挑戰(zhàn)式教學(xué)的研究與實(shí)踐

孟 魁，劉功申，邱衛(wèi)東，李建華

（上海交通大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

建設(shè)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科，是繼211和985之后我國(guó)在高等教育領(lǐng)域確定實(shí)施的又一項(xiàng)重大戰(zhàn)略措施。一流大學(xué)和一流學(xué)科的教育無(wú)疑屬于精英教育。在著名教育社會(huì)學(xué)家Martin Trow博士看來(lái)，精英教育的特點(diǎn)在于要“激發(fā)學(xué)生的雄心大志”[1]。如何激發(fā)學(xué)生的雄心大志是我國(guó)高等教育從業(yè)者的一大要?jiǎng)?wù)。

世界一流大學(xué)往往集中了眾多具備較好潛質(zhì)的學(xué)生，學(xué)校應(yīng)該為這些學(xué)生提供一種難度更大、標(biāo)準(zhǔn)更高、要求更嚴(yán)、挑戰(zhàn)性更強(qiáng)的教育，通過(guò)校內(nèi)的挑戰(zhàn)性教育培養(yǎng)，不僅可以進(jìn)一步刺激和培育其雄心大志，更能提升學(xué)生的挑戰(zhàn)應(yīng)對(duì)能力，得以成就其雄心。蘭州大學(xué)李碩豪教授提出：一流本科教育是發(fā)展力教育，實(shí)施發(fā)展力教育要以適當(dāng)難度的教學(xué)為抓手[2]。

在2009—2010年，清華大學(xué)教育研究院所做的“清華大學(xué)本科教育學(xué)情調(diào)查報(bào)告——與美國(guó)頂尖研究型大學(xué)的比較”發(fā)現(xiàn)，清華本科教育總體上與美國(guó)同類大學(xué)相當(dāng)，但在學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度和生師互動(dòng)水平兩項(xiàng)指標(biāo)上與美國(guó)同類大學(xué)存在一定差距[3]。清華大學(xué)孫宏斌教授等指出，課程內(nèi)容的挑戰(zhàn)度不足是我國(guó)世界一流本科教育事業(yè)發(fā)展中的瓶頸問(wèn)題之一[4]。

如何改進(jìn)教學(xué)方法、如何提升課業(yè)挑戰(zhàn)度是我們?cè)陔p一流建設(shè)過(guò)程中和教學(xué)改革中要著力思考的問(wèn)題。在近年的信息安全綜合實(shí)踐課程教學(xué)中，我們采用挑戰(zhàn)式教學(xué)法，以學(xué)生為中心、以問(wèn)題為線索、以能力培養(yǎng)為重點(diǎn)組織教學(xué)，根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)設(shè)置教學(xué)環(huán)節(jié)、改進(jìn)教學(xué)形式，促進(jìn)了學(xué)生在問(wèn)題發(fā)現(xiàn)、自主學(xué)習(xí)、交流表達(dá)等方面能力的提升，得到了學(xué)生的肯定，取得了一定成效。

1 挑戰(zhàn)式教學(xué)法

早在20 世紀(jì)初，美國(guó)著名教育家、心理學(xué)家John Dewey就指出，教學(xué)不應(yīng)直截了當(dāng)?shù)刈⑷胫R(shí)，而應(yīng)引導(dǎo)受教育者在活動(dòng)中得到經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)[5]。因此，他提出了探究式教學(xué)（Hands-on Inquiry Based Learning），即“做中學(xué)”的理念。在探究式教學(xué)中，教師在學(xué)生學(xué)習(xí)概念和原理時(shí)，只提供一些事例和問(wèn)題，讓學(xué)生自己通過(guò)閱讀、觀察、實(shí)驗(yàn)、思考、討論、聽講等途徑去主動(dòng)探究，自行發(fā)現(xiàn)并掌握相應(yīng)的原理和結(jié)論。雖然探究式教學(xué)可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和邏輯思維能力，但一般培養(yǎng)時(shí)間比較久，在單項(xiàng)課程的教學(xué)中很難實(shí)施。

