基于智慧教室的信息安全實驗教學環(huán)境設(shè)計

高遠 馬力

摘 要：開設(shè)《信息安全》通識課程是高校落實國家網(wǎng)絡(luò)空間安全戰(zhàn)略、加強信息安全教育的重要措施，然而當前高校在實驗教學中因教學環(huán)境和實驗條件不足，無法有效提升學生的信息安全技能。為了設(shè)計適應(yīng)《信息安全》實驗教學的環(huán)境，文章以長期開展《信息安全》通識課程教學的某高校為例，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)當前實驗教學中主要存在內(nèi)容展示方式單一、理論與實驗教學比重失調(diào)、實驗環(huán)境簡陋等問題，然后按照智慧教室的建設(shè)內(nèi)容和服務(wù)功能，設(shè)計了“分組+圓桌”型空間布局，由學生端、教室端和資源端三部分組成實驗教學環(huán)境，最后結(jié)合信息安全實驗教學內(nèi)容，提出了講授型、講授與演示結(jié)合型和演示型三種教學模式，并根據(jù)教師和學生兩種角色，設(shè)計了智慧教室實驗環(huán)境下《信息安全》實驗教學的基本流程，為信息安全實驗教學環(huán)境的設(shè)計提出了新方案。

關(guān)鍵詞：智慧教室;信息安全;通識課程;實驗教學;環(huán)境設(shè)計

中圖分類號：TP393;G642? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）16-0020-06

一、引言

2017年6 月 1 日起開始實施的《網(wǎng)絡(luò)安全法》明確提出：“國家支持企業(yè)、高等學校和職業(yè)學校等教育培訓機構(gòu)開展網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)教育與培訓”。教育部發(fā)布的《教育信息化“十三五”規(guī)劃》也提出：“要開展多種形式的網(wǎng)絡(luò)安全教育和培訓，提高全體人員的網(wǎng)絡(luò)安全意識?！?018年4月，習近平主席在全國網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作會議上提出了“要深入開展網(wǎng)絡(luò)安全知識技能宣傳普及”的重要要求[1]。

為落實國家相關(guān)的政策和要求，培養(yǎng)信息時代的新型人才，我國部分高校除了開設(shè)網(wǎng)絡(luò)空間安全學科培養(yǎng)專業(yè)人才外，還將《信息安全》作為一門通識類必修課程，納入學校本科人才培養(yǎng)公共課程體系，以提升學生信息安全素養(yǎng)。

由于《信息安全》課程涉及數(shù)學、計算機、通信、信息、法律、管理等許多學科知識，具有很強的理論性和實踐性，[2]需要教師在教學中進行實際操作演示，但是傳統(tǒng)教室因教學媒體的展示和交互能力有限，無法提供實驗實操環(huán)境，[3]對于信息安全實驗教學來說并不能達到理想的效果。

近年來，智慧教室開始成為高校課堂信息化教學的重要支撐條件，為課堂教學改革提供了全新的信息生態(tài)支撐和智能化的教學手段。那么，如何設(shè)計智慧教室的實驗教學環(huán)境，提高信息安全實驗實訓教學效果，成為當前信息技術(shù)與課程深度融合中的一個值得研究的問題。

二、高?！缎畔踩吠ㄗR課程實驗教學中的問題分析

1.《信息安全》通識課程實驗教學情況調(diào)查研究設(shè)計

《信息安全》通識課程的實驗教學是針對信息安全基本技能，要求學生運用多門課程綜合知識解決信息安全問題的綜合訓練活動。[4]目前，國家還沒有統(tǒng)一制定高?！缎畔踩吠ㄗR課程標準，因此，各個高校開設(shè)的《信息安全》通識課程在教學目標和內(nèi)容方面各有側(cè)重，但大多涵蓋信息安全的基礎(chǔ)理論和基本技能。

為了摸清高校《信息安全》通識課程實驗教學情況，筆者選擇了一所將《信息安全》課程作為公共基礎(chǔ)必修課已經(jīng)超過10年的雙一流建設(shè)高校作為代表性研究對象。在2018年秋季學期，筆者對該校學習《信息安全》課程的278名大一本科生進行了調(diào)查和測評。調(diào)查主要安排在該門課程開課前，以師生見面座談和問卷調(diào)查的形式了解學生的學習需求和學習習慣，測評主要安排在學生學習該門課程之前和之后，主要利用董李鵬設(shè)計的信息安全素養(yǎng)量化指標[5]、郭佳等人研發(fā)的信息安全素養(yǎng)測評系統(tǒng)[6]，從信息安全知識、意識、技能和倫理四個維度對學生學習該課程的前后情況進行了一系列的測評對比研究分析。

