网络安全专业课程贯通的联合教学方案研究

2019-02-26孙伟峰贾茗涵覃振权

计算机教育 2019年12期

孙伟峰，贾茗涵，覃振权

（大连理工大学软件学院，辽宁大连 116600）

0 引言

翻转课堂是指重新调整课堂内外的时间，将学习的决定权从教师转移给学生的一种教学模式。“互联网+”是融合MOOC、SPOC、网络视频、在线资源等内容，使师生可以通过多种途径获得知识的一种理念。“互联网+”的应用，也是翻转课堂得以实施、打造“金课”的技术手段。翻转课堂的教学模式要求学生在课前完成自主学习，学生可以通过看视频讲座、听播客、查询网络等方式进行自学；在课上由教师来引导学生，让学生在实践过程中加深对所学知识的了解，使得学生能够将课下所学的知识内化。翻转课堂模式是一种混合式的主动的学习，可以让学生的参与度更强，达到杜绝“水课”、打造“金课”的目的。翻转课堂的目标之一是让学生在课堂上学到在课堂外学不到的东西。通过“课下知识传授、课上知识内化”的方式实现了对传统课堂教学的革新。

2017—2018 年，笔者在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校UIUC 进行为期一年的访问，访问期间听了6 门课程，有一些课程也采用翻转课堂的教学方法，发现采用了翻转课堂的课程更加生动、互动性更好，学生对知识的掌握度更高。另外，翻转教学促使学生主动学习的方法在美国非常常见。在美国，笔者参加教学讨论会，发现这种翻转课堂通过MOOC 等平台激发学生积极性，激励学生参与研究和讨论的模式也是教育教学研究所关注的一大方向。

1 现状

互联网的发展，使得很少有知识是在课堂外找不到的。那课堂的作用是什么就值得教育工作者来思考[1-3]。如果教师只是照本宣科，讲课件、读内容，那从网络上找到的资源会更好、更多。学生可以坐在宿舍或者家里就能听到全国甚至是全世界的名师授课。那线下课堂存在的意义是什么？价值又在哪里呢？所以要发挥课堂的作用，需要学生讨论、学生参与，并通过学生了解学生的状态，激发学生的学习积极性[4-5]。这种方式，在国内外多所学校都有采用，也有一些方法可以借鉴[6]。如“提出问题要大家讨论”“进行特定专题的辩论”“为了让学生通过实践获得更真实的学习，让学生的参与度更强”[7-8]“让学生参与教学”等。

当前的教育模式，学生与教师都面临着重重困难[9-10]，常规教学很难满足各方的需求。近年来，利用互联网新一代信息技术，进一步推动知识社会以用户创新、开放创新、大众创新、协同创新为特点的创新，正在逐渐改变人们的生产、工作和生活方式。“互联网+”的背景下，翻转课堂教学应运而生[11]，翻转课堂教学对于学生学习是否具有助力、如何助力，以及其推行的可行性仍然需要研究讨论[12-13]。甚至从推广来看，对于其他领域的学术知识的学习与传播的可行性也值得研究[14]。

比尔盖茨曾经在一次与乔布斯的对话中描述过他对未来学校的设想，学生自己观看讲座和视频课程，而课堂时间用来讨论和解决问题，随之出现了翻转课堂[15-16]。翻转课堂是以搭建的课堂网站为主要载体，针对某个学科的知识点而设计开发的一种情景化、支持多种学习方式的在线视频课程资源。同时，也会建立互联网平台共享资源，解决了无法统一各地教学水平的问题，不同地区的学生可以共同学习，消除了地区教学资源的差异，实现优质资源共享；另一方面，教学更加具有针对性[17-18]。笔者结合“互联网+”和翻转课堂思想，将网络工程系高年级专业课程打通，使得多个课程结合成一个统一的目标，帮助学生在本科生阶段能有一项或几项擅长的知识点和技能，更加注重学生能力的培养，特别是注重培养解决问题能力和动手能力。

