初中信息技术人教版（2024）八年级全一册系统安全需升级教学设计及反思

这是一份初中信息技术人教版（2024）八年级全一册系统安全需升级教学设计及反思，共17页。教案主要包含了教学目标分析，教学内容及重点，教学过程设计等内容，欢迎下载使用。
知识与技能
1.能够阐述提升数据采集安全的方法，如摄像头活体检测的原理及实现方式。
2.能够理解身份认证技术的概念，掌握在物联门锁系统中增加身份认证功能的设计与实现方法。
3.能够了解数据加密传输的重要性，学会根据不同场景选择合适的加密算法对物联门锁系统数据进行加密。
过程与方法
1.通过改进物联门锁系统，增加摄像头活体检测和身份认证功能，提升动手实践能力和解决实际问题的能力。
2.通过小组合作的形式设计身份认证方案和实现数据加密传输，培养学生的团队协作能力和创新思维。
3.通过分析物联门锁系统安全问题及解决方案的过程，提高对物联网安全知识的综合运用能力。
情感态度价值观
1.激发对物联网技术的探索兴趣，积极参与到物联网安全技术的学习与实践中。
2.提高对物联网安全的重视程度，培养信息安全意识。
二、教学内容及重点
教学重点
掌握摄像头活体检测的实现方法，包括增加面部动作识别功能的代码编写和硬件调试。
学会设计和实现物联门锁系统的身份认证功能，理解身份认证的流程和原理。
理解数据加密传输的必要性，掌握基本的加密算法在物联门锁系统中的应用。
教学难点
解决摄像头活体检测中可能遇到的技术问题，如视频欺骗的防范，理解深度摄像头采集三维特征及复杂算法的原理。
优化身份认证方案，解决用户名和密码存储、传输以及与物联网服务平台交互过程中的安全问题。
根据物联门锁系统的安全需求，选择合适的加密算法并正确应用到系统程序中，理解不同加密算法的特点和适用场景。
三、教学过程设计

教学过程
教学内容
教学方法
情景导入
（5分钟）
师：同学们，前面的学习中我们完成的智能门锁系统能识别我的脸就开门。但最近我看到一则新闻——有人用照片就破解了类似系统。这说明我们的系统存在什么安全隐患？
生：系统无法识别真人和照片。
师：没错，今天就让我们化身安全工程师，为门锁打造三重防护盾。

师：我们复习一下之前做过的程序原理，我们通过网络摄像头监测人脸，结果发送给主控板，主控板接收人脸信息并执行开锁的动作，完成了刷脸开锁的功能。

师：我们要如何提高物联门锁系统安全性？

生：我们可以利用活体检测，区别照片和活人。
师：回答的很好，这就是我们今天要解决的第一个问题：活体检测技术。

问题导向学习
知识点一：体验摄像头活体检测（3分钟）
师：物联门锁系统可以增加张嘴、眨眼等面部动作的活体识别功能，摄像头在识别人脸的同时，让用户做张嘴、眨眼等动作，只有成功识别出这些面部动作才会被认为是真人。


学习活动一：体验摄像头活体检测（11分钟）
师：下面我们来对物联门锁系统进行改进，动手实践增加张嘴、眨眼等面部动作的识别功能。

师：我们先要知道利用面部动作识别开锁的核心流程。首先要设置网络及物联网服务平台，这是整个流程运行的基础环境，再从物联网服务平台获取消息，进而得到人脸识别结果，同时获取眨眼和张嘴次数，这些信息用于判断是否为真人操作，然后判断是否人脸识别成功且通过活体检测。如果满足条件，进入下一步；不满足则流程结束；若上述条件判断通过，就执行开锁动作，完成面部动作识别开锁流程。

师：进入网络摄像头的网址，点击生成设备ID号。在编程时我们会用到这个参数。

师：完成体验摄像头活体检测硬件搭建任务所需的设备需要一块主控板，一个摄像头，一个舵机，一个分支，还有一根4pin连接线。电脑自带摄像头的话就不用外接USB摄像头。

师：用4PIN线将分支连接在主控板的P0、P1引脚，舵机连接在分支的S1接口，将USB摄像头连接到电脑上。用数据线连接主控板和电脑。

师：接下来编写摄像头活体检测系统程序，打开mPythn软件，连接WiFi，连接网络摄像头，右键指令，点击帮助可以直接打开网络摄像头网页，复制生成的设备ID，填写网络摄像头ID。主循环中，将变量msg设定为推理结果字典。将变量status设定为字典msg键status的值，若这个值等于1即识别到人脸。将变量blink设定为字典msg键blink的值，这个值代表眨眼的次数。将变量muth设定为字典msg键muth_pen的值，这个值代表张嘴的次数。如果检测到人脸并且眨眼张嘴次数大于1，执行pen函数，舵机转动模拟开门。

师：代码版如图所示。

师：点击“刷入”，将程序刷入主控板中。
师：下面进行功能演示，对摄像头张嘴、眨眼等面部动作的进行活体检测。识别成功后，舵机转动。

师：同学们，这样的活体检测是否绝对安全？如果攻击者用一段AI生成的动态视频模拟眨眼动作呢？是的，这仍然存在风险！因此，需要更加复杂的算法来提升门锁的安全性。

讲授法
实践操作法
知识点二：探究身份认证技术（4分钟）
师：在物联门锁系统中，还存在一个远程控制开锁功能，它是通过门锁在MQTT服务器中订阅主题“Dr/Lck”，如果收到消息“pen”，则开锁。这就意味着任何人只要接入了该MQTT服务器，都可以向门锁发送“pen”指令打开门锁，就会有坏人利用这个功能打开门锁，进而引发安全风险。

