邱 菡，朱俊虎，李玉峰，2，周天陽，丁文博

（1.解放軍信息工程大學 網(wǎng)絡空間安全學院，河南 鄭州 450002；2.國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002）

基于三段式課堂的大學實驗課程教學設(shè)計與實踐

邱 菡1，朱俊虎1，李玉峰1，2，周天陽1，丁文博1

（1.解放軍信息工程大學 網(wǎng)絡空間安全學院，河南 鄭州 450002；2.國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450002）

針對大學實驗課程自身的特點以及實驗課堂教學中個性化指導的學生學習情況難以及時獲取的問題，提出基于實驗階段映射的隨機化旗標機制，闡述基于“講授、實踐、討論”三段式課堂教學模式開展的實驗課程教學設(shè)計過程以及網(wǎng)絡安全技術(shù)實驗課程的具體實踐過程。

三段式課堂；建構(gòu)主義；實驗教學；信息安全

0 引 言

實驗是理論聯(lián)系實際的重要途徑，實驗教學對于培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新意識和綜合素質(zhì)具有重要意義。傳統(tǒng)的實驗教學注重實驗環(huán)境建設(shè)和實驗結(jié)果，導致學生知其然而不知其所以然，不能適應現(xiàn)代技術(shù)迅速發(fā)展的特點，無法滿足市場對創(chuàng)新應用型人才的需求。此外，信息化技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)多種類型的教育手段和方法帶來契機。為此，我們提出“講授、實踐、討論”三段式課堂教學模式[1]，并以此為基礎(chǔ)，針對實驗教學的特點進行教學設(shè)計和實踐，將以學生為主體的思想貫穿于實驗教學始終，綜合運用當前的信息技術(shù)實現(xiàn)對該教學模式的全面支撐。

1 實驗課程教學現(xiàn)狀

國內(nèi)的實驗教學普遍被認為用以輔助大學課堂教學，因而存在著對實驗教學重視程度不夠、教學方法單一等問題，導致學生在實驗過程中出現(xiàn)照搬實驗指導書，對實驗內(nèi)容知其然而不知其所以然。隨著高等教育的迅速發(fā)展，通過借鑒國內(nèi)外先進實驗教學理念并在長期教學實踐的基礎(chǔ)上，近10年來，國內(nèi)高校的實驗課程教學開始從傳統(tǒng)型實驗教學向創(chuàng)新型實驗教學轉(zhuǎn)變，逐步探索出以學生為主體、面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學模式。

建構(gòu)主義學習理論強調(diào)學生對知識的主動探索和構(gòu)建，目前已經(jīng)被大量應用于大學課程教學改革[23]，一些實驗課程也開始了相關(guān)探索。文獻[4]和[5]分別以計算機實驗教學和計算機硬件實驗教學為例，運用建構(gòu)主義學習理論從實驗內(nèi)容設(shè)置、實驗組織形式、實驗考核方式等方面進行教學改革并實踐。翻轉(zhuǎn)課堂、微課程等信息化時代背景下的新型教學模式，近年來也被引入大學實驗教學改革中[67]。雖然這些改革方法能夠有效提高實驗教學效果，但是在實施過程中還存在以下兩個問題。

一是難以實現(xiàn)及時的個性化指導。無論是建構(gòu)主義學習理論，還是翻轉(zhuǎn)課堂，都強調(diào)以學生為主體，因此，在學生實驗這一實驗教學的核心環(huán)節(jié)中，對學生進行個性化指導是關(guān)鍵。然而，我國大學生數(shù)量較多，教育資源相對缺乏，以解放軍信息工程大學（以下簡稱我校）為例，信息安全專業(yè)每學年學生在50名以上，相應的實驗課程教師只有1名，要在實驗過程中及時了解每位學生的實驗進展和面臨的問題，幾乎不可能。學生主動提問這一解決方法取決于學生的主動性，教師現(xiàn)場查看并不能快速、全面地掌握學生的真實學習情況，及時的個性化指導受到教育資源的制約。目前，信息技術(shù)主要應用在實驗課程的實驗環(huán)境、翻轉(zhuǎn)課堂和微課堂的教學資源準備以及課下交流方面，缺乏對于課堂實驗教學組織實施過程的支持。

