《信息技术（基础模块）（WPS版）》教案第19课 新一代信息技术概述（四）.docx

课题新一代信息技术概述(四)一了解我国在量子信息领域 的研究成果课时2 课时(90 min )教学目标知识技能目标：(1 )掌握量子信息的概念(2) 了解量子信息的研究领域(3) 了解量子信息的应用场景思政育人目标：培养学生理解新一代信息技术对人们的生产生活所产生的影响，认同并维护我国科 教兴国战略，自觉培养创新意识，勇担民族复兴使命，发扬时代精神。教学重难点教学重点：量子信息的概念、研究领域 教学难点：量子信息的应用场景教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材、APP教学设计第1节课：课前任务T考勤(2min) T问题导入(5 min )一传授新知(38 min )第2 1课：效果展小(5 min )一任务头施(20 min )一头操练习(15 min )一课堂小 结(3 min )一作业布置(2 min )教学过程主要教学1容及步阳我设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同 学通过APP或其他学习软件，完成课前任务请大家提前预习本节课知识，熟悉量子信息的概念、研究领域、 应用场景。【学生】完成课前任务通过课前任务， 使学生提前熟悉 量子信息的概念、 研究领域、应用场 景考勤(2 min)【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组 织纪律性，掌握学 生的出勤情况问题导入(5 min)【教师】提出以下问题：什么是量子?什么是量子信息？【学生】思考、举手回答通过问题导入 的方法，引导学生 主动思考，激发学 生的学习兴趣【教师】通过学生的回答引入要讲的知识传授新知(38 min)-量子信息是什么【教师】通过多媒体展示量子信息是什么量子信息是一种由量子力学与信息技术相结合的新型技术，通 过运用量子力料的理论知识进行信息的采集、处理和传输。【学生】聆听、记录、理解【小组讨论】在学习或生活中，你接触过理解量子信息吗？ 小【学生】小组讨论，并由小组代表上台发表讨论结果+【教师】通过学生的讨论结果，引出新知二、量子信息的研究领域【教师】通过多媒体展示量子信息的研究领域当下，量子信息存在众多细分领域，但总的来说，它主要致力 于量子通信、量子计算和量子测量3个方面。(1 )量子通信。量子通信是利用量子叠加和量子纠缠进行信息 传递的新型通信方式，它基于量子力学抑勺量子测量坍缩、不可分 害！1、不可克隆二大原理提供无法被窃听和计算破解的绝对安全性保 证，主要分为量子密钥分发和量子隐形传念两种。(2 )量子计算。量子计算是一种利用量子力学基本原理进行计 算的新型计算模式，主要研究方向为量子计算机和量子算法。从可 计算性的角度来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问 题，但从计算效率上看，由于利用了量子叠加效应，量子算法的计 算效率要远高十传统计算机算法。(3 )量子测量。量子测量基于微观粒子系统及其量子态的精密 测量，完成被测系统物理量的执行变换和信息输出，在测量精度、 灵敏度和稳定性等方面比传统测量技术有明显优势。量子测量主要 包括时间基准、惯性测量、重力测量、磁场测量和目标识别五个方 向，应用涵盖基础科研、空间探测、生物医疗、惯性制导、地质勘 测、灾害预防等领域。作为新一代信息技术，量子信息实现了对现有信息技术软硬件 的优化和革新，突破了传统信息技术软硬件系统的极限，开辟了信 息技术发展的新方向。一旦量子信息获得广泛应用，人类社会将迈 入一个全新的阶段。因此，人们将量子信息的诞生称作第二次量 子革命”。通过教师的讲 解了解量子信息 的概念、研究领域 和应用场景【学生】聆听、记录、理解小【小组讨论】量子信息有哪些应用场景？请把你掌握的知识 在小组内进行分享+【学生】小组讨论，并由小组代表上台发表讨论结果【教师】通过学生的讨论结果，引出新知三,量子信息的应用场景【教师】通过多媒体展示量子信息的应用场景关于量子信息的很多研究尚处在实验室阶段，但也有一些技术 正在走出实验室，在各个领域逐步得到应用，帮助它们实现刖所未 有的跨越式发展。下面介绍量子信息的几种常见应用。1.量子计算机量子计算机是指用量子志表小信息，将量子比特作为信息处理 和存储单兀，采用量子算法和量子编码实现高速计算的新型计算机。