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第3单元 第3课
密码攻防—认识图灵机
（清华大学版）四年级
上
1
核心素养目标
3
新知讲解
5
拓展延伸
7
板书设计
2
新知导入
4
课堂练习
6
课堂总结
课后作业
8
01
核心素养目标
信息意识
计算思维
数字化学习与创新
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。
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。
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。
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。
02
新知导入
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。
02
新知导入
越来越多的人知道了解密技术，那我们的信息是不是很容易就会被破解呀
别担心，随着信息技术的更新换代，密码学也在加速发展，我们一起来了解一下吧!
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
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新知导入
1.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。
2.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。
3.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。
4.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。
02
新知导入
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
一、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。
图3.3.1 英文字母概率统计图
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新知讲解
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（Arthur Scherbius）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。
03
新知讲解
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的小灯泡就会亮起来。
恩尼格玛密码机原理
图3.3.2 恩尼格玛密码机的构成
03
新知讲解
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。
03
新知讲解
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。
恩尼格玛密码机的解密难度
图3.3.3 恩尼格玛密码机所有的组合可能
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新知讲解
1939 年秋，艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing）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 1936年为解决希尔伯特判定问题而设计的“图灵机”-- 一种可以辅助数学研究的通用计算机器。
图灵的“计算机器”
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。
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新知讲解
在通用计算思想的指导下，图灵和同事们开始开发一种叫作Bombe 的机器（见图 3.3.4），能够在进入穷举法前先排除一些自相矛盾的组合方式，然后将多台这样的机器环形相连，就能更快速地测试可能的密码设置，从而找到正确的答案。
图3.3.4 图灵团队发明的 Bombe 机器
03
新知讲解
虽然 Bombe 并不是严格意义上的“图灵机”，但当人们追述计算机科学与计算机技术发展史的时候，依然把图灵和他的Bombe机器奉为现代计算机的先驱，并开创了计算机科学和密码学的新时代，同时 Bombe 和恩尼格玛密码机也完成了算力攻防史上的第一次碰撞，完成了“不可能”的挑战。
03
新知讲解
思考
假如你接到跟图灵类似的任务，你有什么样的好主意
1.利用现代计算技术和算法：与图灵当时的情况不同，我们现在拥有更强大的计算能力和更先进的算法。我会尝试使用各种高效的密码破解算法，结合强大的计算机集群，来快速分析和破解密码。
2.人工智能和机器学习：利用人工智能和机器学习技术，可以训练模型来识别密码中的模式和规律。这种方法可以在大量数据中快速找到可能的密码组合，提高破解效率。
03
新知讲解
二、图灵机—对计算的思考
1936年5月，24岁的图灵向伦敦权威的数学杂志投了一篇论文，题为《可计算数及其在判定问题上的应用》（On ComputablNumbers, with an Application to the Entscheidungsproblem），在论文的附录里,图灵描述了一种可以辅助数学研究的通用计算机器模型后来被人称为“图灵机”，我们所熟知的计算机的发明以及人工智能的实现都基于这个构想。
03
新知讲解
图灵机（Turing machine）是一种抽象计算模型，通过一组有限的规则来模拟计算过程，被认为是现代计算机的理论基础，如图3.3.5所示。
图灵机由四个部分组成。
（1）一个无限长的存储带，带子由一个个连续的存储格子组成。每个格子可以存储一个数字或符号。
（2）一个读写头，读写头可以在存储带上左右移动，并可以读修改存储格上的数字或符号。
图灵机构成
03
新知讲解
