基于智慧教室的信息安全实验教学环境设计

高远 马力

摘 要：开设《信息安全》通识课程是高校落实国家网络空间安全战略、加强信息安全教育的重要措施，然而当前高校在实验教学中因教学环境和实验条件不足，无法有效提升学生的信息安全技能。为了设计适应《信息安全》实验教学的环境，文章以长期开展《信息安全》通识课程教学的某高校为例，通过调查发现当前实验教学中主要存在内容展示方式单一、理论与实验教学比重失调、实验环境简陋等问题，然后按照智慧教室的建设内容和服务功能，设计了“分组+圆桌”型空间布局，由学生端、教室端和资源端三部分组成实验教学环境，最后结合信息安全实验教学内容，提出了讲授型、讲授与演示结合型和演示型三种教学模式，并根据教师和学生两种角色，设计了智慧教室实验环境下《信息安全》实验教学的基本流程，为信息安全实验教学环境的设计提出了新方案。

关键词：智慧教室;信息安全;通识课程;实验教学;环境设计

中图分类号：TP393;G642     文献标志码：A        文章编号：1673-8454（2020）16-0020-06

一、引言

2017年6 月 1 日起开始实施的《网络安全法》明确提出：“国家支持企业、高等学校和职业学校等教育培训机构开展网络安全相关教育与培训”。教育部发布的《教育信息化“十三五”规划》也提出：“要开展多种形式的网络安全教育和培训，提高全體人员的网络安全意识。”2018年4月，习近平主席在全国网络安全和信息化工作会议上提出了“要深入开展网络安全知识技能宣传普及”的重要要求[1]。

为落实国家相关的政策和要求，培养信息时代的新型人才，我国部分高校除了开设网络空间安全学科培养专业人才外，还将《信息安全》作为一门通识类必修课程，纳入学校本科人才培养公共课程体系，以提升学生信息安全素养。

由于《信息安全》课程涉及数学、计算机、通信、信息、法律、管理等许多学科知识，具有很强的理论性和实践性，[2]需要教师在教学中进行实际操作演示，但是传统教室因教学媒体的展示和交互能力有限，无法提供实验实操环境，[3]对于信息安全实验教学来说并不能达到理想的效果。

近年来，智慧教室开始成为高校课堂信息化教学的重要支撑条件，为课堂教学改革提供了全新的信息生态支撑和智能化的教学手段。那么，如何设计智慧教室的实验教学环境，提高信息安全实验实训教学效果，成为当前信息技术与课程深度融合中的一个值得研究的问题。

二、高校《信息安全》通识课程实验教学中的问题分析

1.《信息安全》通识课程实验教学情况调查研究设计

《信息安全》通识课程的实验教学是针对信息安全基本技能，要求学生运用多门课程综合知识解决信息安全问题的综合训练活动。[4]目前，国家还没有统一制定高校《信息安全》通识课程标准，因此，各个高校开设的《信息安全》通识课程在教学目标和内容方面各有侧重，但大多涵盖信息安全的基础理论和基本技能。

为了摸清高校《信息安全》通识课程实验教学情况，笔者选择了一所将《信息安全》课程作为公共基础必修课已经超过10年的双一流建设高校作为代表性研究对象。在2018年秋季学期，笔者对该校学习《信息安全》课程的278名大一本科生进行了调查和测评。调查主要安排在该门课程开课前，以师生见面座谈和问卷调查的形式了解学生的学习需求和学习习惯，测评主要安排在学生学习该门课程之前和之后，主要利用董李鹏设计的信息安全素养量化指标[5]、郭佳等人研发的信息安全素养测评系统[6]，从信息安全知识、意识、技能和伦理四个维度对学生学习该课程的前后情况进行了一系列的测评对比研究分析。

2.《信息安全》通识课程实验教学中存在的问题分析

该校在2008年就根据上级统一要求，面向大一新生开设了《信息安全》通识课，该课程以提高学生信息安全素养为目标，紧紧围绕信息化条件下的物理安全、网络安全、数据安全和管理安全等方面，以安全威胁和防护技能为主线组织教学内容，既有抽象性的理论知识，也有相对复杂的技术与实践，需要学生在掌握理论知识的基础上，体验信息安全防护过程，掌握信息安全防护技能。

