基于三段式課堂的大學(xué)實驗課程教學(xué)設(shè)計與實踐

邱 菡，朱俊虎，李玉峰，2，周天陽，丁文博

（1.解放軍信息工程大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002）

基于三段式課堂的大學(xué)實驗課程教學(xué)設(shè)計與實踐

邱 菡1，朱俊虎1，李玉峰1，2，周天陽1，丁文博1

（1.解放軍信息工程大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002）

針對大學(xué)實驗課程自身的特點以及實驗課堂教學(xué)中個性化指導(dǎo)的學(xué)生學(xué)習(xí)情況難以及時獲取的問題，提出基于實驗階段映射的隨機化旗標(biāo)機制，闡述基于“講授、實踐、討論”三段式課堂教學(xué)模式開展的實驗課程教學(xué)設(shè)計過程以及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實驗課程的具體實踐過程。

三段式課堂；建構(gòu)主義；實驗教學(xué)；信息安全

0 引 言

實驗是理論聯(lián)系實際的重要途徑，實驗教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)具有重要意義。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)注重實驗環(huán)境建設(shè)和實驗結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生知其然而不知其所以然，不能適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)迅速發(fā)展的特點，無法滿足市場對創(chuàng)新應(yīng)用型人才的需求。此外，信息化技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)多種類型的教育手段和方法帶來契機。為此，我們提出“講授、實踐、討論”三段式課堂教學(xué)模式[1]，并以此為基礎(chǔ)，針對實驗教學(xué)的特點進行教學(xué)設(shè)計和實踐，將以學(xué)生為主體的思想貫穿于實驗教學(xué)始終，綜合運用當(dāng)前的信息技術(shù)實現(xiàn)對該教學(xué)模式的全面支撐。

1 實驗課程教學(xué)現(xiàn)狀

國內(nèi)的實驗教學(xué)普遍被認(rèn)為用以輔助大學(xué)課堂教學(xué)，因而存在著對實驗教學(xué)重視程度不夠、教學(xué)方法單一等問題，導(dǎo)致學(xué)生在實驗過程中出現(xiàn)照搬實驗指導(dǎo)書，對實驗內(nèi)容知其然而不知其所以然。隨著高等教育的迅速發(fā)展，通過借鑒國內(nèi)外先進實驗教學(xué)理念并在長期教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，近10年來，國內(nèi)高校的實驗課程教學(xué)開始從傳統(tǒng)型實驗教學(xué)向創(chuàng)新型實驗教學(xué)轉(zhuǎn)變，逐步探索出以學(xué)生為主體、面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)模式。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)生對知識的主動探索和構(gòu)建，目前已經(jīng)被大量應(yīng)用于大學(xué)課程教學(xué)改革[23]，一些實驗課程也開始了相關(guān)探索。文獻[4]和[5]分別以計算機實驗教學(xué)和計算機硬件實驗教學(xué)為例，運用建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論從實驗內(nèi)容設(shè)置、實驗組織形式、實驗考核方式等方面進行教學(xué)改革并實踐。翻轉(zhuǎn)課堂、微課程等信息化時代背景下的新型教學(xué)模式，近年來也被引入大學(xué)實驗教學(xué)改革中[67]。雖然這些改革方法能夠有效提高實驗教學(xué)效果，但是在實施過程中還存在以下兩個問題。

一是難以實現(xiàn)及時的個性化指導(dǎo)。無論是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，還是翻轉(zhuǎn)課堂，都強調(diào)以學(xué)生為主體，因此，在學(xué)生實驗這一實驗教學(xué)的核心環(huán)節(jié)中，對學(xué)生進行個性化指導(dǎo)是關(guān)鍵。然而，我國大學(xué)生數(shù)量較多，教育資源相對缺乏，以解放軍信息工程大學(xué)（以下簡稱我校）為例，信息安全專業(yè)每學(xué)年學(xué)生在50名以上，相應(yīng)的實驗課程教師只有1名，要在實驗過程中及時了解每位學(xué)生的實驗進展和面臨的問題，幾乎不可能。學(xué)生主動提問這一解決方法取決于學(xué)生的主動性，教師現(xiàn)場查看并不能快速、全面地掌握學(xué)生的真實學(xué)習(xí)情況，及時的個性化指導(dǎo)受到教育資源的制約。目前，信息技術(shù)主要應(yīng)用在實驗課程的實驗環(huán)境、翻轉(zhuǎn)課堂和微課堂的教學(xué)資源準(zhǔn)備以及課下交流方面，缺乏對于課堂實驗教學(xué)組織實施過程的支持。

