网络空间安全创新实践教育教学方法研究

潘丽敏 罗森林 王 越

(北京理工大学信息系统及安全对抗实验中心 北京 100081)

(panlimin@bit.edu.cn)

创新能力是提高质量的灵魂，创新能力成为国家竞争力的核心要素，是推动我国教育与科技、经济、文化紧密结合的战略行动[1-4].高等教育培养目标经历了通才培养，到专门人才培养，再到全面人才培养，再到目前的创新型人才培养过程.国际竞争的加剧、科学技术的发展、知识经济的挑战以及高等教育发展重心的转移，是培养创新型人才的关键原因.随着科学技术的飞速发展，谁掌握了先进知识技术谁就拥有了强大的国际竞争力.

“创造型人才，一般是指富于独创性，具有创造能力，能够提出、解决问题，开创事业新局面，对社会物质文明和精神文明建设作出创造性贡献的人.这种人才，一般是基础理论坚实、科学知识丰富、治学方法严谨，对未知领域勇于探索；同时，具有为真理献身的精神和良好的科学道德.他们是人类优秀文化遗产的继承者，是最新科学成果的创造者和传播者，是未来科学家的培育者.”基于以上描述，一般认为只要专门培养人的创造性、创新意识、创新精神、创新能力等素质，创新型人才的培养便可大功告成.事实上，创新型人才是与常规人才相对应的一种人才类型，其成功培养的基础是人的全面发展，其个性的自由发展是创新型人才成长与发展的前提.

高素质专业人才需要“物理、明事理、通人理”[5-7]，注重学生自顶至下系统性知识的掌握和综合技能的发挥，从而培养出具有强创新性和竞争性的高素质研究人才.同时，面向OBE(outcome based education)教学模式，更需要培养学生解决复杂工程问题的能力，因此要构建一种具有普适性的面向大学生个性发展和全面发展能力保障体系，全面探讨创新型人才培养的基础和前提(基石)，从系统层、顶层全面支撑和保障大学生创新能力的可持续增强，建立创新人才成长环境，使学生全面受益，服务国家科教兴国战略和人才强国战略.

本文基于物理事理人理方法论构建了一种创新实践教学方法，支撑和保障创新型人才的培养的可持续性以及OBE教学的需求.

1 物理事理人理方法认知基础

20世纪80年代钱学森和许国志特别强调了复杂系统工程中的“物理”和“事理”，顾基发等人[6]于20世纪90年代又增加了“人理”，并提出了一套“物理事理人理系统方法论”[5](简称WSR方法论)，该方法论在多个行业形成了广泛的应用，取得了很好的效果.

物理、事理和人理系统方法论的主要内容：1)在物理、事理和人理系统方法论中，“物理”指涉及物质运动的机理，它既包括狭义的物理，还包括化学、生物、地理、天文等等. 通常要用自然科学知识主要回答“物”是什么，如描述自由落体的万有引力定律、遗传密码由DNA中的双螺旋体携带、核电站的原理是将核反应产生巨大能量转化为电能.物理需要的是真实性，研究客观实在.大学理学院和工学院传授的知识主要用于解决各种“物理”方面的问题.2)“事理”指做事的道理，主要解决如何去安排所有的设备、材料、人员. 通常用到运筹学与管理科学方面的知识来回答“怎样去做”.典型的例子是美国阿波罗计划、核电站的建设和供应链的设计与管理等.大学工学院中的系统工程、工业工程、管理学院的管理科学及工程与理科中运筹学和控制理论等都是传授用于回答“事理”方面问题基本知识的，目前已有一些有关事理学的专门研究.针对运筹学今后的发展,有一种看法就是从运筹学到事理学.3)“人理”指做人的道理，通常要用人文与社会科学的知识去回答“应当怎样做”和“最好怎么做”的问题. 实际生活中处理任何“事”和“物”都离不开人去做，而判断这些事和物是否应用得当，也由人来完成，所以系统实践必须充分考虑人的因素.人理的作用可以反映在世界观、文化、信仰、宗教和情感等方面，特别表现在人们处理一些“事”和“物”中的利益观和价值观上.在处理认识世界方面可表现为如何更好地去认识事物、学习知识，如何去激励人的创造力，唤起人的热情，开发人的智慧.“人理”也表现在对物理与事理的影响，大学的人文学院和管理学院有分析人理方面问题的基本知识的课程教育.