2.《信息安全》通識課程實驗教學中存在的問題分析

該校在2008年就根據(jù)上級統(tǒng)一要求，面向大一新生開設(shè)了《信息安全》通識課，該課程以提高學生信息安全素養(yǎng)為目標，緊緊圍繞信息化條件下的物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全和管理安全等方面，以安全威脅和防護技能為主線組織教學內(nèi)容，既有抽象性的理論知識，也有相對復雜的技術(shù)與實踐，需要學生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，體驗信息安全防護過程，掌握信息安全防護技能。

經(jīng)過一段時間的課程教學改革與實踐，該校已經(jīng)形成了一些成功的教學經(jīng)驗，但是近年來該校學生的信息安全技能考核成績較差，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)主要存在以下一些問題：

（1）實驗版塊的課程內(nèi)容展示方式單一

該?！缎畔踩氛n程主要包括四部分內(nèi)容：一是信息安全意識培養(yǎng)模塊，設(shè)計了信息安全面臨的嚴峻形勢和國內(nèi)外采取的應(yīng)對措施等形勢與政策內(nèi)容;二是信息安全基礎(chǔ)知識模塊，設(shè)計了信息安全的內(nèi)涵，存儲介質(zhì)、通信設(shè)備、計算機終端與網(wǎng)絡(luò)的安全隱患，信息安全防護體系與管理等內(nèi)容;三是信息安全防護技能模塊，設(shè)計了防電磁輻射、移動通信安全防護方法、計算機終端安全環(huán)境建立和安全檢查的方法等實踐性內(nèi)容;四是信息安全倫理道德模塊，設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)安全法律、等級保護制度、信息安全管理制度與管理機制等內(nèi)容。

這些內(nèi)容以文字描述等方式在教材中展現(xiàn)，但是體現(xiàn)技能型知識的實驗教學模塊內(nèi)容較少，在教材中僅僅通過文字描述原理，關(guān)于操作步驟缺乏圖文結(jié)合的流程說明，缺乏對信息安全實驗配置環(huán)境和參數(shù)的描寫。從學生的學習需要和習慣來看，大部分學生期望能夠在課堂上或課后參與信息安全實驗操作，但是僅僅通過教材或講義中的文字描述和教師的講解，無法完成探究式的操作。

（2）理論與實驗教學比例不協(xié)調(diào)

通過與學生座談，大部分學生反映他們在大學以前接觸信息安全教育較少，期望通過《信息安全》課程了解信息安全基礎(chǔ)知識，通過實驗進行實際操作來加深理解和掌握工程性技能，以便應(yīng)對可能面臨的信息安全風險。但是從課程內(nèi)容的組成比重來看，《信息安全》課程的實驗部分內(nèi)容占全部課程內(nèi)容的三分之一，因受實驗環(huán)境和條件限制，在實際教學中所安排的實驗學時僅為全部授課時數(shù)的10%，與實驗教學內(nèi)容所占比重不相稱的問題突出，因時間問題很多實驗在課內(nèi)無法開展，而課外受學習條件限制，更無法開展實驗。

針對學生的調(diào)查顯示（見圖1），學生課堂看完演示完成全部實驗的僅為17%，完成部分實驗的占37%，沒有參加實驗的占24%，僅觀看部分實驗演示的占19%，因缺乏充足的實驗學時和條件，絕大多數(shù)學生還不能達到掌握相關(guān)技能層次的教學目標。

（3）實驗環(huán)境條件欠缺

信息安全實驗需要模擬或再現(xiàn)安全場景，配置實驗用服務(wù)器，安裝部分信息安全工具和實驗軟件，模擬攻擊或不安全因素（如病毒、木馬等），還要配置一定的實驗設(shè)備，提供足夠的終端供學生操作體驗安全攻擊的過程、防護的策略和方法。但是學校在實驗環(huán)境方面還不完善，實驗工具和實驗對象數(shù)量有限，實驗環(huán)境生成困難，學生無法獨立完成，在傳統(tǒng)教室中演示實驗因缺乏互動環(huán)境條件，多數(shù)教師只能以視頻演示形式代替動手實踐供學生觀摩，實驗效果并不理想。

