開放式的網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室建設(shè)與教學(xué)改革探索

王 虎， 張立江， 陳 偉， 錢冠伸

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 徐州 221116; 2. 銳捷網(wǎng)絡(luò)有限公司， 北京 100036)

0 引 言

教育部關(guān)于進一步深化本科教育的《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和“教育部等部門關(guān)于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見” 都強調(diào)了實踐教學(xué)的重要作用，明確提出了“強化實踐教學(xué)，努力提高學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力”的要求，強化了“實踐育人”意識，實踐教學(xué)的重要性不言而喻。目前各大高校所制定的新版培養(yǎng)計劃普遍都大幅度提高了實驗和實踐教學(xué)的學(xué)時和學(xué)分比例。

當(dāng)前，移動互聯(lián)網(wǎng)和云計算等新技術(shù)已廣泛應(yīng)用在科技創(chuàng)新、工業(yè)生產(chǎn)、生活服務(wù)等領(lǐng)域中，對于高校來說，教育教學(xué)方式也必然在其影響下迎來變革[2-4]。本文圍繞計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室建設(shè)和所進行的一系列教學(xué)改革探索，探討新形勢下如何進行實驗和實踐教學(xué)改革。

1 網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室歷史沿襲和面臨的問題

1.1 歷史沿襲

我校計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室于2003年籌建，2005年建成投入使用，是當(dāng)時國內(nèi)較先進的網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室之一，采用了當(dāng)時流行的分組機架方案，部署了銳捷公司的多組實驗機架，每組包括多臺路由器、交換機和防火墻等設(shè)備，采用分組實驗方式，可以進行路由、交換、網(wǎng)絡(luò)安全、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組建和網(wǎng)絡(luò)管理等實驗。該實驗室支持了我校信息安全和網(wǎng)絡(luò)工程2個專業(yè)的實驗和實踐教學(xué)工作，先后開展了“計算機網(wǎng)絡(luò)”“網(wǎng)絡(luò)安全”“路由與交換”等10多門專業(yè)課的實驗教學(xué)和“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與安全實踐”“網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃課程設(shè)計”“路由與交換實踐”等近10門實踐課程的教學(xué)，同時支持信息安全和網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計、大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃、學(xué)科競賽等一系列實踐創(chuàng)新活動，發(fā)揮了巨大的作用[5]。

1.2 所面臨問題

(1) 設(shè)備陳舊、整體方案已落伍。截至2016年，該網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室已運行10余年，長期高強度的實驗教學(xué)使交換機、路由器等主要實驗設(shè)備老化嚴重、故障頻發(fā)，設(shè)備故障已成為學(xué)生實驗失敗的原因之一，教師常被迫在實驗課上花費寶貴的教學(xué)時間來解決設(shè)備故障，嚴重影響了教學(xué)效果。該實驗室所采用的分組機架方案的優(yōu)點是學(xué)生可以接觸到實體的物理設(shè)備，可以鍛煉學(xué)生實踐動手能力；缺點是投資大、設(shè)備種類雜、數(shù)量多，維護工作量大，實驗PC已與機架等物理設(shè)備綁定，遠程在線實驗難以開展[6]。

現(xiàn)今國內(nèi)以西普教育、永信至誠和合天智匯為代表的一些公司推出了包括網(wǎng)絡(luò)安全、程序設(shè)計、操作系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)和云計算等多種實驗項目在內(nèi)的在線云平臺實驗方案，將逐步成為今后的主流。其優(yōu)點是實驗環(huán)境和服務(wù)部署在服務(wù)器端，不依賴PC性能，實驗部署快速便捷、各組實驗環(huán)境相對獨立、全虛擬化，支持開放式遠程在線實驗等[2]。

(2) 實驗與實踐教學(xué)和考核模式落后。當(dāng)前很多高校對實驗和實踐教學(xué)沒有一套專門、行之有效的考核機制，實驗教學(xué)考核往往附屬于理論教學(xué)考核，實驗成績所占比例較小，師生不重視，導(dǎo)致實驗和實踐教學(xué)質(zhì)量不高[7]。多數(shù)高校傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式，通常實驗教師給出實驗指導(dǎo)書并進行簡單講解，而后學(xué)生即開始做實驗，實驗課結(jié)束學(xué)生上交實驗報告，成績大多依據(jù)出勤情況和實驗報告給出。這種教學(xué)和考核模式缺乏客觀性和可操作性，教師在實踐教學(xué)過程完成后考核評價學(xué)生，評價結(jié)果無法反映實踐過程中的學(xué)生表現(xiàn)，同時因為沒有明確的可操作的評價標(biāo)準(zhǔn)，使考核評價結(jié)果存在較大的主觀性[8-11]。

