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第3.3课《密码攻防—认识图灵机》教学设计
课题
密码攻防—认识图灵机
单元
第三单元
学科
信息科技
年级
四年级
核心素
养目标
信息意识:了解恩尼格密码与图灵机的相关知识,能够意识到密码在信息保护中的关键作用,并具备对信息安全的基本认识。
计算思维:学习图灵机的工作原理和计算模型,能够运用逻辑思维和抽象能力,理解密码攻防中的数学运算和逻辑推理过程。
数字化学习与创新:掌握图灵机在密码破译中的应用,激发对数字化工具和技术的好奇心和探索欲,培养在密码学领域的创新思维和实践能力。
信息社会责任:了解密码技术在现代社会中的广泛应用及潜在风险,遵守信息安全法律法规,培养保护个人隐私和社会安全的责任感。
教学重点
认识并学习恩尼格密码以及图灵机等相关的知识。
教学难点
掌握图灵机的原理。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
第3.3课《密码攻防—认识图灵机》
板书课题。
密码学已成为与数学、通信、电子、计算机、物理等领域相互联系、相互渗透的交叉学科。密码学的发展经历了从简单到复杂,从不完善到较为完善,从具有单一功能到具有多种功能的发展过程。这节课我们就探索一下,密码攻防是如何促进了计算机的发展的,思考通用计算何以能实现,领悟“算力”这一信息时代要素的重要作用,并通过讨论“图灵机可以解决什么问题”,体验“图灵机的魅力。
思考:计算机为什么是机器?计算机作为“机器”,和其他类型的机器有何不同?
内部运作逻辑:计算机能通过硬件组件,利用二进制代码进行数据处理和逻辑运算,能够执行复杂的计算任务。
处理能力:计算机具有强大的数据处理能力,能够迅速处理大量信息,并进行高速运算。
功能多样性:计算机可以运行各种软件程序,实现多种功能如文字处理、图像处理、网络通信等。灵活性与实用性:条码和二维码既可以单独使用,也可以与各种设备组合成识别系统,实现自动化识别和管理,应用场景广泛。
可编程性:用户可以根据需要编写程序,让计算机执行特定的任务。
学习新知引入
完成思考。
观看教学视频。
用生活中的常见现象引入课堂。
用提问的方式引入课题,增强课堂互动性。
将学生的注意吸引到课堂。
讲授新课
新知讲解:
板书课题。
知识大讲堂
自从无线电和莫尔斯电码问世后,人类通信进入了一个崭新的时代—无线电时代。但是无线电通信完全是一个开放的广播系统,在己方接收电文的同时,对方也可“一览无遗”。因此密码学也就立即与无线电结合,出现了无线电加密解密技术。
密码攻防—机器对决
在长期的密码攻防中,加密一方曾经通过提高加密算法的复杂度长期占据主动地位;但字母概率统计(见图3.3.1)的奥秘被发现之后解密一方最终找到了破译“一对一”替换加密的通用法则,传统加密方法也随之走到了历史的尽头。
传统加密术所遇到的瓶颈,也事关无线通信的应用前景。无线通信若真正走向实际应用,急需一种安全可靠,而又简便有效的加密、解密方法。
为此,亚瑟·谢尔比乌斯(ArthurScherbius)设计发明了恩尼格玛密码机(德语:Enigma,又译哑谜机,或“谜”式密码机),实现了高效、复杂加密的无线通信。
恩尼格玛密码机原理
恩尼格玛密码机由键盘、编码器、显示板构成,如图3.3.2所示。恩尼格玛密码机的编码转轮结构相当复杂和精密;键盘一共有26个键,排列方式和广为使用的计算机键盘基本一样;显示板是在键盘上方标示了26个字母的小灯泡,当键盘上的某个键被按下时,和这个字母被加密后的密文字母所对应。
无线电发报员在键盘上敲下一个明文字母,就会自动发送对应的密文并点亮相应的密码字母,大大节省了人工编码的时间。恩尼格玛密码机复杂的替换过程完全由机械自动完成,加密人员只需要设定好转子的初始位置,连接好接线板,然后像打字员一样正常输入字母就可以,密文随之自动生成。
恩尼格玛密码机难以破译的关键在于,它不是运行简单的“一对一”替代式密码,而是同一个字母可以被不同的字母替换。因此,字母概率统计的破译方法就对恩尼格玛密码机完全失效了。
恩尼格玛密码机的解密难度
恩尼格玛密码机本质上仍然使用替代法加密,只不过不再采用简单的“一对一”替代,而是经过了多套替换,对应的明文与密文之间存在着6x17576x100391791500=10586916764424000种可能,也就是一亿亿多种可能,如图3.3.3所示。
恩尼格玛密码机排除了靠人(计算员)计算破解的可能,因为任何一个人穷尽一生也数不出亿亿位数,更别说破解了。
图灵的“计算机器”
1939年秋,艾伦·麦席森·图灵(AlanMathisonTuring)临危受命负责破译恩尼格玛密码机。图灵一接触恩尼格玛密码机,就知道破译这种密码机依靠人的计算能力是无法完成的,解决之道只能是--用机器来对抗机器。为寻求破解之道,图灵想到并借助自己19
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