二是對知識進一步內(nèi)化的重視程度不夠。以學(xué)生為主體，強調(diào)教師是學(xué)生學(xué)習(xí)過程的引導(dǎo)者和協(xié)助者。學(xué)生實驗是知識內(nèi)化的過程，實驗過程中，學(xué)生可能存在認(rèn)識深度有限、認(rèn)識出現(xiàn)偏差等問題，導(dǎo)致實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差甚至不能達成。鑒于個性化指導(dǎo)存在不全面、不系統(tǒng)等問題，教師除了需要在實驗過程中對學(xué)生進行引導(dǎo)和協(xié)助之外，還需要設(shè)置額外的環(huán)節(jié)幫助學(xué)生進行知識的進一步內(nèi)化。

2 基于三段式課堂的大學(xué)實驗課程教學(xué)設(shè)計

三段式課堂是我們針對信息安全專業(yè)課程的特點，吸收翻轉(zhuǎn)課堂和對分課堂的精華，運用建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論提出的以學(xué)生為主體的教學(xué)模式[1]。課程內(nèi)容按照專題劃分，三段式課堂由講授、實踐和討論3個順序環(huán)節(jié)構(gòu)成，對應(yīng)知識獲取、知識內(nèi)化以及知識進一步獲取和內(nèi)化的過程；講授環(huán)節(jié)可以融合采用支架式教學(xué)法和情境式教學(xué)法，實踐和討論環(huán)節(jié)聯(lián)合采用情境式教學(xué)法。

與理論課程教學(xué)不同，實驗課程教學(xué)中的講授、實踐和討論3個環(huán)節(jié)均占用課堂時間，在課堂內(nèi)完成。其中，實踐環(huán)節(jié)課時量占主要地位，具體的課時量分配由具體教學(xué)內(nèi)容決定。實驗課程教學(xué)與理論課程教學(xué)的討論環(huán)節(jié)相一致，具體參見文獻[1]，其余兩個環(huán)節(jié)的具體教學(xué)設(shè)計如下。

2.1 講授環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計

實驗課程講授環(huán)節(jié)的教學(xué)目標(biāo)是學(xué)生能掌握實驗原理及了解實驗步驟，而非知曉實驗細節(jié)，因此，講授內(nèi)容主要是實驗所涉及的概念、原理和過程。該環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計的重點在于吸引學(xué)生興趣，激發(fā)其學(xué)習(xí)主動性，具體可綜合采用支架式教學(xué)法、情境式教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法。

在實驗課程準(zhǔn)備階段，教師須對每一個實驗專題進行梳理，剝離實驗細節(jié)，提取概念、原理和過程，針對該專題的總體教學(xué)目標(biāo)盡可能創(chuàng)設(shè)與學(xué)生生活或者工作相關(guān)的情境。實驗課堂教學(xué)階段，講授環(huán)節(jié)主要包含情境設(shè)立、支架搭建、問題分析、評價反思等步驟，教師的主要工作是拋出與實驗內(nèi)容密切相關(guān)的情境，引出該實驗專題所涉及的問題，啟發(fā)學(xué)生對問題進行深入分析，根據(jù)分析的具體情況適時搭建支架，對分析結(jié)果進行評價和反思，點明實踐環(huán)節(jié)需要注意的重點問題。

