《自主可控的信息系统》教学设计

学习内容分析

信息系统是教科版高中信息技术必修2中的内容，介绍了信息系统的组成、功能、集成、开发设计和安全等，但没有明确指出自主可控的学习要求。自主可控是保障系统安全运行的重要手段，自主可控对保障国家信息安全具有重要意义。自主可控意味着信息安全容易治理，产品和服务一般不存在恶意后门，并可以不断改进或修补漏洞，具体来说，就是全面掌握产品核心技术，实现信息系统从硬件到软件自主开发的全程可控，并对自身产生的数据能够自主管控，确保数据安全。

学习者分析

本节课的学习对象是高一学生，这个阶段的学生逻辑思维趋于严密，具有很强的自主意识，具备一定的探究能力，喜欢通过自己动手实践获得新知。在程序设计方面，他们多次经历从问题到程序的思考过程，能够编写简单的Python程序，但是使用图形化编程语言Mind+的经验不多。在信息系统方面，他们有信息系统的使用经验，但缺少独立设计信息系统的经历，对信息系统核心概念的理解缺乏深度。

学习目标

①理解自主可控的概念，了解自主可控与核心技术、硬件、软件、数据安全等多种因素相关。

②体验信息系统的模块化设计，经历信息系统的设计过程，感受信息系统中核心技术和数据的自主可控。

③增强自主可控意识，明确自主可控对国家安全的重要意义。

教学过程

1.项目引入，银河号的启示

活动1：观看视频，结合以下问题，对该案例进行分析。

①银河号为什么会失去方向？（美国恶意关闭了GPS信号）

②为什么美国可以关闭GPS信号？（GPS是美国政府研发建立的）

③如何才能摆脱这种受制于人的局面？（需要自主研发导航定位系统，只有把核心技术掌握在自己手中才能实现自主可控）

分析：GPS是美国政府研发建立的，美国恶意关闭了GPS，导致银河号失去方向。我们只有自主研发导航定位系统，把核心技术掌握在自己手中才能实现自主可控。

项目提出：2020年6月23日，北斗卫星导航系统组网成功后，在很多领域得到了广泛应用，让我们模拟北斗助力导弹发射的情境，自己动手设计一个“应用北斗定位跟踪导弹位置”微项目。

设计意图：借助1993年美国恶意关闭GPS，导致银河号在印度洋失去方向这一历史事件，抛出问题“如何摆脱受制于人的局面”，引发学生思考自主可控的必要性，继而提出完成“应用北斗定位跟踪导弹位置”微项目。

2.项目实施，模拟北斗应用

活动2：需求分析，硬件搭建。

（1）分析“应用北斗定位跟踪导弹位置”微项目的基本功能（如下页表1）。（获取导弹发射过程中的实时位置，并传输回地面控制中心）

（2）学生分组（3人一组），明确各人的工作职责（如表2）。

（3）设计硬件结构（如下图）。

（4）根据结构图完成硬件连接。

活动3：编写脚本，获取导弹实时经纬度。

①阅读并分析脚本，完善现有程序。

②将程序烧录至主控板。

③硬件工程师将设备带至开阔地模拟导弹飞行，软件工程师通过DFRobot物联网接收导弹实时位置。

思考：导弹的位置信息是由我国北斗卫星导航系统提供的，会不会出现失去位置的问题？

小结：卫星定位这个核心技术真正做到了自主可控，不会有被“卡脖子”的隐患。

设计意图：通过前一阶段的学习，学生已经能够初步分析典型的信息系统，但对硬件的认知仅仅局限于一个个名字，活动2的目的是帮助学生理清系统功能和硬件组成。由于多数学生没有Mind+软件的编程经验，因而教师提供了半成品程序，图形化的积木编程可以把学生精力集中到实现功能的关键脚本上，而不用过多关注语法细节方面的问题。这个环节旨在让学生感受核心技术是如何掌握在自己手中的，自主可控又是如何实现的。

