資源簡介

(共41張PPT)
第3單元 第3課
密碼攻防—認識圖靈機
（清華大學版）四年級
上
1
核心素養目標
3
新知講解
5
拓展延伸
7
板書設計
2
新知導入
4
課堂練習
6
課堂總結
課后作業
8
01
核心素養目標
信息意識
計算思維
數字化學習與創新
信息社會責任
了解密碼技術在現代社會中的廣泛應用及潛在風險，遵守信息安全法律法規，培養保護個人隱私和社會安全的責任感。
掌握圖靈機在密碼破譯中的應用，激發對數字化工具和技術的好奇心和探索欲，培養在密碼學領域的創新思維和實踐能力。
學習圖靈機的工作原理和計算模型，能夠運用邏輯思維和抽象能力，理解密碼攻防中的數學運算和邏輯推理過程。
了解恩尼格密碼與圖靈機的相關知識，能夠意識到密碼在信息保護中的關鍵作用，并具備對信息安全的基本認識。
02
新知導入
密碼學已成為與數學、通信、電子、計算機、物理等領域相互聯系、相互滲透的交叉學科。密碼學的發展經歷了從簡單到復雜，從不完善到較為完善，從具有單一功能到具有多種功能的發展過程。這節課我們就探索一下，密碼攻防是如何促進了計算機的發展的，思考通用計算何以能實現，領悟“算力”這一信息時代要素的重要作用，并通過討論“圖靈機可以解決什么問題”，體驗“圖靈機的魅力。
02
新知導入
越來越多的人知道了解密技術，那我們的信息是不是很容易就會被破解呀
別擔心，隨著信息技術的更新換代，密碼學也在加速發展，我們一起來了解一下吧!
思考
計算機為什么是機器？計算機作為“機器”，和其他類型的機器有何不同
02
新知導入
1.內部運作邏輯：計算機能通過硬件組件，利用二進制代碼進行數據處理和邏輯運算，能夠執行復雜的計算任務。
2.處理能力：計算機具有強大的數據處理能力，能夠迅速處理大量信息，并進行高速運算。
3.功能多樣性：計算機可以運行各種軟件程序，實現多種功能如文字處理、圖像處理、網絡通信等。
4.可編程性：用戶可以根據需要編寫程序，讓計算機執行特定的任務。
02
新知導入
03
新知講解
知識大講堂
自從無線電和莫爾斯電碼問世后，人類通信進入了一個嶄新的時代—無線電時代。但是無線電通信完全是一個開放的廣播系統，在己方接收電文的同時，對方也可“一覽無遺”。因此密碼學也就立即與無線電結合，出現了無線電加密解密技術。
03
新知講解
一、密碼攻防—機器對決
在長期的密碼攻防中，加密一方曾經通過提高加密算法的復雜度長期占據主動地位；但字母概率統計（見圖3.3.1）的奧秘被發現之后解密一方最終找到了破譯“一對一”替換加密的通用法則，傳統加密方法也隨之走到了歷史的盡頭。
圖3.3.1 英文字母概率統計圖
03
新知講解
傳統加密術所遇到的瓶頸，也事關無線通信的應用前景。無線通信若真正走向實際應用，急需一種安全可靠，而又簡便有效的加密、解密方法。
為此，亞瑟·謝爾比烏斯（Arthur Scherbius）設計發明了恩尼格瑪密碼機（德語：Enigma，又譯啞謎機，或“謎”式密碼機），實現了高效、復雜加密的無線通信。
03
新知講解
恩尼格瑪密碼機由鍵盤、編碼器、顯示板構成，如圖 3.3.2 所示。恩尼格瑪密碼機的編碼轉輪結構相當復雜和精密;鍵盤一共有26個鍵，排列方式和廣為使用的計算機鍵盤基本一樣;顯示板是在鍵盤上方標示了 26個字母的小燈泡，當鍵盤上的某個鍵被按下時，和這個字母被加密后的密文字母所對應的小燈泡就會亮起來。
恩尼格瑪密碼機原理
圖3.3.2 恩尼格瑪密碼機的構成
03
新知講解
無線電發報員在鍵盤上敲下一個明文字母，就會自動發送對應的密文并點亮相應的密碼字母，大大節省了人工編碼的時間。恩尼格瑪密碼機復雜的替換過程完全由機械自動完成，加密人員只需要設定好轉子的初始位置，連接好接線板，然后像打字員一樣正常輸入字母就可以，密文隨之自動生成。
恩尼格瑪密碼機難以破譯的關鍵在于，它不是運行簡單的“一對一”替代式密碼，而是同一個字母可以被不同的字母替換。因此，字母概率統計的破譯方法就對恩尼格瑪密碼機完全失效了。
03
新知講解
恩尼格瑪密碼機本質上仍然使用替代法加密，只不過不再采用簡單的“一對一”替代，而是經過了多套替換，對應的明文與密文之間存在著6x17576x100391791500=10586916764424000種可能，也就是一億億多種可能，如圖 3.3.3 所示。