1969年，美國(guó)神經(jīng)病學(xué)教授Howard Barrows提出了問(wèn)題式教學(xué)法（Problem-based Learning），強(qiáng)調(diào)應(yīng)把學(xué)習(xí)設(shè)置在復(fù)雜、有意義的“問(wèn)題情境”中，以提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題為線索，并以問(wèn)題為載體貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程[6]。問(wèn)題教學(xué)法在設(shè)問(wèn)和釋問(wèn)的過(guò)程中激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，進(jìn)而逐漸使他們養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化自主學(xué)習(xí)的方法，是提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的一種有效教學(xué)法。在問(wèn)題式教學(xué)中，教師往往承擔(dān)著問(wèn)題的提出者、討論的組織者、方法的指導(dǎo)者等多個(gè)角色，對(duì)教師自身的素質(zhì)和教學(xué)技巧都有很高的要求。而且問(wèn)題式教學(xué)比較適合小班教學(xué)，在大班實(shí)施難度較大。此外，如何有效地平衡共性問(wèn)題與個(gè)性問(wèn)題也是問(wèn)題式教學(xué)要克服的一大難題。

2008年，蘋果公司在其發(fā)起的合作項(xiàng)目ACOT2（Apple Classrooms of Tomorrow-Today）中首次提出了挑戰(zhàn)式學(xué)習(xí)（CBL，challengebased learning）的教學(xué)理念，通過(guò)設(shè)置一些有吸引力且學(xué)生跳一跳能解決的難題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用相關(guān)知識(shí)去解決這些難題[4]。

2012年，清華大學(xué)首次啟動(dòng)了挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)課程建設(shè)，著手建設(shè)了15門校級(jí)和一批院系級(jí)挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)示范課（簡(jiǎn)稱挑戰(zhàn)性課程）[4]。該類課程通過(guò)設(shè)置挑戰(zhàn)性問(wèn)題吸引學(xué)生，讓學(xué)生在好奇中產(chǎn)生深度鉆研的興趣，通過(guò)高強(qiáng)度師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，使學(xué)生快速獲取新知識(shí)并綜合運(yùn)用相關(guān)知識(shí)，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)溝通合作能力，收獲挑戰(zhàn)自我的勇氣和能力，促進(jìn)主動(dòng)學(xué)習(xí)。

按照前蘇聯(lián)著名心理學(xué)家維果斯基提出的“最近發(fā)展區(qū)理論”，通過(guò)為學(xué)生提供帶有一定難度的學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，從而超越其“最近發(fā)展區(qū)”而達(dá)到下一發(fā)展階段水平，繼而實(shí)現(xiàn)“下一個(gè)發(fā)展區(qū)”的發(fā)展[7]。無(wú)疑，挑戰(zhàn)式教學(xué)法對(duì)于有潛質(zhì)學(xué)生的培養(yǎng)非常有助益。

2 學(xué)生情況分析

教學(xué)重點(diǎn)從“以教為中心”轉(zhuǎn)向“以學(xué)為中心”后，面臨的一個(gè)重要問(wèn)題就是了解學(xué)生的情況，尤其是學(xué)生學(xué)習(xí)的情況。與問(wèn)題式學(xué)習(xí)相比，挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)更強(qiáng)調(diào)問(wèn)題的挑戰(zhàn)性，側(cè)重于問(wèn)題的難度、深度及與理論學(xué)習(xí)和應(yīng)用的結(jié)合程度。由于挑戰(zhàn)式教學(xué)關(guān)注于如何激發(fā)學(xué)生的優(yōu)勢(shì)潛能，所以需要對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況有更深入的了解。雖然同是理工科學(xué)生，但可能不僅在知識(shí)結(jié)構(gòu)上存在差異，在學(xué)習(xí)習(xí)慣、思維方式也會(huì)有較大不同。

美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)教授Richard M.Felder指出，各類型學(xué)習(xí)者有不同的學(xué)習(xí)偏好，若有針對(duì)性地安排合適的教學(xué)內(nèi)容和采用一定的教學(xué)形式，會(huì)達(dá)到事半功倍的作用[8]。他從信息感知、輸入、加工和理解的方式4個(gè)維度研究學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格，將學(xué)習(xí)者分為感覺(jué)型/直覺(jué)型學(xué)習(xí)者（sensing/intuitive learners），視覺(jué)型/聽覺(jué)型學(xué)習(xí)者（visual/verbal learners），活躍型/思考型學(xué)習(xí)者（active/re fl ective learners），順序型/整體型學(xué)習(xí)者（sequential/global learners）8種類型。

