挑战式教学的研究与实践

孟 魁，刘功申，邱卫东，李建华

（上海交通大学 网络空间安全学院，上海 200240）

0 引 言

建设世界一流大学和一流学科，是继211和985之后我国在高等教育领域确定实施的又一项重大战略措施。一流大学和一流学科的教育无疑属于精英教育。在著名教育社会学家Martin Trow博士看来，精英教育的特点在于要“激发学生的雄心大志”[1]。如何激发学生的雄心大志是我国高等教育从业者的一大要务。

世界一流大学往往集中了众多具备较好潜质的学生，学校应该为这些学生提供一种难度更大、标准更高、要求更严、挑战性更强的教育，通过校内的挑战性教育培养，不仅可以进一步刺激和培育其雄心大志，更能提升学生的挑战应对能力，得以成就其雄心。兰州大学李硕豪教授提出：一流本科教育是发展力教育，实施发展力教育要以适当难度的教学为抓手[2]。

在2009—2010年，清华大学教育研究院所做的“清华大学本科教育学情调查报告——与美国顶尖研究型大学的比较”发现，清华本科教育总体上与美国同类大学相当，但在学业挑战度和生师互动水平两项指标上与美国同类大学存在一定差距[3]。清华大学孙宏斌教授等指出，课程内容的挑战度不足是我国世界一流本科教育事业发展中的瓶颈问题之一[4]。

如何改进教学方法、如何提升课业挑战度是我们在双一流建设过程中和教学改革中要着力思考的问题。在近年的信息安全综合实践课程教学中，我们采用挑战式教学法，以学生为中心、以问题为线索、以能力培养为重点组织教学，根据学生特点设置教学环节、改进教学形式，促进了学生在问题发现、自主学习、交流表达等方面能力的提升，得到了学生的肯定，取得了一定成效。

1 挑战式教学法

早在20 世纪初，美国著名教育家、心理学家John Dewey就指出，教学不应直截了当地注入知识，而应引导受教育者在活动中得到经验和知识[5]。因此，他提出了探究式教学（Hands-on Inquiry Based Learning），即“做中学”的理念。在探究式教学中，教师在学生学习概念和原理时，只提供一些事例和问题，让学生自己通过阅读、观察、实验、思考、讨论、听讲等途径去主动探究，自行发现并掌握相应的原理和结论。虽然探究式教学可以很好地培养学生的自主学习能力和逻辑思维能力，但一般培养时间比较久，在单项课程的教学中很难实施。

1969年，美国神经病学教授Howard Barrows提出了问题式教学法（Problem-based Learning），强调应把学习设置在复杂、有意义的“问题情境”中，以提出问题、分析问题、解决问题为线索，并以问题为载体贯穿整个教学过程[6]。问题教学法在设问和释问的过程中激发了学生自主学习的主动性和积极性，进而逐渐使他们养成自主学习的习惯，并在实践中不断优化自主学习的方法，是提升学生自主学习能力的一种有效教学法。在问题式教学中，教师往往承担着问题的提出者、讨论的组织者、方法的指导者等多个角色，对教师自身的素质和教学技巧都有很高的要求。而且问题式教学比较适合小班教学，在大班实施难度较大。此外，如何有效地平衡共性问题与个性问题也是问题式教学要克服的一大难题。

2008年，苹果公司在其发起的合作项目ACOT2（Apple Classrooms of Tomorrow-Today）中首次提出了挑战式学习（CBL，challengebased learning）的教学理念，通过设置一些有吸引力且学生跳一跳能解决的难题，引导学生运用相关知识去解决这些难题[4]。

2012年，清华大学首次启动了挑战性学习课程建设，着手建设了15门校级和一批院系级挑战性学习示范课（简称挑战性课程）[4]。该类课程通过设置挑战性问题吸引学生，让学生在好奇中产生深度钻研的兴趣，通过高强度师生互动、生生互动，使学生快速获取新知识并综合运用相关知识，激发创新意识，培养沟通合作能力，收获挑战自我的勇气和能力，促进主动学习。

按照前苏联著名心理学家维果斯基提出的“最近发展区理论”，通过为学生提供带有一定难度的学习内容，可以更好地调动学生的积极性，从而超越其“最近发展区”而达到下一发展阶段水平，继而实现“下一个发展区”的发展[7]。无疑，挑战式教学法对于有潜质学生的培养非常有助益。

