新工科背景下“信息安全系統(tǒng)研發(fā)”實驗課程的重構(gòu)

王瑞錦，吳 勁，周世杰，張鳳荔，張萌潔

（電子科技大學(xué) 信息與軟件工程學(xué)院，四川 成都 610054）

“新工科”是相對于“傳統(tǒng)工科”的新概念，是基于人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)驅(qū)動下的新領(lǐng)域。

開展“新工科”的研究和實踐，從而深化工程教育改革，推動“新工科”的建設(shè)與發(fā)展意義重大[1]?！疤魬?zhàn)性學(xué)習(xí)”是一種新的教學(xué)模式[2-3]，以“學(xué)生為中心、興趣牽引、任務(wù)驅(qū)動、項目導(dǎo)向”為教學(xué)思路。通過啟發(fā)式講授、互動式交流、探究式討論以及螺旋遞進(jìn)式實踐“四位一體”教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生挖掘、探究現(xiàn)實生活中的“痛點”，同時引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項目方案的設(shè)計，通過團隊協(xié)作實現(xiàn)一個完整的挑戰(zhàn)性工程項目，在項目的實施過程中，激發(fā)學(xué)生利用知識解決復(fù)雜工程問題的好奇心、夯實實踐能力、養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)能力以及培養(yǎng)團隊協(xié)作能力，達(dá)到創(chuàng)新精英人才培養(yǎng)的目的。

1 課程建設(shè)背景

1.1 網(wǎng)安人才培養(yǎng)的現(xiàn)狀

網(wǎng)絡(luò)空間安全是一門新興的交叉學(xué)科，涉及計算機科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、密碼技術(shù)、信息安全技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、數(shù)論、信息論等多個領(lǐng)域[4]。以培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)掌握網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)知識為主要目標(biāo)，注重理論與網(wǎng)絡(luò)安全知識體系的傳授。目前課程體系實踐方面過于單薄，主要以課程附帶實驗為主，實踐環(huán)節(jié)較少，實踐內(nèi)容不合理，極大地阻礙了學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的提高，間接導(dǎo)致了學(xué)生的知識與能力只停留在書本的理論知識與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全模型上。面對理論重于實踐的網(wǎng)安人才培養(yǎng)現(xiàn)狀，增加實踐比重，解決實踐與理論之間的平衡問題刻不容緩[5]。

1.2 新工科背景下的人才培養(yǎng)要求

“新工科”為軟件工程、網(wǎng)絡(luò)空間安全等工科專業(yè)教育提供了新的人才培養(yǎng)目標(biāo)和更高的要求，其核心是培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的新型人才，在注重專業(yè)培養(yǎng)的同時，還需要培養(yǎng)學(xué)生社會觀、科學(xué)思想、價值觀、系統(tǒng)思維、工程思維、創(chuàng)新思維、知識思維、領(lǐng)導(dǎo)才能和個人品質(zhì)等能力[6]。這亟需建設(shè)一批體現(xiàn)“新工科”屬性的新課程、新教學(xué)體系和新教學(xué)內(nèi)容?；谶@樣的背景，我們設(shè)計了“信息安全系統(tǒng)研發(fā)”挑戰(zhàn)性實驗課程。

1.3 構(gòu)建“三位一體”教學(xué)體系

信息與軟件工程學(xué)院構(gòu)建了“教學(xué)—實踐—競賽”三位一體的教學(xué)體系，如圖1 所示，開設(shè)了“信息安全系統(tǒng)研發(fā)”挑戰(zhàn)性課程[7-8]。在教學(xué)方面為學(xué)生提供組隊、選題與項目設(shè)計的指導(dǎo)，即讓學(xué)生根據(jù)實際情況進(jìn)行組隊與分工，便于取長補短，鍛煉學(xué)生的團隊合作能力；同時在教學(xué)上通過學(xué)習(xí)與討論，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所選題目進(jìn)行項目的概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，明確將要參賽的項目方向與擬采用的技術(shù)路線，并進(jìn)一步給出具體的設(shè)計方案與實現(xiàn)方式。在實踐方面督促學(xué)生自主完成項目的開發(fā)、測試以及持續(xù)改進(jìn)，以項目驅(qū)動的方式培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。在競賽方面落實課程效果，鼓勵學(xué)生參與全國大學(xué)生信息安全競賽（簡稱“信安大賽”），在競賽中充分發(fā)揮自己所學(xué)，全面提升專業(yè)能力和綜合能力。依托學(xué)科競賽“興趣牽引—任務(wù)驅(qū)動—能力提升”的培養(yǎng)模式，從而形成了“校級”“省級”“國家級”3 層次、遞進(jìn)式全方位的學(xué)科競賽體系，以實用性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性問題為切入點和抓手，加強學(xué)生專業(yè)、創(chuàng)新和綜合能力的鍛煉和培養(yǎng)。通過“以賽促學(xué)、以賽促教”的理念，推動網(wǎng)安人才培養(yǎng)模式和實踐教學(xué)改革，提高學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量。