近年來(lái)，我們使用Richard M.Felder和Barbara Solomon提出的學(xué)習(xí)風(fēng)格（ILS，index of learning styles）判定問(wèn)卷對(duì)我校信息安全專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格進(jìn)行了調(diào)研。分析這5年的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，信息安全專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)類型分布具有如下規(guī)律：感覺(jué)型學(xué)習(xí)者占比明顯高于直覺(jué)型學(xué)習(xí)者，視覺(jué)型學(xué)習(xí)者占絕大多數(shù)，思考型學(xué)習(xí)者占比略高于活躍型學(xué)習(xí)者，整體型學(xué)習(xí)者也要多于順序型學(xué)習(xí)者[9]。

根據(jù)Richard M.Felder的研究結(jié)果，我校信息安全專業(yè)大多數(shù)學(xué)生希望學(xué)習(xí)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)相關(guān)，偏好于通過(guò)圖片、圖表、流程圖、觀察、動(dòng)手實(shí)踐等方式獲取信息，大部分人喜歡獨(dú)立學(xué)習(xí)，相較于按部就班，更多的人偏向于躍進(jìn)式的學(xué)習(xí)方式?？傮w而言，學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格體現(xiàn)了典型工科學(xué)生的學(xué)習(xí)特征。

3 挑戰(zhàn)式教學(xué)法的應(yīng)用

信息安全作為典型工程學(xué)科，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和動(dòng)手能力。ACM（Association for Computing Machinery）教育委員會(huì)在面向網(wǎng)際空間安全的教育研討會(huì)報(bào)告中提出，學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐是掌握信息安全知識(shí)和技能的必要途徑[10]。我?！靶畔踩C合實(shí)踐”課程是信息安全專業(yè)的特色實(shí)踐類課程，我們嘗試在該課程的教學(xué)中進(jìn)行了挑戰(zhàn)式教學(xué)實(shí)踐。

3.1 教學(xué)內(nèi)容更新

該課程從系統(tǒng)安全、密碼技術(shù)及應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)及應(yīng)用等三方面出發(fā)，以提出問(wèn)題、解決問(wèn)題、提出挑戰(zhàn)為線索，通過(guò)實(shí)踐加深對(duì)信息安全技術(shù)基本概念和相關(guān)技術(shù)的理解。課程的挑戰(zhàn)式教學(xué)方案的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 挑戰(zhàn)式教學(xué)方案架構(gòu)圖

在各模塊教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容的組織主要是圍繞核心知識(shí)點(diǎn)提出問(wèn)題，指導(dǎo)同學(xué)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題。針對(duì)工科學(xué)生希望學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)相關(guān)內(nèi)容的特點(diǎn)，每次作業(yè)我們都會(huì)設(shè)置與實(shí)際應(yīng)用有關(guān)的思考題和擴(kuò)展知識(shí)內(nèi)容，要求同學(xué)們?cè)诮鉀Q問(wèn)題后，進(jìn)一步探求理論的實(shí)際應(yīng)用。依據(jù)“最近發(fā)展區(qū)”理論，挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)目標(biāo)是讓每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)都在自己“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)，即跳一跳可以達(dá)到的區(qū)域，向自己已有水平進(jìn)行挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步加強(qiáng)課業(yè)的挑戰(zhàn)性，我們還設(shè)置了選做題，讓學(xué)有余力或有興趣的同學(xué)可以深層次地探究應(yīng)用背后的技術(shù)問(wèn)題。

比如惡意代碼是普遍遇到的信息安全問(wèn)題之一。在惡意代碼查殺這一模塊中，我們?cè)谥笇?dǎo)同學(xué)們了解惡意代碼的特點(diǎn)、查殺工具和查殺要點(diǎn)后，以一個(gè)真實(shí)的惡意代碼樣本為思考題，讓他們分析該惡意代碼的行為特點(diǎn)，自行進(jìn)行惡意代碼查殺。同時(shí)布置的選做題以代碼安全分析作為挑戰(zhàn)內(nèi)容，讓他們對(duì)該惡意代碼進(jìn)行反編譯，分析惡意代碼是通過(guò)哪些編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)其隱蔽性、傳染性，從而提出防范策略。

