［摘 要］ 針對2020級至2022級信息安全專業(yè)學(xué)生，由于受到突發(fā)公共衛(wèi)生事件的影響而只能進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，進(jìn)而造成編程基礎(chǔ)普遍薄弱的現(xiàn)狀，以及當(dāng)前培養(yǎng)方案中缺乏專門面向信息安全專業(yè)學(xué)生開設(shè)的人工智能相關(guān)課程的不足，提出了基于新型對分課堂的信息安全專業(yè)人工智能入門課程建設(shè)方案，以有機(jī)融合對分課堂、“四個課堂”、微課教學(xué)、思政教學(xué)以及線上線下混合多種教學(xué)模式為路徑，介紹了具體課程建設(shè)過程并說明了建設(shè)效果。

［關(guān)鍵詞］ 對分課堂；人工智能；高等教育；教學(xué)改革；課程建設(shè)

［基金項目］ 2022年度國家自然科學(xué)基金委員會青年科學(xué)基金項目“在線問診服務(wù)回答質(zhì)量多源語義特征融合評價與智能預(yù)測方法研究”（62201576）；2023年度中國民航大學(xué)國家自然科學(xué)基金配套基金項目“在線問診服務(wù)回答質(zhì)量監(jiān)測關(guān)鍵問題研究”（3122023PT10）；2022年度中國民航大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目“民航旅客突發(fā)疾病應(yīng)急在線問診服務(wù)回答質(zhì)量自動評價方法研究”（3122022050）

［作者簡介］ 胡 澤（1989—），男，山西臨汾人，博士，中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要從事自然語言處理與人工智能研究；楊宏宇（1969—），男，吉林長春人，博士，中國民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院教授（通信作者），主要從事網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)安全研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）28-0138-06 ［收稿日期］ 2024-02-07

引言

傳統(tǒng)的線下授課方式在疫情防控期間受到了巨大沖擊，期間幾乎所有線上授課可行的課程都轉(zhuǎn)變?yōu)榱司W(wǎng)課，然而網(wǎng)課更適用于純理論性課程，對于程序設(shè)計這類強(qiáng)實踐性課程效果欠佳，這是因為程序設(shè)計這類強(qiáng)實踐性課程對于大部分熟悉中學(xué)階段理論課程教學(xué)方式的大一新生來講，屬于一種非常陌生、難以適應(yīng)的新型課程。東部和中西部教育水平的差異也導(dǎo)致大一新生的計算機(jī)操作水平差異過大，程序設(shè)計類課程需要教師在授課過程中，能夠?qū)崟r觀察學(xué)生的表情和課堂氛圍，及時判斷學(xué)生的接受狀態(tài)，并根據(jù)這些情緒反饋信息，動態(tài)調(diào)整授課節(jié)奏，優(yōu)化授課內(nèi)容。而這些要求是網(wǎng)課無法滿足的，從而導(dǎo)致一些2020級至2022級的大一新生未能打好編程基礎(chǔ)，對他們后續(xù)課程的學(xué)習(xí)造成了巨大困擾，特別是強(qiáng)實踐性的大型課程設(shè)計以及畢業(yè)設(shè)計。

同時，由文獻(xiàn)［1］可知，以中國民航大學(xué)為例，信息安全專業(yè)2020版培養(yǎng)方案缺乏專門針對信息安全專業(yè)學(xué)生開設(shè)的人工智能相關(guān)課程，而具備運用人工智能算法解決實際信息安全問題的應(yīng)用能力，在當(dāng)前人工智能火熱的年代無疑對提升信息安全專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)和升學(xué)競爭力具有十分重要的作用。因此，盡快打造一門統(tǒng)籌考慮編程水平提升、人工智能應(yīng)用以及信息安全問題建模的入門級專業(yè)選修課供學(xué)生選修變得至關(guān)重要。結(jié)合學(xué)生的迫切需求以及實際教學(xué)經(jīng)驗，可以將對分課堂教學(xué)模式融入新建課程的具體教學(xué)過程中，并圍繞課程強(qiáng)實踐性的特性，引入“四個課堂”、微課教學(xué)、思政教學(xué)以及線上線下混合教學(xué)模式進(jìn)行多教學(xué)模式融合，以期取得“獨木難支，眾擎易舉”的課程建設(shè)成效。

