指向问题解决的小学信息科技教学实践——以“加密解密”为例

◎ 凌旭东

一、问题提出

问题是学习的起点，问题是引领思考的灯塔，问题是激发创造性想法的催化剂，在《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》（以下简称《2022 版课标》）中，前后150余次反复强调了问题和问题解决：在课程理念部分，明确提出“培育以学习为中心的教与学关系，在问题解决过程中提升信息素养”的要求；在核心素养部分，提出“计算思维是指个体运用计算机科学领域的思想方法，在形成问题解决方案的过程中产生的一系列思维活动”，强调经历问题解决过程，是培养计算思维的重要途径；在“教学提示”“实施建议”部分，对问题解决作了进一步阐述，足见问题解决贯穿了从理念到实施以及评价的全过程。

问题是思维的引擎，问题可以引发学生的认知冲突，也可以联结已有认知基础和新知识，问题解决可以为学生的探究与创新提供更好的契机，是能力提升的关键，也是素养发展的重要抓手，更是培养学生逐步形成正确价值观、必备品格和关键能力的关键手段。用信息技术赋能问题解决，可以优化教与学的过程，为学生提供更好的探索与实践的环境。以问题解决为抓手，可为小学信息科技教学设计与实践找到一条基本可操作的路径。

二、教学实践

（一）教材分析

“数据安全”单元是三年级第一学期的第二单元。本单元整合了三年级信息科技教材（华东师大版）中“小小邮箱多奇妙”“当计算机小卫士”，《上海市信息科技教学基本要求（试验本）》中关于保护个人隐私的学习内容以及《2022 版课标》中“数据与数据安全”的部分内容，共四个课时，从简单的个人隐私保护入手，再到数据的杀毒和备份，联系到设计安全又好记的密码，最后再到相对较难、学生接触较少的数据加密，从易到难，层层递进。学生在动手体验的过程中，慢慢走近数据安全的世界，认识到在应用信息技术时，保护个人隐私、保护数据安全的重要性，树立安全先行的意识，为后续开展项目活动奠定基础。

（二）单元问题分析

在本单元的问题设计（见图1）上，笔者以如何保护数据安全为核心问题，然后把核心问题分解为每个课时的关键问题，再形成与之对应的子问题，引导学生层层深入地分析问题，亲身经历问题的解决过程，形成解决方案。

图1 核心问题分解为每个课时的关键问题

（三）学情分析

学生通过“数据安全”单元前几节课的学习，已经掌握了个人隐私保护、数据的杀毒与备份和设计安全密码的方法，对数据安全这一概念，已经有了初步的认识；并已适应小组合作学习加移动终端授课的模式，学生参与小组活动的热情较高，也更乐于表达、分享自己的见解，且对iPad、Seewo 等终端的操作也趋向熟练，已具备学习“加密解密”一课的基本条件。

在思维层面，三年级学生的思维以发散性为主要特征，知识的获取偏向于直观认知，与感性经验有直接联系，科学的逻辑思维能力处于初步构建阶段，学习兴奋点保持时间仍相对较短。因此本课在教学活动的设计上需要密切联系实际，注重学生的动手实践与体验。

（四）目标解析

教师基于对《2022 版课标》的理解以及对单元教学内容的分析，设计了“加密解密”一课。本课通过学习使用简单的加密算法对数据进行加密解密，来理解数据加密是如何对数据本身的安全进行保护的；通过发现经典加密算法的不足并且尝试自主设计一种加密算法，认识到自主可控技术对数据安全的影响，回应《2022版课标》中的要求。

本课知识点概念较多，内容较抽象，因此需要将学习内容进行加工处理，创设贴合学生认知的场景并加入更多的体验活动，引领学生从直观认知走向科学概念，从而将知识内化，并能够迁移应用。

（五）教学过程

在情境创设上，笔者以时下热门的航空航天为情节的串联，我校吉祥物童童和心心作为学生伴随式的学习伙伴，承接上节课“设置密码”中成功设置了童心号飞船的发射密码后，我们的飞船完成发射并和空间站对接成功，空间站有一批最新的实验数据，想要传输到地面，从而引出本节课要研究和解决的关键问题：数据在传输的过程中，我们可以通过什么方法来保证它的安全？

为了实现问题的解决，本节课设计了四个小活动，可以分别各用一个字来概括——猜、学、用、创。

1.整体感知，初探加密

第一个活动——猜，童童和心心准备带我们去哪个空间站呢？这里学习的是一个简单的倒序加密算法，只要把字母倒过来进行排列即可。通过此活动，可以明确概念，什么是明文，什么是密文，什么是加密算法，并初步认识加密的作用。数据在传输的过程中，我们用“倒序加密来保证它的安全好不好？”这一问题引发学生思考，学生很快意识到“不够安全”，因为倒序加密太简单了，很容易被猜到。通过进一步追问“那还有其他的加密算法吗？”引出凯撒加密。

