本科信息安全專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革

楊智　孫磊　杜學(xué)繪　王文娟　金舒原

摘? 要：我國設(shè)立網(wǎng)絡(luò)空間安全一級學(xué)科以來，應(yīng)用型人才培養(yǎng)是該學(xué)科建設(shè)的重點(diǎn)。操作系統(tǒng)安全課程是本科信息安全專業(yè)的重要專業(yè)課，該課程具有知識系統(tǒng)化、技術(shù)具體化、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。為進(jìn)一步提高課程實(shí)踐教學(xué)效果，從構(gòu)建貼近實(shí)際的教學(xué)內(nèi)容、采用問題導(dǎo)向的情景分析教學(xué)方法、進(jìn)行全程多維教學(xué)評價(jià)三個(gè)方面探討課程教學(xué)改革思路和方法。實(shí)踐表明，合理運(yùn)用這些教學(xué)改革方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)安全;實(shí)踐教學(xué);教學(xué)改革;教學(xué)方法

中圖分類號：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）10-0127-04

Abstract： Since the establishment of the first level discipline of Cyberspace Security in China， the applied talent training of this new discipline is a key aspect of this discipline construction. The course - Operating System Security is an important professional course of the information security professional for undergraduate. This course has the characteristics of systematization of knowledge， concretization of technology and strong applicability. In order to further improve the effect of practical teaching， we discuss the ideas and methods of teaching reform from the three aspects of constructing teaching content close to reality， problem-oriented situational analysis teaching method and whole process multi-dimensional teaching evaluation. Practice shows that reasonable use of these teaching reform methods is conducive to cultivate students' innovative ability and practical ability.

Keywords： Operating System Security; practical teaching; teaching reform; teaching method

網(wǎng)絡(luò)空間被看作繼陸、海、空之后的第四空間，網(wǎng)絡(luò)空間安全是事關(guān)國家安全的戰(zhàn)略性安全問題，這已被世界各國廣泛認(rèn)同，隨著信息化建設(shè)的快速發(fā)展[1]，各行各界對信息安全人才的需求也日益增長，特別是信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用服務(wù)人才存在很大的缺口。2015年，教育部在“工學(xué)”門類下增設(shè)“網(wǎng)絡(luò)空間安全”一級學(xué)科，凸顯了我國對信息安全應(yīng)用人才培養(yǎng)的重視。操作系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)資源的直接管理者，管理著文件、網(wǎng)絡(luò)，輸入輸出設(shè)備，并對上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的訪問接口，是硬件和軟件的橋梁和紐帶，幾乎是所有系統(tǒng)的必需軟件。它在解決安全問題上也起著基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性作用，如果安全的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行在不安全的系統(tǒng)之上，系統(tǒng)的安全性就像堡壘建設(shè)在沙丘上一樣，沒有安全性可言。在教育部《高等學(xué)校信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》中，操作系統(tǒng)安全是信息安全本科專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，是系統(tǒng)安全的重要內(nèi)容，教學(xué)目的是使學(xué)生掌握操作系統(tǒng)安全的主要機(jī)制和方法，培養(yǎng)學(xué)生在高安全性操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)、信息安全創(chuàng)新性科學(xué)研究等方面的能力。

該課程是信息安全理論和技術(shù)在操縱系統(tǒng)層面的具體應(yīng)用，具有知識系統(tǒng)化、技術(shù)具體化、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，根據(jù)筆者的教學(xué)實(shí)際觀察和國內(nèi)教學(xué)研討交流，目前操作系統(tǒng)安全課程教學(xué)還存在實(shí)踐性不強(qiáng)的問題，學(xué)生雖然能夠理解操作系統(tǒng)安全主要相關(guān)模型和安全機(jī)制，但缺乏系統(tǒng)意識和整體意識，存在動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)還有所欠缺的問題。在長期的實(shí)際教學(xué)過程中，筆者從以下幾個(gè)方面積極探索了提高操作系統(tǒng)安全課程實(shí)踐教學(xué)的方法與措施。

