資源簡介

中小學(xué)教育資源及組卷應(yīng)用平臺(tái)
第3.3課《密碼攻防—認(rèn)識(shí)圖靈機(jī)》教學(xué)設(shè)計(jì)
課題 密碼攻防—認(rèn)識(shí)圖靈機(jī) 單元 第三單元 學(xué)科 信息科技 年級(jí) 四年級(jí)
核心素養(yǎng)目標(biāo) 信息意識(shí)：了解恩尼格密碼與圖靈機(jī)的相關(guān)知識(shí)，能夠意識(shí)到密碼在信息保護(hù)中的關(guān)鍵作用，并具備對(duì)信息安全的基本認(rèn)識(shí)。計(jì)算思維：學(xué)習(xí)圖靈機(jī)的工作原理和計(jì)算模型，能夠運(yùn)用邏輯思維和抽象能力，理解密碼攻防中的數(shù)學(xué)運(yùn)算和邏輯推理過程。數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新：掌握?qǐng)D靈機(jī)在密碼破譯中的應(yīng)用，激發(fā)對(duì)數(shù)字化工具和技術(shù)的好奇心和探索欲，培養(yǎng)在密碼學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。信息社會(huì)責(zé)任：了解密碼技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中的廣泛應(yīng)用及潛在風(fēng)險(xiǎn)，遵守信息安全法律法規(guī)，培養(yǎng)保護(hù)個(gè)人隱私和社會(huì)安全的責(zé)任感。
教學(xué)重點(diǎn) 認(rèn)識(shí)并學(xué)習(xí)恩尼格密碼以及圖靈機(jī)等相關(guān)的知識(shí)。
教學(xué)難點(diǎn) 掌握?qǐng)D靈機(jī)的原理。
教學(xué)過程
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動(dòng) 學(xué)生活動(dòng) 設(shè)計(jì)意圖
導(dǎo)入新課 第3.3課 《密碼攻防—認(rèn)識(shí)圖靈機(jī)》板書課題。密碼學(xué)已成為與數(shù)學(xué)、通信、電子、計(jì)算機(jī)、物理等領(lǐng)域相互聯(lián)系、相互滲透的交叉學(xué)科。密碼學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)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(fā)展過程。這節(jié)課我們就探索一下，密碼攻防是如何促進(jìn)了計(jì)算機(jī)的發(fā)展的，思考通用計(jì)算何以能實(shí)現(xiàn)，領(lǐng)悟“算力”這一信息時(shí)代要素的重要作用，并通過討論“圖靈機(jī)可以解決什么問題”，體驗(yàn)“圖靈機(jī)的魅力。思考：計(jì)算機(jī)為什么是機(jī)器？計(jì)算機(jī)作為“機(jī)器”，和其他類型的機(jī)器有何不同 內(nèi)部運(yùn)作邏輯：計(jì)算機(jī)能通過硬件組件，利用二進(jìn)制代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算，能夠執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。處理能力：計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠迅速處理大量信息，并進(jìn)行高速運(yùn)算。功能多樣性：計(jì)算機(jī)可以運(yùn)行各種軟件程序，實(shí)現(xiàn)多種功能如文字處理、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信等。靈活性與實(shí)用性：條碼和二維碼既可以單獨(dú)使用，也可以與各種設(shè)備組合成識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別和管理，應(yīng)用場景廣泛。可編程性：用戶可以根據(jù)需要編寫程序，讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定的任務(wù)。 學(xué)習(xí)新知引入完成思考。觀看教學(xué)視頻。 用生活中的常見現(xiàn)象引入課堂。用提問的方式引入課題，增強(qiáng)課堂互動(dòng)性。將學(xué)生的注意吸引到課堂。
講授新課 新知講解：板書課題。知識(shí)大講堂自從無線電和莫爾斯電碼問世后，人類通信進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)代—無線電時(shí)代。但是無線電通信完全是一個(gè)開放的廣播系統(tǒng)，在己方接收電文的同時(shí)，對(duì)方也可“一覽無遺”。因此密碼學(xué)也就立即與無線電結(jié)合，出現(xiàn)了無線電加密解密技術(shù)。密碼攻防—機(jī)器對(duì)決在長期的密碼攻防中，加密一方曾經(jīng)通過提高加密算法的復(fù)雜度長期占據(jù)主動(dòng)地位；但字母概率統(tǒng)計(jì)（見圖3.3.1）的奧秘被發(fā)現(xiàn)之后解密一方最終找到了破譯“一對(duì)一”替換加密的通用法則，傳統(tǒng)加密方法也隨之走到了歷史的盡頭。傳統(tǒng)加密術(shù)所遇到的瓶頸，也事關(guān)無線通信的應(yīng)用前景。無線通信若真正走向?qū)嶋H應(yīng)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(shè)計(jì)發(fā)明了恩尼格瑪密碼機(jī)（德語：Enigma，又譯啞謎機(jī)，或“謎”式密碼機(jī)），實(shí)現(xiàn)了高效、復(fù)雜加密的無線通信。