基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐教學(xué)體系研究與構(gòu)建

摘要：基于CC2020勝任力模型，從實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全核心知識(shí)的學(xué)習(xí)、攻防技能的提高、品行的培養(yǎng)出發(fā)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行了構(gòu)建及研究。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和雨課堂平臺(tái)，為實(shí)踐開展提供了信息化教學(xué)的基礎(chǔ)，同時(shí)提升了實(shí)踐教學(xué)的可行性和創(chuàng)新性。結(jié)合學(xué)生現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)、教學(xué)方法策略、考核評(píng)價(jià)機(jī)制，多角度、多方位地提出了詳細(xì)建設(shè)舉措。實(shí)踐課程的實(shí)施將對(duì)培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)安全創(chuàng)新型、實(shí)戰(zhàn)型人才培養(yǎng)具有實(shí)際意義和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：CC2020勝任力模型虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G712;TP393.08-4

ResearchandConstructionofNetworkSecurityExperimentalTeachingSystemBasedonVirtualSimulationExperimentTeachingPlatform

YANG YangSUNHaoyueQINXiaohui

HebeiUniversityofArchitecture，Zhangjiakou，HebeiProvince，075000China

Abstract：BasedonCC2020competencymodel，thispaperconstructsandstudiesthenetworksecurityexperimentteachingsysteminordertorealizethelearningofcoreknowledgeofnetworksecurity，theimprovementofoffensiveanddefensiveskillsandthecultivationofcharacter.Thevirtualsimulationexperimentteachingplatformandrainclassroomplatformprovidethebasisofinformation-basedteachingandenhancetheinnovationofpracticalteaching.Combinedwiththecurrentsituationofstudentsinourschool，thispaperputsforwarddetailedconstructionmeasuresfromvariousanglesanddirections，suchasteachingcontentdesign，experimentalresourcesconstruction，teachingstrategyassessmentandevaluationmechanism.Theimplementationofthispracticalcoursewillhavepracticalsignificanceandreferencevalueforcultivatinginnovativeandpracticaltalentsinnetworksecurity.

KeyWords：CC2020CompetencyModel;Virtualsimulationexperimentteachingplatform;Practicalteaching;Project-driven;Teachingcontentdesign

2020年12月，ACM/IEEE-CS協(xié)會(huì)發(fā)布了全球性計(jì)算機(jī)科學(xué)教育領(lǐng)域計(jì)算課程體系紅皮書（ComputingCurricula，簡(jiǎn)稱CC2020）[1]，CC2020從計(jì)算機(jī)課程體系建設(shè)出發(fā)，倡導(dǎo)計(jì)算機(jī)教育人才培養(yǎng)的核心需求，從而提供了指導(dǎo)。

CC2020工作組將勝任力作為核心培養(yǎng)目標(biāo)，由知識(shí)、技能和品行3部分組成[2]，鼓勵(lì)各教學(xué)機(jī)構(gòu)根據(jù)自己的定位設(shè)計(jì)具體的培養(yǎng)方案。對(duì)實(shí)現(xiàn)我國“新工科”建設(shè)所強(qiáng)調(diào)的“以能力培養(yǎng)促進(jìn)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”的目標(biāo)有著重要的促進(jìn)作用。

針對(duì)CC2020所提出的人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容，本課程實(shí)踐教學(xué)過程中依托虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生興趣為導(dǎo)向，以實(shí)踐帶動(dòng)理論的教學(xué)體系，從而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全核心知識(shí)的學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)安全攻防技能的提高、網(wǎng)絡(luò)安全職業(yè)素養(yǎng)及團(tuán)隊(duì)精神等品行的培養(yǎng)。

1網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系總體設(shè)計(jì)

本課程實(shí)踐所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容以知識(shí)學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)、以技能提升為目標(biāo)、以思政教育為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上突出問題求解的作用，實(shí)驗(yàn)類型方面主要從實(shí)驗(yàn)的難易程度出發(fā)劃分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、專業(yè)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和學(xué)科創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)；以在線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為依托，靈活采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，將學(xué)科競(jìng)賽、網(wǎng)絡(luò)安全創(chuàng)新型成果融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考核中。重在培養(yǎng)悉攻善守、攻防兼具的工程型網(wǎng)安人才。

1.1建立網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐課程建設(shè)模式

構(gòu)建知識(shí)、技能、品行3個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)支撐點(diǎn)，以知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)戰(zhàn)能力提高、思政品行教育為教學(xué)目標(biāo)，整合線上線下教學(xué)資源進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)講授學(xué)習(xí)；通過項(xiàng)目式任務(wù)驅(qū)動(dòng)實(shí)踐教學(xué)法，融入學(xué)科競(jìng)賽，將學(xué)生帶入具體的網(wǎng)絡(luò)安全靶場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際問題分析，通過實(shí)驗(yàn)類型要求學(xué)生獨(dú)立思考或集體協(xié)作，提高學(xué)生的實(shí)操實(shí)戰(zhàn)技能；同時(shí)，從思政教育、職業(yè)素養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)精神、溝通能力等方面培養(yǎng)學(xué)生的品行意識(shí)。

