第三十课 系统安全需升级 教学设计 2024—-2025学年人教版（2024）初中信息科技八年级全一册

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八年级信息技术义务教育版教学设计
课题 系统安全需升级 单元 第六单元 学科 信息技术 年级 八年级
学习目标 1.掌握摄像头活体检测的原理和方法，能够运用相关算法实现简单的活体检测功能，如通过面部动作识别防止照片欺骗，理解深度摄像头采集三维特征在提升安全性方面的优势。2.理解身份认证技术在物联系统中的重要性，学会设计并实现简单的身份认证方案，包括选择合适的认证方式（如用户名和密码）、进行数据存储和验证，能够编写代码实现身份认证功能并进行测试。3.了解数据加密传输的意义和基本原理，掌握一种加密算法对物联门锁系统传输数据进行加密，确保数据在网络传输过程中的安全性，防止用户名和密码等敏感信息泄露。
重点 1.摄像头活体检测功能的实现，包括算法设计（面部动作识别、深度摄像头应用）和代码编写，理解其在防止欺骗方面的作用。2.身份认证方案的设计与实现，如用户名和密码认证方式的应用，涉及数据存储、解析和验证过程，确保系统能准确识别合法用户。3.数据加密传输的实现，选择合适加密算法并应用到物联门锁系统中，保障传输数据的保密性。
难点 1.设计高效、准确的活体检测算法，尤其是应对复杂的欺骗手段（如视频欺骗），需要综合考虑多种因素，如面部特征识别精度、算法复杂度和实时性。2.身份认证方案中的安全性保障，如防止密码泄露、应对暴力破解等攻击方式，涉及密码加密存储、安全传输和验证机制优化等问题。3.加密算法在物联门锁系统中的正确应用和优化，确保加密过程不影响系统性能，同时保证加密效果，这需要学生对加密算法原理有深入理解并能根据系统需求进行调整。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 1.回顾物联门锁系统的设计与实现过程，展示物联门锁系统的工作场景图片或视频，提问学生该系统可能存在的安全隐患，引导学生思考之前学习的物联网安全知识如何应用到物联门锁系统中。2.提及摄像头可能被照片欺骗的问题，引出本节课主题——系统安全需升级，强调提升物联门锁系统安全性的重要性，激发学生学习兴趣，让学生明确本节课将学习如何通过多种技术手段保障物联门锁系统安全。 倾听老师讲解 激发学生的学习兴趣，让从问题中进行思考，从而引出本节课的学习内容
讲授新课 一、体验摄像头活体检测1.活体检测思路讲解展示照片欺骗摄像头导致安全漏洞的案例图片或视频，详细解释攻击者如何利用照片绕过普通人脸识别系统。提出活体检测的概念，即通过识别用户的真实生物特征动作来确认用户身份真实性，介绍常见的活体检测方式，如面部动作识别（张嘴、眨眼等）、指纹动态检测等，重点讲解面部动作识别在物联门锁系统中的应用原理。组织学生讨论面部动作识别相对于传统人脸识别的优势，如增加了活体检测维度，降低被欺骗风险等，引导学生思考如何设计有效的面部动作序列以提高安全性，鼓励学生积极发言分享想法。2.设计活体检测算法展示活体检测算法的流程图或伪代码示例，讲解算法实现的基本步骤，如摄像头图像采集、面部特征提取、动作识别算法设计、与预设动作模板对比等。结合代码片段详细解释关键部分的实现原理，如如何使用图像处理库检测面部特征点（眼睛、嘴巴等）的位置变化来判断张嘴、眨眼动作，如何设置动作识别的阈值（如眨眼次数、张嘴持续时间等）以平衡准确性和用户体验。引导学生思考如何优化算法以提高检测准确性和实时性，如采用更先进的图像处理算法、优化代码结构减少计算量等，组织学生进行简短讨论并分享观点。3.代码实现与演示指导学生在编程环境中打开物联门锁系统项目，根据讲解的算法思路和代码示例，尝试在原有人脸识别代码基础上添加活体检测功能代码，教师巡视各小组，及时帮助学生解决代码编写过程中遇到的语法错误、函数调用问题等。邀请部分学生展示其实现的活体检测功能，现场演示使用照片和真人进行测试，观察门锁系统的反应，其他学生进行观察和评价，教师针对演示过程中出现的问题进行总结和分析，如活体检测失败的原因（动作不标准、算法参数设置不合理等），进一步加深学生对活体检测算法的理解和应用能力。二、探究身份认证技术1.设计身份认证方案提出问题：“如何在物联门锁系统中设计一种有效的身份认证方案？”组织学生分组讨论，引导学生思考不同的身份认证方式及其优缺点，如用户名和密码、指纹识别、智能卡认证等。要求每个小组根据讨论结果填写身份认证方案设计表格，包括方案名称、身份认证方式、设计理由等内容，鼓励小组之间相互交流和借鉴，教师巡视各小组，参与讨论并提供指导和建议，帮助学生完善方案设计。