《自主可控的信息系統(tǒng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

信息系統(tǒng)是教科版高中信息技術(shù)必修2中的內(nèi)容，介紹了信息系統(tǒng)的組成、功能、集成、開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和安全等，但沒(méi)有明確指出自主可控的學(xué)習(xí)要求。自主可控是保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要手段，自主可控對(duì)保障國(guó)家信息安全具有重要意義。自主可控意味著信息安全容易治理，產(chǎn)品和服務(wù)一般不存在惡意后門，并可以不斷改進(jìn)或修補(bǔ)漏洞，具體來(lái)說(shuō)，就是全面掌握產(chǎn)品核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)從硬件到軟件自主開(kāi)發(fā)的全程可控，并對(duì)自身產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠自主管控，確保數(shù)據(jù)安全。

學(xué)習(xí)者分析

本節(jié)課的學(xué)習(xí)對(duì)象是高一學(xué)生，這個(gè)階段的學(xué)生邏輯思維趨于嚴(yán)密，具有很強(qiáng)的自主意識(shí)，具備一定的探究能力，喜歡通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)踐獲得新知。在程序設(shè)計(jì)方面，他們多次經(jīng)歷從問(wèn)題到程序的思考過(guò)程，能夠編寫簡(jiǎn)單的Python程序，但是使用圖形化編程語(yǔ)言Mind+的經(jīng)驗(yàn)不多。在信息系統(tǒng)方面，他們有信息系統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)，但缺少獨(dú)立設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)的經(jīng)歷，對(duì)信息系統(tǒng)核心概念的理解缺乏深度。

學(xué)習(xí)目標(biāo)

①理解自主可控的概念，了解自主可控與核心技術(shù)、硬件、軟件、數(shù)據(jù)安全等多種因素相關(guān)。

②體驗(yàn)信息系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，經(jīng)歷信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，感受信息系統(tǒng)中核心技術(shù)和數(shù)據(jù)的自主可控。

③增強(qiáng)自主可控意識(shí)，明確自主可控對(duì)國(guó)家安全的重要意義。

教學(xué)過(guò)程

1.項(xiàng)目引入，銀河號(hào)的啟示

活動(dòng)1：觀看視頻，結(jié)合以下問(wèn)題，對(duì)該案例進(jìn)行分析。

①銀河號(hào)為什么會(huì)失去方向？（美國(guó)惡意關(guān)閉了GPS信號(hào)）

②為什么美國(guó)可以關(guān)閉GPS信號(hào)？（GPS是美國(guó)政府研發(fā)建立的）

③如何才能擺脫這種受制于人的局面？（需要自主研發(fā)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，只有把核心技術(shù)掌握在自己手中才能實(shí)現(xiàn)自主可控）

分析：GPS是美國(guó)政府研發(fā)建立的，美國(guó)惡意關(guān)閉了GPS，導(dǎo)致銀河號(hào)失去方向。我們只有自主研發(fā)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，把核心技術(shù)掌握在自己手中才能實(shí)現(xiàn)自主可控。

項(xiàng)目提出：2020年6月23日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)成功后，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，讓我們模擬北斗助力導(dǎo)彈發(fā)射的情境，自己動(dòng)手設(shè)計(jì)一個(gè)“應(yīng)用北斗定位跟蹤導(dǎo)彈位置”微項(xiàng)目。

設(shè)計(jì)意圖：借助1993年美國(guó)惡意關(guān)閉GPS，導(dǎo)致銀河號(hào)在印度洋失去方向這一歷史事件，拋出問(wèn)題“如何擺脫受制于人的局面”，引發(fā)學(xué)生思考自主可控的必要性，繼而提出完成“應(yīng)用北斗定位跟蹤導(dǎo)彈位置”微項(xiàng)目。

2.項(xiàng)目實(shí)施，模擬北斗應(yīng)用

活動(dòng)2：需求分析，硬件搭建。

（1）分析“應(yīng)用北斗定位跟蹤導(dǎo)彈位置”微項(xiàng)目的基本功能（如下頁(yè)表1）。（獲取導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置，并傳輸回地面控制中心）