1.2?;構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程體系

教學(xué)內(nèi)容上，主要以“問題求解”為中心[3]，實(shí)驗(yàn)類型從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的性質(zhì)及難易程度主要分為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、專業(yè)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)4個(gè)內(nèi)容層次，實(shí)驗(yàn)類型和課程實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)相對(duì)應(yīng)，難度從簡(jiǎn)單到難度加大，注重“問題求解”能力的工程型人才培養(yǎng)。

1.3多元化多維度的實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)機(jī)制方案

從實(shí)驗(yàn)考核的多元化出發(fā)，采用靈活多樣的實(shí)驗(yàn)考核方式[4]，針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)類別制定不同的考核參考標(biāo)準(zhǔn)，例如傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告基礎(chǔ)上增加實(shí)驗(yàn)答辯、線上攻防情況測(cè)評(píng)、科研創(chuàng)新項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽獲獎(jiǎng)等，主要突出對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全技能的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，根據(jù)本課程實(shí)踐所設(shè)計(jì)的教學(xué)模式下的學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)分布，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐課程的建設(shè)成果和檢驗(yàn)。

2本網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐教學(xué)所依托的信息化服務(wù)環(huán)境

2.1網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建初衷是為了提高學(xué)生的動(dòng)手能力，以實(shí)踐技能和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)為目標(biāo)。通過平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的信息化，提高整合度，具備資源的開放性和共享性，建設(shè)過程結(jié)合學(xué)情個(gè)性化、需求多元化、資源信息化的特點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)。通過虛擬化技術(shù)創(chuàng)建各種網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及實(shí)訓(xùn)環(huán)境，將理論學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，集在線實(shí)驗(yàn)、在線課堂、項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)、題庫、在線考試等功能于一體。平臺(tái)課程資源包含安全基礎(chǔ)、滲透測(cè)試、安全運(yùn)維、安全競(jìng)賽和安全靶場(chǎng)等主流信息安全實(shí)戰(zhàn)類資源，滿足遠(yuǎn)程教學(xué)與在線實(shí)驗(yàn)。

2.2基于雨課堂的智慧教學(xué)體系

理論教學(xué)方面，整合線上和線下教學(xué)學(xué)習(xí)資源，開展實(shí)踐教學(xué)理論指導(dǎo)，主要基于雨課堂和慕課兩個(gè)平臺(tái)，構(gòu)建一個(gè)資源完備的教學(xué)環(huán)境，提供覆蓋實(shí)踐課程所需的課前資源發(fā)布與學(xué)習(xí)、課中答題互動(dòng)、課后進(jìn)度跟蹤與學(xué)情觀測(cè)，開展全面的沉浸式實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、課程關(guān)注度和主觀能動(dòng)性。

3網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐詳細(xì)建設(shè)舉措

3.1全面的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

融合線上資源、線下課堂和虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立智慧學(xué)習(xí)環(huán)境[5]，以基礎(chǔ)知識(shí)（know-what）做支撐；技能（know-how）和品行（know-why）提升作為主要目標(biāo)，以網(wǎng)絡(luò)安全勝任力核心需求為牽引，教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)了符合學(xué)情的和培養(yǎng)方案一致的教學(xué)內(nèi)容，基于一定的教學(xué)方案，結(jié)合理論講授與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)力，重在賦能學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)安全技能實(shí)操和解決問題的勝任力。

3.2網(wǎng)絡(luò)安全課程實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)情況

提出了多維分層進(jìn)階式學(xué)習(xí)理念，從基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)、專業(yè)型實(shí)驗(yàn)、綜合型實(shí)驗(yàn)和科研創(chuàng)新學(xué)科競(jìng)賽出發(fā)，建設(shè)前期進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)，突破以往的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐教學(xué)方法及教學(xué)模式、重在任務(wù)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐能力、夯實(shí)學(xué)生解決網(wǎng)絡(luò)安全工程問題的職業(yè)能力，探索基于CC2020勝任力模型的計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)理念。同時(shí)，基于學(xué)生學(xué)情，根據(jù)教學(xué)知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目的難易程度，在覆蓋學(xué)科知識(shí)技能范圍的前提下，將網(wǎng)絡(luò)安全課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)按實(shí)驗(yàn)性質(zhì)分為：認(rèn)知實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)科競(jìng)賽6個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。

綜上，通過實(shí)驗(yàn)情況及平臺(tái)記錄收集學(xué)情反饋，檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。以培養(yǎng)“悉攻善守、攻防兼具”的多層次人才為目標(biāo)，調(diào)整各知識(shí)點(diǎn)的考核目標(biāo)，思考設(shè)計(jì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生提供自我成長(zhǎng)的練習(xí)平臺(tái)，通過實(shí)踐能力的提升，引導(dǎo)學(xué)生由知識(shí)掌握向知識(shí)運(yùn)用的遷移。

