基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信息化教學(xué)課程設(shè)計(jì)

摘要：和傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，本文提出的基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的信息化教學(xué)課程設(shè)計(jì)，針對(duì)不同類型的知識(shí)點(diǎn)，采用了任務(wù)驅(qū)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)課堂[1]、六段式教學(xué)法、學(xué)生互評(píng)等“學(xué)、教、做一體化”的教學(xué)模式，以及MOOC和綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等多種不同的信息化教學(xué)手段來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)學(xué)結(jié)合、線上線下混合教學(xué)，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，提高了教學(xué)效率，突出了教學(xué)重點(diǎn)，解決了教學(xué)難點(diǎn)，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)，同時(shí)對(duì)整個(gè)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行了跟蹤評(píng)估，保障了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

關(guān)鍵詞：信息化教學(xué)；課程設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)安全

中圖分類號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2018）15/16-0175-04

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的教學(xué)內(nèi)容是以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)為導(dǎo)向，在其掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，將動(dòng)手實(shí)踐作為重點(diǎn)教學(xué)方式。但就目前大多數(shù)院校網(wǎng)絡(luò)安全課程的教學(xué)模式來看，依然是采用了傳統(tǒng)的課堂講授的教學(xué)模式，有些院校即使在課上增加了實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)，但也只是讓學(xué)生一味地按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求按部就班地完成既定的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并沒有引導(dǎo)學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體去主動(dòng)地思考。[2][3]而只有增加學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)地、真正地去思考問題，解決問題，才能實(shí)現(xiàn)“學(xué)為主體，教為主導(dǎo)，學(xué)做結(jié)合，學(xué)以致用”的教學(xué)目標(biāo)。因此，筆者所在院校聯(lián)合外協(xié)單位共同研發(fā)了綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的信息化教學(xué)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)優(yōu)勢

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于云計(jì)算技術(shù)，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)靶場訓(xùn)練的方式來提高學(xué)習(xí)者的網(wǎng)絡(luò)安全技能。平臺(tái)設(shè)置為靶場實(shí)操和紅藍(lán)對(duì)抗兩種訓(xùn)練模式，通過兩種模式分別鍛煉學(xué)生對(duì)固定場景和變化場景的應(yīng)對(duì)能力，提高學(xué)生的主動(dòng)思考能力和解決問題能力。通過提供模擬真實(shí)情境的訓(xùn)練環(huán)境，來最大限度地彌補(bǔ)客觀教學(xué)條件的不足，快速提升學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)安全技能。與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有以下明顯的教學(xué)優(yōu)勢。

1.實(shí)驗(yàn)資源豐富，接入方便

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件平臺(tái)由一臺(tái)云調(diào)度設(shè)備和多臺(tái)靶場云資源設(shè)備組成，軟件包括了管理端、靶場實(shí)戰(zhàn)和紅藍(lán)對(duì)抗。系統(tǒng)提供了各類型的實(shí)戰(zhàn)靶機(jī)，包括FTP服務(wù)器靶場、SqlServer提權(quán)靶場、破解TOMCAT后臺(tái)管理權(quán)限靶場、服務(wù)器木馬查殺靶場、MS08_067漏洞靶場等共120個(gè)靶機(jī)39個(gè)靶場。平臺(tái)內(nèi)嵌18類共127個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)，如滲透測試、網(wǎng)絡(luò)掃描、網(wǎng)絡(luò)嗅探、安全防護(hù)、密碼破解等，其中每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)均附有視頻教程以及詳盡的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既可以依托校園內(nèi)的局域網(wǎng)開展局部的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)，也可連接至網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)，可支持150人同時(shí)在線，開展大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)攻防演練。圖1為綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

2.教師定義基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，靶場實(shí)操靈活性強(qiáng)

靶場實(shí)操為所有學(xué)生提供共同的目標(biāo)，學(xué)生可根據(jù)目標(biāo)的提示信息進(jìn)行操作，快速得到目標(biāo)上的得分文件拿到分?jǐn)?shù)。靶場實(shí)操的靶機(jī)為固定場景，由教師在實(shí)驗(yàn)開始前設(shè)定好，既可以按照平臺(tái)提供的場景進(jìn)行設(shè)定，也可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和要求進(jìn)行自定義實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的靈活性非常強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師還可以通過管理員權(quán)限實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，考核學(xué)生對(duì)各種技術(shù)點(diǎn)的掌握程度。