传统的电子计算机以0和1 （即比特）作为信息处理单元，一 个信息处理单元只能同时处理一个单状态比特，而量子计算机的信 息处理单元是量子比特,由于量子叠加效应，可同时处理。和1, 这使得量子比特能承载的信息量远高于传统电子比特。例如，4个 电子比特可表示16个数字，但在同一时间只能表K 16个数字中的 其中1个。而4个量子比特却可在同一时间表示全部16个数字。这 意味着，量子计算机的计算能力将随着量子比特数的增加呈指数增 长，利用量子技术制造的光量子计算机可在几秒内完成电子计算机 几十万年才能完成的运算量。量子计算机超强的计算能力为密码分析、气象预报、城市交通 规划、石油勘探、药物设计等需要大规模算力的问题提供了解决方 案，并可模拟高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材 料制造和新能源开发奠定科学基础。2,量子通信网络量子通信网络是一种采用量子通信系统的保密通信网络，具可 在广阔的空间范围内，为大量用户提供绝对安全的网络通信。因此, 量子通信网络被称为信息安全的终极武器，可从根本上解决国 防、金融、政务、能源、商业等领域的信息安全问题。当量子通信 网络得到大规模推广后，人们将无须担心任何信息泄露，也不用担 心网络恶意攻击行为。3.量子雷达量子雷达是一种利用量子力学原理，通过收发量子信号来探测 目标的新型雷达。由于量子的观测坍缩特性，量子雷达发射的光子一旦探测到物体，其量子特性就会发生改变，量子雷达即可立即发 现目标的位置。且由于量子不可复制、不可分割的特点，量子雷达 发射的量子信号无法被拦截和篡改，这使得量子雷达难以欺骗和反 探测，常规雷达难以探测的隐形飞机也可被量子雷达轻松发现。量子雷达具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、反隐身能力强、 不易被敌方电子侦察设备发现和易于成像等优点，在军事和国防领 域（如导弹防御和空间探测）具有极其广阔的应用前景和重大现实 价值。4 .量子导航量子导航是基于各种量子效应和微加工技术的惯性导航系统， 它无须依赖外部的GPS信号即可得到精确的设备位置信息，并可将 传统GPS系统数米的导航距离提升至毫米级别，大大提高导航精度， 这使得量子导航在无人机、潜艇、导弹、直升机等领域有着广阔的 发展前景。5 .量子成像量子成像是利用量子纠缠现象发展起来的一种新型成像技术， 理论上可在所有光学波段获得成像效果良好的图像，比目前最先进 的激光全息成像技术更加强大。目前的量子成像研究多处在实验室 阶段，需要的成像时间普遍较长（一般为数秒），不适于瞬时成像 的场合，但随着日后技术的成熟，量子成像将在航空探测、军事侦 察、远程成像等领域发挥重要作用。【学生】聆听、记录、理解【课堂提问】除了上面的应用领域外，你认为量子信息还可 以应用在哪些领域？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】对学生的回答进行评价和总结第二节课效果展示（5 min）【教师】通过多媒体展示数字人民市的使用，并对其进行简单 介绍2020年10月21日，中华人民共和国国务院新闻办公室举行新 闻发布会。会上，科技部表示，下一步，在十四五局新技术发展的 规划布局上，将按照加快形成新发展格局的战略要求，着力来解决 身质量发展需要与科技创新能力不足的矛盾。其中提到，加强前瞻 部署和大力发展以智能技术和量子技术为特征的新一代高新技术， 打造我国高新技术的先发优势。在本任务中，我们通过资料搜集、信息检索等方式,了解我国使用任务驱动 法教学，通过展示 案例效果，使学生 对要制作的作品 有一个大致了解在量子信息领域的研究成果。 【学生】观看案例效果、聆听 【教师】介绍当前我国在量子信息领域的先进研究成果，安排 学生扫描微课二维码观看视频墨子号量子科学实验卫星 (详见教材)通过查阅资料 来更好地了解我 国在量子信息领 域、量子计算领域 和量子通信领域 的研究成果，增强 学生的民族自豪 感步骤1A通过扫码观看视频和查阅资料,了解当前我国在量子 信息领域的先进研究成果。例如，我国于2016年发射的量子科学实 验卫星墨子号。任务实施(20 min )步骤2A 通过扫码观看视频和查阅资料，了解当前我国在量子 计算领域的先进研究成果。例如，我国于2020年自主研制成功的量 子计算机九章。步骤3 A通过扫码观看视频和查阅资料，了解当前我国在量子 通信领域的研究成果。