一、以實(shí)際系統(tǒng)安全機(jī)制為主線動態(tài)構(gòu)建知識體系

操作系統(tǒng)安全課程作為本科信息安全專業(yè)的重要專業(yè)課，教學(xué)內(nèi)容既不宜過于偏重抽象和基礎(chǔ)理論講授，也不宜偏重于純動手操作性介紹，應(yīng)從對抗觀、發(fā)展觀、系統(tǒng)觀和生態(tài)觀來學(xué)習(xí)和理解操作系統(tǒng)安全，應(yīng)注重創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，將對知識、能力、素質(zhì)的培養(yǎng)融為一體，目前關(guān)于操作系統(tǒng)安全方面的教材主要包括清華大學(xué)出版社和人民郵電出版社分別出版的《操作系統(tǒng)安全》以及機(jī)械工業(yè)出版社出版的《操作系統(tǒng)安全》等教材。這些教材的特點(diǎn)一是偏舊，最新的教材出版時(shí)間是2013年;二是教材內(nèi)容或者過于理論化而缺乏和實(shí)際操作系統(tǒng)的結(jié)合，或者過于重視實(shí)際操作而缺乏技術(shù)原理介紹，這兩種情況都容易造成學(xué)生一知半解;三是缺乏操作系統(tǒng)內(nèi)核本身安全機(jī)制工作原理和實(shí)現(xiàn)方法的介紹，這本應(yīng)是課程的重點(diǎn)。針對這一現(xiàn)狀，我們對這些教材取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)，并緊跟操作系統(tǒng)發(fā)展和信息安全研究前沿成果，結(jié)合任課教師科研實(shí)際，以主流的Linux系統(tǒng)主要安全機(jī)制為主線，動態(tài)確定和調(diào)整知識結(jié)構(gòu)。具體的方法如下。

（一）抽取最常用的Linux系統(tǒng)安全機(jī)制形成教學(xué)

內(nèi)容主線

從自主可控和國家安全方面考慮，目前國內(nèi)很多行業(yè)和單位的信息系統(tǒng)都運(yùn)行在安全增強(qiáng)的操作系統(tǒng)之上，這些系統(tǒng)大都是通過對Linux系統(tǒng)的修改升級來實(shí)現(xiàn)，包括第一大手機(jī)操作系統(tǒng)安卓，其底層操作系統(tǒng)也是Linux系統(tǒng)?；趪鴥?nèi)現(xiàn)狀，本課程按照先原理后技術(shù)、先理論后應(yīng)用的教學(xué)思路，從操作系統(tǒng)安全的概念入手，以Linux操作系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行機(jī)制和過程為主線，課堂講授為主，結(jié)合真實(shí)的linux內(nèi)核源碼，通過應(yīng)用安全機(jī)制、內(nèi)核安全機(jī)制、操作系統(tǒng)增強(qiáng)方法的學(xué)習(xí)，并安排相應(yīng)的操作和實(shí)驗(yàn)，鞏固和加深學(xué)生對所學(xué)理論的理解。讓學(xué)生通過主動學(xué)習(xí)加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。為此我們選擇了2021年電子工業(yè)出版的《網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng)安全概論》[2]作為理論講授的主要教材，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)安全模型一般比較抽象，不易理解，該教材中的操作系統(tǒng)安全部分是以案例分析輔助理論闡述作為全書的主線，比較適合課程教學(xué)目標(biāo)。我們選擇機(jī)械工業(yè)出版社出版的《Linux 內(nèi)核完全剖析》和普倫蒂斯霍爾出版社的《舉例介紹Linux安全增強(qiáng)》作為實(shí)踐課教材，前者對Linux內(nèi)核核心代碼的源碼進(jìn)行了詳細(xì)和全面的注釋，通過切身感受，增加學(xué)生的感性認(rèn)識;后者通過舉例介紹和設(shè)計(jì)式方案講解如何通過操作系統(tǒng)安全機(jī)制提供不同安全保護(hù)，有利于提高學(xué)生的理性認(rèn)識。課上實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是鞏固課程基本理論知識，提高學(xué)生動手實(shí)踐能力的有效途徑和重要環(huán)節(jié)，能提高學(xué)生對操作系統(tǒng)安全的應(yīng)用能力，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)安排遵循“鞏固基本系統(tǒng)安全技術(shù)，突出應(yīng)用能力培養(yǎng)”的指導(dǎo)思想，以原理驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的融會貫通。課程實(shí)踐學(xué)時(shí)安排見表1。