二是對知識進一步內(nèi)化的重視程度不夠。以學生為主體，強調(diào)教師是學生學習過程的引導者和協(xié)助者。學生實驗是知識內(nèi)化的過程，實驗過程中，學生可能存在認識深度有限、認識出現(xiàn)偏差等問題，導致實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差甚至不能達成。鑒于個性化指導存在不全面、不系統(tǒng)等問題，教師除了需要在實驗過程中對學生進行引導和協(xié)助之外，還需要設(shè)置額外的環(huán)節(jié)幫助學生進行知識的進一步內(nèi)化。

2 基于三段式課堂的大學實驗課程教學設(shè)計

三段式課堂是我們針對信息安全專業(yè)課程的特點，吸收翻轉(zhuǎn)課堂和對分課堂的精華，運用建構(gòu)主義學習理論提出的以學生為主體的教學模式[1]。課程內(nèi)容按照專題劃分，三段式課堂由講授、實踐和討論3個順序環(huán)節(jié)構(gòu)成，對應知識獲取、知識內(nèi)化以及知識進一步獲取和內(nèi)化的過程；講授環(huán)節(jié)可以融合采用支架式教學法和情境式教學法，實踐和討論環(huán)節(jié)聯(lián)合采用情境式教學法。

與理論課程教學不同，實驗課程教學中的講授、實踐和討論3個環(huán)節(jié)均占用課堂時間，在課堂內(nèi)完成。其中，實踐環(huán)節(jié)課時量占主要地位，具體的課時量分配由具體教學內(nèi)容決定。實驗課程教學與理論課程教學的討論環(huán)節(jié)相一致，具體參見文獻[1]，其余兩個環(huán)節(jié)的具體教學設(shè)計如下。

2.1 講授環(huán)節(jié)教學設(shè)計

實驗課程講授環(huán)節(jié)的教學目標是學生能掌握實驗原理及了解實驗步驟，而非知曉實驗細節(jié)，因此，講授內(nèi)容主要是實驗所涉及的概念、原理和過程。該環(huán)節(jié)教學設(shè)計的重點在于吸引學生興趣，激發(fā)其學習主動性，具體可綜合采用支架式教學法、情境式教學法和啟發(fā)式教學法。

在實驗課程準備階段，教師須對每一個實驗專題進行梳理，剝離實驗細節(jié)，提取概念、原理和過程，針對該專題的總體教學目標盡可能創(chuàng)設(shè)與學生生活或者工作相關(guān)的情境。實驗課堂教學階段，講授環(huán)節(jié)主要包含情境設(shè)立、支架搭建、問題分析、評價反思等步驟，教師的主要工作是拋出與實驗內(nèi)容密切相關(guān)的情境，引出該實驗專題所涉及的問題，啟發(fā)學生對問題進行深入分析，根據(jù)分析的具體情況適時搭建支架，對分析結(jié)果進行評價和反思，點明實踐環(huán)節(jié)需要注意的重點問題。

2.2 實踐環(huán)節(jié)教學設(shè)計

實驗課程的實踐環(huán)節(jié)是課程的重點，包含情境式教學法中的情境設(shè)立、獨立探索、評價等步驟。其中，情境設(shè)立由教師在課程準備階段完成，需要根據(jù)教學目標設(shè)置能夠激發(fā)學生興趣的實踐情境。實踐情境應該具備代表性、實用性和完備性，代表性是指所設(shè)計出的實踐情境是符合教學目標的通用情況；實用性是指所設(shè)計出的實踐情境是現(xiàn)實中的常見情況；完備性是指所設(shè)計出的實踐情境能夠涵蓋教學目標所要求的所有要素。

教師在實踐環(huán)節(jié)中的主要工作是及時掌握學生的實驗情況，有針對性地進行指導，啟發(fā)學生對問題進行分析和解決，并發(fā)現(xiàn)實驗過程中的共性和難點問題。