3.查询位置，感知数据可控

活动4：查询导弹的地理位置。

（1）利用百度地图拾取坐标系统，并根据获取的经纬度值查询导弹的地理位置。

（2）思考：为什么根据北斗测量到的经纬度值查询到的位置不是真实的地理位置？会不会是误差造成的呢？

小结：根据精确的经纬度可以准确判断当前的地理位置，然而在百度地图上通过经纬度获取的位置与实际位置偏移很大（约1公里），很明显这不是正常误差。

（3）观看视频，了解火星坐标系统，感受数据可控。

小结：国家为了电子地图安全，要求地图服务商使用地图保密插件，将实际坐标加密成虚拟的坐标，这样就有效保证了地图数据的安全和自主可控。这个加偏并不是线性的加偏，所以各地的偏移情况都会有所不同。加密后的坐标常被称为火星坐标系统。

设计意图：根据已有的经验和认知，多数学生会认为，有了精确的经纬度可以判断当前的地理位置，但事实上偏移很大，通过这样的认知冲突引发学生思考造成该现象的原因。再通过教师的点拨，揭示现象背后的实质：数据已成为信息时代的基础性战略资源，核心数据的自主可控是国家安全体系的重要组成部分。

4.项目拓展，感受自主可控

除了定位技术和基础数据，在我国信息化建设过程中，还要在哪些核心环节实现自主可控，才能维护国家的信息安全？

活动5：观看微视频，思考以下问题：

①视频中涉及哪些应用？

②在这些应用中，实现了哪些方面的自主可控？

③思考什么是自主可控，并绘制关于自主可控的思维导图。

小结：自主可控技术就是依靠自身研发设计，全面掌握产品核心技术，实现信息系统从硬件到软件的自主研发、生产、升级、维护的全程可控，并能够自主管控产生的数据，确保数据安全可靠、不被泄露。

设计意图：通过观看视频让学生进一步感受到在信息化建设过程中，还需要在哪些环节实现自主可控，进而提炼出什么是自主可控，并将思考的结果绘制成思维导图。学生对自主可控的理解逐渐由模糊到清晰，建构起对自主可控的全面认知。

5.思维导图，梳理自主可控

展示学生绘制的思维导图，进一步梳理自主可控的概念。

设计意图：绘制思维导图的过程是学生自主组织、梳理知识的过程，由于知识内化能力和总结概括能力的局限，学生往往很难凭借一己之力绘制出完善的思维导图，这时展示思维导图就显得尤为重要。这个环节不仅仅是反馈和评价，更重要的是互相启迪、互相学习，通过展示多个学生的思维导图，让学生二次梳理自主可控概念，共同建构完整的自主可控知识图谱。

点评

自主可控是我国信息化建设过程中保护信息安全的重要目标之一，对国家安全有着重要意义。为了帮助学生理解什么是自主可控，明确自主可控的战略意义，体验在信息系统中实现自主可控的策略，执教教师采用了“为什么—怎么做—是什么”的逻辑主线，让学生经历了对自主可控先抽象再具体、先模糊再清晰、先零散再系统的递进式认知过程。

首先以1993年银河号事件引入，让学生清醒地认识到“为什么”要自主可控，明白落后就要挨打，意识到自主可控技术对国家安全的重要意义，自主可控的需求自然发生。

有了强烈的自主可控需求，学生必然想知道“怎么做”才能实现自主可控。通过开展“应用北斗定位跟踪导弹位置”微项目，有效地将知识学习与技术实践结合起来。学生在明确该系统基本功能的基础上，选择合适的传感器和数据传输方式，连接设备，调试脚本和参数，真真切切地搭建了可以实际运行的定位跟踪系统，较好地体验了核心技术的自主可控。随后，学生利用自己制作的信息系统，获取到精确的经纬度值，然而却未能如预期的那样准确判断出当前的地理位置，执教教师及时把握认知冲突，在“查询导弹的地理位置”活动中，以问题引发学生自主思考，辅以视频，让学生深刻理解现象背后的本质：数据的加密导致了数据的“失真”，而数据的“失真”又保证了数据的安全。

自主可控程度和多重因素相关，如果将每一项自主可控因素都展开学习，在有限的课堂时间里是不切实际的。在项目拓展环节，执教教师引导学生带着问题观看微视频，由点及面，让学生对自主可控“是什么”的认识，由模糊逐渐变得清晰起来，最终完成了对自主可控的全面认知。

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统，这一微项目通过对“应用北斗定位跟踪导弹位置”的仿真模拟，不仅让学生在真实情境下进行探究实践，提升了解决真实问题的能力，还有助于培养学生的民族自豪感和自主原创精神。

（点评人：江苏省盐城市教育科学研究院 曹恒来）