【核心素养目标】第3单元 第3课《密码攻防--认识图灵机》教案-【清华大学版2024】《信息科技》四上

中小学教育资源及组卷应用平台 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（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。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， ... ...