圖1 “教學(xué)-實踐-競賽”三位一體教學(xué)體系

2 教學(xué)實施方案

2.1 課程結(jié)構(gòu)

此課程以培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)能力與綜合能力為主體，從實用及創(chuàng)新等挑戰(zhàn)性問題切入，培養(yǎng)學(xué)生從實際出發(fā)綜合運用體系結(jié)構(gòu)的能力。該課程與新興技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)、3 種創(chuàng)新型教學(xué)方法、多維度思維培養(yǎng)、挑戰(zhàn)性問題研究共同構(gòu)成教學(xué)體系的5 個層次，該課程結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

1）挑戰(zhàn)性問題。

課程以挑戰(zhàn)性問題的實用性、創(chuàng)新性、可行性為切入點和抓手，培養(yǎng)學(xué)生從實際出發(fā)解決問題的信息安全綜合實踐能力。要求學(xué)生了解社會安全需求熱點的挑戰(zhàn)性問題。競賽主題主要參考近年國際 CCS（ACM Conference Communications Security）、TDSC（ IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing）、TIFS（IEEE Transactions on Information Forensics and Security）三大會議以及國內(nèi)外相關(guān)信息安全項目，將其作為研究點并進(jìn)行深入調(diào)研，最終設(shè)計出新穎且實用的項目，項目最終應(yīng)用于實際生活之中并解決社會問題。課程側(cè)重考查學(xué)生的創(chuàng)新能力，內(nèi)容不僅要有理論上的創(chuàng)新，還要有理念上的創(chuàng)新，由此才能全面檢驗以及培養(yǎng)學(xué)生的信息安全理論素養(yǎng)和實踐動手能力。

2）教學(xué)方法。

我們在教學(xué)方法上采用了啟發(fā)式講授、互動式交流、探究式討論以及螺旋遞進(jìn)式[9]實踐“四位一體”教學(xué)方法。

啟發(fā)式講授、互動式交流、探究式討論在學(xué)習(xí)掌握信息安全技術(shù)知識上有著重要的作用，這三者是不可分割的，因為啟發(fā)就要探討，探討就要互動。螺旋遞進(jìn)式實踐則著重培養(yǎng)學(xué)生利用信息安全知識解決實際問題的能力。螺旋遞進(jìn)式實踐強調(diào)要不斷轉(zhuǎn)換攻防視角，通過由淺及深的螺旋式互換探究，深化對課程知識的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維和能力。四種教學(xué)方法相互結(jié)合，不可分割，從而使信息安全系統(tǒng)研發(fā)挑戰(zhàn)性課程區(qū)別于傳統(tǒng)課程的死板、沉悶和無趣，調(diào)動學(xué)生的興趣和積極性。

3）資源支持。

圖2 課程結(jié)構(gòu)

借助中國大學(xué)MOOC（慕課）開放的、豐富的在線相關(guān)課程資源，將課程資源與專業(yè)課程體系相結(jié)合，以數(shù)據(jù)庫技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)、密碼學(xué)技術(shù)、生物識別技術(shù)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)為基石，開展線上教學(xué)實踐。通過4 個線下實驗（基于生物識別的身份認(rèn)證實驗、基于信息安全通信加密協(xié)議驗證實驗、基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實驗以及基于深度學(xué)習(xí)的內(nèi)容安全實驗）讓學(xué)生對所學(xué)的知識進(jìn)行操練，掌握基本的原理和編碼方法，幫助學(xué)生在競賽過程中順利完成項目，同時解決因時間、空間的限制導(dǎo)致無法深入學(xué)習(xí)的問題。

