指向問題解決的小學信息科技教學實踐
——以“加密解密”為例

◎ 凌旭東

一、問題提出

問題是學習的起點，問題是引領思考的燈塔，問題是激發創造性想法的催化劑，在《義務教育信息科技課程標準（2022 年版）》（以下簡稱《2022 版課標》）中，前后150余次反復強調了問題和問題解決：在課程理念部分，明確提出“培育以學習為中心的教與學關系，在問題解決過程中提升信息素養”的要求；在核心素養部分，提出“計算思維是指個體運用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動”，強調經歷問題解決過程，是培養計算思維的重要途徑；在“教學提示”“實施建議”部分，對問題解決作了進一步闡述，足見問題解決貫穿了從理念到實施以及評價的全過程。

問題是思維的引擎，問題可以引發學生的認知沖突，也可以聯結已有認知基礎和新知識，問題解決可以為學生的探究與創新提供更好的契機，是能力提升的關鍵，也是素養發展的重要抓手，更是培養學生逐步形成正確價值觀、必備品格和關鍵能力的關鍵手段。用信息技術賦能問題解決，可以優化教與學的過程，為學生提供更好的探索與實踐的環境。以問題解決為抓手，可為小學信息科技教學設計與實踐找到一條基本可操作的路徑。

二、教學實踐

（一）教材分析

“數據安全”單元是三年級第一學期的第二單元。本單元整合了三年級信息科技教材（華東師大版）中“小小郵箱多奇妙”“當計算機小衛士”，《上海市信息科技教學基本要求（試驗本）》中關于保護個人隱私的學習內容以及《2022 版課標》中“數據與數據安全”的部分內容，共四個課時，從簡單的個人隱私保護入手，再到數據的殺毒和備份，聯系到設計安全又好記的密碼，最后再到相對較難、學生接觸較少的數據加密，從易到難，層層遞進。學生在動手體驗的過程中，慢慢走近數據安全的世界，認識到在應用信息技術時，保護個人隱私、保護數據安全的重要性，樹立安全先行的意識，為后續開展項目活動奠定基礎。

（二）單元問題分析

在本單元的問題設計（見圖1）上，筆者以如何保護數據安全為核心問題，然后把核心問題分解為每個課時的關鍵問題，再形成與之對應的子問題，引導學生層層深入地分析問題，親身經歷問題的解決過程，形成解決方案。

圖1 核心問題分解為每個課時的關鍵問題

（三）學情分析

學生通過“數據安全”單元前幾節課的學習，已經掌握了個人隱私保護、數據的殺毒與備份和設計安全密碼的方法，對數據安全這一概念，已經有了初步的認識；并已適應小組合作學習加移動終端授課的模式，學生參與小組活動的熱情較高，也更樂于表達、分享自己的見解，且對iPad、Seewo 等終端的操作也趨向熟練，已具備學習“加密解密”一課的基本條件。

在思維層面，三年級學生的思維以發散性為主要特征，知識的獲取偏向于直觀認知，與感性經驗有直接聯系，科學的邏輯思維能力處于初步構建階段，學習興奮點保持時間仍相對較短。因此本課在教學活動的設計上需要密切聯系實際，注重學生的動手實踐與體驗。

（四）目標解析

教師基于對《2022 版課標》的理解以及對單元教學內容的分析，設計了“加密解密”一課。本課通過學習使用簡單的加密算法對數據進行加密解密，來理解數據加密是如何對數據本身的安全進行保護的；通過發現經典加密算法的不足并且嘗試自主設計一種加密算法，認識到自主可控技術對數據安全的影響，回應《2022版課標》中的要求。

本課知識點概念較多，內容較抽象，因此需要將學習內容進行加工處理，創設貼合學生認知的場景并加入更多的體驗活動，引領學生從直觀認知走向科學概念，從而將知識內化，并能夠遷移應用。

（五）教學過程

在情境創設上，筆者以時下熱門的航空航天為情節的串聯，我校吉祥物童童和心心作為學生伴隨式的學習伙伴，承接上節課“設置密碼”中成功設置了童心號飛船的發射密碼后，我們的飛船完成發射并和空間站對接成功，空間站有一批最新的實驗數據，想要傳輸到地面，從而引出本節課要研究和解決的關鍵問題：數據在傳輸的過程中，我們可以通過什么方法來保證它的安全？

為了實現問題的解決，本節課設計了四個小活動，可以分別各用一個字來概括——猜、學、用、創。

1.整體感知，初探加密

第一個活動——猜，童童和心心準備帶我們去哪個空間站呢？這里學習的是一個簡單的倒序加密算法，只要把字母倒過來進行排列即可。通過此活動，可以明確概念，什么是明文，什么是密文，什么是加密算法，并初步認識加密的作用。數據在傳輸的過程中，我們用“倒序加密來保證它的安全好不好？”這一問題引發學生思考，學生很快意識到“不夠安全”，因為倒序加密太簡單了，很容易被猜到。通過進一步追問“那還有其他的加密算法嗎？”引出凱撒加密。