2 翻转课堂和多课程贯通的教学模式

2.1 翻转课堂

网络工程专业分为网络安全和物联网两个方向。对于大三和大四的本科生，基础课程已经学完，在专业选修课中，大三阶段的课程相对比较少，个人空闲的时间比较多。学生反映课程学了一堆，但并没有自己真正掌握的技能。学生考试之前对知识点背得滚瓜烂熟，在结课并通过考试以后，所有背过的知识都忘了，学生并没有真正地理解并使用过所学习的知识，自然忘得也快。学生在写简历或准备研究生面试时，竟然找不到自己的方向是什么、最擅长的专业课是什么。学生只能照本宣科，不能将知识内化，既浪费了教学资源，也浪费了时间。

在课程调查问卷中，学生提出了“提出问题要大家讨论”“进行特定专题的辩论”“为了让学生通过实践获得更真实的学习，让学生的参与度更强”“让学生参与教学”等建议。图1 为一位学生对云计算与Hadoop 课程的调查反馈。对于高年级的专业课来说，学生普遍反映只是看完课程的PPT，交个大作业、拿到学分，并没有得到相应的收获。值得思考的是：如何让学生在有限的时间内，能得到一些对以后有用的知识，而不仅仅是学到PPT 的理论知识。

图1 学生调查问卷示例

为此研究以学生参与为主的专业课程教学方法和激励方法，提升师生的信息素养和教学交往的深度互动。为从实际出发，翻转课堂先从软件学院网络工程系网络安全专业的学生进行初期实施和改革实践。

2.2 多课程联动

网络安全专业的专业课有信息论、无线网络安全、网络安全编程、信息安全、密码技术及应用、计算机病毒和入侵检测等，这些课程由网络工程系的几位教师承担。通过任课教师的交流、集体备课，希望能找到几门课的共同目标，在多个课程中激发学生的兴趣、改善教学效果、引领学生自主学习。

有了目标后，还可以通过网络，跟进学生的个人进展。以网络攻防技术实践和网络安全编程技术课程为例，学生可以通过两门课中不同的侧重点，进行设计、编程实践以及实际应用，做一套从设计、开发到实现的完成流程。教师激励学生展示自己，吸引其他学生组队。在实际实施中，这种方式提高了学生的兴趣度，开课2 周已有8 位同学向大家介绍了Windows 密码破解、SQL 注入攻击、基于彩虹表的密码破解、RSA加密算法介绍及实现、摘要算法实现、XSS 攻击实现及演示等。

例如，目前已经采用的几个发展主线包括IP地址不足问题解决、P2P 软件封禁及解封攻防、存储的关系数据库、NoSQL、Hadoop 技术发展，超级计算机、网格、云计算、边缘计算这种合—分—合的发展，网络传输的主机为中心、网络为中心、SDN 的发展，让学生了解这些技术是不断发展的，从而会有直观的印象。

在翻转课堂开课时教师需要学生在本科课程可能涉及的内容中找感兴趣的内容自主学习，并向大家展示和介绍。对云计算和Hadoop、网络攻防实践、网络安全编程课程来说，学生主观上也希望能学到、了解前沿知识，能够具体应用相关技术。前期的选题情况显示学生兴趣广泛，所以在扩展整个班级知识面的同时，也要学生之间加深信息透明，为课后的“P2P”模式的交流提供支持。同时，这种方案也适合学生之间进行效率最大化的组队，用合作的方式来共同完成较大的项目。

整合基础课计算机网络、操作系统、网络综合实验及专业课云计算和Hadoop、网络攻防实践、网络安全编程、计算机病毒和入侵检测、网络协议栈分析、无线安全、网络信息安全等内容，进行跨课程的主线式教学设计。在后期的专业课中，很多应用都是基础课上的知识内容，所以在专业课中回顾基础课程的知识点，会有助于学生加深对基本知识的了解，激发创新应用。

