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《可以復用的代碼》這一節課的案例背景、案例過程及案例反思;介紹了利用自定義函數進行凱撒密碼加密的思路與過程。

【關鍵詞】案例;自定義函數;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

自定義函數雖然在粵教版教材中并未單獨拿出一節課來需要講授，但在學考和很多比賽中，都出現了自定義函數的身影，因此有必要拿出一節課講授自定義函數，同時回顧之前所學內容。由于凱撒密碼對每一次傳輸的信息都要進行加密，即加密功能這一部分代碼是需要重復使用的，故可以通過探究學習自定義函數對凱撒密碼加密。

案例描述

1.情景模擬，課堂導入

為充分調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，也有性格內斂、需要多些表現機會的學生，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”，讓學生自導自演，進行情景模擬再現。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，紙條即便被老師發現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，移位發生的偏移量稱為加密算法的密鑰。有了密鑰，發送方就可以將明文加密成密文發給接收方，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密鑰按照字母表順序進行一定的偏移，得到對應的密文字符。

3.任務驅動，激發興趣

任務一：系統內置函數實現凱撒密碼加密

“假設密鑰為2，將明文‘a加密轉換成密文的過程是怎樣的呢？讓我們一起畫出它的示意圖。”在Python里面，字符是不能直接與整數進行相加運算的，但計算機中的英文字符編碼統一采用的是ASCII編碼，所以順勢回顧了Python中可以用來查詢字符對應ASCII的內置函數ord（）及可以用來查詢ASCII對應字符的內置函數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深刻。

圖1? 凱撒密碼加密原理示意圖

“假設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。”這樣，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給學生，經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表發現，在ASCII表中，字符y往后移動2位后，對應的字符就是左花括號。“如果加密時超過了字符‘z，就需要從‘a重新開始，即‘y偏移2位得到的字符應該是a，我們把這種偏移方式叫做循環偏移。那如何實現循環偏移呢？”找三個同學A、B、C上講臺圍成一個圈做一個依次報1-20之間數字的游戲，之后隨機說出1-20之間的一個數字，比如17，詢問在座的同學們剛才報過17這個數字的是哪個同學，同學們異口同聲回答B同學。隨機找個學生詢問為什么是B同學？學生給出了用17除以總人數求余數的方法。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，使用求余數的方法實現循環偏移。

任務二：自定義函數實現單個字符的加密

“假設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。”學生可嘗試寫出（xid+offset）%26獲得對小寫字母的循環偏移值即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？即完成某個會重復使用的特定功能或操作的程序就被稱為函數，而這個函數如果是同學們自己定義的就被稱為自定義函數。老師用課件顯示自定義函數的格式，對其要點進行講解，之后讓同學們將收到的循環偏移程序改寫成帶自定義函數的程序。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的錯誤，同時再次概括使用自定義函數需要注意的問題：一是應用def來聲明自定義函數，函數先聲明之后才能被調用;二是應使用縮進來表示函數體內容，函數若有返回值時，使用return語句返回函數的計算結果;三是理解圓括號中可以定義參數，明確函數名及冒號的位置，起函數名稱時最好見名知意。

任務三：自定義函數實現對一段文本的加密

“發送方與接收方之間現在擬定如下規則：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對一段文本的加密？”引導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（循環結構for）。

（2）如果該字符是小寫字母（選擇結構if），就對其進行加密（自定義的加密函數），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

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，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行的？

（3）自定義函數有哪些優點？

通過對這三個問題的思考，學生基本可以自己總結出自定義函數的優點。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，同時給出比較專業的術語“降低代碼的冗余度和代碼重用”，此時學生更容易理解術語。

4.總結鞏固，課堂升華

總結本課所學內容，并用課件呈現，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——可以復用的代碼：

（1）函數的分類：（系統內置函數、自定義函數）

（2）函數的定義：def 函數名（參數）：

函數體

return 返回值

（3）函數的調用：函數名（參數）

（4）函數的優點：降低代碼的冗余度和代碼重用。

案例反思

（1）要引導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，強調理論與實踐相結合，這樣可以大大激發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。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“在學中做、在做中創、在創中樂”。

（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，這是綜合實戰比較成功的一節課，學生不僅對之前學過的內容做了很好的鞏固，同時也真正實現了寓教于樂，也反映了學生具備較好的綜合素養。但因一節課的時間有限，本堂課只能讓學生在半成品作品基礎上進行補充完善，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