網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程建設(shè)探索

邱 菡 ,王清賢 ,朱俊虎 ,李玉峰

（1．解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué) 四院，河南 鄭州 450002；2． 國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002）

0 引 言

2015年6月,網(wǎng)絡(luò)空間安全被增設(shè)為國(guó)家一級(jí)學(xué)科以來(lái),許多大學(xué)大力加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)空間安全人才培養(yǎng),紛紛開(kāi)展學(xué)科專業(yè)建設(shè)。網(wǎng)絡(luò)空間安全是在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域基礎(chǔ)上形成的、相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科領(lǐng)域,因此突出學(xué)科專業(yè)特色、進(jìn)行相關(guān)課程設(shè)置,是做好學(xué)科專業(yè)建設(shè)和人才教學(xué)工作的重點(diǎn)內(nèi)容[1],然而,網(wǎng)絡(luò)空間安全的科學(xué)基礎(chǔ)研究尚未形成系統(tǒng)化知識(shí)體系,從根本上制約了網(wǎng)絡(luò)空間安全的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展[2]。借鑒其他領(lǐng)域的研究成果,建設(shè)有專業(yè)特色的網(wǎng)絡(luò)空間安全科學(xué)基礎(chǔ)課程,顯得分外急迫和重要。

1 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程在網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才培養(yǎng)中的作用與地位

按照網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)和學(xué)校特色,大多高校將網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)劃分成包括網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)理論在內(nèi)的5～6個(gè)學(xué)科方向[3-5],其中,網(wǎng)絡(luò)空間安全基礎(chǔ)理論是共有基礎(chǔ),為其他學(xué)科方向提供理論的、方法論的指導(dǎo)。由于網(wǎng)絡(luò)空間安全的動(dòng)態(tài)性、對(duì)抗性和環(huán)境依賴性,目前沒(méi)有一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域能涉及其所有的重要問(wèn)題,但是網(wǎng)絡(luò)空間安全的部分問(wèn)題與其他領(lǐng)域相似,可以借鑒信息論、博弈論、控制論、軍事學(xué)等領(lǐng)域的研究[2]。目前,國(guó)內(nèi)大學(xué)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)理論課程設(shè)置時(shí),大多建議開(kāi)設(shè)信息論、控制論、博弈論等內(nèi)容[3-4]。然而,大量理論課程既需要較長(zhǎng)時(shí)間的學(xué)習(xí),更需要深入的應(yīng)用、實(shí)踐和理解,在目前四年制培養(yǎng)課程已經(jīng)非常繁重的情況下,脫離應(yīng)用實(shí)踐,學(xué)生很難能夠掌握。

網(wǎng)絡(luò)科學(xué)是一個(gè)新興的交叉學(xué)科,運(yùn)用圖論、信息論、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、博弈論、動(dòng)力系統(tǒng)等分支的概念、理論與方法[6],著眼于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的定量與定性特征的科學(xué)研究和理解,目前廣泛應(yīng)用于Internet、萬(wàn)維網(wǎng)、電力與交通網(wǎng)絡(luò)、生物網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)濟(jì)與金融網(wǎng)絡(luò)、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、科研教育網(wǎng)絡(luò)等,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)空間安全中的“病毒如何在網(wǎng)絡(luò)上傳播而導(dǎo)致流行”“如何控制病毒在網(wǎng)絡(luò)上的傳播”“面對(duì)網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí),可采取何種有效對(duì)策”“網(wǎng)絡(luò)是否存在阿喀琉斯之踵”“網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制是什么?如何進(jìn)行防范”等重要問(wèn)題能夠提供研究方法和思路[7]。從技術(shù)方法上,網(wǎng)絡(luò)科學(xué)涉及信息論、博弈論、控制論中的主要方法和思想;從應(yīng)用實(shí)踐上,網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論可直接應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò),涉及網(wǎng)絡(luò)空間安全的主要研究對(duì)象。由此,在網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)開(kāi)設(shè)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程,既能夠在有限時(shí)間內(nèi)為學(xué)生提供足夠的理論基礎(chǔ)知識(shí),又能夠讓學(xué)生學(xué)以致用,為網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的學(xué)習(xí)實(shí)踐提供方法論的指導(dǎo)。

2 網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)中網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程的定位

