新工科建設(shè)背景下的計(jì)算機(jī)安全課程教學(xué)改革研究

李家春，熊冬青

（1. 華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

“新工科”[1]是教育部在2016年首次提出的概念，是對(duì)國(guó)際工程教育改革發(fā)展做出的中國(guó)本土化回應(yīng)，是一種多學(xué)科交叉融合培養(yǎng)的新模式，其關(guān)鍵就是要根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展，創(chuàng)新性地改革人才培養(yǎng)模式、課程體系以及教學(xué)范式，從面向課程的教育CBE轉(zhuǎn)向面向產(chǎn)出的教育OBE[2-3]。計(jì)算機(jī)安全課程是一門(mén)技術(shù)發(fā)展迅速、實(shí)踐性強(qiáng)、學(xué)科交叉性多的計(jì)算機(jī)類課程，思科公司擁有全球領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備以及解決方案，因此在計(jì)算機(jī)安全教學(xué)活動(dòng)中如何有效地結(jié)合思科公司的產(chǎn)品和技術(shù)，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”、培養(yǎng)學(xué)生面向社會(huì)需求和實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的實(shí)踐動(dòng)手能力，是非常有必要和迫切的。因此我們分析思科公司的教學(xué)評(píng)估云平臺(tái)NetAcad.com[4]特點(diǎn)，結(jié)合思科公司提供的教學(xué)軟件和平臺(tái)，研究新工科建設(shè)背景下計(jì)算機(jī)安全課程的教學(xué)改革并應(yīng)用于實(shí)踐。

1 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院教學(xué)評(píng)估云平臺(tái)NetAcad. com的特點(diǎn)分析

NetAcad.com是思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院（簡(jiǎn)稱思科網(wǎng)院）的教學(xué)評(píng)估云平臺(tái)，支持的課程分為3類：信息技術(shù)專業(yè)類課程、信息技術(shù)基礎(chǔ)類課程和介紹類課程（即公共基礎(chǔ)課或通識(shí)課），約32門(mén)課程，是一個(gè)在線學(xué)習(xí)、作業(yè)、測(cè)試和實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，課程所有資源以及所需的軟件和工具均可下載。

其課程體系如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)安全類課程有4門(mén)，如圖中4個(gè)粗方框所示。其中網(wǎng)絡(luò)安全簡(jiǎn)介（Introduction to Cybersecurity）面向所有專業(yè)學(xué)生，為通識(shí)課；網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)（Cybersecurity Essentials）是理工科學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課；網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營(yíng)（Cybersecurity Ops）和CCNA安全為專業(yè)類課程，面向IT專業(yè)學(xué)生。

思科網(wǎng)院云評(píng)估平臺(tái)為學(xué)生提供了諸多創(chuàng)新、體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，開(kāi)發(fā)了一款強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬可視化工具軟件Packet Tracer，學(xué)生通過(guò)仿真環(huán)境嘗試網(wǎng)絡(luò)行為以獲得最佳實(shí)踐體驗(yàn)和實(shí)際網(wǎng)絡(luò)技術(shù)技能，不僅用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全類課程，也可用于思科網(wǎng)院絕大多數(shù)課程進(jìn)行復(fù)雜技術(shù)概念的教學(xué)和學(xué)習(xí)。同時(shí)提供了多個(gè)基于VirtualBox的虛擬機(jī)鏡像文件（如Ubuntu_CyberEss、Cyberops Workstation、Security Onion、Kali Linux等）用于安全實(shí)驗(yàn)，甚至可以搭建一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)安全沙盒環(huán)境（如圖2所示，包括外部攻擊者Kali、內(nèi)部用戶CyberOps Workstation、有漏洞的服務(wù)器Metasploitable，以及配置有防火墻和入侵檢測(cè)系統(tǒng)的路由器Security Onion）用于安全分析和測(cè)試，安全實(shí)驗(yàn)不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成任何破壞和損失，而學(xué)生則有更多的機(jī)會(huì)進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)演練，教師可在這樣的模擬環(huán)境中指導(dǎo)和督促學(xué)生學(xué)習(xí)和操練。

2 基于思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院教學(xué)評(píng)估云平臺(tái)的計(jì)算機(jī)安全課程教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 基于OBE教學(xué)理念的教學(xué)方法設(shè)計(jì)