實驗教學是鍛煉學生技能的重要方式和途徑，直接影響著學生信息安全技能的提升，以上實驗教學存在的問題直接影響了《信息安全》課程實驗教學效果，從調(diào)查班級信息安全素養(yǎng)平均水平來看（見圖2），對比學生學習前（深色部分）與學習后（淺色部分）的信息安全素養(yǎng)（滿分100分制，意識占45分，知識占15分，技能占32分，倫理占8分），信息安全意識維度和倫理維度提升幅度較大，但是信息安全技能提升幅度極小，在一定程度上反映了信息安全實驗教學的實際情況。

三、智慧教室實驗教學環(huán)境設(shè)計

1.智慧教室的建設(shè)內(nèi)容

近年來，高校建設(shè)的智慧教室大多是在傳統(tǒng)教室或多媒體教室的基礎(chǔ)上改造升級，一是改造環(huán)境，即改造教室布局及配套桌椅，形成布局靈活、適合互動交流的空間格局。二是配套設(shè)備，即升級多媒體教學設(shè)備，改造教室聲場環(huán)境和顯示系統(tǒng)，增加視頻采集系統(tǒng)。三是覆蓋網(wǎng)絡(luò)，即增加物聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物物互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)泛在覆蓋。四是對接資源，即實現(xiàn)教學終端與教學資源平臺、教務(wù)系統(tǒng)的對接。五是配套應(yīng)用，配套錄播系統(tǒng)、學情分析系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用系統(tǒng)等，提高教室智慧化應(yīng)用服務(wù)能力。通過上述五個方面的改造，實現(xiàn)集設(shè)備智能管控、大數(shù)據(jù)運維、環(huán)境智能感知于一體的提供智能化管理和服務(wù)的新型現(xiàn)代化教室。[7]

2.智慧教室提供的服務(wù)

文獻調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多數(shù)研究者認為智慧教室不僅可以更加形象地表達知識、多維度地展示抽象的原理和實驗過程，而且還可以提供更加靈活的課堂教學互動，促進學習從淺層次學習向深度學習轉(zhuǎn)化，為實驗教學開辟了新的實施環(huán)境。[8]

與傳統(tǒng)教室相比，智慧教室主要具備以下六項功能：一是智能感知，可以采集環(huán)境內(nèi)所有裝備的狀態(tài)信息。二是智能控制，能實現(xiàn)教學設(shè)備的全過程調(diào)度及效果的監(jiān)視。三是智能管理，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境內(nèi)各類信息或數(shù)據(jù)的生成、采集、匯聚和推送。四是互動反饋，支持教師和學生在活動過程中的全方位交互。五是虛擬現(xiàn)實，強化視覺、聽覺及觸覺等效果進行實驗教學。六是分析決策，具備綜合運用教學活動的信息和數(shù)據(jù)。

3.智慧教室中的實驗環(huán)境設(shè)計

智慧教室不僅要適應(yīng)理論課的授課方式，還需要滿足實驗實訓類課程的授課需要?！缎畔踩氛n程的實驗教學與大多數(shù)實驗課程一樣，需要在傳統(tǒng)教室的基礎(chǔ)上，改變教室空間布局和配套實驗用硬件、軟件設(shè)備，按照智慧教室建設(shè)的內(nèi)容和提供的服務(wù)進行改造。

（1）智慧教室實驗環(huán)境“分組+圓桌”型布局方式

實驗教學不僅要體現(xiàn)團隊協(xié)作，還要體現(xiàn)學生教師之間的多邊互動交流。[9]因此，教室橫排型的學生座位布局模式雖然整齊，但是不方便師生、生生相互交流和互動，不適合實驗教學。

根據(jù)實驗教學中團隊協(xié)作特性，將教室布局成“小組+圓桌”模式，如圖3所示，教師端配置講臺（操作臺）。這種模式以學生分組的形式，增加了教室的活動空間，每個實驗小組之間的學生可以面對面地交流，也可以進行組與組之間的互訪和觀摩教師示范，教師也可以隨機進入每個小組指導實驗。