恩尼格瑪密碼機(jī)原理恩尼格瑪密碼機(jī)由鍵盤、編碼器、顯示板構(gòu)成，如圖 3.3.2 所示。恩尼格瑪密碼機(jī)的編碼轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜和精密;鍵盤一共有26個(gè)鍵，排列方式和廣為使用的計(jì)算機(jī)鍵盤基本一樣;顯示板是在鍵盤上方標(biāo)示了 26個(gè)字母的小燈泡，當(dāng)鍵盤上的某個(gè)鍵被按下時(shí)，和這個(gè)字母被加密后的密文字母所對(duì)應(yīng)。無線電發(fā)報(bào)員在鍵盤上敲下一個(gè)明文字母，就會(huì)自動(dòng)發(fā)送對(duì)應(yīng)的密文并點(diǎn)亮相應(yīng)的密碼字母，大大節(jié)省了人工編碼的時(shí)間。恩尼格瑪密碼機(jī)復(fù)雜的替換過程完全由機(jī)械自動(dòng)完成，加密人員只需要設(shè)定好轉(zhuǎn)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(dòng)生成。恩尼格瑪密碼機(jī)難以破譯的關(guān)鍵在于，它不是運(yùn)行簡單的“一對(duì)一”替代式密碼，而是同一個(gè)字母可以被不同的字母替換。因此，字母概率統(tǒng)計(jì)的破譯方法就對(duì)恩尼格瑪密碼機(jī)完全失效了。恩尼格瑪密碼機(jī)的解密難度恩尼格瑪密碼機(jī)本質(zhì)上仍然使用替代法加密，只不過不再采用簡單的“一對(duì)一”替代，而是經(jīng)過了多套替換，對(duì)應(yīng)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(jī)排除了靠人（計(jì)算員）計(jì)算破解的可能，因?yàn)槿魏我粋€(gè)人窮盡一生也數(shù)不出億億位數(shù)，更別說破解了。圖靈的“計(jì)算機(jī)器”1939 年秋，艾倫·麥席森·圖靈（Alan Mathison Turing）臨危受命負(fù)責(zé)破譯恩尼格瑪密碼機(jī)。圖靈一接觸恩尼格瑪密碼機(jī)，就知道破譯這種密碼機(jī)依靠人的計(jì)算能力是無法完成的，解決之道只能是--用機(jī)器來對(duì)抗機(jī)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(shè)計(jì)的“圖靈機(jī)”-- 一種可以輔助數(shù)學(xué)研究的通用計(jì)算機(jī)器。在通用計(jì)算思想的指導(dǎo)下，圖靈和同事們開始開發(fā)一種叫作Bombe 的機(jī)器（見圖 3.3.4），能夠在進(jìn)入窮舉法前先排除一些自相矛盾的組合方式，然后將多臺(tái)這樣的機(jī)器環(huán)形相連，就能更快速地測試可能的密碼設(shè)置，從而找到正確的答案。雖然 Bombe 并不是嚴(yán)格意義上的“圖靈機(jī)”，但當(dāng)人們追述計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展史的時(shí)候，依然把圖靈和他的Bombe機(jī)器奉為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的先驅(qū)，并開創(chuàng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)和密碼學(xué)的新時(shí)代，同時(shí) Bombe 和恩尼格瑪密碼機(jī)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(zhàn)。思考假如你接到跟圖靈類似的任務(wù)，你有什么樣的好主意 1.利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)和算法：與圖靈當(dāng)時(shí)的情況不同，我們現(xiàn)在擁有更強(qiáng)大的計(jì)算能力和更先進(jìn)的算法。我會(huì)嘗試使用各種高效的密碼破解算法，結(jié)合強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)集群，來快速分析和破解密碼。2.人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)：利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以訓(xùn)練模型來識(shí)別密碼中的模式和規(guī)律。這種方法可以在大量數(shù)據(jù)中快速找到可能的密碼組合，提高破解效率。圖靈機(jī)—對(duì)計(jì)算的思考1936年5月，24歲的圖靈向倫敦權(quán)威的數(shù)學(xué)雜志投了一篇論文，題為《可計(jì)算數(shù)及其在判定問題上的應(yīng)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(shù)學(xué)研究的通用計(jì)算機(jī)器模型后來被人稱為“圖靈機(jī)”，我們所熟知的計(jì)算機(jī)的發(fā)明以及人工智能的實(shí)現(xiàn)都基于這個(gè)構(gòu)想。圖靈機(jī)構(gòu)成圖靈機(jī)（Turing machine）是一種抽象計(jì)算模型，通過一組有限的規(guī)則來模擬計(jì)算過程，被認(rèn)為是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)，如圖3.3.5所示。圖靈機(jī)由四個(gè)部分組成。（1）一個(gè)無限長的存儲(chǔ)帶，帶子由一個(gè)個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)格子組成。