2.自主学习，探究加密

第二个活动——学，学习凯撒加密，不是简单地跟着教师学，而是小组借助我校自主开发的数字化学习工具进行探究学习，学生使用该工具加密后得到密文，通过对比明文和密文，或者自由输入字母加密后得到密文来对比观察，尝试发现凯撒加密规律。凯撒加密是把明文的字母在字母表中进行偏移后替换得到密文。在此活动中，学生利用数字化学习工具去体验加密的过程，发现规律，理解加密的基本思想，进一步认识加密的作用。

3.活学活用，尝试解密

第三个活动——用，对前面所学两种加密算法的活学活用。学习了数据的加密，那怎么解密呢？活动单中随机准备了之前所学两种算法加密后的任意一种密文，学生小组讨论，选择一个合适的算法，利用数字化学习工具来解密。通过这个活动，可以认识到解密是加密的逆过程。

4.综合运用，设计加密

第四个活动——创，学生通过前三个活动的体验和学习，已经对数据加密和解密有了一定的认识，此时再追问“用所学的两种算法来加密实验数据真的安全吗？”引发学生进一步思考，这些加密算法不仅简单，而且都是大家知道的加密算法，在找到算法规律之后，数据是很容易被破解的。教师询问“那你有什么好办法呢？”。学生们纷纷表示可以自主设计一种加密算法。这是一个非常开放的任务，学生小组讨论，自主创作后的加密算法，有在原加密算法基础上的改编，也有使用两种加密算法的混合，更有小组设计的是全新的加密算法。

5.层层递进，理解加密

最后再一次回到本节课最初的问题“数据在传输的过程中，我们可以通过什么方法来保证它的安全？”。学生通过前四个活动层层递进的体验，以及对关键问题的反复追问，已经能准确认识到，需要设计自主可控的加密算法来保证数据传输时的安全，同时知道了在平时网络通信的背后，也都蕴藏着类似的原理，人们为了确保数据安全，一次又一次地改进着加密算法，现在实际使用的算法比我们刚才体验的要复杂得多，破解需要付出极高的代价。

三、思考与建议

（一）巧设情境，以学生为主体

在课程设计伊始，选择学生感兴趣并且有意义的主题与情境，可以起到事半功倍的效果。去年正值我国载人航天工程实施三十年之际，问天、梦天实验舱相继发射成功，两节天宫课堂也顺利开课。基于此背景，我校开展了以航天内容为主的科技节学科活动。“数据安全”单元就是以时下热门的航空航天热潮作为整个单元的教学情境，设计了“小小航天员”的系列活动。

为了让学生更好地融入情境，在学习和活动的过程中能够发现问题、提出疑问，笔者使用了我校吉祥物童童和心心作为学生伴随式的学习伙伴，以学生观察、分析、解决问题的视角，抛出问题、提供学习支架，引导学生积极思考和讨论。学生在童童和心心的带领下，一起在航天中心学习探究，最后来到空间站，探索数据的加密和解密。

以航空航天为主题，一方面是让学生能初步认识到自主可控技术对国家发展的重要性。另一方面也是在学生心中播种航天的梦想，激发探索浩瀚宇宙的志趣。

（二）善用数字化工具自主学习，发现规律

本节课使用的数字信息化工具为学生问题解决搭设了支架。区别于教师传统的讲授和提供活动小贴士分步骤学习这样线性的思维模式，使用工具自主体验，学生的思维可以更发散和自由。工具的体验让学生能在学习过程中验证自己的设想，主动发现问题、总结问题，并最终去解决问题。

最初凯撒加密设置的偏移量是3，笔者在试教中发现，对三年级学生来说难度过高，学生需要花费大量时间去探究，活动时间过长。为了契合学生的认知能力，又不改变自主探究发现规律的设计初衷，笔者将偏移量调整为1，课堂效率得到提高，学生的成就感也大大提升。

在活动四中，学生同样可以使用工具来验证自己的一些想法，并在此基础上做进一步的改进和创新，工具的使用贯穿了全部活动，既高效又便捷，此工具也不强制学生必须使用，而是当他们解决问题遇到困难时，可以及时给他们提供帮助。

（三）分解课时关键问题，设计问题解决的学习活动

本节课要研究和解决的关键问题：数据在传输的过程中，我们可以通过什么方法来保证它的安全？为了解决这个问题，笔者设计了三个子问题（见图2），分别是：数据为什么要加密？数据怎么加密和解密？以及什么样的加密算法才能实现真正的安全？通过问题链的逐层递进，引导学生积极思考和探索，带着问题去学习，让他们对本课的关键问题能逐步深入地分析，并最终形成自己的解决方案。