（二）緊跟國際前沿技術(shù)實(shí)踐，動態(tài)更新教學(xué)內(nèi)容

為了避免教學(xué)內(nèi)容陳舊和空洞，教學(xué)內(nèi)容要貼近實(shí)際。學(xué)生幾乎每天都要使用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，對操作系統(tǒng)安全有一定基礎(chǔ)和認(rèn)識，需要充分考慮這個(gè)學(xué)情。操作系統(tǒng)發(fā)展變化很快，操作系統(tǒng)安全技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，課程組緊跟企業(yè)界和學(xué)術(shù)界操作系統(tǒng)安全的前沿研究熱點(diǎn)，積極試用分析新公開的操作系統(tǒng)、新安全技術(shù)和方法，并進(jìn)行原型系統(tǒng)搭建和抽取相關(guān)原理知識，比如分析了麻省理工學(xué)院、加州大學(xué)伯克利等著名高校研發(fā)的分布式安全操作系統(tǒng)Flume、Histar等，并搭建了Wiki服務(wù)器安全增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生可以了解到最新的操作系統(tǒng)安全技術(shù)。課程組成員也長期從事信息安全的研究與教學(xué)，研制了云操作系統(tǒng)安全管控、安卓操作系統(tǒng)信息流跟蹤和Linux系統(tǒng)增強(qiáng)訪問控制等原型系統(tǒng)，對操作系統(tǒng)安全理論與實(shí)踐具有深厚的積淀，也積極將一些科研成果轉(zhuǎn)化到操作系統(tǒng)安全實(shí)踐教學(xué)中。

通過內(nèi)容改革，新的課程內(nèi)容定位到培養(yǎng)學(xué)生的高等級操作系統(tǒng)安全應(yīng)用技能和設(shè)計(jì)研發(fā)能力，為學(xué)生從事計(jì)算環(huán)境的安全性增強(qiáng)與評估奠定基礎(chǔ)。主要涉及兩部分內(nèi)容。（1）操作系統(tǒng)基礎(chǔ)安全機(jī)制：介紹通用操作系統(tǒng)已有的普通安全機(jī)制，包括應(yīng)用安全和內(nèi)核安全機(jī)制，培養(yǎng)學(xué)生對操作系統(tǒng)安全的實(shí)踐應(yīng)用能力。（2）操作系統(tǒng)增強(qiáng)安全機(jī)制：介紹高等級/專用操作系統(tǒng)的高安全機(jī)制，包括Selinux保密性和UP-AEGIS、 IBM 4758、MIT-AEGIS+Merkle完整性增強(qiáng)機(jī)制，以及自動化驗(yàn)證方法，培養(yǎng)學(xué)生對高等級操作系統(tǒng)安全的設(shè)計(jì)和研發(fā)能力。

二、采用具體問題導(dǎo)向的情景分析式教學(xué)

教學(xué)內(nèi)容貼近實(shí)際，可以更容易被理解和活學(xué)活用。但是沒有富有成效的教學(xué)方法，也容易使學(xué)生陷入繁雜無序的細(xì)節(jié)中，而難以掌握和理解知識的本質(zhì)要點(diǎn)[3]。特別是具有實(shí)踐性質(zhì)的教學(xué)內(nèi)容，知識的明確性、具體性、根據(jù)性、有效性和可信性有賴于對教學(xué)方法的有效利用，為了更好地提高教學(xué)效果，我們采用了具體問題導(dǎo)向的情景分析式教學(xué)方法。

（一）問題鏈引導(dǎo)知識建構(gòu)

針對實(shí)踐性操作系統(tǒng)安全技術(shù)瑣碎多樣、邏輯關(guān)系交織復(fù)雜的特點(diǎn)，沒有采用傳統(tǒng)的先學(xué)習(xí)理論再應(yīng)用解決問題的教學(xué)方法，而是開展問題導(dǎo)向的案例教學(xué)[4]。強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為主體、以信息安全領(lǐng)域的各種典型經(jīng)典問題為學(xué)習(xí)起點(diǎn)，力求還原知識發(fā)現(xiàn)過程，即還原“發(fā)現(xiàn)問題-分析問題-解決問題”的過程，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建知識。具體來講，首先通過互聯(lián)網(wǎng)安全實(shí)際特色案例問題導(dǎo)入知識點(diǎn)，然后通過問題鏈引導(dǎo)知識建構(gòu)，最后完成案例解答，從而構(gòu)建教學(xué)閉環(huán)。在這個(gè)過程中，不斷激發(fā)學(xué)生自主思考，提高他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。例如，在介紹基于默克爾樹模型的操作系統(tǒng)完整性技術(shù)時(shí)，我們首先給出基于CPU管控的操作系統(tǒng)完整性保護(hù)的需求即要求計(jì)算和存儲開銷都要適度，然后基于該安全需求給出兩種對立的方案，一種方案的計(jì)算開銷大存儲開銷小，另一種方案的計(jì)算開銷小存儲開銷大，從而引入最優(yōu)化的方案設(shè)計(jì)問題。然后進(jìn)行問題分析和建模，拆分成如何存儲和如何計(jì)算兩個(gè)子問題，從而邏輯清晰地闡述了默克爾樹模型的設(shè)計(jì)思路和原因。最后作為模型舉例分析了麻省理工學(xué)院的基于安全CPU的AEGIS完整性，增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)方法和細(xì)節(jié)，以培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)和整體觀。問題驅(qū)動教學(xué)法能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和在教學(xué)過程中的參與程度，容易激起學(xué)生的求知欲，活躍其思維。另一方面，廣泛地引用網(wǎng)絡(luò)攻防信息安全事件這樣一些的真實(shí)的案例，也讓學(xué)生能夠切身地感受到信息安全是關(guān)乎國家安全的，從而潛移默化地樹立起總體國家安全觀。