2 学生情况分析

教学重点从“以教为中心”转向“以学为中心”后，面临的一个重要问题就是了解学生的情况，尤其是学生学习的情况。与问题式学习相比，挑战性学习更强调问题的挑战性，侧重于问题的难度、深度及与理论学习和应用的结合程度。由于挑战式教学关注于如何激发学生的优势潜能，所以需要对学生的学习情况有更深入的了解。虽然同是理工科学生，但可能不仅在知识结构上存在差异，在学习习惯、思维方式也会有较大不同。

美国北卡罗来纳州立大学教授Richard M.Felder指出，各类型学习者有不同的学习偏好，若有针对性地安排合适的教学内容和采用一定的教学形式，会达到事半功倍的作用[8]。他从信息感知、输入、加工和理解的方式4个维度研究学习者的学习风格，将学习者分为感觉型/直觉型学习者（sensing/intuitive learners），视觉型/听觉型学习者（visual/verbal learners），活跃型/思考型学习者（active/re fl ective learners），顺序型/整体型学习者（sequential/global learners）8种类型。

近年来，我们使用Richard M.Felder和Barbara Solomon提出的学习风格（ILS，index of learning styles）判定问卷对我校信息安全专业学生的学习风格进行了调研。分析这5年的数据，可以发现，信息安全专业学生的学习类型分布具有如下规律：感觉型学习者占比明显高于直觉型学习者，视觉型学习者占绝大多数，思考型学习者占比略高于活跃型学习者，整体型学习者也要多于顺序型学习者[9]。

根据Richard M.Felder的研究结果，我校信息安全专业大多数学生希望学习内容与现实相关，偏好于通过图片、图表、流程图、观察、动手实践等方式获取信息，大部分人喜欢独立学习，相较于按部就班，更多的人偏向于跃进式的学习方式。总体而言，学生的学习风格体现了典型工科学生的学习特征。

3 挑战式教学法的应用

信息安全作为典型工程学科，强调培养学生的实践和动手能力。ACM（Association for Computing Machinery）教育委员会在面向网际空间安全的教育研讨会报告中提出，学生动手实践是掌握信息安全知识和技能的必要途径[10]。我校“信息安全综合实践”课程是信息安全专业的特色实践类课程，我们尝试在该课程的教学中进行了挑战式教学实践。

3.1 教学内容更新

该课程从系统安全、密码技术及应用、网络安全技术及应用等三方面出发，以提出问题、解决问题、提出挑战为线索，通过实践加深对信息安全技术基本概念和相关技术的理解。课程的挑战式教学方案的总体架构如图1所示。

图1 挑战式教学方案架构图

在各模块教学中，教学内容的组织主要是围绕核心知识点提出问题，指导同学分析问题、解决问题。针对工科学生希望学习与现实相关内容的特点，每次作业我们都会设置与实际应用有关的思考题和扩展知识内容，要求同学们在解决问题后，进一步探求理论的实际应用。依据“最近发展区”理论，挑战性学习目标是让每个学生的学习目标都在自己“最近发展区”内，即跳一跳可以达到的区域，向自己已有水平进行挑战。为了进一步加强课业的挑战性，我们还设置了选做题，让学有余力或有兴趣的同学可以深层次地探究应用背后的技术问题。

比如恶意代码是普遍遇到的信息安全问题之一。在恶意代码查杀这一模块中，我们在指导同学们了解恶意代码的特点、查杀工具和查杀要点后，以一个真实的恶意代码样本为思考题，让他们分析该恶意代码的行为特点，自行进行恶意代码查杀。同时布置的选做题以代码安全分析作为挑战内容，让他们对该恶意代码进行反编译，分析恶意代码是通过哪些编程技术实现其隐蔽性、传染性，从而提出防范策略。

网络攻防安全也是信息安全专业学生普遍比较感兴趣的内容。在Web应用安全这一模块中，我们先让同学们自行查找材料，总结Web应用存在的典型安全问题。同学们可以在通过端口扫描、提权登录、Web漏洞扫描等方式发现所提供靶机存在的安全问题，并采取暴力破解、注入攻击、跨站攻击、文件上传等方式对靶机进行攻击，最后通过分析攻击代码的方式，结合自己的体验给出Web应用安全防范的建议。在实施攻击的过程中，同学们不仅可以自行选择攻击方式，而且可以自行采用由简到繁、由易到难的不同级别进行攻击实验，完成自我挑战。