每個(gè)格子可以存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)字或符號(hào)。（2）一個(gè)讀寫頭，讀寫頭可以在存儲(chǔ)帶上左右移動(dòng)，并可以讀修改存儲(chǔ)格上的數(shù)字或符號(hào)。（3）內(nèi)部狀態(tài)存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器可以記錄圖靈機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，并且有一種特殊狀態(tài)為停機(jī)狀態(tài)。（4）控制程序指令，指令可以根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)以及當(dāng)前讀寫頭所指的格子上的符號(hào)來確定讀寫頭下一步的動(dòng)作（左移還是右移），并改變狀態(tài)存儲(chǔ)器的值，令機(jī)器進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)或保持狀態(tài)不變。圖靈機(jī)是根據(jù)程序指令及其內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行磁帶的讀寫和移動(dòng)的。紙帶上分成若干個(gè)格子，每個(gè)格子上可以存放一個(gè)符號(hào)。讀寫頭可以在紙帶上移動(dòng)，讀取或改寫格子上的符號(hào)。內(nèi)部狀態(tài)存儲(chǔ)器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和讀寫頭讀取到的符號(hào)，決定下一步的操作（如改變狀態(tài)移動(dòng)讀寫頭等）。圖靈機(jī)可以解決什么問題圖靈證明了，假設(shè)上述圖靈機(jī)計(jì)算模型里所說的功能都能以某種物理形式實(shí)現(xiàn)，那么任意可計(jì)算問題都可以被解決。那么哪些是可計(jì)算問題，哪些又是不可計(jì)算問題呢 可計(jì)算問題舉例如下。（1）計(jì)算1+2+3+…+100。（2）根據(jù)自己的身高和體重，判斷是否肥胖。不可計(jì)算問題舉例如下。（1）今晚吃什么 （2）哪種顏色最受歡迎 總結(jié)下來，對(duì)于可計(jì)算問題，給定任意輸入，那么圖靈機(jī)就可以保證算出結(jié)果（不管花多少時(shí)間）；反之，圖靈機(jī)（包括我們目前所知的所有計(jì)算設(shè)備）不可以計(jì)算或判定不可計(jì)算問題。課堂活動(dòng)分組提出一些問題，劃分出哪些是計(jì)算問題，哪些不是計(jì)算問題，又有哪些是可計(jì)算的。1.計(jì)算問題：簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如加法（2 + 3 = ）、乘法（5 × 6 = ）、除法（10 ÷ 2 = ）和減法（7 - 4 = ）。指數(shù)運(yùn)算，如2的3次方（2^3 = ）。2.非計(jì)算問題：個(gè)人喜好問題，如你最喜歡的顏色、食物、電影、運(yùn)動(dòng)和季節(jié)。四、拓展延伸1. 圖靈測試問：沒想到在密碼學(xué)的發(fā)展中，圖靈做出了這么多杰出的貢獻(xiàn)。答：是的，除了密碼學(xué)，圖靈對(duì)于人工智能的發(fā)展也有諸多貢獻(xiàn)。問：人工智能就是讓機(jī)器模擬人的智能嗎 答：沒錯(cuò)，圖靈提出了一種用于判定機(jī)器是否具有智能的試驗(yàn)方法，這個(gè)方法叫作圖靈測試，每年都會(huì)有相關(guān)的試驗(yàn)比賽。問：圖靈測試的原理是什么呢 答：就是一個(gè)人使用任意一串問題去詢問兩個(gè)他看不見的對(duì)象:一個(gè)是正常思維的人，另一個(gè)是機(jī)器，如圖 3.3.6所示。如果經(jīng)過多次詢問以后他不能區(qū)分出誰是人，誰是機(jī)器，那就說明該機(jī)器具備了人的“智能”。2. 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程1.電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1946-1958年）：此階段的計(jì)算機(jī)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(jī)器語言和匯編語言進(jìn)行編程，主要應(yīng)用于國防和科學(xué)計(jì)算。 2.晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代（1958-1964年）：隨著晶體管的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的體積減小、功耗降低、速度提高、可靠性增強(qiáng)。此時(shí)，軟件上出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和算法語言，運(yùn)算速度提升到每秒幾萬次至幾十萬次，開始應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制。3.中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1964-1971年）：集成電路的普及使得計(jì)算機(jī)的性能進(jìn)一步提高，價(jià)格降低，應(yīng)用范圍更廣。這一階段出現(xiàn)了操作系統(tǒng)和高級(jí)語言，運(yùn)算速度達(dá)到每秒幾十萬次至幾百萬次。4.大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代（1971年至今）：此階段的計(jì)算機(jī)以大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為主要器件，體積更小、速度更快、性能更強(qiáng)、價(jià)格更低。