每组选派代表展示其设计方案，其他小组进行提问和评价，教师进行总结和点评，重点强调用户名和密码认证方式在实际应用中的普遍性和易用性，以及需要注意的安全问题（如密码强度、防止密码泄露等），同时对其他创新的认证方式给予肯定和鼓励，拓宽学生的设计思路。2.模拟实现用户身份认证功能数据存储部分讲解在物联门锁系统中存储用户名和密码数据的方法，如使用列表、字典或数据库等方式，展示代码示例，说明如何将用户信息进行初始化存储，强调数据存储的安全性要求，如避免明文存储密码，可采用加密算法对密码进行存储。指导学生在代码中添加数据存储结构，将预设的用户名和密码信息存储到相应的数据结构中，教师检查学生的代码实现，确保数据存储正确无误。身份认证部分详细讲解如何利用split()函数解析接收到的包含用户名、密码和指令的消息，展示代码示例，解释如何提取用户名和密码信息并与存储的数据进行对比验证，介绍密码验证的常用方法（如哈希算法对比），强调密码验证过程中的安全性措施，如防止密码在验证过程中被泄露。指导学生在代码中添加身份认证逻辑，根据解析和验证结果决定是否执行开锁动作，教师巡视指导，帮助学生解决代码逻辑错误和调试问题，确保身份认证功能正常运行。测试部分指导学生模拟非授权用户发送开锁消息，观察系统的反应，检查舵机是否转动，验证身份认证功能的有效性，要求学生记录测试结果，包括成功和失败的情况及原因分析。组织学生分享测试过程中遇到的问题和解决方法，教师进行总结和归纳，针对常见问题进行集中讲解，如消息格式错误导致解析失败、密码验证不通过等问题的排查和解决方法，加深学生对身份认证功能实现过程的理解。三、巧用数据加密传输1.问题引入与原理讲解以生活中多个平台使用相同用户名和密码导致数据泄露风险的案例引入，强调数据在网络传输过程中加密的重要性，如用户在物联门锁系统中输入的用户名和密码如果以明文形式传输，容易被黑客窃取，进而危及用户其他平台账号安全。简单介绍数据加密传输的基本原理，如对称加密和非对称加密的概念，通过简单图示或比喻帮助学生理解加密和解密过程，对比两种加密方式的优缺点及其适用场景，如对称加密速度快适用于大量数据加密，非对称加密安全性高适用于密钥交换和数字签名等场景。2.选择加密算法与实践操作根据物联门锁系统的特点和需求，选择一种适合的加密算法（如AES对称加密算法），详细讲解该算法的基本原理、加密过程和解密过程，展示算法的数学公式或逻辑流程（以简单易懂的方式），让学生对加密算法有初步的理论认识。指导学生在物联门锁系统代码中添加数据加密传输功能，包括如何生成加密密钥、如何在发送端对用户名和密码数据进行加密、如何在接收端进行解密并还原原始数据，教师提供代码框架和关键函数调用示例，帮助学生理解代码实现思路，巡视指导学生编写代码，及时解决学生在加密算法应用过程中遇到的问题，如密钥管理、加密函数参数设置等问题。学生完成代码编写后，进行测试验证加密传输功能是否正常，即发送加密后的用户名和密码数据，观察门锁系统是否能正确接收和解密数据并进行身份认证，记录测试结果，教师对测试过程中出现的问题进行分析和解决，确保学生掌握数据加密传输在物联门锁系统中的应用。 通过学习，了解体验摄像头活体检测等相关知识内容 通过几个学习活动让学习开始掌握本节课的重点及难点
课堂练习 提出问题：“在物联门锁系统安全升级过程中，除了本节课学习的技术手段，还可以采用哪些创新方法来提高系统安全性？”组织学生分组讨论，鼓励学生从硬件设备改进（如使用更高级的传感器）、多因素认证（如结合生物特征和密码）、安全协议优化等方面进行思考和讨论。每个小组推选代表发言，分享小组讨论的创新方法和思路，其他小组可以进行补充和提问，教师进行总结和点评，引导学生进一步拓展思维，培养创新意识，同时将讨论结果与实际物联网安全发展趋势相结合，让学生了解行业前沿动态。 提出相关问题，让学生之间进行相互讨论 进一步导引学生思考在实践过程中遇到的相关问题知识
课堂小结 1.与学生一起回顾本节课重点内容，包括摄像头活体检测的原理和实现方法（面部动作识别、深度摄像头应用及算法优化）、身份认证方案设计与实现（用户名和密码认证方式、数据存储与验证）、数据加密传输的原理和实践（加密算法选择与应用），强调这些技术手段在提升物联门锁系统安全性方面的重要作用，以及在物联网系统安全保障中的普遍性意义。2.提问学生在本节课中的学习收获，如对系统安全技术的新认识、在小组合作中的体会、在实践操作中遇到的问题及解决方法等，引导学生进行总结反思，培养学生自主学习和知识迁移能力，鼓励学生将所学安全技术应用到其他物联网项目或日常生活中的信息安全保护中。 引导学生总结自己本节课的学习收获 对本节课的学习进行总结
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