资源简介

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第5.1课《物联网物理安全》教学设计
课题 物联网物理安全 单元 第五单元 学科 信息科技 年级 八年级
核心素养目标 信息意识：通过分析物联网系统中的物理安全隐患，增强对硬件连接、设备防护的敏感度，提升在生活场景中重视物联网物理安全的意识。计算思维：理解物联网系统中物理安全保障的流程，帮助学生掌握硬件正确连接、故障排查的逻辑，理解物理安全防护的基本原理。数字化学习与创新：通过小组讨论，结合物联网物理安全案例进行分析，探索不同硬件安全防护方式，激发学生的创新思维和实践能力。信息社会责任：引导学生关注物联网系统的物理安全和设备保护，培养他们在物联网应用中的责任意识，确保系统的安全和可靠运行。
教学重点 通过分析物联网系统中的物理安全隐患，增强对硬件连接、设备防护的敏感度，提升在生活场景中重视物联网物理安全的意识。
教学难点 引导学生关注物联网系统的物理安全和设备保护，培养他们在物联网应用中的责任意识，确保系统的安全和可靠运行。
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5.1课 物联网物理安全单元导入： 物联网系统给我们提供了很多便利，但同时也带来了种种安全隐患，一旦发生安全事故，会给我们带来难以预计的影响，甚至严重干扰我们的正常生活。因此，我们在追求方便的同时，不能忽视物联网的安全问题。依据物联网的层次，其安全问题可以分为物理安全、网络传输安全、数据安全三类。学习目标：1. 了解物理安全的一般含义。 2. 能够主动发现系统中存在的物理安全隐患。3. 认识自主可控技术对保障物联网系统安全的重要性。播放视频活动背景：物联网在物理层面上有大量的硬件装置连接，如大量的传感器节点和规格、类型多样的移动终端，这些设备带来了智能化服务的同时，也可能引发物理安全问题。例如，部分物联网的控制系统依赖于电磁控制，在断电情况下，门、窗等装置会自动打开或锁死。如果不法分子利用这一特点，切断物联网的控制电源，就可能会导致用户出现损失。小贴士：重视设备安装环境安装物联网设备时，要选合适环境。像温湿度传感器，别装在空调出风口或暖气片旁，不然采集数据会不准。户外设备得做好防水、防雷，比如给摄像头加防雨罩、装避雷针，不然恶劣天气易损坏设备，影响系统运行，还可能引发安全问题。 单元导入了解学习目标了解活动背景 了解本单元的学习内容帮助学生初步了解本课学习任务通过活动背景引导学生了解本课基本内容
讲授新课 新知讲解：一、案例分析一：壮壮设计的智能大棚硬件接线原理图如图5-1-1所示。在实际接线的过程中，他将继电器模块的 VIN 端与 VOUT端接反了，结果物联网系统未按照设定目标工作，控制器也差点烧坏了。继电器的使用比较简单，输入端一般是给继电器供电的，可以连接电源适配器、电源线电池盒等;输出端是连接需要被控制的执行器，比如水泵、LED灯条、电磁锁等(图5-1-2)一旦接反，后果不堪设想。像案例中这样的安全事故，我们认为是物联网系统的物理安全出现了问题。物理安全是系统安全的前提，也是保障物理设备安全的第一道防线。物理安全出现问题会导致物联网系统存在风险，例如:环境事故造成整个物联网系统瘫痪;电源故障造成设备断电，以致系统引导失败或物联网数据库信息丢失;报警系统设计不足或失灵可能造成事故等等；硬件设备的安全性能直接决定物联网系统的保密性、完整性、可用性;信息系统所处物理环境的优劣直接影响信息系统的可靠性，其自身的物理安全问题也会对系统的保密性和完整性、可用性带来安全威胁。小贴士：规范硬件连接操作连接硬件设备要严格按说明书来。接线前确认端口功能，像继电器 VIN 和 VOUT 端不能接反。操作时断电，防止短路烧坏设备。同时，整理好线路，避免缠绕、挤压，减少故障风险，保障物联网系统稳定。二、思考：生活中常见的物联网系统还存在哪些物理安全问题？请举例说明。智能门锁隐患：智能门锁依赖电磁控制，若控制电源被切断，门锁可能自动开闭，给用户财产与人身安全带来威胁，影响正常使用与家居安全。窗帘电机问题：智能窗帘电机安装不牢易受外力破坏，如被撞或故意损坏，导致窗帘无法正常开关，影响使用体验，需做好安装防护。摄像头防护：智能摄像头若安装位置防护不足，易遭恶意破坏或挪动，无法正常监控环境，起不到安全防范作用，需重视安装防护。三、探究：探究目标:智能大棚中温度传感器放置位置与实现效果的关系。探究准备:智能大棚。探究过程:在搭建好的智能大棚中放置多个温度传感器，并将它们分别放在不同的位置查看采集到的数据有何不同。(1)当温度传感器放在智能大棚主控板旁边时，主控板采集到的温度偏高。 这是因为受主控板热量影响。(2)当温度传感器放在智能大棚其他位置时，主控板采集到的温度相对准确。 这是因为反映位置实际温度。探究结果:(1)物联网系统的安全性包括物理安全、网络传输安全及数据安全，上述温度传感器的不同摆放位置对物联网系统的影响属于物理安全。 (2)物联网物理安全与A息息相关。A.硬件设备 B.软件系统 C.网络四、阅读：物联网物理设备安全漏洞案例 一、医疗器械漏洞心脏起搏器(图5-1-3)自1958年首次被应用于临床后，已经挽救了成千上万个患者的生命。由于事关人命，心脏起搏器必须是极其可靠的，但是早年心脏起搏器也曾有过巨大的安全漏洞。