2.2 實踐環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計

實驗課程的實踐環(huán)節(jié)是課程的重點，包含情境式教學(xué)法中的情境設(shè)立、獨立探索、評價等步驟。其中，情境設(shè)立由教師在課程準(zhǔn)備階段完成，需要根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)置能夠激發(fā)學(xué)生興趣的實踐情境。實踐情境應(yīng)該具備代表性、實用性和完備性，代表性是指所設(shè)計出的實踐情境是符合教學(xué)目標(biāo)的通用情況；實用性是指所設(shè)計出的實踐情境是現(xiàn)實中的常見情況；完備性是指所設(shè)計出的實踐情境能夠涵蓋教學(xué)目標(biāo)所要求的所有要素。

教師在實踐環(huán)節(jié)中的主要工作是及時掌握學(xué)生的實驗情況，有針對性地進行指導(dǎo)，啟發(fā)學(xué)生對問題進行分析和解決，并發(fā)現(xiàn)實驗過程中的共性和難點問題。

3 三段式課堂的實驗教學(xué)實踐

3.1 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實驗課程內(nèi)容安排

2016年和2017年，我校信息安全專業(yè)學(xué)生分別為57人和58人，網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)課程包括理論40學(xué)時和實驗40學(xué)時。其中，每周分別有1次理論課程和1次實驗課程，每次2學(xué)時，共上課20周。我們將實驗課程內(nèi)容劃分為12個專題，每個專題的課程教學(xué)按照講授、實踐和討論3個環(huán)節(jié)組織，均占用課堂時間，具體時間安排見表1，各專題的實驗內(nèi)容從教材《網(wǎng)絡(luò)安全實驗教程》[8]中選取。

目前市面上的網(wǎng)絡(luò)安全實驗教材都描述了詳細的實驗步驟，具有很強的實操性，但是將其作為教材配發(fā)給學(xué)生在課堂使用時，這些完備的操作信息和既定的實驗步驟反而會增加學(xué)生的依賴性，扼殺學(xué)生的創(chuàng)新性，導(dǎo)致實驗完成而教學(xué)目標(biāo)卻遠遠沒有達到。對此，按照支架式教學(xué)法的思想，可將教材中的關(guān)鍵實驗步驟抽取出來，剔除具體代碼、工具參數(shù)設(shè)置等詳細信息，讓學(xué)生在掌握實驗原理和基本步驟后就開始實驗；實驗過程中，為學(xué)生提供詳細的工具使用說明文檔，由學(xué)生根據(jù)實驗的具體需求，自主學(xué)習(xí)工具的使用方法并完成實驗。

表1 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實驗課程三段式課堂教學(xué)設(shè)計

3.2 綜合實驗教學(xué)設(shè)計

綜合實驗的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)攻擊流程，在網(wǎng)絡(luò)攻擊各階段能綜合運用各種攻擊方法，掌握網(wǎng)絡(luò)動態(tài)安全模型，在網(wǎng)絡(luò)安全各個階段能熟練地綜合運用各種防護手段，鍛煉學(xué)生靈活運用工具和熟練解決網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域問題的能力。專題的各環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計如下。

講授環(huán)節(jié)綜合運用支架式教學(xué)法、情境式教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)法，如圖1所示。

實踐環(huán)節(jié)根據(jù)實驗環(huán)境和學(xué)生情況，可采用小組實驗形式，也可采用個人實驗形式。實驗內(nèi)容模擬典型的企業(yè)環(huán)境，包含外網(wǎng)區(qū)域、DMZ區(qū)域和內(nèi)網(wǎng)區(qū)域，具體網(wǎng)絡(luò)拓撲見文獻[8]中圖13.1。攻擊要素涵蓋口令攻擊、Web腳本攻擊、漏洞利用、ARP欺騙等攻擊方法，具體漏洞/脆弱性分布情況見文獻[8]中表13.2。目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點上均設(shè)置旗標(biāo)（ fl ag）信息，要獲得所有的旗標(biāo)信息就必須獲得目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中所有主機的控制權(quán)，執(zhí)行完整的網(wǎng)絡(luò)攻擊流程。在實驗過程中，學(xué)生獲取到旗標(biāo)信息就立即通過實驗平臺提交，由此，教師可以實時掌握學(xué)生的實驗進度，了解整體情況，及時對進度緩慢的學(xué)生進行針對性的指導(dǎo)。

