MOOC参与的安全实验课程教学改进研究

孙伟峰　邢元勋　覃振权

摘要：与计算机安全相关的课程有多门，多数要配备实验课程。文章以计算机病毒与入侵检测实验课程为例，针对实验课程形式单一、内容重复的状况，分析当代大学生动手实验能力不足、课程学习效果较差的原因，对计算机病毒入侵与检测实验课程教学的改进进行思考，最后提出一种因材施教、MOOC参与、理论指导为辅的实验课程教学改进模式。

关键词：MOOC；网络安全实验课程；因材施教；辅助理论指导；教学改进

1.背景

网络空间安全专业是国家一级学科专业，对信息安全人才的培养起到举足轻重的作用。网络安全的专业课包含多门，如大连理工大学软件学院的安全专业课程包括信息论、密码理论与技术、网络协议栈分析与设计、计算机病毒和入侵检测、无线网络安全技术等。其中，计算机病毒与入侵检测课程是一门以实验课为主、理论课为辅的网络安全课程。笔者曾在论文《无线网络技术教学形式及内容“超市化”研究》中提出，在无线网络技术内容和形式改革、上课和实验结合、课内和课外互动结合、培养学生研究能力等方面进行探索和实践，阐述理论课和实验课的内容“超市化”、方案“草根化”、理论和实践联系“一体化”、科研及实验场地“自由化”的教学思路和方法。随着教学硬件设备的更新换代，实验课的设置越来越灵活，病毒的种类越来越多，攻防措施也越来越先进。从最早的计算机病毒Morris，到现在成千上万种病毒充斥互联网，研究各种计算机病毒的扩散机制和感染原理十分必要。在教学手法上，采用实验操作搭配理论指导的方式可以显著提升教学效率和效果，并在实验室VMware虚拟机上配备实验平台供学生实验使用。

考虑到计算机病毒与入侵课程的设置人数并不多，近3年来平均选课人数在60名左右，网络安全专业方向的本科生教学应更着重动手实验，因此采用因材施教的教学模式更适应教学要求；通过与每位学生沟通，了解学生掌握相关知识的程度和实际动手能力的强弱，根据每位学生的特征量身定做属于该学生的教学方式。例如，让学生选择喜欢研究的领域，通过互联网查阅相关知识并确定实验内容，培养其动手能力和理论结合实践的能力，让学生完成学校的学习之后能够在实际工作和科研工作中快速上手。这种因材施教的方式可以提升学生的成就感，激发学生的学习兴趣，增强实际动手能力并提升学生的科研创新能力。不同学生对不同方向的选择，需要MOOC参与。MOOC是massive（大规模的）、open（开放的）、online（在线的）、course（课程）4个单词的缩写，指大规模网络开放课程。

2.现有的实验课教学方式

以大连理工大学软件学院的本科生课程为例，包含实验课的课程有计算机系统组装与设置、模拟与数字电路、计算机与IT入门、计算机组织与结构、网络综合实验、计算机病毒入侵与检测等。以往这些实验课的讲授方式几近相同，长此以往，学生对实验课产生抵触隋绪。

2.1指定实验和步骤的教学方式

指定实验和步骤的实验课授课方式以理论讲授为主，动手实验为辅。教师在实验课开始之前，以PPT的形式讲述即将进行的指定实验及步骤。该实验课教学方式常见于实验内容单一的实验课程。这种教学方式下，学生将按照授课教师的规定步骤一步一步地实验，实验结果千篇一律、大同小异。在询问学生此类实验课的收获时，得到的答案普遍是：“按部就班地照做就好”，在实验的过程中没有思考应该怎样做和为什么这样做，八成以上的学生表示没有从实验课中学到知识。这种指定实验、指定步骤的实验课教学模式下，授课教师为了授课方便，没有考虑到学生的多元化特征，忽略了培养学生的自主创新能力和科研动手能力。而最根本的问题在于给定题目之后的步骤讲解，完全剥夺了学生思考问题和解决问题的权利，禁锢了学生的思维，失去了设置实验课的意义。这样的教学模式是不可取的。