（2）學(xué)生分組（3人一組），明確各人的工作職責(zé)（如表2）。

（3）設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)（如下圖）。

（4）根據(jù)結(jié)構(gòu)圖完成硬件連接。

活動(dòng)3：編寫腳本，獲取導(dǎo)彈實(shí)時(shí)經(jīng)緯度。

①閱讀并分析腳本，完善現(xiàn)有程序。

②將程序燒錄至主控板。

③硬件工程師將設(shè)備帶至開(kāi)闊地模擬導(dǎo)彈飛行，軟件工程師通過(guò)DFRobot物聯(lián)網(wǎng)接收導(dǎo)彈實(shí)時(shí)位置。

思考：導(dǎo)彈的位置信息是由我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)失去位置的問(wèn)題？

小結(jié)：衛(wèi)星定位這個(gè)核心技術(shù)真正做到了自主可控，不會(huì)有被“卡脖子”的隱患。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)前一階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)能夠初步分析典型的信息系統(tǒng)，但對(duì)硬件的認(rèn)知僅僅局限于一個(gè)個(gè)名字，活動(dòng)2的目的是幫助學(xué)生理清系統(tǒng)功能和硬件組成。由于多數(shù)學(xué)生沒(méi)有Mind+軟件的編程經(jīng)驗(yàn)，因而教師提供了半成品程序，圖形化的積木編程可以把學(xué)生精力集中到實(shí)現(xiàn)功能的關(guān)鍵腳本上，而不用過(guò)多關(guān)注語(yǔ)法細(xì)節(jié)方面的問(wèn)題。這個(gè)環(huán)節(jié)旨在讓學(xué)生感受核心技術(shù)是如何掌握在自己手中的，自主可控又是如何實(shí)現(xiàn)的。

3.查詢位置，感知數(shù)據(jù)可控

活動(dòng)4：查詢導(dǎo)彈的地理位置。

（1）利用百度地圖拾取坐標(biāo)系統(tǒng)，并根據(jù)獲取的經(jīng)緯度值查詢導(dǎo)彈的地理位置。

（2）思考：為什么根據(jù)北斗測(cè)量到的經(jīng)緯度值查詢到的位置不是真實(shí)的地理位置？會(huì)不會(huì)是誤差造成的呢？

小結(jié)：根據(jù)精確的經(jīng)緯度可以準(zhǔn)確判斷當(dāng)前的地理位置，然而在百度地圖上通過(guò)經(jīng)緯度獲取的位置與實(shí)際位置偏移很大（約1公里），很明顯這不是正常誤差。

（3）觀看視頻，了解火星坐標(biāo)系統(tǒng)，感受數(shù)據(jù)可控。

小結(jié)：國(guó)家為了電子地圖安全，要求地圖服務(wù)商使用地圖保密插件，將實(shí)際坐標(biāo)加密成虛擬的坐標(biāo)，這樣就有效保證了地圖數(shù)據(jù)的安全和自主可控。這個(gè)加偏并不是線性的加偏，所以各地的偏移情況都會(huì)有所不同。加密后的坐標(biāo)常被稱為火星坐標(biāo)系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)意圖：根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知，多數(shù)學(xué)生會(huì)認(rèn)為，有了精確的經(jīng)緯度可以判斷當(dāng)前的地理位置，但事實(shí)上偏移很大，通過(guò)這樣的認(rèn)知沖突引發(fā)學(xué)生思考造成該現(xiàn)象的原因。再通過(guò)教師的點(diǎn)撥，揭示現(xiàn)象背后的實(shí)質(zhì)：數(shù)據(jù)已成為信息時(shí)代的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源，核心數(shù)據(jù)的自主可控是國(guó)家安全體系的重要組成部分。

4.項(xiàng)目拓展，感受自主可控

除了定位技術(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在我國(guó)信息化建設(shè)過(guò)程中，還要在哪些核心環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自主可控，才能維護(hù)國(guó)家的信息安全？

活動(dòng)5：觀看微視頻，思考以下問(wèn)題：

①視頻中涉及哪些應(yīng)用？

②在這些應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了哪些方面的自主可控？

③思考什么是自主可控，并繪制關(guān)于自主可控的思維導(dǎo)圖。

小結(jié)：自主可控技術(shù)就是依靠自身研發(fā)設(shè)計(jì)，全面掌握產(chǎn)品核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)從硬件到軟件的自主研發(fā)、生產(chǎn)、升級(jí)、維護(hù)的全程可控，并能夠自主管控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)安全可靠、不被泄露。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)觀看視頻讓學(xué)生進(jìn)一步感受到在信息化建設(shè)過(guò)程中，還需要在哪些環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自主可控，進(jìn)而提煉出什么是自主可控，并將思考的結(jié)果繪制成思維導(dǎo)圖。學(xué)生對(duì)自主可控的理解逐漸由模糊到清晰，建構(gòu)起對(duì)自主可控的全面認(rèn)知。