3.學(xué)生定義拓展實(shí)驗(yàn)，紅藍(lán)對(duì)抗開放性強(qiáng)

紅藍(lán)對(duì)抗模式為分組對(duì)戰(zhàn)的模式，紅方默認(rèn)為攻擊方，藍(lán)方為防守方，但同時(shí)也不局限于只攻或者只守，需要根據(jù)對(duì)戰(zhàn)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。這種模式使得攻守雙方都處于變化的狀態(tài)，增加了攻擊的難度，擴(kuò)展了教師對(duì)學(xué)生考核的范圍，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性，也更加接近于實(shí)際情境。

同時(shí)，紅藍(lán)對(duì)抗模式還具有較強(qiáng)的開放性，可以允許學(xué)生進(jìn)行自定義實(shí)驗(yàn)，由教師提供實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)素材。學(xué)生依據(jù)素材通過自定義的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)靶機(jī)等相關(guān)情境進(jìn)行設(shè)置；教師則可以通過這種學(xué)生自定義拓展實(shí)驗(yàn)的互測互評(píng)方式對(duì)學(xué)生進(jìn)行考核和提高。

“學(xué)、教、做一體化”教學(xué)模式

在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，學(xué)生因?yàn)閷?duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中的概念如計(jì)算機(jī)病毒、系統(tǒng)漏洞、密碼技術(shù)等有新鮮感，所以在學(xué)習(xí)的最初階段興趣十分濃厚，但隨著理論授課內(nèi)容的深入，大量的新概念涌現(xiàn)使得興趣迅速下降。因此，常出現(xiàn)課程講完后，學(xué)生仍停留在對(duì)基本概念的努力記憶、理解中的狀況，將理論運(yùn)用到實(shí)踐中的能力也得不到訓(xùn)練。

針對(duì)上述問題，筆者提出了“學(xué)、教、做一體化”的新型教學(xué)模式，并采用六段式興趣提升教學(xué)法來進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)改革。

1.學(xué)——自主學(xué)習(xí)

課前，教師利用MOOC學(xué)習(xí)平臺(tái)為學(xué)生在線發(fā)布課前測試題，以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生利用MOOC的視頻、動(dòng)畫等信息化教學(xué)資源，帶著任務(wù)完成理論基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，并進(jìn)行在線自測。通過課前小測，幫助學(xué)生檢驗(yàn)預(yù)習(xí)效果，也使得教師能通過分析自測的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，了解學(xué)生對(duì)預(yù)習(xí)內(nèi)容的掌握情況，總結(jié)學(xué)生普遍存在的問題。

同時(shí)，借鑒翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)思想，為學(xué)生布置討論思考題，學(xué)生可通過互聯(lián)網(wǎng)和圖書館等渠道查找資料，為課堂討論準(zhǔn)備相關(guān)素材。通過自主學(xué)習(xí)的方式增加學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的信息檢索能力和主動(dòng)思考能力。

2.教——引導(dǎo)教學(xué)

教師通過對(duì)自主學(xué)習(xí)階段學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)測，可以發(fā)現(xiàn)其對(duì)理論知識(shí)掌握的薄弱點(diǎn)，在課堂開始階段，采用案例引入的方式對(duì)薄弱點(diǎn)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行重點(diǎn)講解。對(duì)于一些較難理解的知識(shí)點(diǎn)，則采用動(dòng)畫或虛擬化軟件進(jìn)行演示，讓抽象的概念具體化、形象化。

基于主動(dòng)學(xué)習(xí)的模式，在課上組織學(xué)生根據(jù)課前準(zhǔn)備的討論素材對(duì)思考題進(jìn)行分組討論，并形成初步的實(shí)驗(yàn)方案，在此過程中教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。

課堂最后，教師利用思維導(dǎo)圖工具，根據(jù)相關(guān)教學(xué)單元的重點(diǎn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建個(gè)人的知識(shí)思維導(dǎo)圖，使知識(shí)形成關(guān)聯(lián)化、體系化、可視化，從而加深理解與記憶。

3.做——?jiǎng)邮謱?shí)驗(yàn)