（2）智慧教室實驗環(huán)境的設(shè)備與資源配置

根據(jù)智慧教室實驗環(huán)境各部分的功能，如圖4所示，在設(shè)備配置時可以分為以下三個部分：

①學生端部分

每個實驗小組的學生需要在真實環(huán)境中對實驗工具操作，還需要相互協(xié)作在模擬環(huán)境（在線實驗軟件）中進行操作，同時在線填報操作過程和實驗結(jié)果。因此，學生端以小組圓桌的形式，每組提供實一個實驗臺、學生操作PC終端4—6個、配置路由器和交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，作為用戶之間以及用戶與資源之間的通信設(shè)備，將用戶和平臺連接起來。配置一臺防火墻，作為每個小組的防火墻出口安全設(shè)備。實驗環(huán)境同時為每個圓桌安裝可控高清攝像頭一個，可以由教師和學生控制機位，實時采集學生端的實驗操作過程。學生可以利用學生端來對資源端的服務(wù)器進行用于攻擊、防御和其他行為的實驗測試。

②教師端部分

因教師需要向?qū)W生演示實驗過程，監(jiān)控學生的操作行為，查看學生實驗結(jié)果。因此在教師端配置實驗操作臺（講臺），提供教師管理終端和實驗操作電腦1臺，并安裝可調(diào)節(jié)高清攝像頭一個，用于采集教師端的實驗操作過程。同時，因信息安全實驗中部分實驗用的木馬和病毒等模擬工具可能會傳入校園網(wǎng)，威脅其他系統(tǒng)安全，因此還需要將教師端接入校園網(wǎng)身份認證設(shè)備和安全管理設(shè)備，從而對實驗環(huán)境內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)進行安全防護。

③資源端部分

部署在校園互聯(lián)網(wǎng)平臺，保證學生、教師在校內(nèi)通過網(wǎng)絡(luò)訪問使用。其主要包括三部分：一是虛擬實驗用服務(wù)器，可以虛擬各類實驗環(huán)境，作為實驗的靶機，供師生攻擊或進行防御操作。二是云計算設(shè)備和存儲設(shè)備，作為實驗過程采集的圖像存儲環(huán)境和實驗數(shù)據(jù)計算與存儲環(huán)境。三是信息安全實驗軟件和教學資源等軟件服務(wù)平臺，在線為信息安全實驗提供資源服務(wù)。

其中最主要的是信息安全實驗軟件平臺，該平臺符合信息安全實驗教學特點，集計算機基礎(chǔ)實驗、編程語言實驗、信息安全實驗、網(wǎng)絡(luò)攻防實驗、無線攻防實驗、教務(wù)管理、學習行為分析于一體，如圖5所示。根據(jù)信息安全的教學內(nèi)容，該實驗軟件需要涵蓋主要實驗內(nèi)容，同時配置輔助教學的課程資源包。在實驗操作區(qū)域，學生使用鍵盤和鼠標操作實驗對象。同時提供實驗環(huán)境配置功能模塊，可以根據(jù)實驗需要對實驗環(huán)境的參數(shù)進行配置，進而形成不同難度的實驗場景。提供實驗指導書，以視頻形式展示實驗操作過程和要點。上傳實驗報告功能，實驗過程將會被自動錄屏，以視頻形式形成實驗報告。

四、智慧教室實驗環(huán)境在《信息安全》實驗教學中的應(yīng)用策略

智慧教室為改革教學內(nèi)容、轉(zhuǎn)變師生地位、優(yōu)化教學過程提供了基本條件，[10]尤其是在智慧教室中設(shè)計了實驗教學環(huán)境，開展實驗教學可以凸顯學生的主體地位，增加學生獲取知識的途徑和參與課堂的機會，提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。

1.《信息安全》通識課的實驗項目設(shè)計

《信息安全》通識課程實驗項目設(shè)計一般有兩種方式：一種是根據(jù)信息安全包括的物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用安全、數(shù)據(jù)安全和管理安全等層次設(shè)計專業(yè)實驗項目，[11]適合于信息安全專業(yè)人才的技能培訓。另一種是根據(jù)日常生活中接觸的信息安全相關(guān)場景和面臨的威脅設(shè)計實驗項目，以科普教育的形式，培養(yǎng)學生實用的信息安全防護技能。此種方式適合《信息安全》通識課程實驗教學。因此，該校根據(jù)后者實驗項目設(shè)置方式，結(jié)合該校教學目標，將信息安全實驗分為六個類別，具體如表1所示。因授課學時有限，實驗項目可以分為必修和選學兩類，共30多個實驗項目，可滿足學生課堂訓練和課外自學的需要。

