基于教學(xué)云平臺的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的研究
——以“網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)”課程為例

劉勇

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

本文在分析教學(xué)云概念、特征以及對實(shí)踐教學(xué)的意義的基礎(chǔ)上，表明教學(xué)云能幫助網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)學(xué)生“完善知識共享、課程更新、訂單培養(yǎng)、頂崗實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)、協(xié)同創(chuàng)新”等多個(gè)環(huán)節(jié)的服務(wù)與管理，提高我校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)人才培養(yǎng)水平。同時(shí)對基于教學(xué)云平臺的研究與設(shè)計(jì)提供框架思路。

1 高校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前，大多數(shù)高校的網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)課時(shí)有限、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護(hù)不到位以及經(jīng)費(fèi)有限等原因，高校網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備難以跟上網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)、新設(shè)備的更新腳步，導(dǎo)致教學(xué)內(nèi)容與企業(yè)實(shí)際需求存在一定的差距。并且很多高校采用思科模擬器或者ENSP 等各類模擬器開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在以下幾個(gè)問題。

1.1 軟硬件配置不均衡

在學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中，普遍存在重硬件投入、輕軟件建設(shè)的問題，偏重于硬件等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，如：服務(wù)器、路由器、交換機(jī)及電腦硬件等；但是軟件的建設(shè)卻相對滯后，主要表現(xiàn)在專職管理人員少、專業(yè)人員技能水平不高等。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)管理制度和規(guī)范建設(shè)不完備，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用建設(shè)并未同步進(jìn)行等。

1.2 資源建設(shè)滯后

信息資源建設(shè)是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)改革的重點(diǎn)工作，內(nèi)容包括學(xué)習(xí)視頻、教學(xué)課件、電子教案、練習(xí)資料等。信息資源建設(shè)滯后在當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)中普遍存在，主要表現(xiàn)在缺少相應(yīng)學(xué)科的最新信息資源；教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，更新不及時(shí)等。

1.3 資源共享程度低

信息資源共享程度低，主要有以下幾個(gè)原因：一是信息資源建設(shè)滯后；二是教育平臺標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一；三是部分名校不愿把優(yōu)秀的教育信息資源放在網(wǎng)上進(jìn)行共享；四是教師對信息資源共享主動性不高，或者沒有條件把教育資源進(jìn)行共享。

因此，如何將一種更貼近實(shí)際、功能開放、配置靈活的教學(xué)云平臺引入到網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)中，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，成為改進(jìn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)效果的關(guān)鍵。

2 網(wǎng)絡(luò)安全課程教學(xué)改革措施

網(wǎng)絡(luò)安全是網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)一個(gè)重要研究方向，隨著網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)在電子商務(wù)、電子政務(wù)、金融等各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)安全的重要性越來越重要，已經(jīng)成為國家、國民經(jīng)濟(jì)和社會生活的重要組成部分。特別是現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)攻擊手段快速多樣發(fā)展使得對網(wǎng)絡(luò)攻擊的計(jì)算機(jī)水平的要求也是越來越低，這就使得我們要防范的對象越來越多，網(wǎng)絡(luò)安全的危害也越來越嚴(yán)重。在這種背景下，許多高校為了適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展，培養(yǎng)具有水平高、技術(shù)全面的網(wǎng)絡(luò)安全知識的學(xué)生，都開設(shè)了“網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)”這門課程，全面系統(tǒng)地向?qū)W生講授計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的基本概念、理論、技術(shù)及應(yīng)用等知識。針對前面提到的現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式存在的問題，以“網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)”課程為例，提出綜合應(yīng)用CII 云教學(xué)領(lǐng)航中心教學(xué)云平臺，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全課程實(shí)踐教學(xué)模式改革，來提高網(wǎng)絡(luò)安全課程的教學(xué)效果。

2.1 網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)子系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)子系統(tǒng)包含云教學(xué)領(lǐng)航中心、教學(xué)云、路由交換設(shè)備管理組件、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備管理組件、信息安全云拓?fù)錁?gòu)建模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)集群控制主機(jī)、虛擬實(shí)驗(yàn)集群運(yùn)算節(jié)點(diǎn)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源包，教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源包涵蓋網(wǎng)絡(luò)安全、主機(jī)安全、應(yīng)用數(shù)據(jù)安全等方面。

網(wǎng)絡(luò)安全教學(xué)云是一款基于崗位驅(qū)動式學(xué)習(xí)新模式教學(xué)平臺。平臺以培養(yǎng)企業(yè)需求的人才為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)以企業(yè)崗位職業(yè)能力為核心的學(xué)習(xí)路徑以及教學(xué)資源，兼?zhèn)湓O(shè)備管理、教學(xué)管理、教學(xué)評價(jià)等功能，滿足高職信息安全與等級保護(hù)方向的實(shí)踐教學(xué)的管理與應(yīng)用需求。具體優(yōu)勢有：