（3）内部状态存储器，该存储器可以记录图灵机的当前状态，并且有一种特殊状态为停机状态。
（4）控制程序指令，指令可以根据当前状态以及当前读写头所指的格子上的符号来确定读写头下一步的动作（左移还是右移），并改变状态存储器的值，令机器进入一个新的状态或保持状态不变。
图 3.3.5图灵机模型
03
新知讲解
图灵机是根据程序指令及其内部状态进行磁带的读写和移动的。纸带上分成若干个格子，每个格子上可以存放一个符号。读写头可以在纸带上移动，读取或改写格子上的符号。内部状态存储器根据当前状态和读写头读取到的符号，决定下一步的操作（如改变状态移动读写头等）。
03
新知讲解
图灵证明了，假设上述图灵机计算模型里所说的功能都能以某种物理形式实现，那么任意可计算问题都可以被解决。那么哪些是可计算问题，哪些又是不可计算问题呢
可计算问题举例如下。
（1）计算1+2+3+…+100。
（2）根据自己的身高和体重，判断是否肥胖。
图灵机可以解决什么问题
03
新知讲解
不可计算问题举例如下。
（1）今晚吃什么
（2）哪种颜色最受欢迎
总结下来，对于可计算问题，给定任意输入，那么图灵机就可以保证算出结果（不管花多少时间）；反之，图灵机（包括我们目前所知的所有计算设备）不可以计算或判定不可计算问题。
03
新知讲解
课堂活动
分组提出一些问题，划分出哪些是计算问题，哪些不是计算问题，又有哪些是可计算的。
1.计算问题：简单的数学运算，如加法（2 + 3 = ）、乘法（5 × 6 = ）、除法（10 ÷ 2 = ）和减法（7 - 4 = ）。指数运算，如2的3次方（2^3 = ）。
2.非计算问题：个人喜好问题，如你最喜欢的颜色、食物、电影、运动和季节。
05
拓展延伸
图灵测试
没想到在密码学的发展中，图灵做出了这么多杰出的贡献。
是的，除了密码学，图灵对于人工智能的发展也有诸多贡献。
人工智能就是让机器模拟人的智能吗
05
拓展延伸
图灵测试
没错，图灵提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法，这个方法叫作图灵测试，每年都会有相关的试验比赛。
图灵测试的原理是什么呢
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拓展延伸
图灵测试
就是一个人使用任意一串问题去询问两个他看不见的对象:一个是正常思维的人，另一个是机器，如图 3.3.6所示。如果经过多次询问以后他不能区分出谁是人，谁是机器，那就说明该机器具备了人的“智能”。
图3.3.6 图灵测试
05
拓展延伸
计算机的发展历程
1.电子管计算机时代（1946-1958年）：此阶段的计算机体积大、功耗高、速度慢、可靠性差，以电子管为基本电子器件，使用机器语言和汇编语言进行编程，主要应用于国防和科学计算。
05
拓展延伸
计算机的发展历程
2.晶体管计算机时代（1958-1964年）：随着晶体管的出现，计算机的体积减小、功耗降低、速度提高、可靠性增强。此时，软件上出现了操作系统和算法语言，运算速度提升到每秒几万次至几十万次，开始应用于数据处理和工业控制。
05
拓展延伸
计算机的发展历程
3.中小规模集成电路计算机时代（1964-1971年）：集成电路的普及使得计算机的性能进一步提高，价格降低，应用范围更广。这一阶段出现了操作系统和高级语言，运算速度达到每秒几十万次至几百万次。
05
拓展延伸
计算机的发展历程
4.大规模和超大规模集成电路计算机时代（1971年至今）：此阶段的计算机以大规模和超大规模集成电路为主要器件，体积更小、速度更快、性能更强、价格更低。它们广泛应用于各个领域，智能化程度不断提高，运算速度每秒可达几百万次至上亿次。
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拓展延伸
科技对密码发展的影响
1.推动密码技术创新：随着量子计算、移动通信、物联网、大数据、云计算等技术的快速发展，密码技术也在不断创新。例如，量子计算技术的发展促使抗量子密码技术的出现，以应对量子计算机对传统密码学的潜在威胁。
05
拓展延伸
科技对密码发展的影响
2.拓展密码应用领域：密码学在信息技术中的应用领域越来越广泛，涉及到电子商务、电子政务、金融、医疗、交通等众多领域。随着新兴技术的崛起，如人工智能、区块链等，密码技术的应用场景也在不断拓展。
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拓展延伸
科技对密码发展的影响
3.提升密码安全性：密码学算法的复杂度越来越高，安全性得到了进一步提升。例如，公钥密码算法中的RSA算法等已经成为广泛使用的加密算法，其安全性依赖于复杂的数学运算。同时，生物识别技术等新型密码技术的应用也增强了信息安全。
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活动日志
活动日志 班级：XX 姓名：XX
活动名称 密码攻防—认识图灵机
活动环节 1口 2口 3口 4口（在对应环节画V）
活动完成内容 密码攻防—机器对决、图灵机—对计算的思考
活动完成度 口口口口口口口口口(100%)
活动小结 问题与反思：对于图灵机的理解与认识不够
改进的方法：询问老师或者同学
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课堂总结
1
引入新知内容
密码攻防—认识图灵机
2
密码攻防—机器对决
3
图灵机—对计算的思考
4
完成课题练习
5
进行相关知识拓展
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板书设计
密码攻防—认识图灵机
1.进行新知引入
2.密码攻防—机器对决
3.图灵机—对计算的思考
4.完成课堂练习
5.进行知识拓展
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课后作业
01
1.同学们总结一下本节课学习的内容。
09
课后作业
02
2.同学们课下尝试做做图灵测试。
https://www.21cnjy.com/recruitment/home/fine

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