经过一段时间的课程教学改革与实践，该校已经形成了一些成功的教学经验，但是近年来该校学生的信息安全技能考核成绩较差，经调研发现主要存在以下一些问题：

（1）实验版块的课程内容展示方式单一

该校《信息安全》课程主要包括四部分内容：一是信息安全意识培养模块，设计了信息安全面临的严峻形势和国内外采取的应对措施等形势与政策内容;二是信息安全基础知识模块，设计了信息安全的内涵，存储介质、通信设备、计算机终端与网络的安全隐患，信息安全防护体系与管理等内容;三是信息安全防护技能模块，设计了防电磁辐射、移动通信安全防护方法、计算机终端安全环境建立和安全检查的方法等实践性内容;四是信息安全伦理道德模块，设计了网络安全法律、等级保护制度、信息安全管理制度与管理机制等内容。

这些内容以文字描述等方式在教材中展现，但是体现技能型知识的实验教学模块内容较少，在教材中仅仅通过文字描述原理，关于操作步骤缺乏图文结合的流程说明，缺乏对信息安全实验配置环境和参数的描写。从学生的学习需要和习惯来看，大部分学生期望能够在课堂上或课后参与信息安全实验操作，但是仅仅通过教材或讲义中的文字描述和教师的讲解，无法完成探究式的操作。

（2）理论与实验教学比例不协调

通过与学生座谈，大部分学生反映他们在大学以前接触信息安全教育较少，期望通过《信息安全》课程了解信息安全基础知识，通过实验进行实际操作来加深理解和掌握工程性技能，以便应对可能面临的信息安全风险。但是从课程内容的组成比重来看，《信息安全》课程的实验部分内容占全部课程内容的三分之一，因受实验环境和条件限制，在实际教学中所安排的实验学时仅为全部授课时数的10%，与实验教学内容所占比重不相称的问题突出，因时间问题很多实验在课内无法开展，而课外受学习条件限制，更无法开展实验。

针对学生的调查显示（见图1），学生课堂看完演示完成全部实验的仅为17%，完成部分实验的占37%，没有参加实验的占24%，仅观看部分实验演示的占19%，因缺乏充足的实验学时和条件，绝大多数学生还不能达到掌握相关技能层次的教学目标。

（3）实验环境条件欠缺

信息安全实验需要模拟或再现安全场景，配置实验用服务器，安装部分信息安全工具和实验软件，模拟攻击或不安全因素（如病毒、木马等），还要配置一定的实验设备，提供足够的终端供学生操作体验安全攻击的过程、防护的策略和方法。但是学校在实验环境方面还不完善，实验工具和实验对象数量有限，实验环境生成困难，学生无法独立完成，在传统教室中演示实验因缺乏互动环境条件，多数教师只能以视频演示形式代替动手实践供学生观摩，实验效果并不理想。

实验教学是锻炼学生技能的重要方式和途径，直接影响着学生信息安全技能的提升，以上实验教学存在的问题直接影响了《信息安全》课程实验教学效果，从调查班级信息安全素养平均水平来看（见图2），对比学生学习前（深色部分）与学习后（浅色部分）的信息安全素养（满分100分制，意识占45分，知识占15分，技能占32分，伦理占8分），信息安全意识维度和伦理维度提升幅度较大，但是信息安全技能提升幅度极小，在一定程度上反映了信息安全实验教学的实际情况。

三、智慧教室实验教学环境设计

1.智慧教室的建设内容

近年来，高校建设的智慧教室大多是在传统教室或多媒体教室的基础上改造升级，一是改造环境，即改造教室布局及配套桌椅，形成布局灵活、适合互动交流的空间格局。二是配套设备，即升级多媒体教学设备，改造教室声场环境和显示系统，增加视频采集系统。三是覆盖网络，即增加物联网和无线网络，实现物物互联和网络泛在覆盖。四是对接资源，即实现教学终端与教学资源平台、教务系统的对接。五是配套应用，配套录播系统、学情分析系统、大数据分析应用系统等，提高教室智慧化应用服务能力。通过上述五个方面的改造，实现集设备智能管控、大数据运维、环境智能感知于一体的提供智能化管理和服务的新型现代化教室。[7]

2.智慧教室提供的服务

文献调查发现，多数研究者认为智慧教室不仅可以更加形象地表达知识、多维度地展示抽象的原理和实验过程，而且还可以提供更加灵活的课堂教学互动，促进学习从浅层次学习向深度学习转化，为实验教学开辟了新的实施环境。[8]

