幸福心理與抗逆力培養(yǎng)的工控系統(tǒng)安全實(shí)驗(yàn)課程研究

王紅敏，魏 強(qiáng)，謝耀濱，王蘭敏

（1.信息工程大學(xué)數(shù)字工程與先進(jìn)計(jì)算國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450001；2.天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）

0 引言

現(xiàn)階段，工業(yè)控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于能源、電力、水利、軌道、交通等行業(yè)，安全關(guān)乎國計(jì)民生。根據(jù)國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心統(tǒng)計(jì)，80%以上的國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施由工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全應(yīng)急響應(yīng)中心于2021 年2 月對國內(nèi)活躍的511 臺(tái)工業(yè)控制設(shè)備展開重點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)存在159 臺(tái)為疑似蜜罐設(shè)備，另有151臺(tái)為高危漏洞設(shè)備。此外，在2020 年國家工業(yè)信息安全漏洞庫已收錄了超過2 000 個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)備漏洞。以上種種事跡均表明，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為新的“獵物”，亟需網(wǎng)絡(luò)安全人才參與國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和管理當(dāng)中。

2020 年國家網(wǎng)絡(luò)安全宣傳周的高峰論壇［1］上吳建平、劉博等多位院士專家表示，目前我國網(wǎng)絡(luò)安全人才缺口巨大。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國網(wǎng)絡(luò)安全人才的需求量已超過150 萬人，在2027 年時(shí)預(yù)測需求量將上升至大約300 萬人，但我國每年只能培養(yǎng)3 萬左右的網(wǎng)絡(luò)安全人才［2］。網(wǎng)絡(luò)安全人才荒已成為全球性難題，其中工業(yè)控制系統(tǒng)安全人才缺口更加巨大［3-4］。

為此，我國各高校已在各方面加快對相關(guān)技術(shù)人才的培養(yǎng)，教育部門要求高校在人才培養(yǎng)過程中既要保質(zhì)保量，又應(yīng)高度關(guān)注學(xué)生的心理問題。近期，時(shí)常有學(xué)生因心理問題，發(fā)生傷害事件，且發(fā)生的概率總體呈上升趨勢［5］。另外，由于現(xiàn)階段高校的教學(xué)體系側(cè)重于理論與知識體系的構(gòu)建，缺乏相應(yīng)的實(shí)踐訓(xùn)練［6-8］，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等資源相對匱乏，考核方式單一等眾多因素導(dǎo)致學(xué)生重理論輕實(shí)踐。作為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)源地和頭號網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國，美國已從頂層設(shè)計(jì)構(gòu)建、標(biāo)準(zhǔn)化人才框架設(shè)計(jì)等多方面強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全人才儲(chǔ)備和能力建設(shè)［3］，我國也應(yīng)不遺余力地解決高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)安全人才匱乏的問題。

高校作為培養(yǎng)技術(shù)人才的搖籃，應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，響應(yīng)國家號召，采取多種方式培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)安全和綜合素質(zhì)人才。為此，本文以課程目標(biāo)為基點(diǎn)，優(yōu)化整合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、多樣化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法及過程性考核方式，在教學(xué)實(shí)施過程中注重學(xué)生學(xué)習(xí)能力和心理健康的均衡發(fā)展，著重培養(yǎng)抗逆力較強(qiáng)的高階人才，旨在全面提升工控安全人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1 工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究方案

母小勇［9］提出應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的可遷移能力，在教學(xué)實(shí)施過程中不僅要培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)的專業(yè)技能，還要使學(xué)生具備了解行業(yè)發(fā)展趨勢的能力。

在工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究方案中，首先以當(dāng)前社會(huì)亟需的網(wǎng)絡(luò)安全人才的實(shí)踐能力及學(xué)生幸福心理建設(shè)為出發(fā)點(diǎn)，反向設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)。然后，構(gòu)建模塊化、矩陣式、知識體系完備的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，融合信息化和趣味化的教學(xué)手段。最后，培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)，教導(dǎo)學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀，學(xué)會(huì)如何以發(fā)展的眼光看待問題。

