網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)課程貫通的聯(lián)合教學(xué)方案研究

孫偉峰，賈茗涵，覃振權(quán)

（大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引言

翻轉(zhuǎn)課堂是指重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時間，將學(xué)習(xí)的決定權(quán)從教師轉(zhuǎn)移給學(xué)生的一種教學(xué)模式。“互聯(lián)網(wǎng)+”是融合MOOC、SPOC、網(wǎng)絡(luò)視頻、在線資源等內(nèi)容，使師生可以通過多種途徑獲得知識的一種理念?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的應(yīng)用，也是翻轉(zhuǎn)課堂得以實(shí)施、打造“金課”的技術(shù)手段。翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式要求學(xué)生在課前完成自主學(xué)習(xí)，學(xué)生可以通過看視頻講座、聽播客、查詢網(wǎng)絡(luò)等方式進(jìn)行自學(xué)；在課上由教師來引導(dǎo)學(xué)生，讓學(xué)生在實(shí)踐過程中加深對所學(xué)知識的了解，使得學(xué)生能夠?qū)⒄n下所學(xué)的知識內(nèi)化。翻轉(zhuǎn)課堂模式是一種混合式的主動的學(xué)習(xí)，可以讓學(xué)生的參與度更強(qiáng)，達(dá)到杜絕“水課”、打造“金課”的目的。翻轉(zhuǎn)課堂的目標(biāo)之一是讓學(xué)生在課堂上學(xué)到在課堂外學(xué)不到的東西。通過“課下知識傳授、課上知識內(nèi)化”的方式實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)課堂教學(xué)的革新。

2017—2018 年，筆者在美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校UIUC 進(jìn)行為期一年的訪問，訪問期間聽了6 門課程，有一些課程也采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)方法，發(fā)現(xiàn)采用了翻轉(zhuǎn)課堂的課程更加生動、互動性更好，學(xué)生對知識的掌握度更高。另外，翻轉(zhuǎn)教學(xué)促使學(xué)生主動學(xué)習(xí)的方法在美國非常常見。在美國，筆者參加教學(xué)討論會，發(fā)現(xiàn)這種翻轉(zhuǎn)課堂通過MOOC 等平臺激發(fā)學(xué)生積極性，激勵學(xué)生參與研究和討論的模式也是教育教學(xué)研究所關(guān)注的一大方向。

1 現(xiàn) 狀

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使得很少有知識是在課堂外找不到的。那課堂的作用是什么就值得教育工作者來思考[1-3]。如果教師只是照本宣科，講課件、讀內(nèi)容，那從網(wǎng)絡(luò)上找到的資源會更好、更多。學(xué)生可以坐在宿舍或者家里就能聽到全國甚至是全世界的名師授課。那線下課堂存在的意義是什么？價(jià)值又在哪里呢？所以要發(fā)揮課堂的作用，需要學(xué)生討論、學(xué)生參與，并通過學(xué)生了解學(xué)生的狀態(tài)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[4-5]。這種方式，在國內(nèi)外多所學(xué)校都有采用，也有一些方法可以借鑒[6]。如“提出問題要大家討論”“進(jìn)行特定專題的辯論”“為了讓學(xué)生通過實(shí)踐獲得更真實(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生的參與度更強(qiáng)”[7-8]“讓學(xué)生參與教學(xué)”等。

當(dāng)前的教育模式，學(xué)生與教師都面臨著重重困難[9-10]，常規(guī)教學(xué)很難滿足各方的需求。近年來，利用互聯(lián)網(wǎng)新一代信息技術(shù)，進(jìn)一步推動知識社會以用戶創(chuàng)新、開放創(chuàng)新、大眾創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新為特點(diǎn)的創(chuàng)新，正在逐漸改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、工作和生活方式?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”的背景下，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[11]，翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)對于學(xué)生學(xué)習(xí)是否具有助力、如何助力，以及其推行的可行性仍然需要研究討論[12-13]。甚至從推廣來看，對于其他領(lǐng)域的學(xué)術(shù)知識的學(xué)習(xí)與傳播的可行性也值得研究[14]。

