基于核心能力培養(yǎng)的信息安全專業(yè)綜合實踐課程教學改革探析

關鍵詞：核心能力培養(yǎng)；綜合實踐課；滲透測試；多元化評價；考核標準

1 現(xiàn)狀分析

隨著工程教育專業(yè)認證工作的不斷發(fā)展與深入，以產(chǎn)出導向?qū)W生為本、以學生為中心和持續(xù)改進的基本理念已經(jīng)成為課程教學改革的重要內(nèi)容。天津理工大學信息安全專業(yè)2017年首開嵌入式安全系統(tǒng)綜合設計實踐課程，課程目的是在學生有一定信息安全專業(yè)知識的基礎上，利用實驗設計將安全知識移植到嵌入式系統(tǒng)。學生在熟練使用嵌入式實驗平臺的基礎上，利用安全工具完成基于嵌入式設備的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控、防火墻配置、遠程端口掃描、無線網(wǎng)絡掃描攻擊、惡意軟件檢測等實驗項目。

教學實施過程中出現(xiàn)的問題：（1） 學生缺乏基礎知識儲備、動手能力有限。課程對硬件實驗環(huán)境、操作系統(tǒng)及多種技術(shù)工具有一定的要求，學生需要花費一定的時間熟悉工具的使用。（2） 課程涉及知識范圍較寬，綜合實驗任務有一定難度，課上教學時間緊張，這些因素導致學生學習效率低，甚至選擇放棄。（3） 團隊合作分工不明確，考核成績難以區(qū)分，有的學生工作偷懶、過分依賴他人，不能調(diào)動學習的積極性。（4） 綜合實踐課一般考核依據(jù)模糊，沒有明確的考核標準，缺乏有效的考核機制。

2 完善課程體系滿足學習成果的達成

2.1 教學過程設計

靈活的學習過程要以學生為中心， 實踐教學要以學生為本，能力的提高要經(jīng)歷長期實踐訓練，課程希望能采用多種教學方式教會學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的方法，這些經(jīng)驗和方法將使學生終身受益。教學團隊根據(jù)教學效果，不斷改變教學策略，針對學生不熟悉嵌入式開發(fā)板（Beagle Bone Black，BBB） 、課上集中學時有限的問題，要求學生2人組成團隊，以團隊為單位將開發(fā)板帶出課堂完成實驗，增加課下學習的時間，受到學生的歡迎，教學效果顯著提升；同時建立完善設備管理手續(xù)，找到開發(fā)板系統(tǒng)更新的有效方法，解除學生因?qū)嶒炦^程中破壞系統(tǒng)而畏懼創(chuàng)新操作的問題。另一方面調(diào)整實驗內(nèi)容，對嵌入式開發(fā)板基本操作部分給出詳細完整的實驗指導，增加實驗完成的可能性，加大教師與學生互動時間的投入，通過線上線下演示、討論等形式與學生溝通，讓學生少走彎路；由于學生缺乏前期的知識儲備，課程改變傳統(tǒng)教學思路，將硬件知識結(jié)合專業(yè)特性設計教學案例，采用情景模擬方法，增加外設模塊，完成真實場景任務，使開發(fā)板“活”起來，讓學生逐漸對嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生興趣，引導學生將所學知識運用到真實的物聯(lián)網(wǎng)安全的場景。

2.2 教學內(nèi)容模塊化

考慮學生的感受，重構(gòu)課程設計方案。課堂教學的目標不僅在于傳遞知識、鍛煉技能，更重要的是把學生培養(yǎng)成更好的學習者。在教學過程中形成內(nèi)容模塊化教學理念，以解決復雜工程問題作為實驗課程設計實施的基本思viwH9WzJiWDPg8lFTKeoeKqXajWEg9bt4MiUaA8mPvo=路[1]，根據(jù)知識體系進行模塊分類，內(nèi)容上層層遞進，前后對應，由淺入深，讓學生在遇到困難時有自信解決問題，表1為2023年修訂的按照模塊劃分的實驗教學內(nèi)容。依據(jù)教學效果每年都會在已有教學模塊的基礎上更新、完善實驗項目，教學過程中不斷產(chǎn)生新思路，在發(fā)現(xiàn)教學具體問題的基礎上進行改進，對現(xiàn)有知識體系、實驗體系重構(gòu)和優(yōu)化。修訂模塊的基本原則：