1.1 層次合理、路徑優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

工業(yè)控制系統(tǒng)安全融合了網(wǎng)絡(luò)空間安全、工業(yè)自動(dòng)化、通信等行業(yè)特征，涵蓋了各領(lǐng)域?qū)I(yè)知識［4］。因此，為了讓學(xué)生能更系統(tǒng)地掌握知識點(diǎn)，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生“習(xí)得性無助”。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)上按照由淺入深、由局部到整體的原則，涵蓋硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多樣化實(shí)驗(yàn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)戰(zhàn)能力及健康的攻防一體化思維能力。

將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為核心知識技能模塊和技能提高模塊。具體的，核心知識模塊旨在教導(dǎo)學(xué)生對控制設(shè)備類（西門子、施耐德等國內(nèi)外典型PLC 和HMI 等設(shè)備）、工控軟件安全（組態(tài)王、控制器固件等）和信息收集類（Nmap、Zoomeye等）等知識的學(xué)習(xí)和掌握；技能提高模塊旨在培養(yǎng)學(xué)員對工業(yè)控制系統(tǒng)未知漏洞的挖掘能力及創(chuàng)新性思維。

通過分析國內(nèi)外典型的針對國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的真實(shí)攻擊案例（如震網(wǎng)、烏克蘭大停電、委內(nèi)瑞拉大停電等）的技戰(zhàn)術(shù)方法，引導(dǎo)學(xué)員對部分典型事件進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，切實(shí)提升學(xué)員的實(shí)踐動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系示例如表1所示。

1.2 多元化、精準(zhǔn)施教的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

1.2.1 幸福心理與抗逆力

由于新時(shí)代大學(xué)生的心理易受到外界因素影響［10］，如今越來越多的學(xué)生出現(xiàn)心理問題。根據(jù)心理學(xué)家相關(guān)研究表明，隨著時(shí)間推移，學(xué)生的心理問題會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。由于學(xué)生大多在校，教師在教學(xué)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注重學(xué)生的心理問題，主動(dòng)培養(yǎng)和提高學(xué)生的抗逆力。

幸福心理和抗逆力之間存在著正相關(guān)關(guān)系［11］，塞利格曼認(rèn)為幸福具有五大要素：快樂、意義、投入、人際關(guān)系和成就感。通過研究學(xué)生幸福心理和抗逆力產(chǎn)生的規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的抗逆力，使學(xué)生具備直面挫折的勇氣和克服困難的信心。并且，幸福心理是一種健康愉快的幸福感，能夠顯著提升學(xué)生在學(xué)習(xí)和生活中遭受重大苦難時(shí)，仍能有效學(xué)習(xí)的能力。此外，通過培養(yǎng)學(xué)生的感恩意識和積極性，幫助學(xué)生建立良好的人際關(guān)系，也有助于培養(yǎng)學(xué)生的抗逆力，提高幸福感，增加學(xué)習(xí)動(dòng)力。

因此，在教育過程中，學(xué)校應(yīng)注重學(xué)生的抗逆力［12］。一方面鼓勵(lì)學(xué)生積極面對困難、勇于面對現(xiàn)實(shí)；另一方面通過改善教學(xué)方法，開展幸福心理與抗逆力相互結(jié)合的課程，運(yùn)用多元化和精準(zhǔn)施教的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法介入教育工作當(dāng)中。

1.2.2 內(nèi)容匹配式多元化教學(xué)方法

教學(xué)目標(biāo)是教學(xué)方法的先導(dǎo)，教學(xué)方法是教學(xué)目標(biāo)的實(shí)施，有效的教學(xué)方法是提高教學(xué)水平，推動(dòng)教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展的有力杠桿。一流課程建設(shè)離不開完善的課程體系設(shè)計(jì)和極具吸引力的課堂教學(xué)模式［13］，為了提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)德、智、體、美、勞全面發(fā)展的網(wǎng)安人才，體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”的培養(yǎng)理念，要以學(xué)生現(xiàn)有的知識體系為本，結(jié)合不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容特點(diǎn)，采取相應(yīng)的教學(xué)手段，建立多元化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。