恩尼格瑪密碼機的解密難度
圖3.3.3 恩尼格瑪密碼機所有的組合可能
03
新知講解
1939 年秋，艾倫·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing）臨危受命負責破譯恩尼格瑪密碼機。圖靈一接觸恩尼格瑪密碼機，就知道破譯這種密碼機依靠人的計算能力是無法完成的，解決之道只能是--用機器來對抗機器。為尋求破解之道，圖靈想到并借助自己 1936年為解決希爾伯特判定問題而設計的“圖靈機”-- 一種可以輔助數學研究的通用計算機器。
圖靈的“計算機器”
恩尼格瑪密碼機排除了靠人（計算員）計算破解的可能，因為任何一個人窮盡一生也數不出億億位數，更別說破解了。
03
新知講解
在通用計算思想的指導下，圖靈和同事們開始開發一種叫作Bombe 的機器（見圖 3.3.4），能夠在進入窮舉法前先排除一些自相矛盾的組合方式，然后將多臺這樣的機器環形相連，就能更快速地測試可能的密碼設置，從而找到正確的答案。
圖3.3.4 圖靈團隊發明的 Bombe 機器
03
新知講解
雖然 Bombe 并不是嚴格意義上的“圖靈機”，但當人們追述計算機科學與計算機技術發展史的時候，依然把圖靈和他的Bombe機器奉為現代計算機的先驅，并開創了計算機科學和密碼學的新時代，同時 Bombe 和恩尼格瑪密碼機也完成了算力攻防史上的第一次碰撞，完成了“不可能”的挑戰。
03
新知講解
思考
假如你接到跟圖靈類似的任務，你有什么樣的好主意
1.利用現代計算技術和算法：與圖靈當時的情況不同，我們現在擁有更強大的計算能力和更先進的算法。我會嘗試使用各種高效的密碼破解算法，結合強大的計算機集群，來快速分析和破解密碼。
2.人工智能和機器學習：利用人工智能和機器學習技術，可以訓練模型來識別密碼中的模式和規律。這種方法可以在大量數據中快速找到可能的密碼組合，提高破解效率。
03
新知講解
二、圖靈機—對計算的思考
1936年5月，24歲的圖靈向倫敦權威的數學雜志投了一篇論文，題為《可計算數及其在判定問題上的應用》（On ComputablNumbers, with an Application to the Entscheidungsproblem），在論文的附錄里,圖靈描述了一種可以輔助數學研究的通用計算機器模型后來被人稱為“圖靈機”，我們所熟知的計算機的發明以及人工智能的實現都基于這個構想。
03
新知講解
圖靈機（Turing machine）是一種抽象計算模型，通過一組有限的規則來模擬計算過程，被認為是現代計算機的理論基礎，如圖3.3.5所示。
圖靈機由四個部分組成。
（1）一個無限長的存儲帶，帶子由一個個連續的存儲格子組成。每個格子可以存儲一個數字或符號。
（2）一個讀寫頭，讀寫頭可以在存儲帶上左右移動，并可以讀修改存儲格上的數字或符號。
圖靈機構成
03
新知講解
（3）內部狀態存儲器，該存儲器可以記錄圖靈機的當前狀態，并且有一種特殊狀態為停機狀態。
（4）控制程序指令，指令可以根據當前狀態以及當前讀寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作（左移還是右移），并改變狀態存儲器的值，令機器進入一個新的狀態或保持狀態不變。
圖 3.3.5圖靈機模型
03
新知講解
圖靈機是根據程序指令及其內部狀態進行磁帶的讀寫和移動的。紙帶上分成若干個格子，每個格子上可以存放一個符號。讀寫頭可以在紙帶上移動，讀取或改寫格子上的符號。內部狀態存儲器根據當前狀態和讀寫頭讀取到的符號，決定下一步的操作（如改變狀態移動讀寫頭等）。
03
新知講解
圖靈證明了，假設上述圖靈機計算模型里所說的功能都能以某種物理形式實現，那么任意可計算問題都可以被解決。那么哪些是可計算問題，哪些又是不可計算問題呢
可計算問題舉例如下。
（1）計算1+2+3+…+100。
（2）根據自己的身高和體重，判斷是否肥胖。
圖靈機可以解決什么問題
03
新知講解
不可計算問題舉例如下。
（1）今晚吃什么
（2）哪種顏色最受歡迎
總結下來，對于可計算問題，給定任意輸入，那么圖靈機就可以保證算出結果（不管花多少時間）；反之，圖靈機（包括我們目前所知的所有計算設備）不可以計算或判定不可計算問題。
03
新知講解
課堂活動