WSR 方法论的主要原则： 综合原则(要综合各种知识，听取各种意见，取其所长,互相弥补，这首先期望各方面相关人员的积极参与)、参与原则(全员参与,或不同的人员(或小组) 之间通过参与而建立良好的沟通，改正不切实际的想法，不能闭门造车)、可操作原则(不仅考虑表面上的可操作,如友好的人机界面，更要注意整个实践活动的可操作性，如文化与世界观对这些目标策略能否可操作的影响)、迭代原则(人们的认识过程是交互、循环、学习的过程，从目标到策略到方案到结果的付诸实施体现了实践者的认识与决策、主观的评价、对冲突的妥协等，在每一个迭代阶段，对物理、事理、人理3个方面的侧重亦会有所不同，对于极其复杂的没有经验的情况，需要“摸石头过河”，付出一些代价是难免的,不可能洞察一切，但实践人员应尽可能地做到事前想周全).

WSR 方法论中常用的方法：1)有关处理物理的方法主要用自然科学中各种科学方法.2)事理主要使用各种运筹学、系统工程、管理科学、控制论和一些数学方法.特别是近年来软计算方法(进化计算、模糊计算和网络计算等) ，各种模型和仿真技术等，还有一些定性方法以及定性和定量结合的方法，如特尔斐法、层次分析法都是经常采用的.3)人理可以细分为关系(人之间都有相互关系，需要去深入了解并将它们适当表示出来)、感情(人之间是有感情的，需要用各种方法去直接或间接地找出来)、习惯(人们在待人、处世、办事和做决策时都有一定习惯，人们可以从一个人过去的习惯去判断这个人会怎样做事，也可以改造—些不好的习惯和建立一些好的习惯使今后办事更合理、更聪明)、知识、利益(各种不同人都有自己不同的利益，要考虑如何去协调和争取利益)、斗争、和解、和谐、管理(在协调管物、管事和人的管理中，同样要考虑人的资源)等.几个对人理重要有用的工具包括: 斡件(经特殊设计，综合利用人、规章制度和技术诸因素，能使技术和外部系统产生和谐的相互作用的一组组织安排)、和件(利用“和则”来处理人之间关系，提出“谐则”来处理物之间的关系，而协调这2个的相当于事理)、习件(人之决策行为受囿于固有习惯，想法一经稳定,对人、事、问题、信息的反应,包括认识、理解、判断、做法等,就具有一种习惯性,即具有比较固定之模式，习惯性的看法、做法和行为就是习惯领域的表现)、谈件、心件(建设和管理好一个国家、一个单位，除了应用硬件、软件外还要注意心件,都把人心收拢起来，唯有深化国人对这里的情感,才能留住他们的心)、知件、群件、社件、议件、斗件(人们需要互相了解、互相帮助、加强彼此感情,当产生一些矛盾时尽量协商解决,但是无法谈判协商有时也就只有相互竞争以至斗争，在斗争过程中可以采用各种博奕论、冲奕理论等)、人件(“人本”管理思想,正确指出知识型企业的核心是人,而不是技术,对大中型组织中的团队如何运作等).

目前教育中，特别强调(甚至只强调)“懂物理”，会做硬件板卡、会编程序、会仿真发表论文，则认为培养的学生为好学生.这样培养的学生毕业后，很多人不懂得如何与人相处，不懂如何处理领导交给的事，缺乏与同事、领导进行交流和沟通的意识和方法，因此需要很长时间去适应、去学习“事理”和“人理”.如果在学生培养过程中，强调“懂物理”的同时，加强“明事理”、“通人理”的教育，其培养出的人才将有更高的素养，有可能创造出更大的价值，而且，在教育中加强“事理”、“人理”的教育是完全可能和可行的.

综合了中国古代早有的系统思想，人们发现东西方文化的差异确实在影响他们的行事、处世的不同方式，再考虑到东方近年来已经出现了具有自己特色的东方系统方法论，系统方法论已显示出其强大的生命力和解决复杂系统问题的能力.而目前各高校也都大力开展复杂型人才、拔尖人才、领军人才的培养，创新人才培养模式，探讨各种有效的培养方法.本文希望通过引入“物理事理人理系统方法论”，尝试在研究生培养中除要求“懂物理”外，还要增强其“明事理”和“通人理”素质的培养，真正能体现创新型科技高素质人才培养的需求.

2 创新实践教学方法内容框架

2.1 目标框架

学生素质和能力的有效培养本身就是一项复杂的系统工程，复杂系统问题就需要通过系统科学和系统方法论进行分析与解决，学生工作后的基本素质对其今后的工作将会产生极为重要的影响.基于复杂系统自顶至下的方法，抓住创新实践教育过程中的薄弱环节“反其道而行之”找到解决方案.同时，针对学生在新形势下的新生态特征，在有限时间内采用多层次、多剖面动态组合的对抗措施实现学生创新能力的直接和间接提升.如图1所示为突出创新能力培养，体现全面发展的面向新工科和OBE的“54321”创新实践教育保障框架[8].

