、导入活动：从“秘密信件”到“代码加密”（15分钟） ​

活动1：“破译密码”游戏——感知加密逻辑 ​

  • 展示凯撒密码历史故事（动画片段）：“古罗马凯撒用‘字母后移3位’传递军事秘密，A→D，B→E……”
  • 发放字母卡片，分组挑战：已知密文“Khoor”，提示“后移3位”，让学生破译明文（答案：“Hello”）。
  • 提问：“如果后移2位，‘A’会变成什么？”引导发现“加密=有规律的字符转换”。

活动2：生活中的加密场景——建立意义联结 ​

  • 展示图片：手机解锁密码（数字加密）、快递单上的“*”（遮挡部分姓名）、聊天软件的“加密对话”。
  • 讨论：“为什么需要加密？”（保护隐私、信息安全），引出课题：“今天用Python让文字‘变身’，制作自己的加密工具”。

二、知识点讲解：字符串操作与加密算法（30分钟） ​

模块1：字符串——“字符的项链”（10分钟） ​

  • 核心概念：字符串是用引号包裹的字符序列（如"Hello"），像“穿在一起的珠子项链”，每个字符有固定位置（索引从0开始）。
  • 基础操作演示：
    python
    # 示例1：查看字符串长度（有多少颗“珠子”）
text = "Python"
print(len(text))  # 输出：6（共6个字符）

# 示例2：字符串索引（找到第n颗“珠子”）
print(text[0])  # 输出：P（第1个字符，索引0）
print(text[2])  # 输出：t（第3个字符，索引2）
  • 关键规则：字符串索引从0开始（与生活中“第1个”差1），可通过[索引]精准获取字符。

模块2：字符串的“拆分与替换”——“拆项链”与“换珠子”（10分钟） ​

  • 比喻：split()像“按规律拆项链”（按指定符号分割字符串），replace()像“替换珠子”（把某字符换成另一字符）。
  • 代码示例：
    python
    # 示例1：split()——按空格拆分句子为单词
sentence = "I love Python"
words = sentence.split(" ")  # 按空格拆分
print(words)  # 输出：['I', 'love', 'Python']

# 示例2：replace()——替换字符（如遮挡敏感信息）
phone = "13812345678"
hidden_phone = phone.replace(phone[3:7], "****")  # 替换中间4位为*
print(hidden_phone)  # 输出：138****5678

模块3：凯撒加密算法——“字符的位移魔法”（10分钟） ​

  • 核心逻辑：通过ord()（字符转ASCII码）和chr()（ASCII码转字符）实现字母位移，公式：
    • 加密：密文ASCII = (明文ASCII - 基准ASCII + 偏移量) % 26 + 基准ASCII
      （大写字母基准ASCII=65，小写字母=97，确保位移后仍为字母）
  • 代码框架（以大写字母为例）：
    python
    def encrypt(text, shift):
    result = ""
    for char in text:  # 遍历每个字符
        if char.isupper():  # 判断是否为大写字母
            # 计算加密后ASCII码：(原码-65 + 位移) %26 +65
            encrypted_code = (ord(char) - 65 + shift) % 26 + 65
            result += chr(encrypted_code)  # 转成字符拼接到结果
        else:
            result += char  # 非大写字母不加密（如空格、数字）
    return result

# 测试：偏移3位，加密"HELLO"
print(encrypt("HELLO", 3))  # 输出：KHOOR

三、练习题设计：分层任务+加密实战（25分钟） ​

基础任务（全员完成）：“固定偏移加密器” ​

  • 要求：完善上述encrypt()函数，支持小写字母加密（补充elif char.islower()逻辑），加密自己的姓名（如“Xiaoming”→偏移3位）。
  • 示例框架（学生补充小写字母部分）：
    python
    def encrypt(text, shift):
    result = ""
    for char in text:
        if char.isupper():
            encrypted_code = (ord(char) - 65 + shift) % 26 + 65
            result += chr(encrypted_code)
        # 学生补充：处理小写字母（基准ASCII=97）
        elif char.islower():
            ______  # 填写加密逻辑
        else:
            result += char
    return result

# 测试：加密自己的姓名
my_name = "______"  # 填写姓名
encrypted_name = encrypt(my_name, 3)
print(f"加密后的姓名：{encrypted_name}")

进阶任务（选做）：“解密功能”与“自定义偏移” ​

  • 要求：
    1. 编写decrypt()函数（解密=加密的逆操作，偏移量取负数）；
    2. 让用户输入自定义偏移量（如shift = int(input("请输入偏移量："))），实现灵活加密。

拓展任务（挑战）：“密码本”批量加密 ​

  • 用split()拆分多句明文（如"I like Python\nYou too"），批量加密后保存到变量，模拟“秘密信件”场景。

教师支持： ​

  • 打开AI代码小助手，学生可提问“小写字母加密公式是什么？”“怎么让输入的偏移量生效？”，AI生成带注释的参考代码（如小写字母加密逻辑：(ord(char) - 97 + shift) % 26 + 97）。

四、讲解与互评：从“加密”到“安全”（15分钟） ​

  1. 学生展示：选3组投屏代码，演示“加密-解密”全流程（如加密“今天天气好”→密文→解密回原文）。
    • 点评重点：是否处理大小写（逻辑完整性）、偏移量计算是否正确（%26防止超出字母范围）。
  2. 安全讨论：分组讨论“如果偏移量是1，加密后的密码容易被破解吗？”“怎么让加密更安全？”（引导想到“随机偏移量”“混合加密”）。
  3. 互评颁奖：投票选出“最严谨加密器”（无逻辑漏洞）和“最创意加密器”（如加入符号替换），颁发对应徽章。

五、总结与作业（5分钟） ​

课堂总结： ​

  • 字符串是“字符项链”，可用len()测长度、[索引]取字符；
  • split()拆分字符串，replace()替换字符，是文本处理的基础工具；
  • 凯撒加密=字符按偏移量位移，核心是ord()与chr()的转换（ASCII码运算）。

课后作业： ​

  1. 给朋友发一条“加密短信”（用自己的工具加密，附偏移量），下次课分享破译过程；
  2. 尝试在加密函数中加入“符号替换”（如把“a”换成“@”，增强安全性）。

教学理论支撑： ​

  1. 皮亚杰形式运算阶段理论：通过“字母位移”“ASCII码计算”等抽象逻辑任务，发展学生的命题思维与演绎推理能力（从具体加密案例到通用算法）。
  2. 维果茨基最近发展区：代码模板提供“半完成框架”（如预设encrypt()函数结构），AI助手解决具体语法问题，帮助学生在“现有能力（字符串基础）”与“潜在能力（加密算法）”间搭建脚手架。
  3. STEAM教育融合：结合技术（Python字符串操作）、数学（模运算%26）、社会科学（密码学历史与信息安全）、工程（工具功能迭代），让编程成为跨学科问题解决的载体。

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