網(wǎng)絡(luò)攻防安全也是信息安全專業(yè)學(xué)生普遍比較感興趣的內(nèi)容。在Web應(yīng)用安全這一模塊中，我們先讓同學(xué)們自行查找材料，總結(jié)Web應(yīng)用存在的典型安全問(wèn)題。同學(xué)們可以在通過(guò)端口掃描、提權(quán)登錄、Web漏洞掃描等方式發(fā)現(xiàn)所提供靶機(jī)存在的安全問(wèn)題，并采取暴力破解、注入攻擊、跨站攻擊、文件上傳等方式對(duì)靶機(jī)進(jìn)行攻擊，最后通過(guò)分析攻擊代碼的方式，結(jié)合自己的體驗(yàn)給出Web應(yīng)用安全防范的建議。在實(shí)施攻擊的過(guò)程中，同學(xué)們不僅可以自行選擇攻擊方式，而且可以自行采用由簡(jiǎn)到繁、由易到難的不同級(jí)別進(jìn)行攻擊實(shí)驗(yàn)，完成自我挑戰(zhàn)。

同時(shí)，在以問(wèn)題貫穿各教學(xué)模塊的過(guò)程，我們針對(duì)部分同學(xué)偏向于躍進(jìn)式學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，在問(wèn)題設(shè)計(jì)上有意識(shí)地作了教學(xué)內(nèi)容前后呼應(yīng)或與相關(guān)課程教學(xué)內(nèi)容的呼應(yīng)。比如前期作業(yè)中就讓同學(xué)們接觸了SQL注入問(wèn)題，所以在Web應(yīng)用安全作業(yè)中不少同學(xué)挑戰(zhàn)了高級(jí)別的SQL注入實(shí)現(xiàn)和預(yù)防分析；在惡意代碼查殺模塊的代碼分析挑戰(zhàn)，呼應(yīng)了同期開設(shè)的另一門專業(yè)課程——計(jì)算機(jī)病毒原理；加密傳輸技術(shù)分析模塊呼應(yīng)了同期開設(shè)的通信網(wǎng)絡(luò)課程。這樣的內(nèi)容安排使同學(xué)們既可以從不同角度學(xué)習(xí)和理解相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，也激發(fā)了他們對(duì)技術(shù)應(yīng)用的深入探究。

3.2 教學(xué)形式組織

挑戰(zhàn)式教學(xué)希望通過(guò)高強(qiáng)度的師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的挑戰(zhàn)熱情，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，快速獲取新知識(shí)并綜合運(yùn)用。因此，互動(dòng)式學(xué)習(xí)也是信息安全綜合實(shí)踐課程教學(xué)組織的重點(diǎn)。

從學(xué)習(xí)類型的調(diào)研結(jié)果可以看出，同學(xué)們雖然偏好于通過(guò)圖片、觀察、動(dòng)手實(shí)踐等方式獲取信息，但大部分人喜歡獨(dú)立學(xué)習(xí)，交流互動(dòng)的意愿并不強(qiáng)烈。我們發(fā)現(xiàn)，相較于同年級(jí)交流，同學(xué)們一般更樂(lè)意請(qǐng)教學(xué)長(zhǎng)，因此，我們邀請(qǐng)高年級(jí)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題給予建議，引導(dǎo)學(xué)習(xí)討論。

同時(shí)，我們有意識(shí)地布置一些諸如密鑰分持、通訊監(jiān)聽等需要至少兩方合作參與的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，創(chuàng)造機(jī)會(huì)讓同學(xué)們?cè)诜纸M實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行討論和交流互動(dòng)。不少同學(xué)還通過(guò)微信群、課程論壇等討論和分享經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)閱讀文獻(xiàn)資料。結(jié)果表明，同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)討論過(guò)程中有很大收獲，甚至說(shuō)“課程實(shí)驗(yàn)中遇到問(wèn)題、解決問(wèn)題的日日夜夜讓他們結(jié)下了戰(zhàn)斗的友誼”。

課程思考題是同學(xué)們對(duì)實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)的分析、思考和應(yīng)用擴(kuò)充。同學(xué)們分享展示他們的思考題部分時(shí)，也面臨著其他同學(xué)對(duì)他們的挑戰(zhàn)。事實(shí)證明，經(jīng)過(guò)自主查閱資料、互動(dòng)式學(xué)習(xí)后，同學(xué)們?cè)谔岢鰡?wèn)題、回答問(wèn)題、演講展示方面的能力都有所提升。

3.3 教學(xué)實(shí)踐結(jié)果

教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，挑戰(zhàn)式教學(xué)思想對(duì)促進(jìn)同學(xué)們的問(wèn)題發(fā)現(xiàn)、自主學(xué)習(xí)、交流表達(dá)、團(tuán)隊(duì)管理等方面的能力提升起到了積極的作用。