(3) 無法開展開放式和遠程在線實驗。在移動互聯(lián)網(wǎng)與云計算等新技術(shù)的推動下，高校都大力開展開放式和遠程在線實驗，遠程開放實驗突破了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式受時間、地點和設(shè)備的限制，利用互聯(lián)網(wǎng)和云計算、虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建一個遠程、開放的實驗環(huán)境，可以全面提高實踐教學(xué)水平和學(xué)生的實踐動手能力[12-15]。然而，受限于實驗條件，我校網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室無法開展任何開放式和遠程在線實驗教學(xué)。

2 新形勢下實驗和實踐教學(xué)的變革方向

在移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算及大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的影響下，實驗和實踐教學(xué)也必然迎來變革。

(1) 實驗環(huán)境云化。傳統(tǒng)以PC為主體的實驗環(huán)境將被云實驗環(huán)境替代，實驗環(huán)境部署在云服務(wù)器端，借助虛擬仿真技術(shù)進行實驗，不再依賴于PC的性能，具有部署快捷、維護工作量小和系統(tǒng)升級方便等優(yōu)勢[2-4]。

(2) 實驗和實踐考核客觀化、自動化，過程化。對編程類實驗，云平臺將與考核平臺相融合，可自動進行代碼審查，在云端進行編譯和運行，自動審核運行結(jié)果并評分；對于調(diào)試和實操類實驗，云實驗平臺可實現(xiàn)每一步操作的自動記錄、驗證和自動評分，并具有過程回放功能；對實踐類課程，將考核融入到平時實踐中，云實驗平臺可自動記錄和監(jiān)控學(xué)生的實驗過程和成長軌跡，便于教師進行最終的評判考核[3]。

(3) 實驗終端移動化。借助于云實驗平臺和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)實驗環(huán)境的局限，開展實驗不再局限于實驗室和PC，任何時間任何地點均可以遠程在線做實驗，實驗終端可以是筆記本，平板電腦，甚至是大屏智能手機，無限拓展了實驗室的時間和空間。

(4) 物理設(shè)備池化。出于加強學(xué)生動手能力，鍛煉與實體設(shè)備交互能力及操作能力的目的，路由器、交換機等實體物理設(shè)備仍有存在的必要，但不再采用分組機架的方式，而是通過軟件定義使之與云實驗平臺結(jié)合，把物理設(shè)備歸入設(shè)備池管理，軟硬結(jié)合，設(shè)備分配與管理均通過云實驗平臺定義，所有設(shè)備統(tǒng)一管理，都支持遠程接入和在線實驗，打破了原先分組機架方式難以遠程接入和無法跨組使用設(shè)備的弊端。

3 網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室的建設(shè)和教學(xué)改革探索

3.1 全面更新實驗設(shè)備，部署云實驗平臺

在“中央高校改善基本辦學(xué)條件專項資金”的支持下，我校網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室設(shè)備得到了全面更新，2016年全新的網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室建成并投入使用。新實驗室部署了銳捷公司的10組分組機架作為網(wǎng)絡(luò)實驗設(shè)備，每組機架不僅包括交換機、路由器、防火墻等設(shè)備，還包含上網(wǎng)行為審計、入侵檢測等設(shè)備，涵蓋了交換、路由、無線、IPv6和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)組建等綜合性的網(wǎng)絡(luò)實驗。此外，網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室又部署了西普教育及合天智匯的云安全實驗、網(wǎng)絡(luò)攻防實訓(xùn)和信息安全競賽等云實驗平臺。這一系列實驗設(shè)施的投入使用極大地改善了網(wǎng)絡(luò)與安全實驗和實踐教學(xué)環(huán)境，為下一步的教學(xué)改革打下了良好的基礎(chǔ)。

3.2 充實實驗教學(xué)內(nèi)涵，提高實驗和實踐教學(xué)水平

組織相關(guān)任課教師和實驗指導(dǎo)教師重新編寫“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與安全實踐”“安全程序設(shè)計”和“網(wǎng)絡(luò)攻防實踐”等專業(yè)實踐課程實驗指導(dǎo)書，制作實驗指導(dǎo)課件和演示視頻，每次實驗課要求教師針對實驗重點、難點做詳細講解，之后再開展實驗，通過豐富課程內(nèi)涵、狠抓實驗指導(dǎo)細節(jié)，提高實驗質(zhì)量和實驗的成功率。

3.3 實施過程考核、量化考核指標(biāo)

在諸多專業(yè)實踐課中，“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與安全實踐”是一門側(cè)重鍛煉學(xué)生實踐動手能力的專業(yè)實踐課程，要求學(xué)生使用分組機架自主搭建網(wǎng)絡(luò)拓撲，配置各種設(shè)備命令和參數(shù)，最終完成各類網(wǎng)絡(luò)與安全實驗項目，教師需實地驗證每組的實驗結(jié)果。針對該門課程的特點，設(shè)計了詳細的成果考核表，根據(jù)難度和工作量量化了每個實驗項目的分值指標(biāo)，實施量化和過程化考核。這樣可以杜絕學(xué)生抄襲實驗成果，保證實踐課程成績的客觀性和公平性。