图1 面向新工科和OBE的54321创新实践教育保障框架

框架内涵说明：逐步形成让学生避免“只见树木不见森林”的深层次发展的思想、方法，实现54321大学生全面发展能力的创新实践教学目标，即充分体现实验教学的厚基础、跨学科、强能力、重人文、大视野5种基本属性；建设专业能力、创新能力、协作能力、领导能力4种基本能力；依靠实验内容、实验管理和教师3种基本要素；建设内容体系与管理体系2个基本体系；最终形成1个战略指导思想下充分体现“物理事理人理”的大学生全面发展能力保障体系，成为人才培养、专业建设、学科发展的重要支撑.在全面发展和个性发展的基础和前提下，突出其创新能力的持续提升，确保教育质量.

2.2 实施内容

2.2.1构建课内课外2层次4类实验室

依托学科专业优势，以学生为主体建立更为完善的资源整合方案和制度，更为完整的课外活动策略，更为优越的资源共享机制和开放实验教学环境.构建学科基础实验室、自主创新实验室、教研协同实验室、校企合作实验室4类实验室，支撑在创新实践教学内容方面的分层次(课内外)、分类别(学科基础、自主创新、教科协同、校企合作)、分模块(优势课群)的综合部署.图2所示为分层次、分类别的创新实践教育实验室配置模式.

图2 分层次、分类别的实验室配置模式

具体地，在实践活动的设计和实施方面充分体现出多类别(软件类、硬件类；攻击技术类、防御技术类、检测技术类；课程实验类、实验选修类、开放实验类、创新项目类)、多层次(教育创新项目、北京市创新项目、校创新项目、实验室创新项目；中型工程、小型工程、子模块)、多模式(个体挑战、小组协同、分组对抗)的综合运筹.

2.2.2建设多元密集型创新实践方案

我们基于优势学科专业平台(针对每一个平台并于课外层次进行学科交叉知识模块设计)，统一构建融学科专业知识为一体综合部署的多元密集型创新实践方案.构建了创新实践知识和技术密集型、实践资源密集型、实践活动和成果密集型三位一体模式：1)实践知识和技术密集，高度凝聚了先进的现代化科学技术成果和技术，且科学技术知识水平要求较高.将新的科研成果转化为实践内容，本科生进入课题组实践，实践内容除基础部分外，紧密跟踪技术发展和应用情况，不断融入新内容，每学期均要进行更新(如现在融入了云计算、物联网技术)等.2)实践资源密集，为学生提供了具有较高要求的可利用资源.利用特色专业经费，重新设计了具有可扩展、高可靠，能够模拟复杂网络环境的高水平实践平台，可以说该实践平台在国内为首先提出并处于领先水平.3)实践活动和成果密集，为学生提供了系统、丰富的实践活动类型，多种形式的实践成果等.活动形式如前所述的多元化，产生的成果也是不拘一格、多元化的，包括文章、原型、产品、自身能力提升等.

图3所示为多元密集型创新实践方法[9]，该方法较好地强调了大学生的个性化发展，同时加强物理事理人事等方面的素质教育，体现其全面发展的需求.

目标输出(效果)具体实施方案是重点，也就是构建如前所述的多元化、密集型实践活动，由专业、学科、学校主动构建其培养体系，主动积极引导，每位学生如果愿意都可以在本科阶段寻到自己提升创新能力和素质的坐标点范围.如图4所示，横坐标代表大学本科阶段的8个学期，纵坐标代表由学校、学科或专业提供的多元化、密集型实践活动，构成不同类别和级别，二者将构成一个网状结构，每一个学生都可以根据自身的具体情况(包括兴趣和爱好、专业方向等)选择出适合自己的实践活动，即找到自己的坐标(曲线)，无论选定的范围有多大，持续时间有多长，学生的能力和素质均将得到有效的提升.

具体地，基于学科专业优势特点，从实验大纲、实验内容、实验教材、学时分配、考核方法等教学环节进行改革创新，因需施教、因材施教、因人施教.推进“案例式”教学、“小项目”教学模式.建立实验课程组制度，并由经验丰富的教授担任负责人.改革考核方法，综合考虑项目报告撰写评分、学生互相评分、现场答辩评分等多项目考评模式.