学生介绍、讨论之后，由教师向全体学生提问相关的扩展问题，问题多为启发性问题，激发学生进一步讨论，或者在现场、课后深入复习或查询。通过与学生的交流发现，学生对这种教学方法更感兴趣、出勤率也更高。

2.3 资料整理及素材网站建设

为解决资料少、无法从全局的角度快速找到资料的问题，笔者进行课程方案、素材、学生成果展示等网站建设。同时，对网站的不断更新维护，通过合理的分类，让学生能在大量的信息中快速找到自己可能感兴趣的内容，节省学生选择材料、搜集材料的时间，并能让专业课程网站可持续发展。

对于安全类的网络攻防操作，目标网络会有更新，有时在上周可以演示的课程，过了一周就补上了漏洞。针对这个问题，也做了相应的视频录制（电脑桌面视频录制），让学生可以作为参考。

3 实施效果

此系列课程的目标是制作出一系列课程联动方案，让学生充分利用高年级时的专业课，进行知识的融会贯通和应用，在较少的时间内抓住多个课程的教学重点和难点。希望以一种非常轻松有趣的方式让学习内容变得更易于学生掌握，进而实现真正的“翻转”，是对“互联网+”教育的进一步的探索与实践。通过调动学生的参与积极性，解决学生想参与却无从下手、没有压力就没有参与欲望的问题。

以云计算和Hadoop 技术课程为例，在实施中，通过对作业的反馈、评分，与学生的课堂互动及课后的邮件、电话交流，采用了以下的方式跟踪学生的学习进展：前期介绍评分标准，学生在前两次课结束后进行选题，包括已做项目或感兴趣的题目；教师对选题的方向或内容提出建议，明确学生的方向；在课程开展一段时间后，选择部分学生对已有成果做中期报告，其他学生根据介绍成果的内容可选择与其组队，共同完成；在后期，第二次的组队学生成果展示，并对相应的报告进行反馈；在课程后期，已经没有学生对大作业无法把握的问题。

在翻转课堂的基础上对可以联系的相近专业课程进行整合，整理贯穿跨课程的知识主线。以计算机病毒和入侵检测技术、网络安全编程、网络攻防实践3 门课程为例，这3 门课程在连续3个阶段依次进行：在计算机病毒和入侵检测技术课程中师生花了大量的实践来讨论、选题；在网络安全编程课程中，将已做的调研进行编码实现；在网络攻防实践课程中，进一步将已有工具和自己编写的软件进行测试和实施。从个人完成到有选择的分组完成，到全部分组完成的变化。

结合专业背景，在碰到新的问题时贯穿讲述已经学到的知识，从全局把握，在课程中设定几条发展主线。解决学生上完课、考试结束后就忘掉内容，知识学习局限在某一门课程中，无法从全局来看各个知识、方法的局限性等问题。

用理论知识或实践工具激励学生掌握自己擅长的一种或几种方法，能够加深学生对某个方法或工具的理解和使用。解决学生学完课程后不记得课程讲了什么，多门课程学完后却不知如何应用在本专业中，不清楚自己学了什么内容、能解决什么问题，这也是学生毕业后所必须面临的问题。教师先介绍主流的一些工具，专门方向的特定工具，如网络模拟器NS2、OMNeT++、ONE、OPNET、GridSim、SimGrid、Cloudsim；若是加密技术，则简单介绍一些加密的名字，如AES、DES、IDEA、椭圆曲线、RSA、MD5、SHA-1等，而具体的内容，则由学生根据自己的兴趣去调研、掌握。

在翻转课堂的基础上，该教学模式整合网络安全专业课的知识点成贯穿的知识主线，从宏观的角度去了解各个知识，对网络安全专业课可以有更具体的把握，以构建学生的整体知识框架。该教学方案在大连理工大学软件学院开展实施，并得到了正反馈。