圖1 綜合實驗講授環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計

討論環(huán)節(jié)中，教師指出實驗過程中出現(xiàn)的普遍問題和難點問題，并指定具有代表性和特色的學(xué)生進行實驗過程展示，并針對教師所提的問題以及實驗心得體會與大家進行交流。在交流過程中，教師拋出問題引發(fā)學(xué)生進一步思考和課下驗證。綜合實驗部分的難點問題包括快速高效的主機掃描和防火墻過濾規(guī)則的發(fā)現(xiàn)，延伸問題包括攻擊路徑的多樣性和攻擊的隱蔽性。

3.3 實時實驗情況掌握

及時、個性化的實驗指導(dǎo)是以學(xué)生為主體的教學(xué)方法的內(nèi)涵要求，然而在教師資源有限的情況下，通過教師現(xiàn)場觀察和抽查、學(xué)生主動提問等方式，教師很難及時、全面地掌握學(xué)生的實驗情況，從而難以實現(xiàn)及時的個性化實驗指導(dǎo)。由于網(wǎng)絡(luò)安全實驗是在計算機網(wǎng)絡(luò)上開展且具有一定的破壞性，目前該類實驗大多基于系統(tǒng)虛擬化和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)搭建實驗平臺[910]。這些實驗平臺主要提供對實驗環(huán)境、人員管理、成績管理等的支持，缺乏對實驗情況的實時監(jiān)控和評價支持，我們之前提出的基于攻擊向量的攻擊過程評價雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對攻擊實驗過程的跟蹤[10]，但是不能獲取實驗所處的狀態(tài)，難以掌握全面的進展情況。

為了及時獲取全面的實驗情況，可參考當(dāng)前CTF（catch the fl ag）競賽的評判機制，在原有實驗平臺上設(shè)計基于實驗階段映射的隨機化旗標(biāo)機制；根據(jù)實驗內(nèi)容和目標(biāo)將實驗過程劃分成不同的階段，每個階段具有可識別的階段性成果，如某個目標(biāo)系統(tǒng)或者目標(biāo)網(wǎng)站的控制權(quán)，可通過學(xué)生獲取某個目標(biāo)系統(tǒng)或網(wǎng)站下的字符串（即旗標(biāo)）來標(biāo)識。在批量生成實驗環(huán)境時，為不同的學(xué)生生成隨機化的旗標(biāo)；學(xué)生在實驗過程中一旦獲取到旗標(biāo)，立即通過實驗平臺提交，由實驗平臺自動比對旗標(biāo)的正確性，并進行記錄和總體情況呈現(xiàn)。2016年度綜合實驗的旗標(biāo)提交情況如圖2所示，該圖可以實時更新。由此，教師可推斷出所有學(xué)生所處的實驗階段，并且旗標(biāo)的隨機化能有效防范抄襲。圖2中有2名學(xué)生未提交 fl ag，處于實驗第1階段，正在進行Web網(wǎng)站突破；1名學(xué)生只提交了“ fl ag-host1-Web”旗標(biāo)，處于實驗的第2階段，正在嘗試突破Web服務(wù)器；3名學(xué)生只提交了“ fl ag-host1-host”旗標(biāo)，處于實驗第3階段，正在嘗試內(nèi)網(wǎng)滲透，由于未提交“ fl ag-host1-web”旗標(biāo)，可以推斷在第1階段Web網(wǎng)站突破后未能進行有效的信息收集。針對進度較慢的這些學(xué)生，教師可以調(diào)用預(yù)先安裝在學(xué)生用機中的VNC（virtual network computing）遠程桌面服務(wù)，在不影響學(xué)生實驗的情況下遠程查看學(xué)生對應(yīng)的操作界面，發(fā)現(xiàn)學(xué)生面臨的問題，并利用局域網(wǎng)即時通訊工具對學(xué)生進行針對性的啟發(fā)指導(dǎo)。