首先，同學(xué)們?cè)诒菊n程中投入了大量時(shí)間。為了驗(yàn)證和確認(rèn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不少同學(xué)多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有的同學(xué)還自行搭建環(huán)境進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。其次，從期末同學(xué)們的課程反饋也表明，大部分同學(xué)相當(dāng)認(rèn)同課程內(nèi)容和形式的安排，認(rèn)為思考題和交流討論促進(jìn)了他們深層次的思考，激發(fā)了他們對(duì)相關(guān)知識(shí)和技術(shù)的好奇與探究。一些對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻防感興趣的同學(xué)，在實(shí)驗(yàn)中多次挑戰(zhàn)選做題內(nèi)容，并在交流討論中感受到了經(jīng)驗(yàn)分享和深入學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，幾個(gè)志同道合的同學(xué)一起加入了學(xué)校的CTF戰(zhàn)隊(duì)，先后參加了強(qiáng)網(wǎng)杯、網(wǎng)鼎杯、全國(guó)大學(xué)生信息安全競(jìng)賽創(chuàng)新實(shí)踐賽等國(guó)家級(jí)比賽，均進(jìn)入決賽并獲得全國(guó)二等獎(jiǎng)。

此外，同學(xué)們通過(guò)課程的訓(xùn)練，在問(wèn)題發(fā)現(xiàn)、交流表達(dá)、團(tuán)隊(duì)管理方面的能力也有相當(dāng)大的進(jìn)步，表現(xiàn)在近年來(lái)自行組隊(duì)報(bào)名參加全國(guó)大學(xué)生信息安全競(jìng)賽的同學(xué)逐年增加，進(jìn)入競(jìng)賽并取得優(yōu)異成績(jī)的團(tuán)隊(duì)數(shù)量也越來(lái)越多。2015年4支隊(duì)伍進(jìn)入決賽，最高成績(jī)二等獎(jiǎng)；2018年8支隊(duì)伍進(jìn)入決賽，最高成績(jī)一等獎(jiǎng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

美國(guó)著名教育家John Dewey認(rèn)為，科學(xué)教育不僅僅是要讓學(xué)生學(xué)習(xí)大量的知識(shí)，更重要的是要學(xué)習(xí)科學(xué)研究的過(guò)程或方法。針對(duì)我校雙一流建設(shè)的需要和專業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，我們應(yīng)用挑戰(zhàn)式教學(xué)思想進(jìn)行信息安全綜合實(shí)踐課程的教學(xué)改進(jìn)，在強(qiáng)化同學(xué)們專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)的前提下，提升教學(xué)內(nèi)容的挑戰(zhàn)度，培養(yǎng)學(xué)生具備良好的知識(shí)探究、表達(dá)交流、協(xié)調(diào)組織的能力，以期達(dá)到“授人以魚不如授人以漁”的教育目標(biāo)，目前看來(lái)取得了較好的成效。

當(dāng)然，教學(xué)相長(zhǎng)，挑戰(zhàn)式教學(xué)的應(yīng)用也對(duì)授課老師提出了挑戰(zhàn)。首先，在信息技術(shù)不斷更新的背景下，如何有效地將技術(shù)發(fā)展的內(nèi)容結(jié)合進(jìn)信息安全綜合實(shí)踐的課程內(nèi)容，如何更有針對(duì)性地進(jìn)行各模塊教學(xué)的組織，如何更科學(xué)地設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)反饋體系，如何鼓勵(lì)更多同學(xué)的互助式學(xué)習(xí)熱情。這些問(wèn)題的解答都需要授課教師對(duì)課程特點(diǎn)、學(xué)生情況、教學(xué)規(guī)律進(jìn)行深入的分析。此外，挑戰(zhàn)式教學(xué)的實(shí)施也對(duì)目前與教學(xué)配套的教學(xué)實(shí)踐環(huán)境提出了挑戰(zhàn)，如何總結(jié)教學(xué)規(guī)律、教學(xué)需求，調(diào)整相應(yīng)模塊的實(shí)踐環(huán)境設(shè)計(jì)，是后期課程建設(shè)中需要考慮的問(wèn)題。我們始終認(rèn)為，加強(qiáng)教學(xué)課程內(nèi)容的挑戰(zhàn)度，提升學(xué)生的挑戰(zhàn)應(yīng)對(duì)能力，通過(guò)校內(nèi)的挑戰(zhàn)性教育培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生成就一流人才的熱情，是我們?cè)陔p一流建設(shè)過(guò)程必須進(jìn)行的工作，也是作為教師應(yīng)該面臨的挑戰(zhàn)。