面向网络空间安全人才培养的嵌入式系统课程教学内容设计

2019-09-26王瑞敏唐永鹤

计算机教育 2019年9期

王瑞敏，常瑞，唐永鹤

（信息工程大学网络空间安全学院，河南郑州 450000）

0 引言

随着信息技术的飞速发展，移动智能设备得到了普及和应用，网络安全形势日益严峻，利用网络干涉他国内政以及大规模网络监控、窃密等活动严重危害用户信息安全，网络基础设施遭受攻击破坏等重大安全事件正严重危害经济安全和公共利益[1]。网络空间安全的技术领域发生根本性变革，使得高端人才培养也势必随之改变，尤其以嵌入式设备为核心的各类通用和专用计算系统的开发、设计逐渐成为网络空间的重点和热点[2]。网络空间安全领域人才要求：熟悉网络中智能终端构成、特点和属性；掌握嵌入式处理器工作原理、关键技术和开发方法；具备初步的网络智能嵌入式系统的运用能力。嵌入式系统课程作为信息安全专业和网络工程专业的核心课程，为满足网络空间安全人才新需求，应将知识传授、能力训练和综合素质培养融为一体，突出对学员的综合能力和创新意识的培养，对理论教学内容、实验内容和教学活动科学梳理，使学员了解嵌入式系统的定义、特点和应用领域；理解嵌入式系统的总体结构和工作原理，了解嵌入式系统设计的基本过程和常用软硬件开发工具，掌握嵌入式系统的软硬件及调试方法。

1 打造功底厚实的理论教学

本课程教学内容按照由浅入深、由整体到局部、再由局部到整体的思路，从嵌入式系统的基本概念、特点和应用领域入手，逐步讨论嵌入式系统的总体结构和工作原理；从硬件和软件两个方面介绍嵌入式系统的设计方法和过程；介绍嵌入式系统的硬件设计与软件开发方法。嵌入式系统应用采用实际系统的演示和分析，巩固和加深学员对所学知识的理解和掌握，培养学员发现问题、分析问题、解决问题的能力。

1.1 构建模块化基础教学内容

课程以培养功底厚实、知识结构完整为目标，结合网络空间安全中相关的典型目标设备（如网络设备、加密终端设备等），针对嵌入式系统的安全性测试与分析等需求，梳理教学内容之间的关系，明确课程中教学重点、知识点的衔接关系。面对市场上千余种嵌入式处理器，重点分析常用的X86和ARM的处理器体系结构。围绕网络空间中各种嵌入式系统，抽象成一个统一的嵌入式系统结构进行剖析和讲解。课程的教学内容设计为4个模块，具体内容见表1。

基本教学内容的讲解使学员能够了解嵌入式系统的定义与特点，掌握嵌入式处理器体系结构、嵌入式处理器相关配套电路，并能从嵌入式系统开发流程、外围设备接口、外部设备等多方面认识嵌入式系统。

表1 嵌入式系统基础教学内容

1.2 增加实用性拓展教学内容

由于嵌入式技术和装备的更新越来越快。嵌入式设备由原来的单一X86平台向ARM、MIPS、PowerPC、DSP、FPGA等其他架构（甚至是异构）的多平台扩展，使得网络空间安全更加的复杂多样。教学内容也由单一的X86位处理器向多处理器扩展，实现PC X86和ARM技术的融合性和组合性，以此适应更加复杂多样的网络空间安全领域。

结合嵌入式设备技术的最新发展，开展嵌入式系统应用案例分析和ARM安全扩展技术内容，分析网络空间安全中嵌入式系统及其应用技术，整理嵌入式设备分析的理论、技术和方法等，使学员全面深入地了解嵌入式系统及其应用技术，为网络空间安全方向进一步开设基于嵌入式系统的技术研究提供支持。

2 搭建多层次、阶梯式实践教学

以新形势下网络空间安全人才培养需求为指导，以培养学员的嵌入式设计能力为目标，按照巩固理论知识、增强实践能力、锤炼合作精神、培养创新思维的理念。通过课内基础实践、综合性实践和课外自主创新竞赛相结合的多层次、阶梯式教学逐步提高学员的理论水平[3]，增强学员分析、解决实际问题的能力，培养创新能力，锤炼学员工程实践能力。将“重实践、重自主”作为实践教学的基本原则，切实把自主实践教学有机地结合起来，培养学员“发现问题、分析问题和解决问题的工程能力及工程素养，并养成良好的工作作风和团队协作意识”。

2.1 面向系统认知能力的基础性实践

基础性实验以验证性实验为主，通过让学员独立完成预先设计好的实验，加深对基本理论的理解，使学员熟悉具体的嵌入式系统的开发工具及环境，尽快建立直观的认识。实验包括I/O接口、串口通信、实时时钟、看门狗、数码管显示、呼吸灯、A/D转换、传感器等基础实验[4]，并任选3～4个基础实验进行功能扩展。通过基础性实验的学习，学员能够掌握常见的串口、时钟中断、键盘、LCD液晶屏和触摸屏等设备模块端口配置、工作方法及驱动开发等。

2.2 面向系统开发能力的综合性实践

采取项目为导向的综合性、探究式实验，加强学员系统开发技能训练[5]。在这个环节需要团队合作，2～3人组成一个项目小组，按照项目开发的流程进行可行性论证、需求分析、总体设计、测试性能、撰写文档、项目答辩等。综合性实验包括机器人控制、数据采集、导航系统、嵌入式无限通信系统等。通过完成其中一个综合性实验，使得学员能够掌握嵌入式系统的体系结构、工作原理、基本概念、开发工具和设计开发过程，熟悉嵌入式系统的软硬件开发环境、调试方法和基本开发过程，加深对理论教学中的基本概念和基本理论的理解，同时通过小组合作，培养学员团队协作精神。