2.自主學習，探究加密

第二個活動——學，學習凱撒加密，不是簡單地跟著教師學，而是小組借助我校自主開發的數字化學習工具進行探究學習，學生使用該工具加密后得到密文，通過對比明文和密文，或者自由輸入字母加密后得到密文來對比觀察，嘗試發現凱撒加密規律。凱撒加密是把明文的字母在字母表中進行偏移后替換得到密文。在此活動中，學生利用數字化學習工具去體驗加密的過程，發現規律，理解加密的基本思想，進一步認識加密的作用。

3.活學活用，嘗試解密

第三個活動——用，對前面所學兩種加密算法的活學活用。學習了數據的加密，那怎么解密呢？活動單中隨機準備了之前所學兩種算法加密后的任意一種密文，學生小組討論，選擇一個合適的算法，利用數字化學習工具來解密。通過這個活動，可以認識到解密是加密的逆過程。

4.綜合運用，設計加密

第四個活動——創，學生通過前三個活動的體驗和學習，已經對數據加密和解密有了一定的認識，此時再追問“用所學的兩種算法來加密實驗數據真的安全嗎？”引發學生進一步思考，這些加密算法不僅簡單，而且都是大家知道的加密算法，在找到算法規律之后，數據是很容易被破解的。教師詢問“那你有什么好辦法呢？”。學生們紛紛表示可以自主設計一種加密算法。這是一個非常開放的任務，學生小組討論，自主創作后的加密算法，有在原加密算法基礎上的改編，也有使用兩種加密算法的混合，更有小組設計的是全新的加密算法。

5.層層遞進，理解加密

最后再一次回到本節課最初的問題“數據在傳輸的過程中，我們可以通過什么方法來保證它的安全？”。學生通過前四個活動層層遞進的體驗，以及對關鍵問題的反復追問，已經能準確認識到，需要設計自主可控的加密算法來保證數據傳輸時的安全，同時知道了在平時網絡通信的背后，也都蘊藏著類似的原理，人們為了確保數據安全，一次又一次地改進著加密算法，現在實際使用的算法比我們剛才體驗的要復雜得多，破解需要付出極高的代價。

三、思考與建議

（一）巧設情境，以學生為主體

在課程設計伊始，選擇學生感興趣并且有意義的主題與情境，可以起到事半功倍的效果。去年正值我國載人航天工程實施三十年之際，問天、夢天實驗艙相繼發射成功，兩節天宮課堂也順利開課。基于此背景，我校開展了以航天內容為主的科技節學科活動。“數據安全”單元就是以時下熱門的航空航天熱潮作為整個單元的教學情境，設計了“小小航天員”的系列活動。

為了讓學生更好地融入情境，在學習和活動的過程中能夠發現問題、提出疑問，筆者使用了我校吉祥物童童和心心作為學生伴隨式的學習伙伴，以學生觀察、分析、解決問題的視角，拋出問題、提供學習支架，引導學生積極思考和討論。學生在童童和心心的帶領下，一起在航天中心學習探究，最后來到空間站，探索數據的加密和解密。

以航空航天為主題，一方面是讓學生能初步認識到自主可控技術對國家發展的重要性。另一方面也是在學生心中播種航天的夢想，激發探索浩瀚宇宙的志趣。

（二）善用數字化工具自主學習，發現規律

本節課使用的數字信息化工具為學生問題解決搭設了支架。區別于教師傳統的講授和提供活動小貼士分步驟學習這樣線性的思維模式，使用工具自主體驗，學生的思維可以更發散和自由。工具的體驗讓學生能在學習過程中驗證自己的設想，主動發現問題、總結問題，并最終去解決問題。

最初凱撒加密設置的偏移量是3，筆者在試教中發現，對三年級學生來說難度過高，學生需要花費大量時間去探究，活動時間過長。為了契合學生的認知能力，又不改變自主探究發現規律的設計初衷，筆者將偏移量調整為1，課堂效率得到提高，學生的成就感也大大提升。

在活動四中，學生同樣可以使用工具來驗證自己的一些想法，并在此基礎上做進一步的改進和創新，工具的使用貫穿了全部活動，既高效又便捷，此工具也不強制學生必須使用，而是當他們解決問題遇到困難時，可以及時給他們提供幫助。

（三）分解課時關鍵問題，設計問題解決的學習活動

本節課要研究和解決的關鍵問題：數據在傳輸的過程中，我們可以通過什么方法來保證它的安全？為了解決這個問題，筆者設計了三個子問題（見圖2），分別是：數據為什么要加密？數據怎么加密和解密？以及什么樣的加密算法才能實現真正的安全？通過問題鏈的逐層遞進，引導學生積極思考和探索，帶著問題去學習，讓他們對本課的關鍵問題能逐步深入地分析，并最終形成自己的解決方案。