5.思維導(dǎo)圖，梳理自主可控

展示學(xué)生繪制的思維導(dǎo)圖，進(jìn)一步梳理自主可控的概念。

設(shè)計(jì)意圖：繪制思維導(dǎo)圖的過(guò)程是學(xué)生自主組織、梳理知識(shí)的過(guò)程，由于知識(shí)內(nèi)化能力和總結(jié)概括能力的局限，學(xué)生往往很難憑借一己之力繪制出完善的思維導(dǎo)圖，這時(shí)展示思維導(dǎo)圖就顯得尤為重要。這個(gè)環(huán)節(jié)不僅僅是反饋和評(píng)價(jià)，更重要的是互相啟迪、互相學(xué)習(xí)，通過(guò)展示多個(gè)學(xué)生的思維導(dǎo)圖，讓學(xué)生二次梳理自主可控概念，共同建構(gòu)完整的自主可控知識(shí)圖譜。

點(diǎn)評(píng)

自主可控是我國(guó)信息化建設(shè)過(guò)程中保護(hù)信息安全的重要目標(biāo)之一，對(duì)國(guó)家安全有著重要意義。為了幫助學(xué)生理解什么是自主可控，明確自主可控的戰(zhàn)略意義，體驗(yàn)在信息系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)自主可控的策略，執(zhí)教教師采用了“為什么—怎么做—是什么”的邏輯主線，讓學(xué)生經(jīng)歷了對(duì)自主可控先抽象再具體、先模糊再清晰、先零散再系統(tǒng)的遞進(jìn)式認(rèn)知過(guò)程。

首先以1993年銀河號(hào)事件引入，讓學(xué)生清醒地認(rèn)識(shí)到“為什么”要自主可控，明白落后就要挨打，意識(shí)到自主可控技術(shù)對(duì)國(guó)家安全的重要意義，自主可控的需求自然發(fā)生。

有了強(qiáng)烈的自主可控需求，學(xué)生必然想知道“怎么做”才能實(shí)現(xiàn)自主可控。通過(guò)開(kāi)展“應(yīng)用北斗定位跟蹤導(dǎo)彈位置”微項(xiàng)目，有效地將知識(shí)學(xué)習(xí)與技術(shù)實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。學(xué)生在明確該系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，選擇合適的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方式，連接設(shè)備，調(diào)試腳本和參數(shù)，真真切切地搭建了可以實(shí)際運(yùn)行的定位跟蹤系統(tǒng)，較好地體驗(yàn)了核心技術(shù)的自主可控。隨后，學(xué)生利用自己制作的信息系統(tǒng)，獲取到精確的經(jīng)緯度值，然而卻未能如預(yù)期的那樣準(zhǔn)確判斷出當(dāng)前的地理位置，執(zhí)教教師及時(shí)把握認(rèn)知沖突，在“查詢導(dǎo)彈的地理位置”活動(dòng)中，以問(wèn)題引發(fā)學(xué)生自主思考，輔以視頻，讓學(xué)生深刻理解現(xiàn)象背后的本質(zhì)：數(shù)據(jù)的加密導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的“失真”，而數(shù)據(jù)的“失真”又保證了數(shù)據(jù)的安全。

自主可控程度和多重因素相關(guān)，如果將每一項(xiàng)自主可控因素都展開(kāi)學(xué)習(xí)，在有限的課堂時(shí)間里是不切實(shí)際的。在項(xiàng)目拓展環(huán)節(jié)，執(zhí)教教師引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題觀看微視頻，由點(diǎn)及面，讓學(xué)生對(duì)自主可控“是什么”的認(rèn)識(shí)，由模糊逐漸變得清晰起來(lái)，最終完成了對(duì)自主可控的全面認(rèn)知。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，這一微項(xiàng)目通過(guò)對(duì)“應(yīng)用北斗定位跟蹤導(dǎo)彈位置”的仿真模擬，不僅讓學(xué)生在真實(shí)情境下進(jìn)行探究實(shí)踐，提升了解決真實(shí)問(wèn)題的能力，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的民族自豪感和自主原創(chuàng)精神。

（點(diǎn)評(píng)人：江蘇省鹽城市教育科學(xué)研究院 曹恒來(lái)）