3.4 實施開放式在線實驗

對于“安全程序設(shè)計”和“網(wǎng)絡(luò)攻防實踐”這2門專業(yè)實踐課，將課程的實踐任務(wù)都部署在云安全實驗平臺上，在校園網(wǎng)范圍內(nèi)，學(xué)生隨時隨地都可以登錄實驗平臺做實驗，突破了傳統(tǒng)實驗室的時間和地點限制，延伸了實驗室的時間和空間。每個子實驗課題都根據(jù)難度和工作量大小有不同的分值，學(xué)生可視自己能力完成不同的實驗任務(wù)，系統(tǒng)自動判定學(xué)生提交的成果，課程結(jié)束后，系統(tǒng)自動計算并匯總每個同學(xué)最終的總分值。

4 教學(xué)改革成果體現(xiàn)

4.1 實驗和實踐教學(xué)質(zhì)量顯著提高

新的實驗室設(shè)備和實驗平臺為提高教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量打下了良好的基礎(chǔ)，充實了實踐教學(xué)內(nèi)涵、狠抓實驗指導(dǎo)水平的改革措施，提高了實驗和實踐教學(xué)質(zhì)量。以“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與安全實踐”課程為例：改革前，一個自然班(30人)中僅有20%～30%的同學(xué)能夠完成全部的10個實驗任務(wù)，大部分同學(xué)僅能完成基本的3～4個實驗，僅占全部實驗的40%； 改革后，2016～2017學(xué)年該門課程的平均實驗成功率達到90%以上，絕大部分同學(xué)都可以完成實驗指導(dǎo)書上所有實驗，每個自然班僅個別實驗組的最后1～2個實驗由于時間原因未能完成，以上成果均有實驗記錄可考。

4.2 學(xué)生實踐能力顯著提高

在云實驗平臺的支撐下，網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室實施全面的開放式實驗，以“安全程序設(shè)計”和“網(wǎng)絡(luò)攻防實踐”這2門專業(yè)實踐課為例，不僅實驗的時間和地點開放，實驗內(nèi)容也開放。在部署課程任務(wù)時，依據(jù)大綱，以任課教師為主導(dǎo)，吸收部分能力突出的同學(xué)參與到課程實踐任務(wù)布置中來，由學(xué)生廣泛吸取各個開源平臺的CTF實踐任務(wù)和各大流行的安全論壇的技術(shù)熱點來出題。所以，課程實驗的任務(wù)數(shù)量多，內(nèi)容及類型豐富，挑戰(zhàn)性強。該方式大大激發(fā)了信息安全專業(yè)大學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，互相之間產(chǎn)生了競爭性的學(xué)習(xí)氛圍，個別興趣高的同學(xué)甚至達到了廢寢忘食的地步，提前完成全部任務(wù)。學(xué)生在完成實驗的過程中，將所學(xué)課程的理論知識應(yīng)用于實踐，大大提高了學(xué)生的實踐動手能力。

4.3 學(xué)生創(chuàng)新能力及學(xué)科競賽水平顯著提高

在網(wǎng)絡(luò)與安全實驗室的支撐下，每年信息安全與網(wǎng)絡(luò)工程系學(xué)生均申報并立項超過20項校級、省級或者國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目及優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計等項目。通過這些創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的實訓(xùn)，學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力得到了良好的鍛煉。

自新實驗室投入使用后，在信息安全競賽平臺的支持下，已在本實驗室舉辦了3次校內(nèi)信息安全大賽，直接參賽的大學(xué)生人數(shù)超過400人次。實驗室的網(wǎng)絡(luò)攻防實訓(xùn)平臺供大學(xué)生進行網(wǎng)絡(luò)攻防實戰(zhàn)演練，為他們參加各種國內(nèi)信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全大賽做準(zhǔn)備，每學(xué)期參與網(wǎng)絡(luò)安全與攻防演練均超過1 000人次。在實驗室支持下，信息安全與網(wǎng)絡(luò)工程系師生在各類科技競賽與創(chuàng)業(yè)大賽活動中取得了多項豐碩的成果，已先后獲得全國獎14項、省部級獎6項。

5 結(jié) 語

高校實驗室在學(xué)校創(chuàng)建世界一流大學(xué)，培養(yǎng)一流學(xué)生、建設(shè)一流師資隊伍方面發(fā)揮著特殊的作用[1]。在云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的推動下，實驗室建設(shè)和實驗教學(xué)模式已發(fā)生了巨大變革，高校應(yīng)當(dāng)順應(yīng)時代發(fā)展，銳意變革，積極推進開放式在線實驗，改革實驗和實踐課程的教學(xué)模式和考核模式，這樣才能提高實驗和實踐課程的教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展所需的創(chuàng)新人才。