課堂討論結(jié)束之后，教師發(fā)布實(shí)驗(yàn)相關(guān)素材，基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展課堂實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生對(duì)討論形成的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生按照自己討論出的實(shí)驗(yàn)方案親自動(dòng)手進(jìn)行驗(yàn)證，能進(jìn)一步加深對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)知識(shí)的理解和運(yùn)用。

在課后階段，教師通過綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)布課后作業(yè)的素材，并提供課后大作業(yè)、學(xué)生自定義互評(píng)兩種課后作業(yè)模式供學(xué)生選擇。學(xué)生可選擇完成教師布置的大作業(yè)，也可選擇利用素材自定義實(shí)驗(yàn)進(jìn)行互測互評(píng)，教師則通過管理員權(quán)限隨時(shí)監(jiān)控、評(píng)分，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

想要進(jìn)行深入研究的學(xué)生，還可以通過綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的Web入口，網(wǎng)上預(yù)約申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)資源，根據(jù)自己的興趣完成更多實(shí)驗(yàn)。

具體實(shí)施——六段式教學(xué)法

六段式教學(xué)法是將“學(xué)、教、做一體化”教學(xué)模式運(yùn)用到教學(xué)過程中的具體實(shí)施辦法。它主要包括六個(gè)教學(xué)階段：課前自主學(xué)習(xí)階段、課上引入講授階段、課上重點(diǎn)討論階段、課上難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)階段、課上總結(jié)提高階段、課后再實(shí)踐階段。下面以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中惡意代碼部分的教學(xué)內(nèi)容為例，對(duì)六段式教學(xué)法的具體實(shí)施方案進(jìn)行介紹。

本部分的教學(xué)重點(diǎn)是惡意代碼的檢測方法和防范策略，教學(xué)難點(diǎn)是手工查殺惡意代碼的方法。因此，本次課的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生熟悉惡意代碼的基礎(chǔ)知識(shí)，熟練掌握惡意代碼的檢測方法和防范策略，以及手工查殺惡意代碼的方法手段。六段式教學(xué)法的具體實(shí)施方案如下。

1.第一階段，課前自主學(xué)習(xí)階段

教師利用MOOC平臺(tái)發(fā)布與本次教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的課前測試題，包括惡意代碼的定義、發(fā)展、分類、工作原理和特征等基礎(chǔ)知識(shí)題，以及課堂討論題目：惡意代碼檢測方法與防范策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；學(xué)生利用MOOC平臺(tái)上的信息化教學(xué)資源進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，初步了解惡意代碼相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，完成課前測試題，并針對(duì)教師布置的課堂討論題目，通過查閱圖書館、互聯(lián)網(wǎng)等資源準(zhǔn)備課堂討論所需的素材，討論匯報(bào)形式可采用PPT、動(dòng)畫等；教師根據(jù)學(xué)生完成測試題的情況梳理出自主學(xué)習(xí)階段的薄弱點(diǎn)，為第二階段的教學(xué)做準(zhǔn)備。

2.第二階段，課上引入講授階段

通過對(duì)第一階段學(xué)生學(xué)習(xí)情況的跟蹤評(píng)測，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)惡意代碼的工作原理理解不夠深刻，缺乏直觀認(rèn)識(shí)，因此，通過引入震網(wǎng)病毒案例的方式，對(duì)病毒的工作模式進(jìn)行剖析，然后采用動(dòng)畫演示的形式，直觀形象地引導(dǎo)學(xué)生理解惡意代碼的工作原理。

3.第三階段，課上重點(diǎn)討論階段

組織學(xué)生根據(jù)課前準(zhǔn)備的討論素材對(duì)思考題目——惡意代碼檢測方法與防范策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行分組討論，并形成初步的實(shí)驗(yàn)方案，在此過程中教師負(fù)責(zé)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)可能存在的問題并解決問題。

4.第四階段，課上難點(diǎn)實(shí)驗(yàn)階段

將與震網(wǎng)病毒中模塊功能相似的惡意代碼作為實(shí)驗(yàn)素材，通過綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)布給學(xué)生開展課堂實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生首先按照第三階段討論出的實(shí)驗(yàn)方案對(duì)惡意代碼進(jìn)行檢測，然后按照綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的方案進(jìn)行惡意代碼的手工查殺。