例如，我国于2017年建设成功的京沪干线， 以及在此基础上建成的天地一体化广域量子通信网络。 【学生】自行扫码观看配套微课，按照要求进行操作，如遇问 题可询问老师 【教师】巡堂辅导，及时解决学生遇到的问题 【教师】讲解全球量子信息研究现状与发展情况实操练习(15 min)本实训通过查 阅相关资料，了解 全球量子信息研 究现状与发展情 况。量子信息对当今及未来社会发展起着至关重要的作用，其发展 潜力早已引起了世界主要国家的高度重视。美国、欧洲I、日本及我 国都将量子信息提升至国家战略高度，并投入大量资金和人才进行 研究，加快筹划布局，形成了各自的特点和优势，量子信息领域的 竞争日趋白热化。请以小组为单位，查阅相关资料，了解全球量子 信息的研究现状与发展情况。(1)查阅相关资料，了解美国在量子信息领域的研究历程和现 状。例如：美国是最早将量子信息列为国防与安全研发计划的国家。早 在2002年，美国国防高级研究计划局(DARPA )就制定了量子 信息科学与技术规划，并于2004年发布2.0版，给出了量子计算 发展的主要步骤和时间表。此后，在美国政府和谷歌、微软等各大 企业的大力投入下，美国已经在量子信息领域完成了全面战略布局, 并取得了若干阶段性成果。(2 )查阅相关资料，了解欧洲I在量子信息领域的研究历程和现状。例如：欧洲是量子理论的发源地，也高度重视量子信息对国家安全、 经济、社会发展等方面的影响，并投入了众多资源大力发展相关技 术。2016年3月，欧盟委员会发布量子宣言(草案)。4月， 欧盟委员会正式宣布启动总额10亿欧元的量子技术项目，投资量 子旗舰计划，旨在培育形成具有国际竞争力的量子工业。(3 )查阅相关资料，了解日本在量子信息领域的研究历程和现 状。例如：日本对量子信息也十分关注，无论是政府部门还是私营企业， 都高度重视对量子信息的研究。自2000年开始，日本便将量子通信 技术作为国家高级技术研究开发计划之一，10年内投资约400亿日)bo(4 )查阅相关资料，了解我国在量子信息领域的研究历程和现 状。例如：我国早在二十世纪七八十年代就进入了量子信息的研究领域， 近年来我国对其的重视程度越来越高，在我国政府的大力支持和科 研人员的不懈努力下，我国的量子信息研究取得了一系列突破性成 果，并已然走在了世界前列。2016年，我国发射了世界第一颗量子科学实验卫星墨子号， 并率先完成了三大量子通信实验，确定了量子通信领域的全面优势 地位；2017年，我国建成并开通世界首条量子通信网络干线京 沪干线，实现了洲际量子保密通信；2018年，我国首次实现18个光量子比特的纠缠，刷新了所有 物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录；2020年，我国成功研制出76量子比特的量子计算原型机九 章，实现了量子计算优越性；2021年，我国在京沪干线的基础上，成功构建出世界首个跨度 4600公里的天地一体化广域量子通信网络；此外，我国还成功研制 出62量子比特可编程超导量子计算原型机祖冲之号，并在此基 础上实现了可编程的二维量子行走。(5 )查阅相关资料，了解我国在量子信息领域的未来趋势和战 略目标，例如：在未来，世界各国在量子信息领域的竞争还将愈演愈烈，而我 国也将不断提升自身量子信息研究水平，致力于攻克量子芯片、原 子冷却等技术难题，到2030年左右，中国力争率先建成全球化的广 域量子保密通信网络。在此基础上，构建信息充分安全的量子互联网，形成完整的量子通信产业链和下一代国家主权信息安全生 态系统。此外，我国还将不断推进量子信息的实用化进程，使其早 日进入千家万户，造福百姓。(6)将搜集的资料进行整理，并以报告的形式保存下来。 【学生】观看效果、聆听要求、制作文档 【教师】简要总结本节课的要点本节课掌握了量子信息的概念、研究领域和应用场景，以及我 总结知识点，巩 国在量子信息、量子计算和量子通信领域的研究成果。希望大家在 固学生对相关知 课下多加了解，巩固所学知识。识的印象 【学生】总结回顾知识点通过课后作业 复习巩固学到的 知识提高实际操 作能力 【教师】布置课后作业作业布置(2 min)请根据课堂知识，通过查阅相关资料，了解人工智能的研究 现状与发展情况。 【学生】完成课后作业通过本课的学习，学生对这门课程加深了印象，本节课了解了量子信息的概念、研教学反思究领域、应用场景，并取得了不错的教学效果。但部分学生对查阅文献的操作还不太熟练，还需多加练习。