網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科下的C語言課程改革探究

吳福生 王俊 倪明濤

摘 要：C語言課程是計算機專業(yè)重要的基礎(chǔ)課，也是學(xué)習(xí)其它高級程序設(shè)計語言的基礎(chǔ)，具有承上啟下的作用。但很多高校教師在講授C語言時，并沒有基于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和匯編語言等課程進行教學(xué)，導(dǎo)致C語言教學(xué)對學(xué)生而言只能達到“知其然”，并沒有“知其所以然”。因此，針對網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科下的C語言教學(xué)，提出將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和匯編語言課程作為C語言前期基礎(chǔ)課程的改革思路，從程序語言底層執(zhí)行過程出發(fā)進行C語言課程教學(xué)，并對C語言課程教學(xué)案例進行分析。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)空間安全;C語言課程;課程改革

DOI：10. 11907/rjdk. 192098

中圖分類號：TP434文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）010-0244-03

Abstract： The C language course is an important basic course for computer science and a preliminary basic course for learning other high-level programming languages. It has the role of linking up and down. Many college teachers do not teach based on computer system structure and assembly language when teaching C language. C language teaching can only enable student know what the course is about without understanding the principles. In the first-level discipline based on cyberspace security， this paper proposes the computer composition principle and assembly language course as the pre-basic course of C language course. It is proposed to teach the C language courses from the implementation process of the underlying language of the programming language. Finally， the analysis of the teaching examples of C language courses is given.

Key Words： cyberspace security; C language course; curriculum reform

0 引言

高級程序設(shè)計語言是計算機科學(xué)與技術(shù)、軟件工程和信息工程等工科專業(yè)開設(shè)的專業(yè)必修課和公共基礎(chǔ)課，在高校的信息類課程教學(xué)中占有重要地位。當(dāng)前，信息安全引起了人們的高度關(guān)注，信息安全的基礎(chǔ)教學(xué)也得到了前所未有的重視，尤其是高級程序設(shè)計語言課程教學(xué)顯得尤為重要。然而，傳統(tǒng)高級程序設(shè)計語言課程教學(xué)已無法滿足如今新形勢下對信息安全的要求，如何進行網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科下的高級程序設(shè)計語言（以C語言程序設(shè)計課程為例）課程教學(xué)面臨挑戰(zhàn)。

C語言課程屬于信息安全專業(yè)的必修課，也是學(xué)習(xí)其它高級語言的基礎(chǔ)，如腳本語言（JavaScript和PHP等）、高級語言（C++和Java等）和Python語言等。很多高校都把C語言課程安排在大學(xué)一年級，并采用“理論+實驗”的教學(xué)模式，課程考核方式為筆試，但這種傳統(tǒng)教學(xué)模式并沒有取得良好的教學(xué)效果。C語言課程在整個理工科本科教學(xué)中占有重要地位，特別對于網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)，更是必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)課程，但學(xué)生普遍認(rèn)為C語言課程難學(xué)，因此學(xué)習(xí)興趣不高。導(dǎo)致這種情況的原因之一是傳統(tǒng)教學(xué)方式在講授C語言程序代碼執(zhí)行時，一般只是針對C語言“面向過程”的特點，僅從程序流程上講授C語言執(zhí)行過程。這種教授方法對于一般要求開設(shè)高級語言程序設(shè)計課程的工科專業(yè)是可行的，但對于網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科專業(yè)的學(xué)生則是“只知其然，而不知其所以然”，導(dǎo)致其在后期的逆向工程、漏洞分析和計算機病毒分析等課程學(xué)習(xí)中或具體實際應(yīng)用中存在困難。主要原因為：①在學(xué)習(xí)C語言課程時，未開設(shè)計算機體系結(jié)構(gòu)的前期基礎(chǔ)課程（例如：計算機組成原理和匯編語言）;②教學(xué)過程中忽視了對C語言底層執(zhí)行過程的學(xué)習(xí);③教師在課程教學(xué)設(shè)計中未考慮C語言的特殊性，即C語言是一種過渡性程序設(shè)計語言，既可看作低級語言，又可認(rèn)為是一種高級程序設(shè)計語言。

因此，針對目前C語言課程教學(xué)中存在的問題，本文對網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科下的C語言課程改革進行探究。本文主要創(chuàng)新點為：①把計算機體系結(jié)構(gòu)課程和匯編語言作為C語言教學(xué)的前期課程;②在C語言課程教學(xué)過程中融入計算機硬件、匯編指令等基礎(chǔ)知識;③結(jié)合網(wǎng)絡(luò)空間安全的信息安全規(guī)范[1]開展教學(xué)活動。