3.3課程實(shí)踐產(chǎn)出規(guī)劃

通過學(xué)習(xí)每章理論知識(shí)、實(shí)用技術(shù)和實(shí)驗(yàn)練習(xí)，拓展視野，增強(qiáng)技能，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的研究、分析和實(shí)戰(zhàn)能力。在自主學(xué)習(xí)意識(shí)與能力上有所提高，養(yǎng)成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和學(xué)習(xí)態(tài)度，為今后工作打下良好的基礎(chǔ)。讓學(xué)生掌握知識(shí)和技能的同時(shí)，提高學(xué)生網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)容鑒別能力和網(wǎng)絡(luò)安全意識(shí)，提高大學(xué)生的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，為我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與使用培養(yǎng)專業(yè)人才和可靠人才。

3.4綜合的考核評(píng)價(jià)機(jī)制設(shè)計(jì)

采用靈活多樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核方式，對(duì)應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)類別制定不同的考核參考依據(jù)，比如實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)答辯、線上攻防測(cè)評(píng)和學(xué)科競(jìng)賽[6]等，主要突出對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全技能的應(yīng)用情況和創(chuàng)新思維，根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)踐教學(xué)模式下的學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)分布，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐課程建設(shè)成效。具體實(shí)施策略如下。

（1）通過發(fā)布雨課堂考試或作業(yè)的方式，實(shí)施常態(tài)化學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)工作：每章結(jié)束后都會(huì)發(fā)布本章單元測(cè)試題，并在近幾年的教學(xué)中加入的信息化期中考試。通過無紙化考試自動(dòng)評(píng)分功能減輕了教師評(píng)閱試卷的能力，同時(shí)可對(duì)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況得以掌握了解。

（2）課程設(shè)置了4個(gè)必須完成的實(shí)驗(yàn)，輔助有12個(gè)選擇性完成的實(shí)驗(yàn)。

（3）實(shí)驗(yàn)部分的考核方式由單一的實(shí)驗(yàn)報(bào)告向多元化轉(zhuǎn)變，考核形式主要包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)視頻等環(huán)節(jié)。

3.5集成的教學(xué)方法及實(shí)驗(yàn)策略研究

3.5.1任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

從個(gè)人作業(yè)角度，基于網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的進(jìn)度完成功能，通過考核要求，發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，考核驅(qū)動(dòng)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)教學(xué)從應(yīng)付學(xué)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀蝿?wù)完成需求為主，而最終目標(biāo)在于培養(yǎng)悉攻善守的網(wǎng)絡(luò)安全人才。

3.5.2項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法

團(tuán)隊(duì)作業(yè)角度，在教師的指導(dǎo)下，將相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目交由學(xué)生進(jìn)行協(xié)作完成全流程的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，以項(xiàng)目任務(wù)作為內(nèi)驅(qū)力，將理論知識(shí)和實(shí)踐操作融為一體，同時(shí)在品行思政教育方面，提升學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力。

3.5.3案例式教學(xué)法

通過理論教學(xué)，在理論知識(shí)儲(chǔ)備具備的基礎(chǔ)上，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)和指導(dǎo)下，在具體的網(wǎng)絡(luò)安全靶實(shí)踐場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際問題的梳理認(rèn)識(shí)和分析，通過反復(fù)的多場(chǎng)景攻防練習(xí)，舉一反三，進(jìn)一步提高學(xué)生解決具體網(wǎng)安工程問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生品行培養(yǎng)方面的相關(guān)能力如溝通能力和協(xié)作精神等。

3.6拓展實(shí)驗(yàn)：基于深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)安全檢測(cè)研究

本科生繼續(xù)深造本校研究生，給出一些學(xué)生繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)安全研究方向的建議。本科網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，帶學(xué)生繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)安全深度拓展學(xué)習(xí)，主要研究方向在深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)安全方向的應(yīng)用方面，包括基于深度學(xué)習(xí)惡意流量檢測(cè)、基于深度學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)用戶行為異常檢測(cè)等，并發(fā)表了一系列的研究論文。

4結(jié)論

本課程實(shí)踐體系的設(shè)計(jì)以CC2020勝任力計(jì)算機(jī)人才培養(yǎng)模型為指導(dǎo)，構(gòu)建知識(shí)、能力、品行培養(yǎng)著力點(diǎn)，以網(wǎng)絡(luò)安全復(fù)雜實(shí)踐問題的解決為培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計(jì)符合學(xué)情的遞進(jìn)式的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)踐項(xiàng)目體系。主要通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式實(shí)踐教學(xué)方法，全面提升學(xué)生解決網(wǎng)絡(luò)安全方向復(fù)雜問題的技術(shù)能力和動(dòng)手能力。從個(gè)人任務(wù)和團(tuán)隊(duì)任務(wù)的驅(qū)動(dòng)角度，關(guān)注每位學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲、學(xué)習(xí)困難和產(chǎn)出效果，開展全方面的實(shí)踐教學(xué)指導(dǎo)。評(píng)價(jià)方式上向多元化轉(zhuǎn)變，兼顧網(wǎng)絡(luò)安全知識(shí)點(diǎn)考核、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫、實(shí)驗(yàn)視頻操作記錄、綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)與提高。

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