4）能力培養(yǎng)。

課程不僅注重系統(tǒng)設(shè)計能力、系統(tǒng)開發(fā)能力、系統(tǒng)測試能力以及文檔撰寫能力等專業(yè)能力的培養(yǎng)，同時注重技術(shù)創(chuàng)新能力、寫作表達(dá)能力、工程實踐能力和團隊協(xié)助能力等綜合能力的提升。課程以“繼承與創(chuàng)新”“協(xié)調(diào)與共享”“交叉與融合”為主要培養(yǎng)途徑，使學(xué)生能夠在競賽中靈活應(yīng)對困難。此外，也希望能夠培養(yǎng)出多樣化、創(chuàng)新型的卓越工程技術(shù)人才，為我國的網(wǎng)安事業(yè)提供智力以及人才上的支撐，為社會主義現(xiàn)代化事業(yè)添磚加瓦[10-11]。

2.2 教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)設(shè)計

本課程的教學(xué)由第一階段（積累與設(shè)計）和第二階段（總結(jié)與升華）兩部分組成，素質(zhì)教育貫穿始終。學(xué)生通過上述兩個階段的遞進(jìn)式挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)，系統(tǒng)、全面掌握組隊技巧、選題依據(jù)、信息安全系統(tǒng)研發(fā)方法后，參加每年舉行的信安大賽。在競賽過程中，學(xué)生的團隊協(xié)作、答辯表達(dá)等綜合能力將得到進(jìn)一步提升。

2.2.1 第一階段：積累與設(shè)計

第一階段分為5 個遞進(jìn)式的階段，涉及撥開云霧和求知探索兩大板塊。

1）撥開云霧。

該板塊包括講述信安大賽的競賽背景、競賽流程、競賽規(guī)范等3 個階段，通過分析近幾年全國信安大賽獲一等獎的項目的創(chuàng)新點、采用的核心技術(shù)等，為學(xué)生展現(xiàn)信安大賽的方方面面，使其深入了解和構(gòu)建競賽框圖。

2）求知探索。

主要涉及選題與組隊以及項目設(shè)計2 個階段。從各方面汲取社會中具有挑戰(zhàn)性的安全難題，確定優(yōu)秀的選題大綱，并就選題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生開創(chuàng)性的思維模式，引領(lǐng)學(xué)生邁入實踐指導(dǎo)階段。

（1）選題與組隊。分析信安大賽的基本理念、近幾年的獲獎情況，詳細(xì)分析歷年信安大賽獲獎的題目類型與特點。在該階段，學(xué)生將依據(jù)歷屆信安大賽主體章程中的相關(guān)要求，根據(jù)自身實際情況，進(jìn)行組隊與分工，取長補短，鍛煉團隊合作能力。

（2）項目設(shè)計。通過學(xué)習(xí)與討論，學(xué)生根據(jù)選題進(jìn)行項目的概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計、明確擬參賽的項目方向與擬采用的技術(shù)路線，進(jìn)一步給出具體設(shè)計方案與實現(xiàn)方法。

總體來講，在積累與設(shè)計階段，主要是讓學(xué)生熟悉基本的競賽信息，同時通過組隊和選題，培養(yǎng)學(xué)生的開創(chuàng)性思維，推動學(xué)生對信息安全前沿技術(shù)的學(xué)習(xí)與掌握，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。這一階段主要通過所選課題，對學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)。

2.2.2 第二階段：總結(jié)與升華

本階段涉及軟件工程基本模型中的差異性指導(dǎo)、項目實現(xiàn)、項目測試、文檔編寫與答辯。在上一個階段的基礎(chǔ)上總結(jié)與升華，進(jìn)一步完善，提升學(xué)生的項目開發(fā)能力。該階段主要針對學(xué)生的不同選題進(jìn)行差異性指導(dǎo)，在培養(yǎng)學(xué)生競賽實踐能力的同時，提升其寫作表達(dá)等綜合能力。該部分又分為以下6 個階段，涉及求知探索、厚積薄發(fā)、點睛之筆和酌古斟今等4 個板塊。