（1） 設計模塊內(nèi)容時充分考慮到學生的能力及提升空間，讓學生能夠運用一定的工程原理，經(jīng)過分析解決實踐問題。

（2） 與時俱進，促進教學內(nèi)容適應學科專業(yè)的發(fā)展要求。實驗項目具有相對較高的綜合性，包含多個相互關聯(lián)的子模塊，幫助學生建立融會貫通的知識體系。

（3） 能力要求的可衡量性，支持評判標準和擴展。

2021 年針對實際操作遇到的問題，課程更新Debian Linux系統(tǒng)為更適合安全專業(yè)的Kali Linux系統(tǒng)，升級后的平臺將更多安全專業(yè)工具從Windows移植的嵌入式系統(tǒng)中，既促進實驗項目能持續(xù)有效得到更新和完善，也使便攜式設備進行滲透測試的目標成為可能。圖1展示更新系統(tǒng)后實驗平臺加入了無線局域網(wǎng)實驗環(huán)境，教學模塊同步增加了嵌入式設備的無線網(wǎng)絡配置，在無線局域網(wǎng)內(nèi)部署多個嵌入式開發(fā)板，使用nmap 掃描局域網(wǎng)中存活的IP 地址，探測目標主機；在此基礎上針對目標機增加DoS攻擊、中間人（MITM）偵察攻擊等多個無線局域網(wǎng)實驗內(nèi)容。無線局域網(wǎng)實驗模塊更貼近現(xiàn)實生活的應用場景，學生可以在實驗室、宿舍等具備無線網(wǎng)絡的環(huán)境下完成實驗，提高了實驗成功的概率。

2.3 多元化考核模式改革

課程以學生核心能力培養(yǎng)為導向，開展了多元化考核[2]模式改革，針對專業(yè)特色和支撐達成度的指標點，嘗試多種評價方式。考核以能力和素質(zhì)為核心內(nèi)容，加強實驗過程性考核。

（1） 考核內(nèi)容要有明確的評分標準

在教學內(nèi)容模塊化的基礎上，量化考核標準[3-4]，將考核內(nèi)容細化，保障實踐課程成績評定的標準化，公正成績的評判，激發(fā)學生按照需求完成任務；提出需求加分項，加權(quán)量化考核評分，表2展示了部分模塊的量化評分標準。課程將必須完成的項目視為基礎模塊（如嵌入式開發(fā)板的學習），這些模塊的標定分數(shù)相對不高；有些模塊（如基于BBB的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的三個模塊）屬于同一知識點，形式上學生可根據(jù)自身能力對模塊進行選擇；有些模塊與學科專業(yè)緊密相關，完成難度大或者需要學生自主設計，其標定分數(shù)會高于其他模塊。同理，同一模塊有基本需求任務和提高需求任務，可根據(jù)難度設置得分系數(shù)，學生完成提高需求任務就會得到高系數(shù)，而能力有限的學生如能高水平完成常規(guī)模塊成績也不會低，提高學生整體實踐能力，始終是教學追求的目標之一。

標準化的評價體系需要在實踐中反復驗證、不斷修正，標定得分和得分系數(shù)的確定不僅要考慮模塊的重要性和實現(xiàn)難度，還要在實施中考慮學生因素，需要不斷總結(jié)修訂。

（2） 加強實驗過程考核評價

在學習過程中發(fā)現(xiàn)很多學生按照指導書完成實驗效果還不錯，但缺乏獨立思考創(chuàng)新的能力，實驗報告或千篇一律或邏輯混亂，將實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)進行堆積，忽略過程，不善總結(jié)。針對這一問題，課程要求學生在指定實驗模塊中錄制視頻展示實驗過程，學生在演示實驗的同時要講解實驗目的、原理、操作細節(jié)、呈現(xiàn)結(jié)果，此舉旨在培養(yǎng)學生凝練知識點、總結(jié)實驗效果的能力。在完成課程后能夠回答出“學了什么”“為什么要學”基礎問題，同時培養(yǎng)學生有效的表達溝通能力。

在教學過程中會出現(xiàn)個性和共性的問題，許多涉及硬件的問題可能是之前從未出現(xiàn)過的，學生操作流程的錯誤也會導致出現(xiàn)非常規(guī)的錯誤結(jié)果。課程組鼓勵學生記錄錯誤現(xiàn)象并尋找解決途徑，問題解決后作為教學資源共享給其他同學，并以加分的形式鼓勵教學的參與。