比爾蓋茨曾經(jīng)在一次與喬布斯的對話中描述過他對未來學(xué)校的設(shè)想，學(xué)生自己觀看講座和視頻課程，而課堂時間用來討論和解決問題，隨之出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)課堂[15-16]。翻轉(zhuǎn)課堂是以搭建的課堂網(wǎng)站為主要載體，針對某個學(xué)科的知識點(diǎn)而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種情景化、支持多種學(xué)習(xí)方式的在線視頻課程資源。同時，也會建立互聯(lián)網(wǎng)平臺共享資源，解決了無法統(tǒng)一各地教學(xué)水平的問題，不同地區(qū)的學(xué)生可以共同學(xué)習(xí)，消除了地區(qū)教學(xué)資源的差異，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享；另一方面，教學(xué)更加具有針對性[17-18]。筆者結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”和翻轉(zhuǎn)課堂思想，將網(wǎng)絡(luò)工程系高年級專業(yè)課程打通，使得多個課程結(jié)合成一個統(tǒng)一的目標(biāo)，幫助學(xué)生在本科生階段能有一項(xiàng)或幾項(xiàng)擅長的知識點(diǎn)和技能，更加注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，特別是注重培養(yǎng)解決問題能力和動手能力。

2 翻轉(zhuǎn)課堂和多課程貫通的教學(xué)模式

2.1 翻轉(zhuǎn)課堂

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)分為網(wǎng)絡(luò)安全和物聯(lián)網(wǎng)兩個方向。對于大三和大四的本科生，基礎(chǔ)課程已經(jīng)學(xué)完，在專業(yè)選修課中，大三階段的課程相對比較少，個人空閑的時間比較多。學(xué)生反映課程學(xué)了一堆，但并沒有自己真正掌握的技能。學(xué)生考試之前對知識點(diǎn)背得滾瓜爛熟，在結(jié)課并通過考試以后，所有背過的知識都忘了，學(xué)生并沒有真正地理解并使用過所學(xué)習(xí)的知識，自然忘得也快。學(xué)生在寫簡歷或準(zhǔn)備研究生面試時，竟然找不到自己的方向是什么、最擅長的專業(yè)課是什么。學(xué)生只能照本宣科，不能將知識內(nèi)化，既浪費(fèi)了教學(xué)資源，也浪費(fèi)了時間。

在課程調(diào)查問卷中，學(xué)生提出了“提出問題要大家討論”“進(jìn)行特定專題的辯論”“為了讓學(xué)生通過實(shí)踐獲得更真實(shí)的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生的參與度更強(qiáng)”“讓學(xué)生參與教學(xué)”等建議。圖1 為一位學(xué)生對云計(jì)算與Hadoop 課程的調(diào)查反饋。對于高年級的專業(yè)課來說，學(xué)生普遍反映只是看完課程的PPT，交個大作業(yè)、拿到學(xué)分，并沒有得到相應(yīng)的收獲。值得思考的是：如何讓學(xué)生在有限的時間內(nèi)，能得到一些對以后有用的知識，而不僅僅是學(xué)到PPT 的理論知識。

圖1 學(xué)生調(diào)查問卷示例

為此研究以學(xué)生參與為主的專業(yè)課程教學(xué)方法和激勵方法，提升師生的信息素養(yǎng)和教學(xué)交往的深度互動。為從實(shí)際出發(fā)，翻轉(zhuǎn)課堂先從軟件學(xué)院網(wǎng)絡(luò)工程系網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行初期實(shí)施和改革實(shí)踐。

2.2 多課程聯(lián)動

網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)的專業(yè)課有信息論、無線網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)安全編程、信息安全、密碼技術(shù)及應(yīng)用、計(jì)算機(jī)病毒和入侵檢測等，這些課程由網(wǎng)絡(luò)工程系的幾位教師承擔(dān)。通過任課教師的交流、集體備課，希望能找到幾門課的共同目標(biāo)，在多個課程中激發(fā)學(xué)生的興趣、改善教學(xué)效果、引領(lǐng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