图3 密集型创新能力培养体系主要涉及内容

图4 可以有效提升学生自身创新能力和素质的实践活动坐标点范围

2.2.3构建教科协同发展闭环促进模式

通过科研团队氛围的长期熏陶，强化学生创新意识和主动性的思想；将主要研究方向与国际先进研究内容结合，建立了比较完备的、高水平的课程，为研究生进行创新性研究准备扎实的知识基础，并促进教师队伍水平的提高；在课程教学中采用启发式方法，不断强化提出问题、理清问题头绪的创新思考能力，培养学生分析问题、解决问题的创新能力；结合国家重大科研项目，对创新性研究成果进行系统、周密的检验，培养学生严谨、科学的学风，以及系统性、全局性的思考习惯；通过团队协作，培养学生的学术交流、知识交融、分工协作能力，并使学生具有在团队中逐渐成长的经历，有利于提高学生的胸怀、志向和眼光；结合国家重大科研项目的研究流程对学生进行培养，使学生在学期间就了解国家重大项目的执行过程，为将来独立承担研究项目奠定基础等.

图5 教学与科研协同发展关系图

如图5所示为科研与教学协同发展关系图，是一个闭环促进系统，通过优秀人才培养和学生创新成果达到教学与科研的有机融合，可以较好达到将科研成果转化为教学内容和实验内容、将科研方法融入实验教学活动的教学科研协同发展的方法和效果.

具体地：1)利用学科基础实验室，构建基于学科研究优势的、统一筹划的专业教师队伍并进行专业化培养，把科研成果转化为实验教学内容，将科研方法融入实验教学活动.通过授课向学生传授科研理念、科研文化、科研价值，使学生了解科技最新发展和学术前沿动态.同时充分实现教学、科研仪器设备等资源共享.2)利用自主创新实验室，加强学生自主创新能力，通过学生和中心自拟课题、科研团队提供课题、企业提供研究课题等，形成发展学生创新项目，同时由优势学科专业团队成员组成导师队伍，全面指导大学生的自主创新活动.3)利用教科协同实验室，建立学生参与科研的通道，感受科研文化，体验科研价值，为科研团队建立人才储备池.

2.2.4构建校企合作联合人才培养模式

探索多种模式，与更多优秀企事业单位建立联合人才培养基地和联合实验室，为更多学生提供了解社会与参与社会的实践机会.同时为企事业单位建立“优秀人才池”.图6所示为校企合作共建关系图，结合我国目前的实际情况，采取“合作共建、双方共赢”模式.

图6 校企合作共建关系图

具体地，以国家“专业认证”、“卓越工程师计划”为契机，与企事业单位建立工程实践教育中心、建立联合实验室、建立联合人才培养基地、建立实习实训基地等多种形式，系统、全面增养学生的工程实践能力、社会适应能力、团结协作能力等.建立高校、企业联合培养人才的新机制，进一步发挥企业在工程人才培养中的作用，加强和规范国家级工程实践教育中心的建设、运行和管理，提升学生的工程素养，培养学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力，培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展、服务国家需要的高质量各类型工程技术人才.

3 创新实践教学方法应用效果

创新实践教学方法的试点应用单位是北京理工大学信息系统及安全对抗实验中心，学生主体以信息对抗技术专业为主，同时面向全校其他理工科学生，技术竞赛面向全国大学生.实验中心已初步构建了54321创新实践教学保障平台，包括管理体系、内容体系、运行机制的建设.

应用效果分析时段为2014年至2016年，主要试点应用内容包括：专业课程类应用、创新创业类项目、技术竞赛类.应用效果分析主要是基于管理体系、内容体系及运行机制，重点分析4种基本能力的培养及5种基本属性的体现.

3.1 专业课程类应用效果

就信息安全与对抗技术类专业必修课程(信息系统安全与对抗技术、软件工程理论与技术)，提出一种“基于小项目的信息安全与对抗技术研究型教学方法”，给出了研究型教学中的关键问题分析、建设目标、建设内容以及具体实施方案，取得了良好的效果，全面支撑和保障了大学生创新能力的可持续增强，使学生全面受益.

具体效果简述如下：1)形成了丰富的小项目实践资源.课题指导小组有学生自拟题目达到60多个，包含了目前信息安全与对抗技术的主要知识点，同时部分题目体现目前的先进技术，如某些0-day漏洞利用技术、Win8的安全性分析等.2)学生的实践兴趣度明显增强.大部分课程的实验难度偏弱、工作量小、系统性不强，对学生的实践能力提升效果一般.研究型课题在设计与实现上难度明显上升，要综合利用所学知识，同时要进行系统层的设计，需要大量的时间.尽管如此，学生普遍认为效果较好，收获较传统课程实践有明显提高.3)学生的人文素养有较大提升.小项目要求2人合作，甚至是多人合作.同时评审过程中要求给同学打分，打分的合理性、公正性均要认真考虑，合作中需要团结，需要合理分工等.这些都有利于学生人文素养的提升.4)科研与教学协同发展.部分课题来源于科研项目，部分项目成果又促进了科研工作的进度等.