Table 1 Experimental content system表1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系

多元化的教學(xué)方法能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，滿足各種學(xué)生的需要，充分考慮了學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的幸福心理和抗逆力，有利于學(xué)生個(gè)性化的養(yǎng)成［14］。通過綜合分析工業(yè)控制系統(tǒng)安全實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)，在課程中采用內(nèi)容匹配式多元化教學(xué)方法，將實(shí)驗(yàn)課程分為軟件應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)、協(xié)議類攻防實(shí)驗(yàn)、典型網(wǎng)絡(luò)安全事件復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、固件逆向?qū)嶒?yàn)和信息收集實(shí)驗(yàn)五大類，如圖1所示。

（1）軟件應(yīng)用類實(shí)驗(yàn)。工業(yè)設(shè)計(jì)、編程類軟件實(shí)驗(yàn)較容易，對安全類專業(yè)學(xué)生要求較低，只需看懂梯形圖邏輯即可，為了使課堂效率最優(yōu)化，以任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式讓學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)軟件的使用方法。

（2）協(xié)議類攻防。在協(xié)議類中間人攻擊實(shí)驗(yàn)中，采用紅藍(lán)分組模式，紅組進(jìn)攻，藍(lán)組防御，以打擂臺(tái)的模式激發(fā)學(xué)生的勝負(fù)欲與求知欲，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維及訓(xùn)練學(xué)生攻防一體化的能力。

（3）典型事件復(fù)現(xiàn)。復(fù)現(xiàn)烏克蘭大停電實(shí)驗(yàn)，采用多人協(xié)同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，對宏病毒的魚叉式郵件、Dropbear SSH后門植入、KillDisk 組件清理痕跡與DDoS 電話攻擊4 個(gè)步驟組成的攻擊鏈條，采取接力棒的模式進(jìn)行協(xié)作完成，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作和語言表達(dá)能力，使學(xué)生意識到團(tuán)隊(duì)合作的重要性。

Fig.1 Diversified teaching experiment圖1 多元化教學(xué)實(shí)驗(yàn)

（4）固件逆向。固件逆向類實(shí)驗(yàn)較難，需要有一定的逆向基礎(chǔ)，為了取得更好的實(shí)驗(yàn)效果，將實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)提前錄制成視頻，供學(xué)生反復(fù)觀看。并采用翻轉(zhuǎn)課堂的方式，激發(fā)學(xué)生的競爭意識。

（5）信息收集實(shí)驗(yàn)。此類實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生編寫腳本，課前將實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果錄制為視頻，使學(xué)生能直觀的感受實(shí)驗(yàn)的意義，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，激發(fā)學(xué)生的想象力，提升教學(xué)質(zhì)量。

2 基于學(xué)生增值的過程化考核

考核是工具，而不是目的。在過程化考核方式中，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目成績評判方式的科學(xué)性是該方法適用的關(guān)鍵［15］?？茖W(xué)、合理的考核體系、評價(jià)指標(biāo)既能夠反哺教學(xué)，有助于提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，又能反饋教學(xué)設(shè)計(jì)達(dá)到教學(xué)相長的效果。

工控安全實(shí)驗(yàn)相較于程序設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)，需要更強(qiáng)的工業(yè)設(shè)備操作能力、大量的工業(yè)軟件和網(wǎng)路協(xié)議分析軟件應(yīng)用能力。因此，本文提出基于學(xué)生增值的過程化考核方法，綜合考查學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程的表現(xiàn)，分階段、分模塊完成學(xué)生對工業(yè)控制系統(tǒng)安全實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的考核，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程考核方式單一的問題，便于教師了解學(xué)生對工業(yè)控制系統(tǒng)安全課程實(shí)驗(yàn)的掌握情況和學(xué)習(xí)過程中的自我增強(qiáng)情況。