分組提出一些問題，劃分出哪些是計算問題，哪些不是計算問題，又有哪些是可計算的。
1.計算問題：簡單的數學運算，如加法（2 + 3 = ）、乘法（5 × 6 = ）、除法（10 ÷ 2 = ）和減法（7 - 4 = ）。指數運算，如2的3次方（2^3 = ）。
2.非計算問題：個人喜好問題，如你最喜歡的顏色、食物、電影、運動和季節。
05
拓展延伸
圖靈測試
沒想到在密碼學的發展中，圖靈做出了這么多杰出的貢獻。
是的，除了密碼學，圖靈對于人工智能的發展也有諸多貢獻。
人工智能就是讓機器模擬人的智能嗎
05
拓展延伸
圖靈測試
沒錯，圖靈提出了一種用于判定機器是否具有智能的試驗方法，這個方法叫作圖靈測試，每年都會有相關的試驗比賽。
圖靈測試的原理是什么呢
05
拓展延伸
圖靈測試
就是一個人使用任意一串問題去詢問兩個他看不見的對象:一個是正常思維的人，另一個是機器，如圖 3.3.6所示。如果經過多次詢問以后他不能區分出誰是人，誰是機器，那就說明該機器具備了人的“智能”。
圖3.3.6 圖靈測試
05
拓展延伸
計算機的發展歷程
1.電子管計算機時代（1946-1958年）：此階段的計算機體積大、功耗高、速度慢、可靠性差，以電子管為基本電子器件，使用機器語言和匯編語言進行編程，主要應用于國防和科學計算。
05
拓展延伸
計算機的發展歷程
2.晶體管計算機時代（1958-1964年）：隨著晶體管的出現，計算機的體積減小、功耗降低、速度提高、可靠性增強。此時，軟件上出現了操作系統和算法語言，運算速度提升到每秒幾萬次至幾十萬次，開始應用于數據處理和工業控制。
05
拓展延伸
計算機的發展歷程
3.中小規模集成電路計算機時代（1964-1971年）：集成電路的普及使得計算機的性能進一步提高，價格降低，應用范圍更廣。這一階段出現了操作系統和高級語言，運算速度達到每秒幾十萬次至幾百萬次。
05
拓展延伸
計算機的發展歷程
4.大規模和超大規模集成電路計算機時代（1971年至今）：此階段的計算機以大規模和超大規模集成電路為主要器件，體積更小、速度更快、性能更強、價格更低。它們廣泛應用于各個領域，智能化程度不斷提高，運算速度每秒可達幾百萬次至上億次。
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拓展延伸
科技對密碼發展的影響
1.推動密碼技術創新：隨著量子計算、移動通信、物聯網、大數據、云計算等技術的快速發展，密碼技術也在不斷創新。例如，量子計算技術的發展促使抗量子密碼技術的出現，以應對量子計算機對傳統密碼學的潛在威脅。
05
拓展延伸
科技對密碼發展的影響
2.拓展密碼應用領域：密碼學在信息技術中的應用領域越來越廣泛，涉及到電子商務、電子政務、金融、醫療、交通等眾多領域。隨著新興技術的崛起，如人工智能、區塊鏈等，密碼技術的應用場景也在不斷拓展。
05
拓展延伸
科技對密碼發展的影響
3.提升密碼安全性：密碼學算法的復雜度越來越高，安全性得到了進一步提升。例如，公鑰密碼算法中的RSA算法等已經成為廣泛使用的加密算法，其安全性依賴于復雜的數學運算。同時，生物識別技術等新型密碼技術的應用也增強了信息安全。
06
活動日志
活動日志 班級：XX 姓名：XX
活動名稱 密碼攻防—認識圖靈機
活動環節 1口 2口 3口 4口（在對應環節畫V）
活動完成內容 密碼攻防—機器對決、圖靈機—對計算的思考
活動完成度 口口口口口口口口口(100%)
活動小結 問題與反思：對于圖靈機的理解與認識不夠
改進的方法：詢問老師或者同學
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課堂總結
1
引入新知內容
密碼攻防—認識圖靈機
2
密碼攻防—機器對決
3
圖靈機—對計算的思考
4
完成課題練習
5
進行相關知識拓展
1
2
3
4
5
08
板書設計
密碼攻防—認識圖靈機
1.進行新知引入
2.密碼攻防—機器對決
3.圖靈機—對計算的思考
4.完成課堂練習
5.進行知識拓展
09
課后作業
01
1.同學們總結一下本節課學習的內容。
09
課后作業
02
2.同學們課下嘗試做做圖靈測試。
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