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)有越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始網(wǎng)絡(luò)科學(xué)領(lǐng)域研究,近幾年許多大學(xué)更是開(kāi)設(shè)了網(wǎng)絡(luò)科學(xué)相關(guān)課程[8-9],其中,北京大學(xué)李曉明教授更是致力于“網(wǎng)絡(luò)、群體與市場(chǎng)”課程的教學(xué)培訓(xùn)和慕課建設(shè)。在課程定位方面,大多定位在本科生或者研究生的入門(mén)層次,授課對(duì)象為多學(xué)科的學(xué)生主體。在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面,以介紹網(wǎng)絡(luò)科學(xué)及其背后的思想為主,涉及多個(gè)不同領(lǐng)域的研究。在課程教學(xué)實(shí)施方面,存在著課時(shí)有限、學(xué)生差異性大、對(duì)學(xué)生科研能力提高達(dá)不到預(yù)期等問(wèn)題[9]。

在網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)中,網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程是屬于網(wǎng)絡(luò)空間安全的科學(xué)基礎(chǔ)理論,并不屬于通識(shí)基礎(chǔ),因此將該課程定位為專業(yè)理論課程。從整個(gè)課程體系的角度,該課程位于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)相關(guān)課程之后,網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)綜合演練之前。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),我校網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程的目標(biāo)是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí),學(xué)生能掌握網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的基本概念、思想和方法,能夠把具體的概念與方法用于分析具體信息網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題,具備網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的思維習(xí)慣和研究方式,為深入學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等課程提供方法論指導(dǎo)。

3 網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

早在2013年起,學(xué)校就在網(wǎng)絡(luò)空間安全實(shí)驗(yàn)班開(kāi)設(shè)了網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程,以講座形式開(kāi)展理論授課,以論文作為考核方式,近5年來(lái)獲得了學(xué)生的積極反饋,取得了較好的教學(xué)效果。隨著“網(wǎng)絡(luò)空間安全”一級(jí)學(xué)科的設(shè)立和發(fā)展,我們重新對(duì)課程進(jìn)行定位,結(jié)合新工科的時(shí)代背景,總結(jié)5年來(lái)的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

3.1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)在本科階段的培養(yǎng)目標(biāo),都著重于網(wǎng)絡(luò)安全的基本知識(shí)和技能,強(qiáng)調(diào)學(xué)生的技術(shù)實(shí)踐能力[10],為此,本課程可在教學(xué)內(nèi)容上設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)兩部分。以互聯(lián)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)為主要研究對(duì)象,圍繞著網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和行為特性聚焦網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題,依照“結(jié)構(gòu)—行為”的思路對(duì)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行體系設(shè)計(jì),將課程內(nèi)容分為3個(gè)模塊:①是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成與分析(第一、二、三章);②個(gè)體行為分析(第四、五章);③網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)(第六章至第十一章),具體學(xué)時(shí)(總40學(xué)時(shí),其中理論30學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn)10學(xué)時(shí))和內(nèi)容安排見(jiàn)表1。

理論內(nèi)容在基本的概念和模型基礎(chǔ)上,側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題分析,如網(wǎng)絡(luò)攻防博弈、攻擊下的網(wǎng)絡(luò)魯棒性分析等,強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論在網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題中的具體應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生將網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題分析的能力。實(shí)驗(yàn)部分則是通過(guò)創(chuàng)設(shè)具體的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題應(yīng)用場(chǎng)景,讓學(xué)生探索網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論的具體應(yīng)用方式,并運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)完成問(wèn)題的求解過(guò)程。

隨著網(wǎng)絡(luò)科學(xué)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展,近幾年網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程的教材越來(lái)越多,但目前尚未發(fā)現(xiàn)完全適合本課程內(nèi)容的教材。通過(guò)對(duì)當(dāng)前十余本教材的研究與分析,目前選用的是《網(wǎng)絡(luò)、群體與市場(chǎng)》[11]和《網(wǎng)絡(luò)科學(xué)導(dǎo)論》[6]。第一本教材主要特點(diǎn)是全,第二本教材主要特點(diǎn)是深且難度適中,兩者相結(jié)合能夠基本滿足內(nèi)容的需求,不過(guò),仍然存在著網(wǎng)絡(luò)安全方面應(yīng)用有限的問(wèn)題。為此,在具體教學(xué)實(shí)施時(shí),以發(fā)放論文等補(bǔ)充資料的形式補(bǔ)充相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。

3.2 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程理論性強(qiáng),一味著眼于模型難以理解和應(yīng)用的問(wèn)題,在教學(xué)時(shí)應(yīng)遵循“適度數(shù)學(xué)推導(dǎo),強(qiáng)化科學(xué)思維,著眼安全應(yīng)用”的原則。根據(jù)表1涉及的課程內(nèi)容,將授課內(nèi)容劃分為11個(gè)專題,在每個(gè)專題的教學(xué)實(shí)施上依據(jù)我們所提出的“講授、實(shí)踐、討論”3段式課堂模式[12]。