5.第五階段，課上總結(jié)提高階段

教師對(duì)第三、四階段的課堂討論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)講評(píng)，同時(shí)進(jìn)一步拓展惡意代碼的相關(guān)知識(shí)。然后引導(dǎo)學(xué)生利用思維導(dǎo)圖工具梳理各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)形成知識(shí)的可視化語義網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建思維導(dǎo)圖。

6.第六階段，課后再實(shí)踐階段

在綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降闹С窒?，學(xué)生根據(jù)自身情況選擇其中一種完成再實(shí)踐階段的考核目標(biāo)：靶場實(shí)操模式下，由教師定義植入了某種或多種惡意代碼的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生根據(jù)考核要求設(shè)計(jì)檢測和查殺方案完成實(shí)驗(yàn)；紅藍(lán)對(duì)抗模式下，由教師發(fā)布典型惡意代碼的源碼作為實(shí)驗(yàn)素材，學(xué)生自由組合，按照教師規(guī)定的自定義實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境并設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過互測互評(píng)的方式完成考核?？己诉^程中，教師通過管理員權(quán)限監(jiān)控、評(píng)測學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

以惡意代碼為例的六段式教學(xué)法具體實(shí)施流程如圖2所示。在完成六個(gè)主要教學(xué)階段之后，希望對(duì)惡意代碼進(jìn)行深入學(xué)習(xí)研究的學(xué)生，可通過綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的Web入口，網(wǎng)上申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源，預(yù)約與本章節(jié)相關(guān)的更多復(fù)雜實(shí)驗(yàn)（由教師提前設(shè)定好的，包含更多種類繁雜的惡意代碼，且實(shí)驗(yàn)場景多變的實(shí)驗(yàn)環(huán)境），在預(yù)約好的時(shí)間內(nèi)完成更多實(shí)踐內(nèi)容。

教學(xué)效果評(píng)價(jià)

教學(xué)效果評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)為五個(gè)方面：一是學(xué)習(xí)態(tài)度的評(píng)價(jià)，包括學(xué)生基于MOOC平臺(tái)自主學(xué)習(xí)情況、是否按時(shí)學(xué)習(xí)并按要求提交作業(yè)、課上環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備是否充分；二是知識(shí)掌握的評(píng)價(jià)，包括完成課前測試題的準(zhǔn)確程度、作業(yè)完成質(zhì)量等；三是交流能力的評(píng)價(jià)，主要體現(xiàn)在課上討論的表現(xiàn)，以及針對(duì)任務(wù)分組的團(tuán)隊(duì)合作匯報(bào)情況；四是實(shí)踐創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)，包括是否按照要求順利完成課堂實(shí)驗(yàn)、將所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中的熟練程度，以及課后作業(yè)和進(jìn)階學(xué)習(xí)的完成情況；五是課堂積極性的評(píng)價(jià)，主要體現(xiàn)在課堂環(huán)節(jié)中的學(xué)生表現(xiàn)，以及對(duì)學(xué)習(xí)的感興趣程度等。

本教學(xué)設(shè)計(jì)在經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的試驗(yàn)期后，通過跟蹤學(xué)習(xí)和評(píng)估，得到如圖3所示的教學(xué)效果評(píng)價(jià)：在五個(gè)維度的教學(xué)評(píng)價(jià)中，學(xué)生在課堂積極性方面的提高效果最為明顯，由之前的50%左右的課堂參與率提高到了現(xiàn)在的80%；其次是交流能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力也有較為顯著的改善。

本教學(xué)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)教學(xué)手段與公共在線教學(xué)平臺(tái)、虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合，使學(xué)生保持了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，并將所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)落實(shí)到了實(shí)踐中，同時(shí)為知識(shí)點(diǎn)的擴(kuò)展學(xué)習(xí)提供了公共平臺(tái)，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)。通過對(duì)學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程的跟蹤和評(píng)估，保障了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，充分貫徹了以學(xué)為主體、教為主導(dǎo)的理念，體現(xiàn)了“信息化、學(xué)以致用”的教學(xué)方針。

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作者簡介：邢萌（1990—），女，河南濮陽人，碩士研究生學(xué)位，現(xiàn)擔(dān)任助教，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全。

本文系2016年陸軍裝甲兵學(xué)院教育研究課題“軍事信息技術(shù)課程（網(wǎng)電部分）信息化教學(xué)手段建設(shè)與應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：JYYJ2016-C-12）的階段性研究成果。