与传统教室相比，智慧教室主要具备以下六项功能：一是智能感知，可以采集环境内所有装备的状态信息。二是智能控制，能实现教学设备的全过程调度及效果的监视。三是智能管理，能够实现环境内各类信息或数据的生成、采集、汇聚和推送。四是互动反馈，支持教师和学生在活动过程中的全方位交互。五是虚拟现实，强化视觉、听觉及触觉等效果进行实验教学。六是分析决策，具备综合运用教学活动的信息和数据。

3.智慧教室中的实验环境设计

智慧教室不仅要适应理论课的授课方式，还需要满足实验实训类课程的授课需要。《信息安全》课程的实验教学与大多数实验课程一样，需要在传统教室的基础上，改变教室空间布局和配套实验用硬件、软件设备，按照智慧教室建设的内容和提供的服务进行改造。

（1）智慧教室实验环境“分组+圆桌”型布局方式

实验教学不仅要体现团队协作，还要体现学生教师之间的多边互动交流。[9]因此，教室横排型的学生座位布局模式虽然整齐，但是不方便师生、生生相互交流和互动，不适合实验教学。

根据实验教学中团队协作特性，将教室布局成“小组+圆桌”模式，如图3所示，教师端配置讲台（操作台）。这种模式以学生分组的形式，增加了教室的活动空间，每个实验小组之间的学生可以面对面地交流，也可以进行组与组之间的互访和观摩教师示范，教师也可以随机进入每个小组指导实验。

（2）智慧教室实验环境的设备与资源配置

根据智慧教室实验环境各部分的功能，如图4所示，在设备配置时可以分为以下三个部分：

①学生端部分

每个实验小组的学生需要在真实环境中对实验工具操作，还需要相互协作在模拟环境（在线实验软件）中进行操作，同时在线填报操作过程和实验结果。因此，学生端以小组圆桌的形式，每组提供实一个实验台、学生操作PC终端4—6个、配置路由器和交换机等网络设备，作为用户之间以及用户与资源之间的通信设备，将用户和平台连接起来。配置一台防火墙，作为每个小组的防火墙出口安全设备。实验环境同时为每个圆桌安装可控高清摄像头一个，可以由教师和学生控制机位，实时采集学生端的实验操作过程。学生可以利用学生端来对资源端的服务器进行用于攻击、防御和其他行为的实验测试。

②教师端部分

因教师需要向学生演示实验过程，监控学生的操作行为，查看学生实验结果。因此在教师端配置实验操作台（讲台），提供教师管理终端和实验操作电脑1台，并安装可调节高清摄像头一个，用于采集教师端的实验操作过程。同时，因信息安全实验中部分实验用的木马和病毒等模拟工具可能会传入校园网，威胁其他系统安全，因此还需要将教师端接入校园网身份认证设备和安全管理设备，从而对实验环境内的网络进行安全防护。

③资源端部分

部署在校园互联网平台，保证学生、教师在校内通过网络访问使用。其主要包括三部分：一是虚拟实验用服务器，可以虚拟各类实验环境，作为实验的靶机，供师生攻击或进行防御操作。二是云计算设备和存储设备，作为实验过程采集的图像存储环境和实验数据计算与存储环境。三是信息安全實验软件和教学资源等软件服务平台，在线为信息安全实验提供资源服务。

其中最主要的是信息安全实验软件平台，该平台符合信息安全实验教学特点，集计算机基础实验、编程语言实验、信息安全实验、网络攻防实验、无线攻防实验、教务管理、学习行为分析于一体，如图5所示。根据信息安全的教学内容，该实验软件需要涵盖主要实验内容，同时配置辅助教学的课程资源包。在实验操作区域，学生使用键盘和鼠标操作实验对象。同时提供实验环境配置功能模块，可以根据实验需要对实验环境的参数进行配置，进而形成不同难度的实验场景。提供实验指导书，以视频形式展示实验操作过程和要点。上传实验报告功能，实验过程将会被自动录屏，以视频形式形成实验报告。

四、智慧教室实验环境在《信息安全》实验教学中的应用策略

智慧教室为改革教学内容、转变师生地位、优化教学过程提供了基本条件，[10]尤其是在智慧教室中设计了实验教学环境，开展实验教学可以凸显学生的主体地位，增加学生获取知识的途径和参与课堂的机会，提高发现、分析和解决问题的能力。