圖2 課時關鍵問題分解為學習活動子問題

在情境導入的第一個問題：數據傳輸的過程中，你會選擇以下哪一種傳輸方式？這個問題在設計之初，選項中是對實驗數據進行處理后傳回地面，“處理”一詞的意思較為寬泛，問題不夠準確容易引起學生的錯誤理解，課堂節奏就被打亂了。試教之后，筆者及時調整問題選項的設計，改成對實驗數據進行保護后傳回地面，讓問題更加聚焦，引導學生往數據安全的方向去思考。

學生通過猜、學、用、創四個活動，猜測倒序加密、體驗凱撒加密、選用合適的解密算法，最后到設計自主可控的加密算法，每個活動之后都會針對關鍵問題進行提問：用倒序加密加密實驗數據安全嗎？用凱撒加密加密實驗數據安全嗎？不安全怎么辦？在課堂教學的不同節點上，每一次提問都會引發學生新的認知沖突，進而帶來新的思考與啟迪，讓學生切身體會到，為了保證數據的安全，數據傳輸的時候可以使用加密處理，而加密處理的加密算法，也需要是自主可控的；讓學生真正認識加密的作用，提高數據安全意識，提升信息科技核心素養。

（四）注重以科學原理指導實踐應用

以科學原理指導實踐應用有助于將理論知識與實際操作相結合，促進學生的深度學習和核心素養的培養。本節課學生通過數字化學習工具的體驗，小組協作學習等方式，強化信息科技學習的認知基礎，注重基本概念和基本原理的學習。筆者用問題啟迪思維，注重建立具體內容和核心素養的關聯，圍繞核心素養確定教學目標；通過問題鏈的逐層遞進，搭設數字化學習工具和四個活動設計，引導學生經歷“初探加密解密—學習加密解密概念—設計加密算法”過程，完整地呈現了教師對“場景分析—原理認知—應用遷移”教學過程的探索。讓學生經歷做中學、用中學、創中學，用問題引導學生積極思考，用任務指引學生，通過具身體驗實現知識建構、思維發展和提升能力。

（五）樹立創新意識和自主可控意識

黨的二十大報告指出，科技是第一生產力，人才是第一資源，創新是第一動力。《2022 版課標》中也明確指出，信息科技課程旨在培養科學精神和科技倫理，提升自主可控意識，培養社會主義核心價值觀，樹立總體國家安全觀，提升數字素養與技能。由此可見，樹立學生的創新意識和自主可控意識是至關重要的，這不僅有助于學生的個人成長和個性發展，也有助于國家和社會的和諧發展。在小學階段，由于學生的數字素養與技能還較為薄弱，要教會學生掌握某一項自主可控技術是非常困難的，只有先培養自主可控意識，才能為之后高年級去運用和掌握自主可控技術打下扎實的基礎。

本課中，通過活動的不斷深入，學生意識到只有自己設計掌握核心的算法，才能不受制于人，為我們國家所用，確保數據的安全。此環節中，學生的創新意識和自主可控意識是共同促進發展的。為什么要創新，因為需要自主可控技術；怎么實現自主可控技術，需要創新來實現。具備自主可控意識的學生更容易發展出創新意識，因為他們有能力主動獲取所需信息，利用信息科技工具進行創新實踐。

通過培養創新意識和自主可控意識，使學生具備在信息時代獨立獲取、利用信息的能力，同時也激發了他們對創新的積極態度和實踐能力。這兩者共同推動學生在信息科技領域的全面發展。

（六）關注課堂有效性評價

要在控制課時時間和讓學生更多交流互動上做一個平衡，也許讓學生多交流、多追問，可以使他們在設計加密算法環節有更多的創新，并且認識到自主可控技術對國家安全的重要意義。學生提出的自主設計加密算法方案，有在原加密算法基礎上的改編，也有使用兩種加密算法的混合。在試教中，筆者對這兩個方案點評表揚后，學生課堂呈現最后的自主設計，都局限于改編或者是混合，并沒有想象中的創新，這就讓課堂的思維深度略顯平淡。同時，如果學生在交流過程中，天馬行空地提出設計方案的時候，比如添加偽裝色，加入偽裝符號等，筆者也加以表揚和肯定，那就會導致一部分學生挖空心思去創新，去嘗試超出自己能力范疇的設計，最后無法完成既定活動任務。學生的想法是非常單純的，教師的肯定就是最好的風向標，他們會努力朝著教師肯定的方向去做。

這讓筆者深刻體會到課堂有效性評價對學生的學習和創新起著舉足輕重的作用。通過有效評價，讓學生可以根據自身實際能力，完成課堂活動。關注課堂有效性評價是保證教學質量、提升學生學習效果、促進教師和學生全面發展的關鍵環節。科學、合理的評價方式，可以讓教育教學更加有針對性和有效性。這也是筆者在今后課堂教學中需要進一步思考和改進的。

凌旭東 上海市靜安區閘北第一中心小學 200041