有了目標(biāo)后，還可以通過網(wǎng)絡(luò)，跟進(jìn)學(xué)生的個人進(jìn)展。以網(wǎng)絡(luò)攻防技術(shù)實(shí)踐和網(wǎng)絡(luò)安全編程技術(shù)課程為例，學(xué)生可以通過兩門課中不同的側(cè)重點(diǎn)，進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程實(shí)踐以及實(shí)際應(yīng)用，做一套從設(shè)計(jì)、開發(fā)到實(shí)現(xiàn)的完成流程。教師激勵學(xué)生展示自己，吸引其他學(xué)生組隊(duì)。在實(shí)際實(shí)施中，這種方式提高了學(xué)生的興趣度，開課2 周已有8 位同學(xué)向大家介紹了Windows 密碼破解、SQL 注入攻擊、基于彩虹表的密碼破解、RSA加密算法介紹及實(shí)現(xiàn)、摘要算法實(shí)現(xiàn)、XSS 攻擊實(shí)現(xiàn)及演示等。

例如，目前已經(jīng)采用的幾個發(fā)展主線包括IP地址不足問題解決、P2P 軟件封禁及解封攻防、存儲的關(guān)系數(shù)據(jù)庫、NoSQL、Hadoop 技術(shù)發(fā)展，超級計(jì)算機(jī)、網(wǎng)格、云計(jì)算、邊緣計(jì)算這種合—分—合的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹鳈C(jī)為中心、網(wǎng)絡(luò)為中心、SDN 的發(fā)展，讓學(xué)生了解這些技術(shù)是不斷發(fā)展的，從而會有直觀的印象。

在翻轉(zhuǎn)課堂開課時教師需要學(xué)生在本科課程可能涉及的內(nèi)容中找感興趣的內(nèi)容自主學(xué)習(xí)，并向大家展示和介紹。對云計(jì)算和Hadoop、網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)踐、網(wǎng)絡(luò)安全編程課程來說，學(xué)生主觀上也希望能學(xué)到、了解前沿知識，能夠具體應(yīng)用相關(guān)技術(shù)。前期的選題情況顯示學(xué)生興趣廣泛，所以在擴(kuò)展整個班級知識面的同時，也要學(xué)生之間加深信息透明，為課后的“P2P”模式的交流提供支持。同時，這種方案也適合學(xué)生之間進(jìn)行效率最大化的組隊(duì)，用合作的方式來共同完成較大的項(xiàng)目。

整合基礎(chǔ)課計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)驗(yàn)及專業(yè)課云計(jì)算和Hadoop、網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)踐、網(wǎng)絡(luò)安全編程、計(jì)算機(jī)病毒和入侵檢測、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分析、無線安全、網(wǎng)絡(luò)信息安全等內(nèi)容，進(jìn)行跨課程的主線式教學(xué)設(shè)計(jì)。在后期的專業(yè)課中，很多應(yīng)用都是基礎(chǔ)課上的知識內(nèi)容，所以在專業(yè)課中回顧基礎(chǔ)課程的知識點(diǎn)，會有助于學(xué)生加深對基本知識的了解，激發(fā)創(chuàng)新應(yīng)用。

學(xué)生介紹、討論之后，由教師向全體學(xué)生提問相關(guān)的擴(kuò)展問題，問題多為啟發(fā)性問題，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步討論，或者在現(xiàn)場、課后深入復(fù)習(xí)或查詢。通過與學(xué)生的交流發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對這種教學(xué)方法更感興趣、出勤率也更高。

2.3 資料整理及素材網(wǎng)站建設(shè)

為解決資料少、無法從全局的角度快速找到資料的問題，筆者進(jìn)行課程方案、素材、學(xué)生成果展示等網(wǎng)站建設(shè)。同時，對網(wǎng)站的不斷更新維護(hù)，通過合理的分類，讓學(xué)生能在大量的信息中快速找到自己可能感興趣的內(nèi)容，節(jié)省學(xué)生選擇材料、搜集材料的時間，并能讓專業(yè)課程網(wǎng)站可持續(xù)發(fā)展。

對于安全類的網(wǎng)絡(luò)攻防操作，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)會有更新，有時在上周可以演示的課程，過了一周就補(bǔ)上了漏洞。針對這個問題，也做了相應(yīng)的視頻錄制（電腦桌面視頻錄制），讓學(xué)生可以作為參考。

3 實(shí)施效果

此系列課程的目標(biāo)是制作出一系列課程聯(lián)動方案，讓學(xué)生充分利用高年級時的專業(yè)課，進(jìn)行知識的融會貫通和應(yīng)用，在較少的時間內(nèi)抓住多個課程的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。希望以一種非常輕松有趣的方式讓學(xué)習(xí)內(nèi)容變得更易于學(xué)生掌握，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的“翻轉(zhuǎn)”，是對“互聯(lián)網(wǎng)+”教育的進(jìn)一步的探索與實(shí)踐。通過調(diào)動學(xué)生的參與積極性，解決學(xué)生想?yún)⑴c卻無從下手、沒有壓力就沒有參與欲望的問題。