（1）虛實(shí)融合，降低設(shè)備損耗，實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理效率大幅提升。實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)安全硬件與網(wǎng)絡(luò)安全虛擬資源池的有機(jī)結(jié)合，即將圖形化設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成真實(shí)的設(shè)備拓?fù)浯罱?。用戶可以直接在虛擬資源池的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)拓?fù)溥B線，如圖1所示，連線動作立即生效，學(xué)生通過圖形化界面可以對機(jī)架中真實(shí)的設(shè)備進(jìn)行操作。

圖1 實(shí)驗(yàn)界面（機(jī)架設(shè)備）

利用虛實(shí)融合技術(shù)，減少傳統(tǒng)手工使用設(shè)備端口對設(shè)備壽命的影響，有效地保護(hù)了設(shè)備端口，縮短了拓?fù)浯罱〞r(shí)間。

利用虛實(shí)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一鍵清除設(shè)備配置功能，為管理員帶來極大的便捷性。其清除配置狀態(tài)可指定到一定范圍（“一個(gè)實(shí)驗(yàn)室”“一組實(shí)驗(yàn)機(jī)架”“單獨(dú)一臺實(shí)驗(yàn)設(shè)備”），實(shí)驗(yàn)設(shè)備管理效率大幅提升90%；

內(nèi)置危險(xiǎn)命令過濾功能，避免學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可能會執(zhí)行一些危險(xiǎn)的操作，極大避免設(shè)備軟性破壞，保證設(shè)備使用安全，提高管理員的維護(hù)時(shí)效。

（2）實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程訪問，教學(xué)活動輕松開展。領(lǐng)航中心采用B/S 的軟件架構(gòu)，基于Web 瀏覽器訪問，可以實(shí)現(xiàn)“Any where、Any PC”的管理和使用。依托遠(yuǎn)程訪問機(jī)制，教師可隨時(shí)隨地進(jìn)行教學(xué)安排與管理實(shí)驗(yàn)室管理提供了實(shí)驗(yàn)學(xué)生、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)資料、實(shí)驗(yàn)課程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果于一體的管理功能。能夠有效控制實(shí)驗(yàn)學(xué)生行為、自動分配和控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備、快速分發(fā)實(shí)驗(yàn)資料、幫助老師合理安排課程。提供用戶信息、教學(xué)資料、教學(xué)課程于一體的管理功能，方便教師對教學(xué)過程資料進(jìn)行整理與下載。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn)：

（1）軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN），自主定制教學(xué)實(shí)訓(xùn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)子系統(tǒng)基于虛擬化和云計(jì)算技術(shù)，支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)，內(nèi)置虛擬化路由器、虛擬化交換機(jī)、虛擬化防火墻和各種系統(tǒng)環(huán)境（終端、服務(wù)器、應(yīng)用系統(tǒng)、中間件和數(shù)據(jù)庫），提供圖形化的SDN 操作接口和虛擬仿真操作接口，教員可以自主規(guī)劃學(xué)生的教學(xué)實(shí)訓(xùn)仿真拓?fù)洵h(huán)境，像Visio 畫圖一樣方便的操作。

（2）靈活的自主定制課件。信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)子系統(tǒng)提供靈活的自主定制功能，提供課件、虛擬機(jī)導(dǎo)入接口，教師可以根據(jù)需要自定義課件，導(dǎo)入適合自己教學(xué)的視頻、靶機(jī)。

（3）學(xué)習(xí)路線自動規(guī)劃。教師安排學(xué)習(xí)課件后實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過課程安排幫助學(xué)生自動化生成學(xué)習(xí)規(guī)劃路線，幫助學(xué)生理清課程學(xué)習(xí)思路，使學(xué)員快速掌握教師安排的課程。

（4）實(shí)驗(yàn)課程秒啟動。信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)子系統(tǒng)以文字加視頻的方式提供網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)教學(xué)，在學(xué)習(xí)的同時(shí)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)提供了實(shí)際演練環(huán)境，通過邊學(xué)邊練的方式可以使學(xué)員更加深入的掌握網(wǎng)絡(luò)安全知識。信息安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)子系統(tǒng)通過對虛擬化技術(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)課程一秒內(nèi)啟動，通過快速啟動實(shí)驗(yàn)課程增強(qiáng)了學(xué)員及教員的實(shí)訓(xùn)體驗(yàn)。

（5）系統(tǒng)的知識體系，豐富的課件內(nèi)容。實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)提供豐富的課件內(nèi)容，課件分類達(dá)數(shù)十種，課件內(nèi)容數(shù)百種，通過豐富的課件內(nèi)容形成系統(tǒng)化培訓(xùn)體系，使用戶可以系統(tǒng)化學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)知識，滿足不同用戶的不同需求。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 學(xué)習(xí)任務(wù)

教師可為學(xué)生分配學(xué)習(xí)任務(wù)，如圖2所示。

圖2 學(xué)習(xí)任務(wù)

在學(xué)習(xí)任務(wù)中，學(xué)生能看到要學(xué)習(xí)的課程，如圖3所示，并點(diǎn)擊開始試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)學(xué)習(xí)操作。