3 三段式課堂的實驗教學實踐

3.1 網(wǎng)絡安全技術(shù)實驗課程內(nèi)容安排

2016年和2017年，我校信息安全專業(yè)學生分別為57人和58人，網(wǎng)絡安全技術(shù)課程包括理論40學時和實驗40學時。其中，每周分別有1次理論課程和1次實驗課程，每次2學時，共上課20周。我們將實驗課程內(nèi)容劃分為12個專題，每個專題的課程教學按照講授、實踐和討論3個環(huán)節(jié)組織，均占用課堂時間，具體時間安排見表1，各專題的實驗內(nèi)容從教材《網(wǎng)絡安全實驗教程》[8]中選取。

目前市面上的網(wǎng)絡安全實驗教材都描述了詳細的實驗步驟，具有很強的實操性，但是將其作為教材配發(fā)給學生在課堂使用時，這些完備的操作信息和既定的實驗步驟反而會增加學生的依賴性，扼殺學生的創(chuàng)新性，導致實驗完成而教學目標卻遠遠沒有達到。對此，按照支架式教學法的思想，可將教材中的關(guān)鍵實驗步驟抽取出來，剔除具體代碼、工具參數(shù)設(shè)置等詳細信息，讓學生在掌握實驗原理和基本步驟后就開始實驗；實驗過程中，為學生提供詳細的工具使用說明文檔，由學生根據(jù)實驗的具體需求，自主學習工具的使用方法并完成實驗。

表1 網(wǎng)絡安全技術(shù)實驗課程三段式課堂教學設(shè)計

3.2 綜合實驗教學設(shè)計

綜合實驗的教學目標是使學生掌握網(wǎng)絡攻擊流程，在網(wǎng)絡攻擊各階段能綜合運用各種攻擊方法，掌握網(wǎng)絡動態(tài)安全模型，在網(wǎng)絡安全各個階段能熟練地綜合運用各種防護手段，鍛煉學生靈活運用工具和熟練解決網(wǎng)絡安全領(lǐng)域問題的能力。專題的各環(huán)節(jié)教學設(shè)計如下。

講授環(huán)節(jié)綜合運用支架式教學法、情境式教學法和啟發(fā)式教學法，如圖1所示。

實踐環(huán)節(jié)根據(jù)實驗環(huán)境和學生情況，可采用小組實驗形式，也可采用個人實驗形式。實驗內(nèi)容模擬典型的企業(yè)環(huán)境，包含外網(wǎng)區(qū)域、DMZ區(qū)域和內(nèi)網(wǎng)區(qū)域，具體網(wǎng)絡拓撲見文獻[8]中圖13.1。攻擊要素涵蓋口令攻擊、Web腳本攻擊、漏洞利用、ARP欺騙等攻擊方法，具體漏洞/脆弱性分布情況見文獻[8]中表13.2。目標網(wǎng)絡的所有節(jié)點上均設(shè)置旗標（ fl ag）信息，要獲得所有的旗標信息就必須獲得目標網(wǎng)絡中所有主機的控制權(quán)，執(zhí)行完整的網(wǎng)絡攻擊流程。在實驗過程中，學生獲取到旗標信息就立即通過實驗平臺提交，由此，教師可以實時掌握學生的實驗進度，了解整體情況，及時對進度緩慢的學生進行針對性的指導。

圖1 綜合實驗講授環(huán)節(jié)教學設(shè)計

討論環(huán)節(jié)中，教師指出實驗過程中出現(xiàn)的普遍問題和難點問題，并指定具有代表性和特色的學生進行實驗過程展示，并針對教師所提的問題以及實驗心得體會與大家進行交流。在交流過程中，教師拋出問題引發(fā)學生進一步思考和課下驗證。綜合實驗部分的難點問題包括快速高效的主機掃描和防火墻過濾規(guī)則的發(fā)現(xiàn)，延伸問題包括攻擊路徑的多樣性和攻擊的隱蔽性。