它們廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，智能化程度不斷提高，運(yùn)算速度每秒可達(dá)幾百萬次至上億次。3. 科技對(duì)密碼發(fā)展的影響1.推動(dòng)密碼技術(shù)創(chuàng)新：隨著量子計(jì)算、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的快速發(fā)展，密碼技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。例如，量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展促使抗量子密碼技術(shù)的出現(xiàn)，以應(yīng)對(duì)量子計(jì)算機(jī)對(duì)傳統(tǒng)密碼學(xué)的潛在威脅。2.拓展密碼應(yīng)用領(lǐng)域：密碼學(xué)在信息技術(shù)中的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，涉及到電子商務(wù)、電子政務(wù)、金融、醫(yī)療、交通等眾多領(lǐng)域。隨著新興技術(shù)的崛起，如人工智能、區(qū)塊鏈等，密碼技術(shù)的應(yīng)用場景也在不斷拓展3.提升密碼安全性：密碼學(xué)算法的復(fù)雜度越來越高，安全性得到了進(jìn)一步提升。例如，公鑰密碼算法中的RSA算法等已經(jīng)成為廣泛使用的加密算法，其安全性依賴于復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。同時(shí)，生物識(shí)別技術(shù)等新型密碼技術(shù)的應(yīng)用也增強(qiáng)了信息安全。六、活動(dòng)日志 活動(dòng)日志 班級(jí)：XX姓名：XX活動(dòng)名稱計(jì)算機(jī)編碼的應(yīng)用--條形碼與二維碼活動(dòng)環(huán)節(jié)1口 2口 3口 4口（在對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)畫V）活動(dòng)完成內(nèi)容學(xué)習(xí)條形碼、學(xué)習(xí)條形碼活動(dòng)完成度口口口口口口口口口(100%)活動(dòng)小結(jié)問題與反思：設(shè)計(jì)編碼困難改進(jìn)的方法：詢問老師或者同學(xué) 學(xué)習(xí)知識(shí)大講堂的內(nèi)容。學(xué)習(xí)恩尼格瑪密碼機(jī)和圖靈機(jī)的相關(guān)知識(shí)。。學(xué)習(xí)恩尼格瑪密碼機(jī)的運(yùn)作原理。。進(jìn)行圖靈機(jī)的相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)。完成思考的問題。根據(jù)圖靈機(jī)進(jìn)一步學(xué)習(xí)對(duì)計(jì)算的思考。學(xué)習(xí)圖靈機(jī)的構(gòu)成。完成課堂活動(dòng)。學(xué)習(xí)課外知識(shí)拓展。完成活動(dòng)日志記錄。 進(jìn)行課堂內(nèi)容的背景學(xué)習(xí)。初步學(xué)習(xí)恩尼格瑪密碼機(jī)和圖靈機(jī)，了解其背景故事和相關(guān)知識(shí)，加深課堂學(xué)習(xí)。加深對(duì)恩尼格瑪密碼機(jī)的學(xué)習(xí)，了解其運(yùn)作的原理。了解圖靈機(jī)的背景故事，初步學(xué)習(xí)圖靈機(jī)。鍛煉學(xué)生的思考能力與舉一反三的能力，加深對(duì)課堂知識(shí)的學(xué)習(xí)。加深課堂知識(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算相關(guān)的思考。進(jìn)一步加深對(duì)圖靈機(jī)的學(xué)習(xí)，加深課堂內(nèi)容的學(xué)習(xí)。進(jìn)行課題練習(xí)，考查學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)落地能力，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的全方位掌握。拓寬學(xué)生知識(shí)面。將本課學(xué)習(xí)情況進(jìn)行總結(jié)。
課堂小結(jié) 探索編碼規(guī)則--編碼與秩序1、引入新知內(nèi)容2、學(xué)習(xí)條形碼的相關(guān)知識(shí)3、學(xué)習(xí)條形碼的相關(guān)知識(shí)4、完成課題練習(xí)5、進(jìn)行相關(guān)知識(shí)拓展 總結(jié)回顧 對(duì)本節(jié)課內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)概括。
課后作業(yè) 同學(xué)們談一談在日常生活中還有哪些地方會(huì)用到條形碼或二維碼。同學(xué)們自己動(dòng)手生成一個(gè)趣味二維碼。 布置作業(yè) 拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)能力
課堂板書 觀看板書 強(qiáng)調(diào)教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容。
21世紀(jì)教育網(wǎng) www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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