同時(shí)，為了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)過程中有真實(shí)收獲，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，讓學(xué)生有效地參與課堂的教學(xué)當(dāng)中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)表達(dá)、學(xué)會(huì)合作、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。本文從實(shí)驗(yàn)操作、綜合素養(yǎng)、考勤和實(shí)驗(yàn)報(bào)告4 個(gè)方面綜合考核學(xué)生的素質(zhì)能力。具體的，將實(shí)驗(yàn)操作分為工業(yè)軟件操作和實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用；將綜合素養(yǎng)分為課堂表現(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)合作能力、面對學(xué)習(xí)壓力表現(xiàn)出的幸福心理和抗逆力；將實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為課前預(yù)習(xí)情況、實(shí)驗(yàn)過程實(shí)時(shí)記錄情況、實(shí)驗(yàn)總結(jié)、書寫排版、可遷移能力?；趯W(xué)生增值的過程化考核項(xiàng)目明細(xì)及其分值比重如表2所示。

考核方式的具體描述如下：

（1）實(shí)驗(yàn)操作（20 分）。主要考察學(xué)生在設(shè)備、軟件使用過程中的熟練程度及對設(shè)備的愛護(hù)情況。在該分值項(xiàng)目中添加對設(shè)備的愛護(hù)程度是由于一方面設(shè)備價(jià)格十分昂貴，破壞后不易修復(fù)，為了避免學(xué)生肆意損毀，設(shè)置了相關(guān)的考核制度；另一方面，為了培養(yǎng)學(xué)生愛護(hù)公共設(shè)備的良好習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)校、社會(huì)中保護(hù)公共財(cái)產(chǎn)的意識?；谝陨蟽牲c(diǎn)，從增強(qiáng)學(xué)生操作軟件與設(shè)備的技能和培養(yǎng)良好習(xí)慣兩個(gè)方面增值學(xué)生。

（2）綜合素養(yǎng)（30 分）。主要考察學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)過程中的綜合素養(yǎng)，包括實(shí)驗(yàn)課堂上發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力、學(xué)習(xí)的積極性和做實(shí)驗(yàn)的態(tài)度、任務(wù)安排與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、面對時(shí)間緊任務(wù)重時(shí)所表現(xiàn)出的心理承受能力等。

Table 2 Table of process assessment items and proportion of score based on value-added of students表2 基于學(xué)生增值的過程化考核項(xiàng)目明細(xì)及其分值比重表

在教學(xué)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生提出問題，培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題的能力，指導(dǎo)學(xué)生通過查閱相關(guān)資料與請教相關(guān)專業(yè)老師后通過自己的努力取得答案，以進(jìn)一步加深學(xué)生對問題的理解與掌握。

興趣是最好的老師，端正學(xué)習(xí)態(tài)度是對實(shí)驗(yàn)課程產(chǎn)生興趣的前提，濃厚的興趣促進(jìn)良好學(xué)習(xí)態(tài)度的養(yǎng)成，通過考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，教導(dǎo)學(xué)生“做一行愛一行”。良好的協(xié)作能力有利于學(xué)生高效完成實(shí)驗(yàn)，在任務(wù)過程中，主要考察學(xué)生的語言表達(dá)與溝通能力、任務(wù)分解與安排能力、子任務(wù)跟蹤與完成情況、領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)力等。另外，面對壓力的自我調(diào)節(jié)能力也是學(xué)生必備的能力之一，課程中難度較大的實(shí)驗(yàn)會(huì)給學(xué)生帶來時(shí)間緊、任務(wù)重的壓力，對于學(xué)生的心理和抗逆力是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過引導(dǎo)學(xué)生有意識地提高幸福心理、抗逆力和抗壓能力，實(shí)現(xiàn)自我增值。