3.3 實時實驗情況掌握

及時、個性化的實驗指導是以學生為主體的教學方法的內(nèi)涵要求，然而在教師資源有限的情況下，通過教師現(xiàn)場觀察和抽查、學生主動提問等方式，教師很難及時、全面地掌握學生的實驗情況，從而難以實現(xiàn)及時的個性化實驗指導。由于網(wǎng)絡安全實驗是在計算機網(wǎng)絡上開展且具有一定的破壞性，目前該類實驗大多基于系統(tǒng)虛擬化和網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)搭建實驗平臺[910]。這些實驗平臺主要提供對實驗環(huán)境、人員管理、成績管理等的支持，缺乏對實驗情況的實時監(jiān)控和評價支持，我們之前提出的基于攻擊向量的攻擊過程評價雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對攻擊實驗過程的跟蹤[10]，但是不能獲取實驗所處的狀態(tài)，難以掌握全面的進展情況。

為了及時獲取全面的實驗情況，可參考當前CTF（catch the fl ag）競賽的評判機制，在原有實驗平臺上設(shè)計基于實驗階段映射的隨機化旗標機制；根據(jù)實驗內(nèi)容和目標將實驗過程劃分成不同的階段，每個階段具有可識別的階段性成果，如某個目標系統(tǒng)或者目標網(wǎng)站的控制權(quán)，可通過學生獲取某個目標系統(tǒng)或網(wǎng)站下的字符串（即旗標）來標識。在批量生成實驗環(huán)境時，為不同的學生生成隨機化的旗標；學生在實驗過程中一旦獲取到旗標，立即通過實驗平臺提交，由實驗平臺自動比對旗標的正確性，并進行記錄和總體情況呈現(xiàn)。2016年度綜合實驗的旗標提交情況如圖2所示，該圖可以實時更新。由此，教師可推斷出所有學生所處的實驗階段，并且旗標的隨機化能有效防范抄襲。圖2中有2名學生未提交 fl ag，處于實驗第1階段，正在進行Web網(wǎng)站突破；1名學生只提交了“ fl ag-host1-Web”旗標，處于實驗的第2階段，正在嘗試突破Web服務器；3名學生只提交了“ fl ag-host1-host”旗標，處于實驗第3階段，正在嘗試內(nèi)網(wǎng)滲透，由于未提交“ fl ag-host1-web”旗標，可以推斷在第1階段Web網(wǎng)站突破后未能進行有效的信息收集。針對進度較慢的這些學生，教師可以調(diào)用預先安裝在學生用機中的VNC（virtual network computing）遠程桌面服務，在不影響學生實驗的情況下遠程查看學生對應的操作界面，發(fā)現(xiàn)學生面臨的問題，并利用局域網(wǎng)即時通訊工具對學生進行針對性的啟發(fā)指導。

4 結(jié) 語

圖2 綜合實驗旗標實時提交情況

實驗教學改革的教學目標從對學生動手操作能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)變到對分析能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，關(guān)注熱點也從實驗環(huán)境建設(shè)逐步過渡到實驗內(nèi)容建設(shè)和教學方法改革。講授、實踐和討論三段式課堂教學模式強調(diào)學生的主體性和知識內(nèi)化的重要性，鑒于實驗課程是以實踐為主體的課程，我們將三段式課堂教學模式引入實驗教學，針對實驗教學課程特點進行教學設(shè)計，并在網(wǎng)絡安全技術(shù)實驗課程進行教學實踐。及時的個性化指導是以及時、全面了解實驗情況為基礎(chǔ)，在網(wǎng)絡安全實驗平臺上通過引入隨機化旗標，可以實現(xiàn)及時、全面的實驗情況獲取，運用遠程桌面服務可實現(xiàn)個別情況詳查。實踐表明，現(xiàn)有信息技術(shù)能夠為教學模式的實現(xiàn)提供支撐；考核和反饋結(jié)果表明，學生做實驗的積極主動性顯著提高，分析問題和解決問題的能力得到有效鍛煉。

三段式課堂教學模式包含講授環(huán)節(jié)，因此不僅適用于與理論課程并行開設(shè)的實驗課程，還適用于獨立開設(shè)的實驗課程。下一步，我們將在獨立開設(shè)的實驗課程中進行相關(guān)教學實踐，以期進一步完善三段式課堂的實驗教學設(shè)計，為實驗教學改革提供有益參考。

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1672-5913(2017)11-0146-04

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邱菡，女，副教授，研究方向為網(wǎng)絡信息安全，qiuhan410@aliyun.com。

（編輯：宋文婷）