同时，在以问题贯穿各教学模块的过程，我们针对部分同学偏向于跃进式学习的特点，在问题设计上有意识地作了教学内容前后呼应或与相关课程教学内容的呼应。比如前期作业中就让同学们接触了SQL注入问题，所以在Web应用安全作业中不少同学挑战了高级别的SQL注入实现和预防分析；在恶意代码查杀模块的代码分析挑战，呼应了同期开设的另一门专业课程——计算机病毒原理；加密传输技术分析模块呼应了同期开设的通信网络课程。这样的内容安排使同学们既可以从不同角度学习和理解相关知识点，也激发了他们对技术应用的深入探究。

3.2 教学形式组织

挑战式教学希望通过高强度的师生互动、生生互动，激发学生的挑战热情，促进学生主动学习，快速获取新知识并综合运用。因此，互动式学习也是信息安全综合实践课程教学组织的重点。

从学习类型的调研结果可以看出，同学们虽然偏好于通过图片、观察、动手实践等方式获取信息，但大部分人喜欢独立学习，交流互动的意愿并不强烈。我们发现，相较于同年级交流，同学们一般更乐意请教学长，因此，我们邀请高年级学生参与实验指导，对于实验中遇到的问题给予建议，引导学习讨论。

同时，我们有意识地布置一些诸如密钥分持、通讯监听等需要至少两方合作参与的实验内容，创造机会让同学们在分组实验中进行讨论和交流互动。不少同学还通过微信群、课程论坛等讨论和分享经验和相关阅读文献资料。结果表明，同学们在实验讨论过程中有很大收获，甚至说“课程实验中遇到问题、解决问题的日日夜夜让他们结下了战斗的友谊”。

课程思考题是同学们对实验重点知识点的分析、思考和应用扩充。同学们分享展示他们的思考题部分时，也面临着其他同学对他们的挑战。事实证明，经过自主查阅资料、互动式学习后，同学们在提出问题、回答问题、演讲展示方面的能力都有所提升。

3.3 教学实践结果

教学实践发现，挑战式教学思想对促进同学们的问题发现、自主学习、交流表达、团队管理等方面的能力提升起到了积极的作用。

首先，同学们在本课程中投入了大量时间。为了验证和确认实验结果，不少同学多次进行实验，有的同学还自行搭建环境进行重复实验。其次，从期末同学们的课程反馈也表明，大部分同学相当认同课程内容和形式的安排，认为思考题和交流讨论促进了他们深层次的思考，激发了他们对相关知识和技术的好奇与探究。一些对网络攻防感兴趣的同学，在实验中多次挑战选做题内容，并在交流讨论中感受到了经验分享和深入学习的乐趣，几个志同道合的同学一起加入了学校的CTF战队，先后参加了强网杯、网鼎杯、全国大学生信息安全竞赛创新实践赛等国家级比赛，均进入决赛并获得全国二等奖。

此外，同学们通过课程的训练，在问题发现、交流表达、团队管理方面的能力也有相当大的进步，表现在近年来自行组队报名参加全国大学生信息安全竞赛的同学逐年增加，进入竞赛并取得优异成绩的团队数量也越来越多。2015年4支队伍进入决赛，最高成绩二等奖；2018年8支队伍进入决赛，最高成绩一等奖。

4 结 语

美国著名教育家John Dewey认为，科学教育不仅仅是要让学生学习大量的知识，更重要的是要学习科学研究的过程或方法。针对我校双一流建设的需要和专业学生的特点，我们应用挑战式教学思想进行信息安全综合实践课程的教学改进，在强化同学们专业知识基础的前提下，提升教学内容的挑战度，培养学生具备良好的知识探究、表达交流、协调组织的能力，以期达到“授人以鱼不如授人以渔”的教育目标，目前看来取得了较好的成效。

当然，教学相长，挑战式教学的应用也对授课老师提出了挑战。首先，在信息技术不断更新的背景下，如何有效地将技术发展的内容结合进信息安全综合实践的课程内容，如何更有针对性地进行各模块教学的组织，如何更科学地设计学习评价反馈体系，如何鼓励更多同学的互助式学习热情。这些问题的解答都需要授课教师对课程特点、学生情况、教学规律进行深入的分析。此外，挑战式教学的实施也对目前与教学配套的教学实践环境提出了挑战，如何总结教学规律、教学需求，调整相应模块的实践环境设计，是后期课程建设中需要考虑的问题。我们始终认为，加强教学课程内容的挑战度，提升学生的挑战应对能力，通过校内的挑战性教育培养，激发学生成就一流人才的热情，是我们在双一流建设过程必须进行的工作，也是作为教师应该面临的挑战。