圖1 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院的課程體系示意圖[5]

圖2 虛擬網(wǎng)絡(luò)安全沙盒環(huán)境拓?fù)鋱D[6]

以學(xué)生為中心，基于項(xiàng)目設(shè)計(jì)課程講授內(nèi)容，以平時(shí)作業(yè)和項(xiàng)目成果（項(xiàng)目完成的系統(tǒng)演示、項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)報(bào)告等）作為學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出（即作為學(xué)習(xí)成績(jī)考核的重要指標(biāo)之一），選擇思科網(wǎng)院教學(xué)評(píng)估云平臺(tái)中的網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營(yíng)課程的在線學(xué)習(xí)內(nèi)容作為學(xué)生課后自學(xué)資源，將計(jì)算機(jī)安全課程分為8個(gè)專題：計(jì)算機(jī)安全概述、密碼學(xué)基礎(chǔ)、密碼學(xué)應(yīng)用、Web安全、軟件安全、網(wǎng)絡(luò)安全、操作系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)庫(kù)安全，并設(shè)計(jì)了8個(gè)項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)幫助學(xué)生理解專題中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，在模擬環(huán)境中獲得最佳實(shí)踐體驗(yàn)。課程內(nèi)容設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)表

5個(gè)實(shí)驗(yàn)分別從思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營(yíng)兩門(mén)課程的在線實(shí)驗(yàn)中選取，3個(gè)項(xiàng)目為我們自己定制項(xiàng)目，對(duì)學(xué)生有一定的挑戰(zhàn)性，要求具備良好的計(jì)算機(jī)編程能力、熟悉操作系統(tǒng)（Windows或Linux）基本配置安裝命令。學(xué)生完成所有實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目需要自主學(xué)習(xí)思科網(wǎng)院教學(xué)云平臺(tái)資源（比如Student Lab Source Files和Student Packet Tracer Source Files等），查閱相關(guān)資料，主動(dòng)探索和思考。在項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)完成后，除了需要提交項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)報(bào)告外，還要在課堂上進(jìn)行項(xiàng)目展示匯報(bào)和實(shí)驗(yàn)討論交流。

3個(gè)項(xiàng)目分別為：項(xiàng)目一“基于SSL協(xié)議的Web服務(wù)器安全認(rèn)證”，項(xiàng)目二“緩沖區(qū)溢出攻擊”，項(xiàng)目三“宏病毒演示”。每個(gè)項(xiàng)目按照項(xiàng)目情境、教學(xué)目標(biāo)（包含認(rèn)知目標(biāo)、技能目標(biāo)和情感目標(biāo)）和項(xiàng)目?jī)?nèi)容這3部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)這些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以培養(yǎng)學(xué)生安全編程意識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題能力，表2為項(xiàng)目二“緩沖區(qū)溢出攻擊”的設(shè)計(jì)示例。

在8個(gè)專題的課堂講授過(guò)程中，我們不斷更新知識(shí)點(diǎn)，盡量結(jié)合并引導(dǎo)學(xué)生接觸當(dāng)前安全熱點(diǎn)，提高課程內(nèi)容的實(shí)用性，例如專題二討論加密算法時(shí)，可在算法內(nèi)容剖析基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前熱點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用展開(kāi)討論，如圖3所示。

圖3 加密算法研究型教學(xué)示意圖

2.2 基于NetAcad平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

如前所述，思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺(tái)支持4門(mén)網(wǎng)絡(luò)安全課程，如何選擇難度合適的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容取決于教學(xué)班學(xué)生組成特點(diǎn)、學(xué)生所處理論知識(shí)層次以及和課堂講授內(nèi)容的結(jié)合度。

表2 項(xiàng)目二設(shè)計(jì)示例

本學(xué)院2018-2019-1秋季輔修計(jì)算機(jī)安全課程的“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)雙學(xué)位”教學(xué)班級(jí)組成特點(diǎn)見(jiàn)表3。大三學(xué)生占比例最高（70.45%），約84%的學(xué)生已修過(guò)C++程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程，約60%的學(xué)生已修過(guò)操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)課程，大多數(shù)學(xué)生有QQ或游戲密碼被盜經(jīng)歷，因此他們有較強(qiáng)烈的關(guān)注計(jì)算機(jī)安全、學(xué)習(xí)本門(mén)課程的興趣和動(dòng)力。