1）求知探索：主要介紹參賽項目在實驗階段需要做的準(zhǔn)備，為項目更好的呈現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

（1）差異性指導(dǎo)階段。學(xué)生選定項目方向之后，由于各隊選題方向存在差異性，且成員的技術(shù)水平、專業(yè)方向也大不相同，集體授課的內(nèi)容僅能解決部分問題，還需要針對各項目團隊進(jìn)行差異性指導(dǎo)。指導(dǎo)具體從三個方面展開：①課上分組討論。課上對各隊項目的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)路線進(jìn)行規(guī)劃和建議，課下督促學(xué)生進(jìn)行相關(guān)資料查閱與相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)，著手項目實施，在此期間，師生隨時進(jìn)行技術(shù)討論。②專家點評與指導(dǎo)。邀請專家參與項目答辯，并就技術(shù)路線和項目呈現(xiàn)情況進(jìn)行點評與指導(dǎo)；各隊根據(jù)答辯情況進(jìn)一步細(xì)化分工，整理專家提出的建議和意見，繼續(xù)項目的研發(fā)，逐步完善項目。③成立競賽工作組。由經(jīng)驗豐富的競賽中心教師和教授擔(dān)任競賽教練、競賽指導(dǎo)和核心技術(shù)指導(dǎo)等，對學(xué)生進(jìn)行更為詳細(xì)的指導(dǎo)和培訓(xùn)。

（2）項目實現(xiàn)階段。通過邀請專家指導(dǎo)以及集中答辯的方式，對各隊的項目進(jìn)行評價與指導(dǎo)，并在項目接近尾聲時，系統(tǒng)地訓(xùn)練學(xué)生的文檔寫作與答辯能力，完成最終競賽項目報告。

（3）項目測試階段。主要是在項目實現(xiàn)之后，對項目進(jìn)行測試。本階段分別從功能、算法、性能3 個方面對項目進(jìn)行測試，訓(xùn)練學(xué)生在測試過程中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行改進(jìn)的能力。

（4）文檔編寫與答辯訓(xùn)練階段。通過對報告的撰寫與講解，系統(tǒng)訓(xùn)練學(xué)生的寫作水平，包括項目背景分析、項目架構(gòu)設(shè)計、測試方案確定與測試結(jié)果分析，以及在項目完成后進(jìn)一步提煉出主要功能與創(chuàng)新點的訓(xùn)練，并在寫作完成后進(jìn)行答辯技巧與表達(dá)能力的訓(xùn)練。

2）厚積薄發(fā)（競賽技能學(xué)習(xí)階段）：介紹當(dāng)下在信安大賽中應(yīng)用較為廣泛的 5 種技術(shù)——密碼學(xué)技術(shù)、機器學(xué)習(xí)技術(shù)、生物識別技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)——使學(xué)生了解當(dāng)下現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平，掌握熱點技術(shù)，學(xué)習(xí)競賽技能。

3）點睛之筆（獲獎項目分析階段）：通過分析競賽獲獎項目，激發(fā)學(xué)生對信息安全的敏感性和創(chuàng)新性。

4）酌古斟今（優(yōu)秀作品借鑒階段）：進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和借鑒歷年優(yōu)秀項目，使學(xué)生站在巨人的肩膀上，為將要參加的競賽做好準(zhǔn)備。

2.3 全新考核方式

在成績考核方面，該課程拋棄了傳統(tǒng)模式下單一的、只依靠卷面成績的考核方式，制定了全方位的考核方式，即將系統(tǒng)的開發(fā)過程與課程進(jìn)程相結(jié)合。

課程第一階段的教學(xué)與考核緊跟系統(tǒng)的開發(fā)流程，主要考慮項目選題與系統(tǒng)設(shè)計過程，分為選題組間互評（15%）、選題教師評價（25%）、系統(tǒng)概要設(shè)計（15%）、系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計（15%）與期末總體答辯（30%）5 個部分。這5 個部分緊密聯(lián)系，層層遞進(jìn)，不可分割，共同構(gòu)成了最后的第一階段的學(xué)生成績。課程從嚴(yán)謹(jǐn)客觀的角度出發(fā)，在選題組間互評階段設(shè)計了信息安全系統(tǒng)研發(fā)選題互評表，輔助學(xué)生對自身選擇的題目進(jìn)行全方位的考慮與評價。