（3）考勤（10 分）。主要考察學(xué)生出勤率，有無出現(xiàn)遲到、早退等情況，有無做與實(shí)驗(yàn)無關(guān)的事情等，培養(yǎng)學(xué)生的守時(shí)觀念及尊重他人的意識。在學(xué)生個(gè)人禮貌方面實(shí)現(xiàn)增值。

（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告（40 分）。主要考察學(xué)生課前預(yù)習(xí)及書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告要素的完備性、解決實(shí)驗(yàn)問題思維邏輯性、實(shí)驗(yàn)后延展思考總結(jié)能力及實(shí)驗(yàn)報(bào)告整潔度等。

通過實(shí)驗(yàn)記錄與總結(jié)使學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)的全過程以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的思考總結(jié)?；谠摲椒ㄅ囵B(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，做到舉一反三，提高自身可遷能力，通過新型的實(shí)驗(yàn)報(bào)告考核方式，使學(xué)生掌握基本技能。在做事能力與技巧、事后思考與總結(jié)把握行業(yè)與學(xué)術(shù)發(fā)展趨勢等方面綜合增值自我。

基于學(xué)生增值的過程化考核，從學(xué)生的角度出發(fā)，豐富了考核環(huán)節(jié)，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)課程過程考核，充分發(fā)揮了考核的促進(jìn)和調(diào)節(jié)作用。不僅讓學(xué)生掌握了相關(guān)知識和技能，還提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，將考核體現(xiàn)在理論知識和動(dòng)手實(shí)踐能力上，達(dá)到學(xué)生自我增值的目的。

此外，在多元化教學(xué)方式下，對學(xué)生開展個(gè)性化教育是時(shí)代的要求［16］。針對不同學(xué)生，根據(jù)課程考核過程反饋的實(shí)際學(xué)習(xí)情況，給予不同需求的教導(dǎo)和培養(yǎng)，使其不僅具備普適能力，還具有獨(dú)特的個(gè)性。

開展學(xué)生個(gè)性特征的異化過程考核，能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生在過程化考核中的自我認(rèn)知、自我調(diào)整、自我增值。從而最終完成工業(yè)控制系統(tǒng)安全實(shí)驗(yàn)課程的授課目標(biāo)，全面提高課程教學(xué)水平與教學(xué)質(zhì)量。

3 實(shí)踐效果

學(xué)生多次參加工業(yè)技能類大賽，均取得了優(yōu)異的成績。指導(dǎo)的學(xué)生參加2020、2021 屆全國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技能大賽均獲得了一等獎(jiǎng)，在第二十二屆中國國際軟件博覽會(huì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全精英邀請賽中獲得一等獎(jiǎng)，且多次在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全大賽中獲獎(jiǎng)。

但目前還存在一些問題，由于學(xué)生之間的水平存在差距，一些學(xué)生對隱藏信息的工程文件、部分梯形圖邏輯的掌握程度不夠，接下來需要針對性地提升學(xué)生在這方面的能力。

4 結(jié)語

網(wǎng)上有乾坤，鍵盤百萬兵［17］，網(wǎng)絡(luò)空間安全至關(guān)重要。中國工程院院士方濱興在ISC2018 互聯(lián)網(wǎng)安全大會(huì)表示，當(dāng)前國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全人才缺口近百萬，我國每年網(wǎng)絡(luò)安全人才的培養(yǎng)數(shù)量遠(yuǎn)不足以填補(bǔ)這個(gè)缺口［18］，工業(yè)控制系統(tǒng)安全是“第五維空間”安全之戰(zhàn)的重要組成部分，缺口更為嚴(yán)重。

高校擔(dān)負(fù)著人才輸出的重任，面對人才缺口這一嚴(yán)峻問題，要質(zhì)量與數(shù)量兩手抓，兩手都要硬。為此，做好課程內(nèi)容設(shè)計(jì)、運(yùn)用有效的授課方法是培育更多高水平、高素質(zhì)、高能力的拔尖網(wǎng)安人才的有力保障。