（3） 增加團隊協(xié)作能力的考核

綜合實踐類課程一般時間緊，完成任務有一定的難度，多數(shù)都會以學生分組共同完成的形式進行教學，團隊的協(xié)作能力直接影響學習效果[5]。課程要求以小組形式完成實驗，提交報告中必須注明成員明確分工，在過程檢查時分別對組員進行質(zhì)詢，督促學生從實驗的開始就確立目標、計劃任務并努力實現(xiàn)目標，旨在加強團隊合作的凝聚力，進而達到小組成員能夠在團隊中有效工作，創(chuàng)造協(xié)作和包容的環(huán)境。

2.4 做好課程評價，為課程教學改革提供依據(jù)

采用多種途徑挖掘課程評價，課程評價可以包括直接評價和間接評價。直接評價包含報告、視頻作業(yè)、過程檢查等，記錄學生經(jīng)歷課程的過程；課程組采用匿名問卷調(diào)查的形式推進間接評價，問卷內(nèi)容涉及知識掌握情況、學習效果、學習過程體驗、團隊合作體驗等20多個有針對性的問題；每一年根據(jù)教學情況問卷內(nèi)容略有不同，近三年共有257名同學參與問卷調(diào)查，參與比例接近70%。

調(diào)查顯示接近90%的學生認為能夠熟悉嵌入式開發(fā)板，掌握常用網(wǎng)絡工具，理解在嵌入式系統(tǒng)利用漏洞技術(shù)的目的。近96%的學生能夠獨立或和同學合作完成實驗報告，解決實驗過程出現(xiàn)的問題。97% 的同學認為自己在面對問題和困難時能夠?qū)で蠖喾N途徑解決，具有不斷學習和適應發(fā)展的能力。95%的學生認為通過課程實踐，在學習、工程實踐的能力（專注力、成就感自信心、獨立性、反思性）有所提高。

通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)學生在課程學習中遇到的問題，例如80%的學生認為課程學習的最大困難是“知識積淀不夠，操作不熟練”，20%的學生自認缺乏“網(wǎng)絡基礎知識、嵌入式基礎知識、Linux基本練習、網(wǎng)絡安全等基本知識的儲備”，近90%的同學主要從指導書中獲得知識來源。這些反饋為課程后續(xù)教學改進提供了寶貴的依據(jù)，2023年問卷增加課程給學生帶來負擔的問題，91%的學生對本課程的學習負擔持正?；蚩梢越邮艿膽B(tài)度，但仍有接近10%學生認為負擔大，這個反饋符合了最終成績評價結(jié)果，有部分同學在平時表現(xiàn)和提交報告水平都與大多數(shù)同學有一定差距，這也督促課程組在今后教學中更多關注這部分學生群體。

2023年的問卷調(diào)查增加了學生對團隊合作的體驗和對視頻作業(yè)的意見，90%以上的同學對合作組員較滿意，并且認為自身對團隊做出了貢獻；有55.43% 的人選擇錄制實驗過程視頻能幫助他們總結(jié)、提煉課程知識，36.96%的人認為錄制實驗過程視頻有一定幫助，只有7.61%的人表示錄制實驗過程視頻對他們沒有幫助，總體來看錄制課程視頻可以認為是一種有效的學習輔助手段。

學生在最后問答題留言：“雖然實驗過程有些難，因為第一次接觸開發(fā)板的各種實驗，所以有問題也是正常的”“通過這次課程讓我對開發(fā)板的各個方向的應用有了認識了解，之后在課下我會深入研究掌握，課程很好，指導老師也很負責”“可以多一些內(nèi)核級的實驗，雖然肯定會有難度，但是能自己做下來，肯定提升很多，可以少一些網(wǎng)絡的實驗，和聯(lián)網(wǎng)時隨機出現(xiàn)的突發(fā)性報錯的浪費的時間比，學習內(nèi)核時思考花的時間更值”…… 課程組關注學生在學習過程的感受，這些問題能讓教師掌握學生課程前的基礎知識儲備情況、學習動態(tài)、關注點及問題所在等，對于課程的設計和教學方式的選擇都有一定的指導意義。

3 結(jié)束語

課程按照專業(yè)要求完成課程目標達成情況報告，作為工程實踐類課程的代表，選入信息安全自評報告，經(jīng)歷專家入?？己?，天津理工大學信息安全專業(yè)順利完成工程認證考核任務。課程下一步目標是利用知識圖譜實現(xiàn)碎片化教學資源的關聯(lián)，將碎片式的教育數(shù)據(jù)要素鏈接成為關聯(lián)網(wǎng)絡，向?qū)W生針對性地推薦學習素材或?qū)嶒灠咐?，以強化學生對薄弱知識點的掌握，讓因材施教有更為具體的發(fā)力點。