第二階段以系統(tǒng)的首次開發(fā)（25%）、系統(tǒng)首次測試（20%）與系統(tǒng)第一次迭代與答辯（20%）為主，鼓勵學(xué)生對系統(tǒng)進(jìn)行多次迭代與答辯（15%），同時在迭代過程中進(jìn)行文檔修改（20%），以鍛煉學(xué)生的答辯能力并逐步完善競賽文檔。

兩個階段相結(jié)合，貫穿了整個信息安全競賽的流程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行選題、設(shè)計、開發(fā)、測試、答辯與寫作，同時也將學(xué)生的課程成績與系統(tǒng)開發(fā)融為一體。

3 課程成效及創(chuàng)新點

本課程自2016 年立項并實施以來，至今已經(jīng)開課8 次，累計受益學(xué)生600 余人，各類學(xué)科競賽參賽項目200 余項。在學(xué)科競賽、教學(xué)改革研究等方面取得了一定的成效。其中，學(xué)生項目獲2017 年全國大學(xué)生信息安全競賽全國一等獎5 項、二等獎1 項，其中一項獲大賽唯一“最具創(chuàng)業(yè)價值獎”，并獲直通“第三屆全國互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)信安大賽”決賽資格；學(xué)生項目獲2018 年全國大學(xué)生信息安全競賽全國一等獎4 項、二等獎3 項；出版教材1 部。同時，課程的部分成果由學(xué)院整合后獲第八屆高等教育四川省教學(xué)成果二等獎。

本課程還具有以下創(chuàng)新點：

（1）全新的教學(xué)體系和模式。課程構(gòu)建了“教學(xué)—實踐—競賽”三位一體的教學(xué)體系，以學(xué)生為中心，以“興趣牽引、任務(wù)驅(qū)動、項目導(dǎo)向”為教學(xué)思路，通過課堂展示環(huán)節(jié)和互動交流，讓學(xué)生主動參與課堂，感受課堂氛圍，培養(yǎng)學(xué)生的溝通交流能力；通過督促學(xué)生自主完成項目的開發(fā)、測試以及項目的完善，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力、解決復(fù)雜工程問題的能力以及不斷開發(fā)創(chuàng)新的能力；以學(xué)科競賽為考核的模式，不再僅僅依靠單一的考試或論文成績，而是將學(xué)生課堂展示環(huán)節(jié)（答辯）也納入成績構(gòu)成，通過改進(jìn)成績構(gòu)成，從多個維度出發(fā)調(diào)動學(xué)生的積極性，從而提升學(xué)生綜合能力和團隊合作精神，增加課程的深度和高度。在課程的建設(shè)中，將這些競賽題目進(jìn)行課程化、項目化，既可以借助競賽平臺提高競賽指導(dǎo)水平、培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力。

（2）新穎的教學(xué)方法。將啟發(fā)式講授、互動式交流、探究式討論以及螺旋遞進(jìn)式實踐“四位一體”等。4 種教學(xué)方法相互結(jié)合，不可分割，最大程度調(diào)動學(xué)生的積極性。

（3）契合“新工科”思想。本課程涵蓋了計算機、軟件工程、信息安全、數(shù)學(xué)、通信等相關(guān)學(xué)科的知識，是一個跨學(xué)科的教學(xué)與綜合實踐平臺，與“新工科”背景下建設(shè)一批跨學(xué)科實踐平臺的要求完全契合，在深化工程教育改革、推動新工科實踐建設(shè)方面有一定的示范作用。

4 結(jié)語

在新工科背景下，“信息安全系統(tǒng)研發(fā)”挑戰(zhàn)性實驗課程以“教學(xué)—實踐—競賽”三位一體為主線，是實施拔尖人才培養(yǎng)改革的一種新的探索。它依托學(xué)科競賽的以“學(xué)生為中心”，以“興趣牽引、任務(wù)驅(qū)動、項目導(dǎo)向”為教學(xué)模式，能一定程度上激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高其解決復(fù)雜工程問題的綜合能力，為學(xué)院實施卓越工程師2.0 添磚加瓦。