2.2开放式教学方式

开放式实验课授课方式是指教师不布置实验内容，任由学生自主选择题目进行实验的授课方式。这种授课方式常见于实验内容范围广泛的实验课程。在该教学方式下，学生在没有理论指导的情况下完全随个人爱好选择实验内容，导致实验期间人手困难、因理论知识匮乏遇到难点无法继续实验、得不到预期效果等情况。实验课结束后询问学生实验课收获时，学生反映开放式教学方式下的实验课虽然可以按照个人兴趣选择实验题目，着重培养自主创新意识和自我解决问题的能力，但是理论知识的匮乏和正确指引的缺乏使许多实验过程中的问题无法解决，导致许多学生在实验进行的过程中逐渐丧失信心和兴趣。该教学模式下，表面上学生开放了思维，实质上大部分学生不能正确估量实验难度，难以真正完成实验内容，久而久之导致学生自信心受到打击，这与本科生教学理念背道而驰。

3.理论指导为辅的因材施教教学方式

3.1教学理念

实验课的教学区别于理论课，它要求授课教师引导学生完成实验操作而不是一味地讲授理论知识和实验步骤，也不是一味地放权让学生独立完成实验的选题和操作过程。所谓引导，是指在了解学生的不同条件和不同兴趣爱好的基础上，根据学生的意愿，给出合理的建议和指导，并在实验过程中设置基础实验和创新实验两部分供学生完成，真正做到因材施教。

3.2基础实验课程

计算机病毒入侵与检测课程基础实验课部分，针对学生们的兴趣和教学相关要求，从实验平台的40余项实验中选取几个有代表性的实验，比如编写恶意html文件，通过编写死循环语句，导致打开网页时页面进行无限次的黑白闪动；通过编写简单的html语句，导致打开指定网页时会不断弹出空白网页。选择这种实验，可以直观地让学生感受到计算机病毒给计算机带来的影响。通过学生动手实践，让其对计算机病毒入侵与检测这门课程有更加深入的理解并逐渐产生兴趣，这也正是实验基础课程的核心目标。再比如Word宏病毒实验，虽然这是一种很古老的病毒，但是它的意义不容小觑。宏病毒是使用宏语言（VBA）编写的恶意程序，存在于文字处理文档、电子数据表格、数据库等数据文件中。在Word宏病毒实验中，学生根据实验要求，将被感染宏病毒的Word文档扩散到一个空白的Word文档中，并使用Visual Basic编辑器查看宏病毒代码，理解宏病毒的感染和扩散过程。在基础实验课程教学中，教师介绍实验基本原理，提醒注意事项，比如在html网页病毒实验中，教师要提醒学生编写html语言程序要注意该语言的语法。教师还应在实验前提出几点问题，例如在宏病毒实验中提出以下几点问题：

（1）什么是宏病毒？为什么它被称作宏病毒？

（2）宏病毒的传播原理是怎样的？

（3）能不能参考本次实验自己制作一个简单的宏病毒？

其中，第3点要根据学生的个体情况有选择地完成。另外，教师应及时深入学生内部观察每一位学生的实验情况，观察学生实验进程快慢，对吃力的学生加以指引。基础实验课程的实验设置对大多数学生来讲是相同的，因此采取学生内部交流与帮助的方式是可行的。根据本课程实际情况，学生更容易采用内部交流的方式解决困难，原因在于学生与学生之间的交流无障碍，且学生更容易将困难讲述给关系较好的同学。这样的好处是使每一位参与实验课的学生都能够真正动手操作，理解实验意图和目标，并最终通过自己的努力完成每一个实验。