以云計(jì)算和Hadoop 技術(shù)課程為例，在實(shí)施中，通過對作業(yè)的反饋、評分，與學(xué)生的課堂互動及課后的郵件、電話交流，采用了以下的方式跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展：前期介紹評分標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生在前兩次課結(jié)束后進(jìn)行選題，包括已做項(xiàng)目或感興趣的題目；教師對選題的方向或內(nèi)容提出建議，明確學(xué)生的方向；在課程開展一段時間后，選擇部分學(xué)生對已有成果做中期報(bào)告，其他學(xué)生根據(jù)介紹成果的內(nèi)容可選擇與其組隊(duì)，共同完成；在后期，第二次的組隊(duì)學(xué)生成果展示，并對相應(yīng)的報(bào)告進(jìn)行反饋；在課程后期，已經(jīng)沒有學(xué)生對大作業(yè)無法把握的問題。

在翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)上對可以聯(lián)系的相近專業(yè)課程進(jìn)行整合，整理貫穿跨課程的知識主線。以計(jì)算機(jī)病毒和入侵檢測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全編程、網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)踐3 門課程為例，這3 門課程在連續(xù)3個階段依次進(jìn)行：在計(jì)算機(jī)病毒和入侵檢測技術(shù)課程中師生花了大量的實(shí)踐來討論、選題；在網(wǎng)絡(luò)安全編程課程中，將已做的調(diào)研進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)；在網(wǎng)絡(luò)攻防實(shí)踐課程中，進(jìn)一步將已有工具和自己編寫的軟件進(jìn)行測試和實(shí)施。從個人完成到有選擇的分組完成，到全部分組完成的變化。

結(jié)合專業(yè)背景，在碰到新的問題時貫穿講述已經(jīng)學(xué)到的知識，從全局把握，在課程中設(shè)定幾條發(fā)展主線。解決學(xué)生上完課、考試結(jié)束后就忘掉內(nèi)容，知識學(xué)習(xí)局限在某一門課程中，無法從全局來看各個知識、方法的局限性等問題。

用理論知識或?qū)嵺`工具激勵學(xué)生掌握自己擅長的一種或幾種方法，能夠加深學(xué)生對某個方法或工具的理解和使用。解決學(xué)生學(xué)完課程后不記得課程講了什么，多門課程學(xué)完后卻不知如何應(yīng)用在本專業(yè)中，不清楚自己學(xué)了什么內(nèi)容、能解決什么問題，這也是學(xué)生畢業(yè)后所必須面臨的問題。教師先介紹主流的一些工具，專門方向的特定工具，如網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2、OMNeT++、ONE、OPNET、GridSim、SimGrid、Cloudsim；若是加密技術(shù)，則簡單介紹一些加密的名字，如AES、DES、IDEA、橢圓曲線、RSA、MD5、SHA-1等，而具體的內(nèi)容，則由學(xué)生根據(jù)自己的興趣去調(diào)研、掌握。

在翻轉(zhuǎn)課堂的基礎(chǔ)上，該教學(xué)模式整合網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)課的知識點(diǎn)成貫穿的知識主線，從宏觀的角度去了解各個知識，對網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)課可以有更具體的把握，以構(gòu)建學(xué)生的整體知識框架。該教學(xué)方案在大連理工大學(xué)軟件學(xué)院開展實(shí)施，并得到了正反饋。

4 結(jié)語

翻轉(zhuǎn)課堂和多課程聯(lián)動的方案給出了一套可以被網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)、軟件工程專業(yè)等借鑒的提高學(xué)生積極性的“翻轉(zhuǎn)”課堂方案，并將方案加以利用：分析了不同時期學(xué)生的調(diào)查問卷結(jié)果；整理并固定至少4 條跨課程的技術(shù)發(fā)展主線并推廣；完成了素材網(wǎng)站及成果展示網(wǎng)站的建設(shè)；幫助提升了教師的教學(xué)水平和教學(xué)效果。