1.《信息安全》通识课的实验项目设计

《信息安全》通识课程实验项目设计一般有两种方式：一种是根据信息安全包括的物理安全、网络安全、应用安全、数据安全和管理安全等层次设计专业实验项目，[11]适合于信息安全专业人才的技能培训。另一种是根据日常生活中接触的信息安全相关场景和面临的威胁设计实验项目，以科普教育的形式，培养学生实用的信息安全防护技能。此种方式适合《信息安全》通识课程实验教学。因此，该校根据后者实验项目设置方式，结合该校教学目标，将信息安全实验分为六个类别，具体如表1所示。因授课学时有限，实验项目可以分为必修和选学两类，共30多个实验项目，可满足学生课堂训练和课外自学的需要。

2.基于智慧教室的《信息安全》实验教学流程

在智慧教室环境下，《信息安全》课程实验教学内容可以分为三部分：第一部分是实验目的、实验原理和实验环境的描述，属于理论性较强的知识，适合教师利用多媒体屏幕讲授。第二部分是实验过程与方法，属于操作性较强的知识，必须配套实验环境，由教师分步骤向学生演示，学生观摩后和尝试练习。第三部分是实验结果展示，这部分内容具有理论和技术并重的特点，既需要教师总结和点评，又需要对实验操作的结果进行分析。因此，从课程内容属性和教学方法两个维度出发，在智慧教室环境下，可以将《信息安全》课程实验教学的内容分为讲授型、演示型、讲授+演示结合型三种教学模式，如图6所示。

在实验教学中，为了提高教学效率，可以将实验教学按照“学在课外，习在课内”的翻转课堂教学模式进行组织，[12]如图7所示，分为三个阶段：

（1）课前准备阶段

主要完成实验材料与环境的准备。教师和学生通过实验教材熟悉实验的内容和目标，然后由教师通过信息安全实验软件配置实验环境，向学生分发实验所需的工具和实验指导材料。学生登录信息安全实验软件，在线预习实验的基本要求，熟悉实验环境。

（2）课内探究阶段

主要完成学生的实验操作。教师通过讲授法，利用多媒体设备讲授实验要求和实验的原理，在操作台演示实验的过程、步骤和原理，使抽象的内容形象化、复杂内容简单化、静态内容生动化。[13]操作台的视频采集设备实时记录信号并通过视频分发功能传递给学生端，让学生自主学习实验操作关键环节和步骤。

教师演示完毕后，允许学生限时完成实验，由学生登录信息安全实验软件，按照实验步骤对实验项目进行探究，以学生自主实践探究为主，充分发挥学生的学习主动性，利用智慧教室提供的信息安全实验系统等实验情景和工具，进行探索性学习，完成个人知识构建。[14]每个小组的学生端视频采集终端同时记录学生的实验行为（包括实物操作行为视频和电脑操作录屏信号），教师可以随时调阅每个小组的实验操作情况，并扩展到讲台大屏幕和每个小组的电脑显示器，供学生观看。教师针对学生操作的问题进行解答，关键步骤可以点评或调取屏幕展示。

（3）课内评价阶段

主要完成实验总结与反思任务。在限定实验时间后，每组学生结合实验结果和过程进行反思和汇报，教师可以调取汇报小组的视频信号，供其他小组观摩，也可以对实验结果进行点评。智慧教室可以根据学生的表现和行为，对学生学习情况进行智慧化评价，给出评价结果，对于没有实现实验教学目标的小组，可以允许学生进入下一次实验，形成迭代实验，实现信息安全知识的内化和迁移，[15]提高学生主动分析问题与创新解决问题的能力。

五、小结

利用智慧教室开展信息安全实验教学是改进实验教学条件的一种方式，它可以丰富实验教学信息展示手段、记录实验过程、评价教学效果，有效改进信息安全实验教学效果。但是，目前国家还没有制定相对完善的智慧教室建设标准，各学校对智慧教室的理解和建設内容还不统一，这也给高校改造教学环境，推进信息安全实验教学改革工作提出了新的挑战。

另外，利用智慧教室开展实验教学还需要配套在线教学资源和实验教学软件，培养教师实践教学能力，深化实验教学设计，实现教学环境功能的提升，优化配置教学资源和人员素养相匹配的教学新生态，才能探索智慧教室环境下更为科学的实践教学模式。

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（编辑：李晓萍）