3.2 创新创业类应用效果

面向一、二年级学生，重在参与，主动引导和吸引学生，提升学生的兴趣，要求尽可能多的同学参与.每学期均要进行创新实践教育宣传，提出几十个题目供学生自由选择，学生也可自己提出，由导师给出建议.年均组织、指导校级创新项目30项.按每组5人计算，年均培养人数35×5=175人次.已取得了较好的效果，例如：2011年大一学生何兴平同学参与基地的大学生创新项目，2012年的评审中获校10佳项目，同时参加全国大学生电子设计竞赛信息安全技术专题邀请赛,获得一等奖.

面向三、四年级学生，重在精英式培养，除参加科研课题外，年均组织国家级和北京市级大学生创新项目4～5个.例如：2010年“手势控制交互式教学演示系统”，获第4届全国大学生创新年会“我最喜爱的10件作品”称号(全国仅评选出10个项目)，近5年获“校10佳”创新项目8项.

在科教协同创新实践教育方面，落实专业主干课教学内容由科研成果转化，新案例、新方法引入比达到90%，学生实践内容80%以上来源于专业的科研成果和活动，三、四年级学生能进入课题组参与科研，感受科研文化和价值的比例达到15%.采用虚拟实验室、观摩实验、动手实践等方式，科研设备向本科生开放数量达50%.

在校企合作创新实践教育方面，落实联合人才培养基地、工程实践教育中心合作协议，落实企事业单位人才池方案，新增与国内知名企事业单位建立联合人才培养基地、实习实训基地等10家(其中国家级工程实践教育中心4家).专业学生进入合作企事业单位进行实训、实习的比例达到100%.

3.3 技术竞赛类应用效果

全国大学生信息安全与对抗技术竞赛已连续成功举办14届，重点考察信息网络攻防的知识与技能，旨在“提升信息安全意识，普及信息安全知识，实践信息安全技术，发现信息安全人才，共创新信息安全环境”，同时探索信息对抗技术及其相关专业工程教育的新途径.近3年年均参加人数4 500多人，参加院校数500所以上.形成了丰富的创新实践教育资源，同时，将竞赛推广到中小学生中，年均培养300人左右，建立了广西、河南等多个分赛区，进一步提升了学科专业的国内外影响和竞争力，产生了广泛的影响.

通过在校内建立网络安全俱乐部，竞赛从出题到组织实施主要由学生自主完成，已形成了良性循环.年均核心俱乐部成员20人，自主建立并积累了大量创新实践培训资源.从中充分培养了学生的4种基本能力.

形成良性的技术竞赛培训基地，支持的系列竞赛包括：全国大学生信息安全与对抗技术竞赛(个人挑战赛、分组对抗赛)，全国研究生信息安全与对抗技术竞赛，全国大学生挑战怀、校世纪杯竞赛等.校内年均培训人数超过200人.

信息安全要从娃娃抓起，通过技术竞赛全面提升了中小学生的信息安全意识和常识.建立北京市中小学生翱翔计划学员培养基地，参加中小学生翱翔计划的立项、中期、结题评审会，年均培养学员1名.在中学生中开设高级实验类课程“信息安全与对抗技术”，组织中学生信息安全冬令营和夏令营等.

4 总 结

依据突出大学生创新实践教育能力培养以及全面提升培养质量的需求，本文提出了一种内涵明确的“54321”创新实践教学保障体系建设的理念和框架.框架明确定义了培养人才需要具有的5种基本属性、培养人才需要的4种基本能力、人才培养需要建设的3项基本要素、2个基本体系、1个能力保障体系，成为人才培养、专业建设、学科发展的重要支撑.实践结果表明，保障体系设计的系统性、全面性和先进性，对于全面提升学生的创新能力培养确有实效，有利于提升高等教育质量，该体系具有很强的推广应用价值.

下一步研究的重点是从学院、学校更高层面入手，拓展应用教改成果，更大范围整合创新实践教育教学资源，以更好地服务于学校发展和人才培养；持续加强基于教改成果形成的示范辐射效果，不断丰富创新实践教育教学成果.同时，总结方法应用过程和结果中存在的问题，根据发现的问题，改进创新实践教学方法，形成周期性的闭环促进模式.

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