师：同学们想一想，你们在生活中遇到了哪些需要验证身份数据的情况？
生：开锁、设置权限、访问管理界面时。

师：我们告知物联门锁身份数据可以用智能卡、生物识别、手机APP等传输。而且存储用户名密码在主控板不便易泄密，管理难，扩展性差。

讲授法
学习活动二：探究身份认证技术（12分钟）
师： 下面我们来尝试在物联门锁系统中增加身份认证功能。也就是通过MQTT服务器向门锁发送开门消息时附带上用户名和密码，门锁主控板接收到开锁消息后，将用户名和密码与存储的用户数据进行比对，比对成功才执行开锁动作。

师：请同学们以小组为单位提出一个物联门锁系统身份认证设计方案，填写身份认证方法和设计理由。
生：设置用户名和密码、人脸识别

师：如果采用方案一，增加用户名和密码的身份识别认证方式。为了模拟实现用户身份认证功能，我们可以增加数据存储，可以采用列表等方式存储用户名、密码等数据。例如用户名“陈玉”，密码“10043”和备用密码“76900”等。

师：下面我们一起来模拟实现身份认证功能。首先配置物联网服务平台。进入“掌控IOT”平台，点击项目管理，添加项目主题和两个设备。记录这些参数，待会编程的时候会用到。

师：完成探究身份认证技术的硬件搭建任务所需的设备需要两块主控板，一个舵机，一个分支，还有一根4pin连接线。

师：我们把舵机与分支相连，再将分支通过4pin连接线和接收端主控板相连，注意连接方式和接口位置。

师：接下来编写探究身份认证技能发送端主控板的程序，打开mPythn软件，在人教版扩展库（educre）中拖出代码。输入主控板连接的无线热点、MQTT服务器的设备参数。程序的逻辑是按下A键，发送用户名和密码到服务器，为了验证非授权的用户名和密码的结果，设置按下B按键发送非授权的用户名和密码。

师：代码版如图所示。

师：点击“刷入”，将程序刷入发送端主控板中。

师：还要编写探究身份认证技能接收端主控板的程序，打开mPythn软件，在人教版扩展库（educre）中拖出代码。采用列表等方式存储用户名、密码等数据，利用 split()解析数据，进行数据对比后决定是否执行开锁动作,如果可以被分割为3个字段则说明该消息符合要求，就可以解析出发送过来的用户名、密码和指令,在认证成功的情况下，如果收到pen 指令，就控制舵机转动。

师：代码版如图所示。

师：点击“刷入”，将程序刷入接收端主控板中。

师：下面我们来进行身份认证的功能演示，使用非授权用户账号向MQTT服务器发送开锁消息后，检查舵机是否转动。只有发送授权后的账号舵机才会转动。

讲授法
实践操作法
分组合作法
知识点三：巧用数据加密传输（4分钟）
师：同学们在生活中，很多人都习惯在不同的系统中使用相同的用户名和密码。一旦某个系统的数据泄露，用户在其他平台上的数据安全也会受到威胁。而在物联门锁系统中增加身份认证会显著提高该系统的安全性。但用户名、密码数据在网络传输过程中使用明文，有泄露的风险。对此我们可以通过对传输数据进行加密，更好地解决数据传输过程中的泄露问题。

师：同学们要知道数据的传输可以根据具体应用场景需求选择合适的加密算法，如物联门锁系统的安全需求可选择对称加密、非对称加密等，所采用的加密算法也会有所不同。

讲授法
拓展与提升（3分钟）
师：下面同学们来进行拓展与提升活动：选择一种加密算法对物联门锁系统中传输的数据进行加密，修改物联门锁系统的程序，实现该功能。

师：假设我要发送pen指令，用凯撒密码加密：明文→pen → 每个字母+3 →密文→rshq。接收方需要反向解密。但这种方法安全吗？请尝试破译这条密文：hajhq
生：破译密文：kdmku
师：知道了规则后破译也很简单，所以现代加密需要更复杂的算法。

讲授法
课后作业（1分钟）
师：课后请同学们在课后仔细研读教材中物联门锁系统增加面部动作识别及身份认证功能的代码，为关键代码行添加详细注释，阐述其功能和作用。


课堂小结与评价
（2分钟）
本节课，我们学习了摄像头活体检测防欺骗，身份认证技术保开锁安全和如何给数据加密传输避信息泄露。安全没有终点，不断升级技术能提升安全性。


教学反思
1.反思点：深度摄像头三维特征采集及加密算法原理，学生理解困难，应用时选择和操作有问题。硬件调试和代码编写不熟练，操作耗时多、错误多，影响功能实现。学生难以将各安全知识融合到物联门锁系统，方案设计有漏洞。小组分工不明，个别学生主导，教师引导不足，影响合作效果。理论讲解长、实践时间少，操作步骤讲解不清，学生实践效果差。学生知识基础不同，教师分层指导不够，基础薄弱学生学习困难。部分学生兴趣不足，教师未挖掘其兴趣点，教学缺乏针对性。
2.改进措施：用动画、案例讲解复杂原理，组织讨论，加深理解。增加专项练习，讲解常见错误，提供操作指南和代码示例。设计综合任务，开展互评，提升知识综合运用能力。合理分组，明确职责，加强巡视指导。增加实践时间，分步演示操作步骤。按基础分层，设计不同任务和指导方式。了解学生兴趣，结合教学内容，采用多样化教学方式激发兴趣。