4 結(jié) 語

圖2 綜合實驗旗標(biāo)實時提交情況

實驗教學(xué)改革的教學(xué)目標(biāo)從對學(xué)生動手操作能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變到對分析能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，關(guān)注熱點也從實驗環(huán)境建設(shè)逐步過渡到實驗內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)方法改革。講授、實踐和討論三段式課堂教學(xué)模式強調(diào)學(xué)生的主體性和知識內(nèi)化的重要性，鑒于實驗課程是以實踐為主體的課程，我們將三段式課堂教學(xué)模式引入實驗教學(xué)，針對實驗教學(xué)課程特點進行教學(xué)設(shè)計，并在網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)實驗課程進行教學(xué)實踐。及時的個性化指導(dǎo)是以及時、全面了解實驗情況為基礎(chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)安全實驗平臺上通過引入隨機化旗標(biāo)，可以實現(xiàn)及時、全面的實驗情況獲取，運用遠程桌面服務(wù)可實現(xiàn)個別情況詳查。實踐表明，現(xiàn)有信息技術(shù)能夠為教學(xué)模式的實現(xiàn)提供支撐；考核和反饋結(jié)果表明，學(xué)生做實驗的積極主動性顯著提高，分析問題和解決問題的能力得到有效鍛煉。

三段式課堂教學(xué)模式包含講授環(huán)節(jié)，因此不僅適用于與理論課程并行開設(shè)的實驗課程，還適用于獨立開設(shè)的實驗課程。下一步，我們將在獨立開設(shè)的實驗課程中進行相關(guān)教學(xué)實踐，以期進一步完善三段式課堂的實驗教學(xué)設(shè)計，為實驗教學(xué)改革提供有益參考。

[1] 邱菡, 張連成, 李玉峰, 等. 基于建構(gòu)主義和翻轉(zhuǎn)課堂的信息安全專業(yè)課程教學(xué)[J]. 計算機教育, 2016(2): 69-72.

[2] 李慶. 建構(gòu)主義教學(xué)模式下的教學(xué)方法的運用探索[J]. 教育界, 2011(30): 83.

[3] 吳浩, 高飛. 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論在算法與程序設(shè)計類課程中的應(yīng)用[J]. 計算機教育, 2016(6): 50-53.

[4] 游應(yīng)德, 游麗. 基于建構(gòu)主義的計算機實驗教學(xué)改革與探索[J]. 大眾科技, 2011(8): 180-181.

[5] 賴梅, 熊麗榮. 基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的計算機硬件實驗教學(xué)改革[J]. 中國信息技術(shù)教育, 2014(11): 117-119.

[6] 丁雪梅, 張曉軍, 王鵬, 等. 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在大學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實驗室研究與探索, 2015(6): 207-212.

[7] 葉愛敏, 王佑鎂. 嵌入微課程的翻轉(zhuǎn)實驗教學(xué)模式構(gòu)建與應(yīng)用: 基于“現(xiàn)代教育技術(shù)”實驗教學(xué)的實踐探索[J]. 中國教育信息化, 2016(4): 28-31.

[8] 王清賢, 朱俊虎, 邱菡, 等. 網(wǎng)絡(luò)安全實驗教程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2016.

[9] 魯先志, 胡海波. 基于開源架構(gòu)的虛擬安全實驗平臺[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2015(7): 120-123.

[10] 邱菡, 朱俊虎, 李玉峰, 等. 高校實驗教學(xué)考核模式改革探索與實踐[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版), 2012(增刊2): 207-210.

1672-5913(2017)11-0146-04

G642

邱菡，女，副教授，研究方向為網(wǎng)絡(luò)信息安全，qiuhan410@aliyun.com。

（編輯：宋文婷）