表3 選課學(xué)生特點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

針對(duì)教學(xué)班特點(diǎn)，并結(jié)合8個(gè)專題授課的知識(shí)點(diǎn)范圍，我們從網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營(yíng)兩門(mén)課的實(shí)驗(yàn)中精心選擇5個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)編號(hào)用E或O區(qū)分兩門(mén)課程（網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)記為E-xxx，網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營(yíng)記為O-xxx），E系列實(shí)驗(yàn)使用虛擬機(jī)文件為Ubuntu_CyberEss，虛擬機(jī)操作系統(tǒng)為Ubuntu Linux；O系列實(shí)驗(yàn)使用虛擬機(jī)文件主要為Cyberops Workstation，虛擬機(jī)操作系統(tǒng)為Arch Linux，見(jiàn)表4。

表4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)表

實(shí)驗(yàn)1-2相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)3-5要求的知識(shí)面比較廣，要求對(duì)Linux命令、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)使用、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí)比較熟悉，難度相對(duì)偏大。例如實(shí)驗(yàn)3，不僅要求學(xué)生深入了解X.509公鑰證書(shū)格式的所有元素、區(qū)分終端用戶證書(shū)和CA證書(shū)，還需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)HTTPS中間人攻擊，并通過(guò)Linux系統(tǒng)下的OpenSSL命令等獲取網(wǎng)站證書(shū)指紋等，整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵知識(shí)量較多，對(duì)動(dòng)手能力也有較高要求。

實(shí)驗(yàn)操作提供較詳盡的使用手冊(cè)，并給學(xué)生留下思考題以幫助他們分析和解決問(wèn)題。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中興致很高，思維活躍，還能發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)的不足并改進(jìn)。比如O-9.2.2.7 lab中給出的熱門(mén)網(wǎng)站及其SHA-1證書(shū)指紋均已過(guò)期，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)手冊(cè)不一致，學(xué)生們?cè)谧孕惺占钚伦C書(shū)指紋后，最終成功地驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)，學(xué)生創(chuàng)新思維能力得到較好的提升。

2.3 教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用

基于思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺(tái)的教學(xué)方法在本學(xué)院2018-2019-1秋季輔修計(jì)算機(jī)安全課程的教學(xué)班中得到了實(shí)施，參與觀測(cè)的學(xué)生共42名。通過(guò)一學(xué)期的應(yīng)用實(shí)踐，學(xué)生對(duì)NetAcad.com平臺(tái)的評(píng)價(jià)如表5所示。

表5 NetAcad. com平臺(tái)使用評(píng)價(jià)表

可見(jiàn)學(xué)生對(duì)NetAcad.com平臺(tái)的接受度是比較好的。但也有22.73%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)偏難，今后還要在實(shí)驗(yàn)的部署實(shí)施上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)進(jìn)一步完善和擴(kuò)展，比如虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境配置等方面給出更詳細(xì)描述說(shuō)明。

在試卷題目難易程度相當(dāng)，選課人數(shù)也接近（每學(xué)期的選修人數(shù)基本固定，約為42人左右）的情況下，對(duì)2018-1019-1學(xué)期和2017-2018-1學(xué)期的計(jì)算機(jī)安全課程期末成績(jī)分布進(jìn)行比較，如圖4所示。

由圖可見(jiàn)，基于思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及課后學(xué)生自主在線學(xué)習(xí)，成績(jī)優(yōu)秀學(xué)生占比明顯提高，及格率也大幅度增加，成績(jī)平均值小幅增加，標(biāo)準(zhǔn)差（均方差）小幅減少，說(shuō)明我們采用的教學(xué)方法和教學(xué)改革效果良好。

圖4 兩學(xué)期期末成績(jī)分布圖

3 結(jié) 語(yǔ)

在新工科建設(shè)的大背景環(huán)境下，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于OBE教學(xué)理念的教學(xué)方法以及基于NetAcad.com教學(xué)評(píng)估云平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，教學(xué)改革的實(shí)施提高了成績(jī)優(yōu)秀學(xué)生占比以及及格率。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合更多互聯(lián)網(wǎng)資源和工具（比如雨課堂），加強(qiáng)與學(xué)生的課堂互動(dòng)，完善以項(xiàng)目能力和跟蹤性數(shù)據(jù)為主的課程考核機(jī)制。