講授環(huán)節(jié)占用課上時(shí)間,授課目標(biāo)并非全部的理論內(nèi)容,而是必不可少的基本概念、定理和方法,主要在于協(xié)助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)的“骨骼”。教學(xué)方法上,主要融合案例式教學(xué)法和支架式教學(xué)法,通過(guò)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)安全案例激發(fā)學(xué)生興趣,了解理論的應(yīng)用環(huán)境,誘導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析問(wèn)題,在解決問(wèn)題的過(guò)程中為學(xué)生提供支架,從而幫助學(xué)生形成對(duì)問(wèn)題的總體認(rèn)識(shí),并且培養(yǎng)科學(xué)思維。圖1以網(wǎng)絡(luò)博弈專題為例,給出了講授部分的教學(xué)設(shè)計(jì)。

表1 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

圖1 網(wǎng)絡(luò)攻防博弈的理論講授環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

實(shí)踐環(huán)節(jié)根據(jù)專題的不同,實(shí)施有所不同,其中,專題一、二、五、九教學(xué)既包含理論,又包含實(shí)驗(yàn),因此,實(shí)踐環(huán)節(jié)占用課上時(shí)間,內(nèi)容即為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其余7個(gè)專題僅有理論教學(xué),因此,實(shí)踐環(huán)節(jié)占用課下時(shí)間,內(nèi)容為書(shū)面作業(yè)。實(shí)驗(yàn)和書(shū)面作業(yè)都是對(duì)講授內(nèi)容中重要理論和方法的實(shí)踐,只是實(shí)踐對(duì)象的規(guī)模和實(shí)踐方式不同而已。討論環(huán)節(jié)則全部占用課上時(shí)間。在教學(xué)方法上,實(shí)踐環(huán)節(jié)和討論環(huán)節(jié)共同實(shí)踐情境式教學(xué)法的全過(guò)程。實(shí)踐環(huán)節(jié)通過(guò)構(gòu)設(shè)貼近學(xué)生的情境,使其進(jìn)行獨(dú)立的探索與實(shí)踐,討論環(huán)節(jié)通過(guò)課堂展示、問(wèn)題協(xié)作式討論、教師評(píng)價(jià),使學(xué)生進(jìn)一步深化對(duì)內(nèi)容的認(rèn)識(shí),最終完成對(duì)知識(shí)“血肉”的豐滿。圖2以給定場(chǎng)景下最佳攻防策略計(jì)算實(shí)驗(yàn)科目為例,給出了實(shí)踐和討論環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖2 網(wǎng)絡(luò)攻防博弈的實(shí)踐+討論環(huán)節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)

在科學(xué)基礎(chǔ)研究尚未形成系統(tǒng)化知識(shí)體系的情況下,如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)空間安全理論課程建設(shè)是網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)核心課程建設(shè)的一個(gè)重要問(wèn)題。在借鑒相關(guān)領(lǐng)域研究成果,參考國(guó)內(nèi)外學(xué)校關(guān)于網(wǎng)絡(luò)空間安全理論課程設(shè)置,考慮網(wǎng)絡(luò)空間安全人才培養(yǎng)方案的整體布局下,經(jīng)過(guò)5年的教學(xué)實(shí)踐,我們認(rèn)為開(kāi)設(shè)面向網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程是較好的選擇。在新工科背景下,進(jìn)一步明確網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程在網(wǎng)絡(luò)空間安全人才培養(yǎng)中的目標(biāo),圍繞專業(yè)特點(diǎn)從課程內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面展開(kāi)教學(xué)設(shè)計(jì):以互聯(lián)網(wǎng)、萬(wàn)維網(wǎng)為主要研究對(duì)象,圍繞安全問(wèn)題,依照“結(jié)構(gòu)—行為”的思路對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行體系設(shè)計(jì),增設(shè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;教學(xué)實(shí)施依照“講授—實(shí)踐—討論”3段式課堂教學(xué)模式,遵循“適度數(shù)學(xué)推導(dǎo),強(qiáng)化科學(xué)思維,著眼安全應(yīng)用”的原則。

下一步我們將繼續(xù)在網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)科學(xué)課程的教學(xué)實(shí)踐,進(jìn)一步優(yōu)化課程內(nèi)容,增加實(shí)驗(yàn)科目,建設(shè)實(shí)踐平臺(tái),為我國(guó)網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)提供有益參考。