1 相關(guān)研究工作

C語言是計算機及其它理工類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在高級語言程序設(shè)計課程教學(xué)中具有重要地位，大多數(shù)高校的理工類專業(yè)都把C語言課程作為最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。因此，很多學(xué)者及教師對高校C語言課程本科教學(xué)進行了探究。如文獻[2]從計算機專業(yè)與非計算機專業(yè)兩方面考慮C語言課程教學(xué)設(shè)計，對C語言理論課與實踐課的教學(xué)改革進行探討;文獻[3]設(shè)計了一個C 語言課程教學(xué)輔導(dǎo)網(wǎng)站，讓學(xué)生在課外可隨時隨地進行C語言課程學(xué)習(xí)，打破了C語言學(xué)習(xí)的時空限制問題;文獻[4]針對數(shù)學(xué)本科專業(yè)的C語言課程教學(xué)，重點分析影響C語言課程教學(xué)效果的因素，并提出調(diào)整授課內(nèi)容、改進教學(xué)方法以及對考核方式進行改革等對策以提升教學(xué)效果;文獻[5]提出利用網(wǎng)絡(luò)平臺和雨課堂，把微課與翻轉(zhuǎn)課堂融合到理論與實踐教學(xué)中，以增強學(xué)生的編程能力和創(chuàng)新能力。此外，文獻[6]-[10]也對C語言課程改革進行了探討。

網(wǎng)絡(luò)空間安全于2015年獲批一級學(xué)科，其包括《密碼學(xué)》、《操作系統(tǒng)原理及安全》和《網(wǎng)絡(luò)安全》等課程， C語言課程也是其中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的C語言課程教學(xué)與傳統(tǒng)計算機科學(xué)與技術(shù)及其它理工科專業(yè)有所不同，如果延續(xù)傳統(tǒng)的C語言課程教學(xué)方法，未教授C語言程序代碼的底層實現(xiàn)過程，將導(dǎo)致學(xué)生無法理解C語言程序代碼的實現(xiàn)原理。例如，對于一個簡單的C語言程序，如圖1所示，傳統(tǒng)教學(xué)方法是按照C語言程序執(zhí)行順序進行教學(xué)，如圖2所示。

在C語言課程教學(xué)中，如果只是基于面向過程的思想講解C語言程序執(zhí)行過程，學(xué)生無法徹底理解C語言程序執(zhí)行順序的本質(zhì)，在后期學(xué)習(xí)逆向工程時會感覺很困難。為了加深網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科專業(yè)學(xué)生對C語言的理解，本文對課程安排的時間順序及相關(guān)教學(xué)內(nèi)容進行調(diào)整。

2 教學(xué)案例設(shè)計

以網(wǎng)絡(luò)空間安全一級學(xué)科下信息安全專業(yè)本科生的C語言程序設(shè)計課程為例，對C語言課程的教學(xué)改革進行探究。該專業(yè)的前期課程除《計算機導(dǎo)論》外，還有《計算機組成原理》和《匯編語言》等。下面以譚浩強[11]的《C語言程序設(shè)計（第二版）》為教材，以函數(shù)嵌套調(diào)用章節(jié)作為教學(xué)案例進行分析，并與計算機科學(xué)與技術(shù)和軟件工程等一級學(xué)科下的C語言課程教學(xué)進行對比。

2.1 傳統(tǒng)C語言課程教學(xué)

計算機科學(xué)與技術(shù)和軟件工程等一級學(xué)科下的C語言課程教學(xué)步驟如下：

步驟1：復(fù)習(xí)函數(shù)基本概念。

（1）復(fù)習(xí)函數(shù)調(diào)用的一般形式：函數(shù)名（實參數(shù)列表）。例如：圖1程序中的主函數(shù)main（）調(diào)用函數(shù)Max_Num（a， b），其中（a， b）為函數(shù)Max_Num（a，b）的實參數(shù)列表，a、b為函數(shù)Max_Num（a， b）的實參。

（2）復(fù)習(xí)實參與形參數(shù)據(jù)傳遞，即實參與形參一一對應(yīng)傳遞數(shù)據(jù)。

（3）復(fù)習(xí)函數(shù)調(diào)用方式：①函數(shù)語句。例如函數(shù)printf（）;②表達式。例如c=2*max（a，b）;③函數(shù)參數(shù)。例如m=max（a，max（b，c））。

步驟2：引入新課——函數(shù)嵌套調(diào)用。函數(shù)嵌套調(diào)用是指在函數(shù)調(diào)用過程中，又調(diào)用另外一個函數(shù)。具體調(diào)用過程如圖3所示。