基础实验课程设置的优势总体来讲体现为以下3点：

（1）学生掌握了实验课应具备的基本操作技能和动脑思考能力。

（2）配合教师的理论指引，减少学生完成基础实验过程中的障碍。

（3）树立学生的自信心，使之对实验课程产生浓厚的兴趣。

3.3创新实验课程

创新实验课程是指根据学生的个人兴趣爱好以及自身学习能力而设置的一系列难度较高的实验。这些实验的设置是根据平时调查学生的兴趣点，对实验难度加以评判后，在实验室之外由学生自主选择完成，最终的实验过程和实验结果要整理成一篇实验报告作为计算机病毒入侵与检测课程的期末成绩。为了防止学生应付，要求每位学生做视频演示，并详细说明做了什么内容。视频要上传到实验视频平台，这会敦促学生真正参与实验，并努力做到最好。而这些视频，又可以作为MOOC的视频材料，供其他学生参考。在从确定实验到完成实验的过程中，教师可以清晰地发现不同学生在面对困难时的不同表现。有些学生在面对困难时摸不到头脑，不知从何处下手，陷入迷茫和止步不前的状态中。这时候教师要对这类学生加以引导，与他们交流，分析问题所在，指引他们寻找问题的答案，如可以聆听学生的困难之处，针对困难提供给学生几点参考意见，比如去某些网站或者教材查找相关知识，并教导学生在面对困难的时候要坚定自己的信念和自我认同。比如虫洞wormhole实验，实验的过程比较繁琐，而且需要额外的硬件支持。许多学生在没理解病毒原理的情况下急于动手，导致在实验进行一半的时候迷失了目标，这时候可以建议学生暂时先放下手头实验，先去了解wormhole病毒的基本原理，再查阅wormhole相关的实验例子，参考别人是怎样完成实验的，并结合自己的需求将实验进行下去。对于如何参考别人的实验，除了同学间的参考，还需要建立基于MOOC的实验视频平台，包含互联网上的视频、以前学生在实验时录制的视频、教师讲解和操作视频等，给学生更多的选择。

创新实验课程的设计符合实验课教学的创新教育理念，其优势体现为以下3点：

（1）结合不同学生的不同情况设置难易程度不同的实验，做到了因材施教。

（2）创新实验具有一定难度，完成实验的过程中提升了学生应对困难、解决难题的能力。

（3）MOOC可以减少教师的指导过程，但在学生遇到困难时，教师与学生单独交流更能针对问题给出有价值的建议与指导，让学生真正在实验中掌握知识。

4.实际效果

大学教育已经不是传统意义的传道授业，当今大学教育模式应该做到寓教于乐、因材施教，而实验课改革便是深人贯彻当今教育模式的体现。通过结果反馈，计算机病毒与入侵实验课让学生摆脱了理论学习的枯燥乏味，在实验动手当中感受理论知识的应用，做到了寓教于乐。实验课中每个学生都可以针对实验中的难点向教师提问或者寻求同学的帮助，并可自主选择不同难度的实验，做到了因材施教。

在完成实验后，学生按照要求认真完成实验报告册。实验报告册添加了“本次实验收获与感想”这一栏，目的是通过与学生书面上的交流，得到实验课的教学反馈。在评阅实验报告册的过程中，我们收到了来自学生的许多宝贵意见，比如wormhole病毒实验难度偏大、按要求执行的过程中会出现bug导致不能达到预期效果、部分实验内容过于老旧等。对于这些建议，我们虚心接受，并会在接下来的教学中改善实验内容，定时更新病毒实验。我们也收到了来自学生的良好评价，比如html病毒实验让学生真正感受到了计算机病毒的存在，有的学生反馈这是他第一次创造的病毒，很有成就感。还有一部分学生在之前的实验过程中遇到了困难，最后在教师和同学的帮助下克服困难，得到实验结果，这种把大困难分解成许多小困难并逐个击破的方法使他信心大作，在一波三折的实验过程中体会到了成功的不易。

在结课后提交的大作业中，有三成学生的最终实验报告内容丰富、想法新颖，能够在基本要求的基础上拓宽思路、大胆创新，出色完成了该门课程的学习任务，其中优秀的实验报告如图1所示。六成左右的学生能较好地完成实验内容，实现了基本操作，达到实验的基本目标。也有近一成的学生没能按要求完成实验，但是他们在实验过程中的付出有目共睹，在处理这类学生的成绩时，不能一味死板地较真实验结果，而应从学生的角度出发，判断其有没有全心投入。对于态度端正、努力付出的学生，即使没能得到最终的实验结果，也不应给予不及格成绩。

总体来讲，理论指导为辅的因材施教实验课教学模式在计算机病毒入侵与检测课程的应用中取得了较好的效果，结合实验平台网站的视频教学与教学资源共享方式，获得了学生的一致好评。实验平台网站的界面如图2所示。下一步的工作是在此教学方式的基础上提升教学质量，保证所有学生都能正确完成实验课程内容。