图2 课时关键问题分解为学习活动子问题

在情境导入的第一个问题：数据传输的过程中，你会选择以下哪一种传输方式？这个问题在设计之初，选项中是对实验数据进行处理后传回地面，“处理”一词的意思较为宽泛，问题不够准确容易引起学生的错误理解，课堂节奏就被打乱了。试教之后，笔者及时调整问题选项的设计，改成对实验数据进行保护后传回地面，让问题更加聚焦，引导学生往数据安全的方向去思考。

学生通过猜、学、用、创四个活动，猜测倒序加密、体验凯撒加密、选用合适的解密算法，最后到设计自主可控的加密算法，每个活动之后都会针对关键问题进行提问：用倒序加密加密实验数据安全吗？用凯撒加密加密实验数据安全吗？不安全怎么办？在课堂教学的不同节点上，每一次提问都会引发学生新的认知冲突，进而带来新的思考与启迪，让学生切身体会到，为了保证数据的安全，数据传输的时候可以使用加密处理，而加密处理的加密算法，也需要是自主可控的；让学生真正认识加密的作用，提高数据安全意识，提升信息科技核心素养。

（四）注重以科学原理指导实践应用

以科学原理指导实践应用有助于将理论知识与实际操作相结合，促进学生的深度学习和核心素养的培养。本节课学生通过数字化学习工具的体验，小组协作学习等方式，强化信息科技学习的认知基础，注重基本概念和基本原理的学习。笔者用问题启迪思维，注重建立具体内容和核心素养的关联，围绕核心素养确定教学目标；通过问题链的逐层递进，搭设数字化学习工具和四个活动设计，引导学生经历“初探加密解密—学习加密解密概念—设计加密算法”过程，完整地呈现了教师对“场景分析—原理认知—应用迁移”教学过程的探索。让学生经历做中学、用中学、创中学，用问题引导学生积极思考，用任务指引学生，通过具身体验实现知识建构、思维发展和提升能力。

（五）树立创新意识和自主可控意识

党的二十大报告指出，科技是第一生产力，人才是第一资源，创新是第一动力。《2022 版课标》中也明确指出，信息科技课程旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培养社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。由此可见，树立学生的创新意识和自主可控意识是至关重要的，这不仅有助于学生的个人成长和个性发展，也有助于国家和社会的和谐发展。在小学阶段，由于学生的数字素养与技能还较为薄弱，要教会学生掌握某一项自主可控技术是非常困难的，只有先培养自主可控意识，才能为之后高年级去运用和掌握自主可控技术打下扎实的基础。

本课中，通过活动的不断深入，学生意识到只有自己设计掌握核心的算法，才能不受制于人，为我们国家所用，确保数据的安全。此环节中，学生的创新意识和自主可控意识是共同促进发展的。为什么要创新，因为需要自主可控技术；怎么实现自主可控技术，需要创新来实现。具备自主可控意识的学生更容易发展出创新意识，因为他们有能力主动获取所需信息，利用信息科技工具进行创新实践。

通过培养创新意识和自主可控意识，使学生具备在信息时代独立获取、利用信息的能力，同时也激发了他们对创新的积极态度和实践能力。这两者共同推动学生在信息科技领域的全面发展。

（六）关注课堂有效性评价

要在控制课时时间和让学生更多交流互动上做一个平衡，也许让学生多交流、多追问，可以使他们在设计加密算法环节有更多的创新，并且认识到自主可控技术对国家安全的重要意义。学生提出的自主设计加密算法方案，有在原加密算法基础上的改编，也有使用两种加密算法的混合。在试教中，笔者对这两个方案点评表扬后，学生课堂呈现最后的自主设计，都局限于改编或者是混合，并没有想象中的创新，这就让课堂的思维深度略显平淡。同时，如果学生在交流过程中，天马行空地提出设计方案的时候，比如添加伪装色，加入伪装符号等，笔者也加以表扬和肯定，那就会导致一部分学生挖空心思去创新，去尝试超出自己能力范畴的设计，最后无法完成既定活动任务。学生的想法是非常单纯的，教师的肯定就是最好的风向标，他们会努力朝着教师肯定的方向去做。

这让笔者深刻体会到课堂有效性评价对学生的学习和创新起着举足轻重的作用。通过有效评价，让学生可以根据自身实际能力，完成课堂活动。关注课堂有效性评价是保证教学质量、提升学生学习效果、促进教师和学生全面发展的关键环节。科学、合理的评价方式，可以让教育教学更加有针对性和有效性。这也是笔者在今后课堂教学中需要进一步思考和改进的。

凌旭东 上海市静安区闸北第一中心小学 200041