2.基于智慧教室的《信息安全》實驗教學流程

在智慧教室環(huán)境下，《信息安全》課程實驗教學內(nèi)容可以分為三部分：第一部分是實驗?zāi)康?、實驗原理和實驗環(huán)境的描述，屬于理論性較強的知識，適合教師利用多媒體屏幕講授。第二部分是實驗過程與方法，屬于操作性較強的知識，必須配套實驗環(huán)境，由教師分步驟向?qū)W生演示，學生觀摩后和嘗試練習。第三部分是實驗結(jié)果展示，這部分內(nèi)容具有理論和技術(shù)并重的特點，既需要教師總結(jié)和點評，又需要對實驗操作的結(jié)果進行分析。因此，從課程內(nèi)容屬性和教學方法兩個維度出發(fā)，在智慧教室環(huán)境下，可以將《信息安全》課程實驗教學的內(nèi)容分為講授型、演示型、講授+演示結(jié)合型三種教學模式，如圖6所示。

在實驗教學中，為了提高教學效率，可以將實驗教學按照“學在課外，習在課內(nèi)”的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式進行組織，[12]如圖7所示，分為三個階段：

（1）課前準備階段

主要完成實驗材料與環(huán)境的準備。教師和學生通過實驗教材熟悉實驗的內(nèi)容和目標，然后由教師通過信息安全實驗軟件配置實驗環(huán)境，向?qū)W生分發(fā)實驗所需的工具和實驗指導材料。學生登錄信息安全實驗軟件，在線預習實驗的基本要求，熟悉實驗環(huán)境。

（2）課內(nèi)探究階段

主要完成學生的實驗操作。教師通過講授法，利用多媒體設(shè)備講授實驗要求和實驗的原理，在操作臺演示實驗的過程、步驟和原理，使抽象的內(nèi)容形象化、復雜內(nèi)容簡單化、靜態(tài)內(nèi)容生動化。[13]操作臺的視頻采集設(shè)備實時記錄信號并通過視頻分發(fā)功能傳遞給學生端，讓學生自主學習實驗操作關(guān)鍵環(huán)節(jié)和步驟。

教師演示完畢后，允許學生限時完成實驗，由學生登錄信息安全實驗軟件，按照實驗步驟對實驗項目進行探究，以學生自主實踐探究為主，充分發(fā)揮學生的學習主動性，利用智慧教室提供的信息安全實驗系統(tǒng)等實驗情景和工具，進行探索性學習，完成個人知識構(gòu)建。[14]每個小組的學生端視頻采集終端同時記錄學生的實驗行為（包括實物操作行為視頻和電腦操作錄屏信號），教師可以隨時調(diào)閱每個小組的實驗操作情況，并擴展到講臺大屏幕和每個小組的電腦顯示器，供學生觀看。教師針對學生操作的問題進行解答，關(guān)鍵步驟可以點評或調(diào)取屏幕展示。

（3）課內(nèi)評價階段

主要完成實驗總結(jié)與反思任務(wù)。在限定實驗時間后，每組學生結(jié)合實驗結(jié)果和過程進行反思和匯報，教師可以調(diào)取匯報小組的視頻信號，供其他小組觀摩，也可以對實驗結(jié)果進行點評。智慧教室可以根據(jù)學生的表現(xiàn)和行為，對學生學習情況進行智慧化評價，給出評價結(jié)果，對于沒有實現(xiàn)實驗教學目標的小組，可以允許學生進入下一次實驗，形成迭代實驗，實現(xiàn)信息安全知識的內(nèi)化和遷移，[15]提高學生主動分析問題與創(chuàng)新解決問題的能力。

五、小結(jié)

利用智慧教室開展信息安全實驗教學是改進實驗教學條件的一種方式，它可以豐富實驗教學信息展示手段、記錄實驗過程、評價教學效果，有效改進信息安全實驗教學效果。但是，目前國家還沒有制定相對完善的智慧教室建設(shè)標準，各學校對智慧教室的理解和建設(shè)內(nèi)容還不統(tǒng)一，這也給高校改造教學環(huán)境，推進信息安全實驗教學改革工作提出了新的挑戰(zhàn)。

另外，利用智慧教室開展實驗教學還需要配套在線教學資源和實驗教學軟件，培養(yǎng)教師實踐教學能力，深化實驗教學設(shè)計，實現(xiàn)教學環(huán)境功能的提升，優(yōu)化配置教學資源和人員素養(yǎng)相匹配的教學新生態(tài)，才能探索智慧教室環(huán)境下更為科學的實踐教學模式。

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（編輯：李曉萍）