（1）講解函數(shù)嵌套調(diào)用過程。圖3表示兩層嵌套的情形，其執(zhí)行過程為：執(zhí)行main函數(shù)中調(diào)用a函數(shù)的語句時，即轉(zhuǎn)去執(zhí)行a函數(shù)，在a函數(shù)中調(diào)用b 函數(shù)時，又轉(zhuǎn)去執(zhí)行b函數(shù)，b函數(shù)執(zhí)行完畢返回a函數(shù)的斷點繼續(xù)執(zhí)行，a函數(shù)執(zhí)行完畢返回main函數(shù)的斷點繼續(xù)執(zhí)行。

（2）講解嵌套調(diào)用C程序的實例，利用函數(shù)嵌套計算（a+b）2。C語言順序執(zhí)行與函數(shù)嵌套調(diào)用過程如圖4所示。

一般情況下，傳統(tǒng)計算機科學(xué)與技術(shù)和軟件工程等一級學(xué)科的C語言嵌套調(diào)用課程教學(xué)到此結(jié)束，并沒有從底層講解函數(shù)調(diào)用的整個過程。

2.2 改革后的C語言課程教學(xué)

基于網(wǎng)絡(luò)空間安全一級學(xué)科下的C語言課程教學(xué)，其教學(xué)步驟1（復(fù)習(xí)函數(shù)基本概念）與步驟2（講解函數(shù)嵌套調(diào)用過程及實例）與傳統(tǒng)C語言課程教學(xué)步驟相同，這里不再贅述，以下重點探討如何根據(jù)C語言底層執(zhí)行過程，解決C語言函數(shù)的嵌套調(diào)用問題。

為使學(xué)生加深對函數(shù)嵌套調(diào)用過程的理解，對程序代碼底層執(zhí)行順序進行講解，而傳統(tǒng)C語言程序教學(xué)中并未涉及到該教學(xué)環(huán)節(jié)。在基于Linux操作系統(tǒng)的環(huán)境下，利用GDB工具對程序代碼（圖4的C語言程序）進行反匯編代碼調(diào)試，具體過程如圖5所示。

由圖5可知，程序的底層執(zhí)行順序為：主函數(shù)main通過匯編指令Call調(diào)用函數(shù)Add，函數(shù)Add也通過匯編指令Call調(diào)用函數(shù)Power，并通過匯編指令Leaveq與retq返回函數(shù)。在這種程序嵌套調(diào)用過程中，能清楚看到程序跳轉(zhuǎn)的地址空間。例如，從main函數(shù)調(diào)用Add函數(shù)時，匯編Call指令值為0x4005cc，該地址正好是Add的函數(shù)地址。

3 教學(xué)案例分析

通過對以上C語言程序教學(xué)案例的分析可知，從C語言程序執(zhí)行的底層（匯編語言）深入講解C語言函數(shù)嵌套調(diào)用過程，并把《計算機組成原理》和《匯編語言》等課程作為其前期課程，可降低教學(xué)難度，也使學(xué)生了解C語言函數(shù)調(diào)用執(zhí)行過程的本質(zhì)。在具體教學(xué)過程中，不僅教授C語言函數(shù)嵌套調(diào)用的基本知識，例如通過示例圖3解析函數(shù)嵌套調(diào)用具體過程，而且通過匯編語言執(zhí)行跳轉(zhuǎn)的基本指令（Call指令、Leave指令和Ret指令等）解析C語言程序底層執(zhí)行過程（例如圖4的 GDB反匯編代碼調(diào)試），使學(xué)生“知其然”，并“知其所以然”，有助于后期逆向工程、漏洞分析和計算機病毒分析等課程的學(xué)習(xí)以及具體實際應(yīng)用。

4 結(jié)語

沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全。網(wǎng)絡(luò)空間安全成為一級學(xué)科，充分體現(xiàn)了信息安全的重要性，因此培養(yǎng)系統(tǒng)掌握信息安全領(lǐng)域基本理論與基本技術(shù)，具備信息安全科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用服務(wù)能力的信息安全專業(yè)人才是當(dāng)務(wù)之急。C語言教學(xué)在信息安全教學(xué)中具有重要地位，因此網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科下的C語言教學(xué)要求高于一般理工科專業(yè)的教學(xué)要求。本文對網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科下的C語言程序設(shè)計課程教學(xué)進行了探究，提出將計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和匯編語言課程作為C語言教學(xué)前期基礎(chǔ)課程的改革思路，從程序語言底層執(zhí)行過程出發(fā)進行C語言課程教學(xué)，可一定程度上降低教學(xué)難度，提升教學(xué)效果。雖然教學(xué)改革取得了一定成效，但網(wǎng)絡(luò)空間安全一級學(xué)科下的C語言課程教學(xué)仍然是一個比較艱巨的任務(wù)，未來需要根據(jù)實踐效果對教學(xué)方式作進一步完善。

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（責(zé)任編輯：黃 健）