2.3 面向学科竞赛的自主创新实践

以学科竞赛推动专业建设，将课程实践内容和竞赛有机结合，培养学员自主创新能力、团队协作和工程实践能力[6]。本课程相关的校外自主创新实践包括全国大学生Robomasters机器人竞赛、全国大学生物联网竞赛、ACA体系结构创新大赛。学科竞赛是以嵌入式系统课程实践教学为依托，利用业余时间和暑假，先后对3届学员进行实践专题培训及竞赛辅导，包括创意指导、方案制订与修改、文档撰写与修改、器件选购、作品实物制作、视频录制、答辩讲稿（PPT）制作和作品演示等。通过竞赛使得学员在代码编写、硬件设计、文档撰写、创新思维、团队协作等方面得到了很大的锻炼和提高。

围绕学员的嵌入式系统实践能力的培养，鼓励学员参加学科竞赛，为他们提供创新实践环境，启发创新思维，提高其理论水平、动手能力和创新意识。

3 设计以学生为主体的教学活动

3.1 围绕“教为主导、学为主体、重在实践”组织教学

构建“以学员为中心”的学习环境，使教员由讲授者转变成课堂的组织者、参与者，可以有效促进学员学习的主动性。授课方式由传统“理论授课+实践教学”的模式调整为“理论授课+实践教学+交流研讨”的形式，使得师生、学员之间交流讨论融入理论授课和实践教学中，增加学员获得知识和技能的途径，提高学员学习兴趣。例如，选取一个案例或主题，由学员课前查找资料、准备课件，教员课前提供相关核心素材和指导。课上教员可以从学员的认知能力和角度讲解、分析，然后学员和教员融入专题讨论中。

在实践教学环节，教员也参与各组学员的实验中，共同查找问题、解决问题，确保和学员进行有效沟通和交流，实现了教学相长；实验室从实验主阵地变成了展示交流的场所，学员们利用课余时间完成基础实验和自己感兴趣的实验，上课时间集中展示，并与大家分享经验、交流问题。一方面提高了学员自主学习的能力，同时也培养了大家发现问题、解决问题的工程化思想和创新意识。

3.2 基于HEDE的过程性考核组织方式

考核内容贯穿教学始末，由传统的“平时成绩+最终实验成绩”变为“HEDE的过程性考核”。HEDE包括了平时作业（Homework）、实验成绩（Experiment）、课堂讨论（Discussion）和课程考试（Examination）。过程性考核方式始终贯穿在教学活动中，弱化死记硬背考核模式，强化对理解问题、解决问题能力的考核，避免了传统期末考试“一锤定音”，注重了学员的阶段性发展，使得教员能够快速掌握学员的学习情况，及时调整授课策略，具体操作如下。

平时作业（H）：满分15分，根据学员的上交作业和作业质量情况，分为4档（优、良、中、差）。作业无故补交或者抄袭者给差评，并在课堂上通报批评，作业全勤且答案工整、有一定创新者给优评。

实验操作（E）：满分30分（基础实验30%+综合性实验20%+课堂实验展示20%+个人实验报告30%）。学员通过完成基础和综合性实验、拍摄实验视频、课堂宣讲展示、撰写实验报告等多种方式，不断在总结中找到实验操作的乐趣，提高了自我发现和总结能力，满足了本课程实践教学的初衷。

交流研讨（D）：满分15分，根据举手发言情况、研讨表现、问题答疑和成果验收，切实培养学员发现、解决问题的能力。充分利用平时讨论记录、前沿问题的研究、形成报告及口头报告等多种方式，强化学生的书写文档、语言表达能力。

课程考试（E）：满分40分，卷面考试包括选择题、简答题和综合题。选择题主要考察学员对基本概念和术语的掌握情况；简答题和综合题主要考查学员嵌入式系统的设计能力。这个环节主要考核学员对本门课程理论学习的掌握程度。

4 教学效果

通过3届学员的培养实践证明，收效颇丰。在2015级信息安全专业中共组织研讨交流6次，课堂展示达到40余人次，全部学员完成了基础实验，另有12个小组出色完成了小车寻迹、避障等综合性实验[7]，其中有3个小组利用摄像头、温度传感器、蓝牙、音响等附加模块，实现了机器人灭火、音乐播放器等创新性实验。期末考试成绩优秀率逐年提高，见表2。从各项考核结果可知，学员基本熟悉嵌入式系统的基本原理和设计过程，能实现一个简单的具有实际应用价值的嵌入式系统，达到了教学要求，教学效果超过预期。

表2 近3年学员实验完成率和期末考试成绩优秀率 %

围绕学员的嵌入式系统实践能力的培养，为学员提供创新实践锻炼环境。带领学员参加全国大学生Robomasters机器人竞赛、全国大学生体系结构创新大赛、全国大学生物联网竞赛，学员在2016—2017年的校外创新实践中取得了优异的成绩（表3）。尤其在2017年9月物联网总决赛中，所指导的两支学员团队经过调试、展示、答辩、交叉评审、十二强循环赛等环节的激烈角逐，从入围全国总决赛的120支队伍中脱颖而出，双双获得全国总决赛一等奖。