圖3 我的課程

2.3.2 課程學(xué)習(xí)

點(diǎn)擊開始試驗(yàn)即可進(jìn)入相應(yīng)課程進(jìn)行理論學(xué)習(xí)及實(shí)踐操作。

點(diǎn)擊激活實(shí)驗(yàn)即可啟用實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，如圖4所示，另外課程通常由視頻、指導(dǎo)書和實(shí)驗(yàn)環(huán)境三部分組成。

圖4 實(shí)驗(yàn)界面（實(shí)驗(yàn)文檔）

左側(cè)可控制顯示視頻和指導(dǎo)書，實(shí)驗(yàn)環(huán)境在右側(cè)顯示，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)界面（指導(dǎo)視頻）

在右側(cè)邏輯拓?fù)錁?biāo)簽下，可針對某臺虛擬服務(wù)器進(jìn)行開機(jī)、重啟、初始化及關(guān)機(jī)操作。并可通過界面下半部分查看網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)?，如圖6所示，了解網(wǎng)絡(luò)及信息點(diǎn)部署架構(gòu)。

圖6 實(shí)驗(yàn)界面（邏輯拓?fù)洌?/p>

點(diǎn)擊虛擬機(jī)的下拉列表選擇要操作的機(jī)器，操作環(huán)境直接彈出，如圖7所示。

圖7 邏輯拓?fù)鋱D

2.3.3 教學(xué)互動

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將自己的疑問通過系統(tǒng)提交給老師，老師實(shí)時(shí)進(jìn)行答疑，如圖8所示。

圖8 課堂答疑

教師備課筆記可通過共享筆記的方式分享給學(xué)生，如圖9所示。

圖9 教師筆記

教師可全程監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作步驟，針對異常處通過遠(yuǎn)程協(xié)助方式為學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)及演示操作，如圖10所示。

圖10 遠(yuǎn)程協(xié)助

2.3.4 拓?fù)涔芾?/p>

系統(tǒng)支持自由拖拽的方式生成拓?fù)?，支持設(shè)備分類全面，如圖11所示?？蓪蝹€(gè)設(shè)備進(jìn)行配置，配置采用圖形化界面。

圖11 拓?fù)涔芾?/p>

2.4 支撐信息安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)安全教學(xué)管理平臺和信息安全攻防教學(xué)管理平臺，提供B/S 在線訪問功能，用以支持開展在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，老師可以在家里即可完成網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)和信息安全攻防教學(xué)實(shí)驗(yàn)的備課工作，學(xué)生在宿舍、圖書館等即可進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)、自定義實(shí)驗(yàn)和自學(xué)。

一個(gè)真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)安全項(xiàng)目，應(yīng)當(dāng)包含防火墻、路由器、交換機(jī)、Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、中間件、終端設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)單元。為了提供更真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)環(huán)境，建成后的信息安全實(shí)驗(yàn)室，老師能夠自定義和下發(fā)大型在線網(wǎng)絡(luò)安全綜合仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的拓?fù)洵h(huán)境中包含終端設(shè)備、路由器、交換機(jī)、防火墻、Web 應(yīng)用防火墻、Web 應(yīng)用服務(wù)器、中間件和數(shù)據(jù)庫的虛擬機(jī)，從而提升學(xué)生的綜合技術(shù)水平和實(shí)戰(zhàn)能力水平。

2.5 能夠靈活的定制課程體系

任務(wù)支持老師自主定制課程體系和教學(xué)計(jì)劃，便于學(xué)校和老師根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有教學(xué)資源、實(shí)際教學(xué)需要、學(xué)校課時(shí)安排，規(guī)劃適合當(dāng)年計(jì)劃的課程實(shí)驗(yàn)，設(shè)定學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，布置學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)。

老師均能夠自定義和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，圖形化方式快速繪制拓?fù)洳⒈４嫦?，能夠靈活的定義拓?fù)渲械奶摂M化設(shè)備（PC、服務(wù)器、靶機(jī)）的性能參數(shù)，分配CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡數(shù)量、啟動方式、掛載的ISO 鏡像光盤、映射端口等。

老師能夠自定義課程體系，給學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)，導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻、自定義和修改實(shí)驗(yàn)文檔，如圖12所示，從而更靈活地進(jìn)行信息安全與等級保護(hù)方向的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。

圖12 自定義課程

3 結(jié) 論

通過運(yùn)用教學(xué)云對網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)課程進(jìn)行了教學(xué)改革，實(shí)踐證明在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中的效果是非常顯著的。通過實(shí)踐教學(xué)改革促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)課程實(shí)體實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，提升了網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的深度和廣度，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)空間，形成了虛擬和實(shí)際有機(jī)結(jié)合的應(yīng)用型本科高校工程人才實(shí)踐教學(xué)體系，進(jìn)一步體現(xiàn)了使用教學(xué)云進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的共享性和先進(jìn)性，使之成為推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革和提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的新途徑。