（二）面向問題的情景分析式教學(xué)

問題驅(qū)動教學(xué)方法要求教師具備較強(qiáng)的課堂掌控能力和引導(dǎo)能力。針對工科學(xué)生善于形象思維的特點(diǎn)，面對不同的案例和問題，開展情景式教學(xué)[5]。通過多環(huán)節(jié)、多手段來營造一種情景交融的氛圍，一種現(xiàn)實(shí)重現(xiàn)的情景場面，使學(xué)生觸景生情，真正體會到典型的操作系統(tǒng)安全機(jī)制和手段背后的原理和精髓。教學(xué)以Linux操作系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行過程為研究對象，通過運(yùn)行展示、機(jī)理分析、源碼切片驗(yàn)證和課外實(shí)驗(yàn)等方式進(jìn)行教學(xué)。鞏固和加深學(xué)生對所學(xué)理論的理解。以權(quán)限繼承機(jī)制為例，首先視頻演示課程組錄制的linux系統(tǒng)Apache服務(wù)器中的不可信新進(jìn)程權(quán)限繼承和權(quán)限提升攻擊視頻，然后順序介紹進(jìn)程創(chuàng)建、進(jìn)程隔離、分段管理、權(quán)限策略機(jī)理，接著利用SourceInsight進(jìn)行exec.c、asm.s等源碼文件切片分析，找出內(nèi)核對進(jìn)程全生命周期管理的相關(guān)代碼主線，最后安排實(shí)驗(yàn)新增系統(tǒng)調(diào)用讀取和管理內(nèi)核狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證和增強(qiáng)設(shè)置，對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給出了具體的操作步驟和要分析的問題任務(wù)。從而把問題分析和知識傳授簡單化、直觀化，實(shí)現(xiàn)以教師為主導(dǎo)的自主學(xué)習(xí)。配合情景分析式教學(xué)，我們對教學(xué)內(nèi)容按專題進(jìn)行了梳理。傳統(tǒng)教學(xué)按照知識點(diǎn)分類教學(xué)，比如安全機(jī)制類、策略分析類、系統(tǒng)安全類和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議類等等，然后按照類別順序，分類別教學(xué)，是一種“廣度優(yōu)先遍歷”教學(xué)方法，這種組織方法的特點(diǎn)是學(xué)生容易掌握領(lǐng)域知識，但是對知識的上下文，如解決什么問題、理論和技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用背景等了解不夠，容易使學(xué)生知其然，不知其所以然，不利于創(chuàng)新能力培養(yǎng)。為此，在教學(xué)中，我們按科學(xué)問題組織教學(xué)內(nèi)容設(shè)立專題，每個(gè)專題聚焦某個(gè)（些）問題，專題包括“安全需求/問題背景-理論/技術(shù)原理-應(yīng)用/分析”三個(gè)環(huán)節(jié)，是一種“深度優(yōu)先遍歷”教學(xué)方法。專題方式使學(xué)生容易理解知識背景，加深理解，常常起到舉一反三的效果。我們設(shè)立了操作系統(tǒng)保密性保護(hù)、完整性保護(hù)和隔離安全等專題。保密性模型專題的具體問題導(dǎo)向的情景分析式教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

三、全程多維度的實(shí)踐導(dǎo)向的激勵(lì)評價(jià)機(jī)制

好的評價(jià)機(jī)制可以全面科學(xué)地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，正向激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，根據(jù)評估結(jié)果，教師可以對教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法調(diào)整改進(jìn)。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和要求，在教學(xué)過程中，突出實(shí)踐能力考查，實(shí)施了全程多維度的教學(xué)評價(jià)機(jī)制。