每名患者的情况都不同，甚至同一名患者的心脏状况也会随着时间而变化。因此，现代心脏起搏器可以根据具体情况而灵活设置，这需要通过编程器实现。编程器可以通过无线电波与患者体内的起搏器实现通信，并在不进行手术的情况下调整起搏器的设置。正是这个通信编程机制产生了大量安全隐患，2017年，研究者发现编程器存在很多程序漏洞某品牌的心脏起搏器甚至可以被远程控制，极易遭受黑客攻击。二、电动汽车充电桩漏洞电动汽车在全球范围内的使用量快速增长，大大促进了私人和公共电动汽车充电设备的安装(图5-1-4)。然而，部分充电桩本身存在多个漏洞，黑客若通过这些漏洞对充电系统发起攻击，会造成较为严重的破坏。比如:阻止合法用户充电，通过发送消息停止充电;通过电动汽车自带的控制系统操控启停;通过同步停止、启动多个充电桩，导致电网稳定性出现问题。三、摄像机系统漏洞某品牌摄像机系统的组成部分包括摄像头(图5-1-5)、控制器(与摄像头通信的智能手机应用程序)和中继服务器三部分。在连接到网络之前，每个摄像机都必须在服务器上注册。若攻击者通过漏洞获得有效地址，同时按照与摄像机用户相同的步骤绑定并注册到服务器，进一步向中继服务器发送请求，命令中继服务器用包含原始摄像机认证信息的数据包响应，便可轻松从认证信息中提取用户密码。一旦获得密码，摄像机将被攻击者完全控制。四、交通信号灯漏洞2020年6月，德国一家安全公司研究员发现某品牌信号灯控制器存在严重漏洞(图5-1-6)。该交通信号灯控制器有一个可调试的开放端口，黑客可以利用这个漏洞操控交通信号灯，随意切换红绿灯，造成交通瘫痪，乃至引发交通事故，给人们的生命安全埋下隐患。硬件设备的安全性能直接决定了物联网系统的保密性、完整性、可用性，这也意味着自主可控技术对保障物联网系统安全的重要性。适合搭建物联网平台的硬件有很多，而我国自主研发可控的硬件平台是我们的第一选择。小贴士：关注设备日常维护物联网设备需定期维护。定期检查硬件，看有无松动、老化。比如智能大棚里的传感器，要擦干净感应部分，保证数据准确。及时更新设备固件，修复安全漏洞，提升系统安全性，让设备长期可靠运行。五、马上行动：请同学们上网搜索可以作为物联网系统主控的硬件，并完成表5-1-1。名称图片国产进口优点缺点STM32 开发板部分国产是性能强大，资源丰富，有众多的库和例程支持，适用于复杂的物联网项目开发学习曲线较陡，对于初学者来说有一定难度，价格相对较高Arduino Uno否是入门简单，有丰富的社区支持和大量的开源项目，适合快速原型开发性能相对较弱，处理复杂任务时可能力不从心ESP32 开发板部分国产是集成 WiFi 和蓝牙功能，性价比高，适合物联网的无线连接应用稳定性在某些复杂场景下可能不如一些高端开发板树莓派（Raspberry Pi）否是功能强大，可运行完整的操作系统，支持多种外设和软件，适用于复杂的物联网系统价格相对较高，对于一些简单的物联网项目可能过于复杂51 单片机开发板是否成本低，结构简单，适合学习单片机基础知识和简单的物联网应用开发性能较低，资源有限，处理复杂任务困难六、课堂练习： 完成课件25-26页的课堂练习题七、拓展延伸：传感器校准技术 传感器是物联网数据采集的关键。随着使用时间增加，可能出现误差。传感器校准技术通过特定算法和操作，修正传感器测量偏差。比如温湿度传感器，定期校准能让数据更准确，像在智能大棚中，校准后的温湿度传感器能精准调控环境，助力植物生长。硬件加密技术 硬件加密技术是保障物联网设备物理安全的重要手段。它通过在硬件层面实现加密算法，对设备存储和传输的数据进行加密保护。例如一些高端的物联网主控芯片，内置了硬件加密模块，能有效防止数据在物理层面被窃取和篡改，为物联网系统构建起一道坚固的安全屏障。设备状态监测技术 设备状态监测技术可实时掌握物联网设备运行状况。借助各类传感器和监测算法，能及时发现设备异常。如智能工厂里的物联网设备，该技术可监测电机振动、温度等参数，一旦出现异常，系统能快速预警，避免设备故障引发生产事故，保障物联网系统稳定运行。 阅读案例分析一阅读小贴士完成思考练习题完成探究完成阅读阅读小贴士完成马上行动完成课堂练习补充三个额外知识点 通过阅读案例分析一，了解互联网物理安全是什么阅读小贴士补充额外知识，了解硬件连接规范操作通过完成思考练习题，明白物理安全的种类，培养学生解决问题的能力完成探究练习题，培养学生独立动手能力通过阅读理解物联网物理设备的漏洞隐患通过阅读小贴士，补充额外知识，了解日常维护的重要性完成马上行动，了解物联网系统主控的硬件的优缺点以及重要性培养学生独立思考能力，了解学生本节课吸收情况补充学生课外知识
课堂小结 物联网物理安全1.进行新知内容2.了解物联网物理安全概念3.发现系统中的物理安全隐患4.完成课题练习5.进行相关知识拓展 总结回顾 对本节课内容进行总结概括。
课后作业 完成相关填空题(详情请看课件P32页)观察身边物联网设备的安装环境和物理连接情况，记录可能存在的物理安全隐患。 布置作业 拓展学生的学习能力
课堂板书 观看板书 强调教学重点内容。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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