（一）多維量化實(shí)踐考核內(nèi)容要求

教學(xué)評價(jià)采用終結(jié)性和過程性評價(jià)相結(jié)合的方式進(jìn)行。學(xué)生成績由終結(jié)性和過程性評價(jià)結(jié)果綜合組成，是對討論回答問題表現(xiàn)、實(shí)踐作業(yè)、單元測試和閉卷考試等不同考核類型的加權(quán)平均。

過程性評價(jià)的主要目的是幫助學(xué)生明確需要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)，幫助學(xué)生了解自己現(xiàn)有的知識、技能與學(xué)習(xí)目標(biāo)之間的差距，引導(dǎo)學(xué)生采取行動，縮小差距，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)，并為新目標(biāo)做準(zhǔn)備。過程性評價(jià)以探索式、交鋒式、泛談式問題討論/回答為主，在原理或技術(shù)的背景需求、關(guān)鍵技術(shù)特征和應(yīng)用方式等方面設(shè)置問題，突出能力培養(yǎng)和考察。我們采用搶答和隨機(jī)抽取相結(jié)合方式組織課堂提問，采用預(yù)先分組布置的方式組織問題討論，布置更多開放式題目作業(yè)，單元測試以主觀題目為主。采用學(xué)生自評、學(xué)生互評、教員評價(jià)和學(xué)生對教師的評價(jià)相結(jié)合方式進(jìn)行評價(jià)打分，避免評價(jià)單一主體造成的片面不客觀評價(jià)。評價(jià)分值為四檔，可根據(jù)任務(wù)數(shù)和難易程度換算成分?jǐn)?shù)，量化過程性評價(jià)結(jié)果。終結(jié)性評價(jià)在課程結(jié)束后進(jìn)行，以判斷課堂教學(xué)達(dá)成結(jié)果。主要以客觀封閉式題目為主，考察學(xué)生對信息安全原理基本知識的掌握、理解和應(yīng)用程度。試卷所涵蓋題目類型由識記/理解和分析/應(yīng)用和綜合等組成，綜合應(yīng)用占有較高權(quán)重。

（二）教學(xué)全過程評價(jià)

為了更全面評價(jià)學(xué)習(xí)質(zhì)量，嘗試對課前、課中和課后學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行全過程評價(jià)?；诰€上教學(xué)工具軟件可高效實(shí)現(xiàn)全程的量化考核評價(jià)。課前針對學(xué)情調(diào)查獲得的學(xué)生知識短板，線上推送優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，以中國大學(xué)MOOC精品課程為主，打牢學(xué)生網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)相關(guān)基礎(chǔ)，指導(dǎo)自學(xué)補(bǔ)短;提供在線課程資源，把核心內(nèi)容以微視頻/PPT的形式推送給學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，并根據(jù)學(xué)生的線上預(yù)習(xí)進(jìn)度和問題回答，由教學(xué)軟件自動完成對學(xué)生預(yù)習(xí)質(zhì)量的評價(jià)。課中線上出題、開彈幕、看投稿，根據(jù)反饋，通過線上軟件統(tǒng)計(jì)快速全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并完成評價(jià)。課后布置線上作業(yè)，群中答疑，并推送國外網(wǎng)絡(luò)安全計(jì)算機(jī)安全相關(guān)背景、案例和擴(kuò)展資料給學(xué)生，開拓眼界，拓寬知識面，同時(shí)根據(jù)學(xué)生作業(yè)完成質(zhì)量給出分?jǐn)?shù)。

四、結(jié)束語

本文從貼近實(shí)際構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容、問題導(dǎo)向的情景分析教學(xué)方法、全程多維教學(xué)評價(jià)三個(gè)方面來提高新的網(wǎng)絡(luò)空間學(xué)科典型課程操作系統(tǒng)安全的實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，實(shí)踐表明，這些方法能有效提高學(xué)生的實(shí)踐學(xué)習(xí)的積極性和主動性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。下一步，將不斷改進(jìn)和完善這些方法，并應(yīng)用到本學(xué)科其他專業(yè)課。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金“基于復(fù)雜信息流模式的Android系統(tǒng)智能高效隱私保護(hù)技術(shù)研究”（62176265）

作者簡介：楊智（1975-），男，漢族，河南開封人，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔踩虒W(xué)與科研。