一、課程建設(shè)路徑分析

為了有效提升信息安全專業(yè)2020級至2022級學(xué)生的編程水平，培養(yǎng)他們運用人工智能算法解決實際信息安全問題的應(yīng)用能力，從課程內(nèi)容建設(shè)和教學(xué)模式建設(shè)兩方面進(jìn)行了探索。

（一）課程內(nèi)容

為了解決2020級至2022級學(xué)生編程基礎(chǔ)普遍薄弱，以及當(dāng)前培養(yǎng)方案中缺乏專門針對信息安全專業(yè)學(xué)生開設(shè)的人工智能相關(guān)課程的問題，課程內(nèi)容建設(shè)須要從編程水平提升、人工智能應(yīng)用以及信息安全問題建模三方面入手，同時考慮到課程的入門性質(zhì)和選修性質(zhì)，課程內(nèi)容應(yīng)以偏應(yīng)用為主，不宜引入過多數(shù)學(xué)方面的理論推導(dǎo)內(nèi)容。

1.編程水平提升。經(jīng)過分析信息安全專業(yè)2020版培養(yǎng)方案，發(fā)現(xiàn)大一年級用于培養(yǎng)學(xué)生編程能力的課程主要為“程序設(shè)計與編碼安全”“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計”，而這兩門課所采用的編程語言分別為C和C++，這兩種編程語言屬于經(jīng)典的重語法的程序設(shè)計語言，具有函數(shù)指針以及指針函數(shù)等復(fù)雜概念，對新手極不友好，而網(wǎng)課則進(jìn)一步加大了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，導(dǎo)致學(xué)生的編程基礎(chǔ)普遍薄弱。因而，要想快速提升學(xué)生的編程水平，就須要選擇一種可以短平快掌握的輕語法編程語言，讓學(xué)生從復(fù)雜的語法細(xì)節(jié)中解放出來，把主要精力放在更有價值的問題求解上，而這種編程語言就是Python。Python語言作為當(dāng)前火熱的人工智能方向的基礎(chǔ)編程語言，具有代碼易讀易懂、編寫效率高、側(cè)重問題求解以及開源等諸多優(yōu)點，有望徹底改變初學(xué)者學(xué)習(xí)編程語言時“心有余而力不足”的狀況［2］。

2.人工智能應(yīng)用。考慮到本課程的入門性質(zhì)和選修性質(zhì)，主要培養(yǎng)學(xué)生對人工智能算法的基礎(chǔ)應(yīng)用能力，不過多關(guān)注理論研究。因而，授課內(nèi)容主要包含機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念、一般開發(fā)流程以及基于Python語言的開源機(jī)器學(xué)習(xí)包Scikit-learn在信息安全方向的實戰(zhàn)應(yīng)用。Scikit-learn包含分類、回歸、降維以及聚類四大類機(jī)器學(xué)習(xí)算法，同時還包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征選擇、模型驗證以及模型性能評估等模塊［3］。對于人工智能初學(xué)者來講，使用Scikit-learn通常只需要兩個步驟便可以建立用于解決實際問題的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。（1）鑒別實際問題所屬類型，是分類問題？還是回歸問題？還是降維問題？抑或是聚類問題？（2）確定實際問題類型后，從Scikit-learn中調(diào)用對應(yīng)問題類型的具體機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行建模［3］。

3.信息安全問題建模。信息安全是一個很大的概念，涵蓋了網(wǎng)絡(luò)安全、物理安全等諸多方面［4］。受限于有限的學(xué)時以及學(xué)生在信息安全專業(yè)2020版培養(yǎng)方案中前續(xù)課程“網(wǎng)絡(luò)攻擊與防御”和“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)開發(fā)與數(shù)據(jù)庫實踐”奠定的基礎(chǔ)，本課程選擇網(wǎng)絡(luò)安全的子集Web安全作為授課內(nèi)容，以便于學(xué)生更好地理解問題屬性，構(gòu)建或者篩選合理的數(shù)據(jù)集，選擇恰當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄芩惴ㄟM(jìn)行Web安全問題建模。

（二）教學(xué)模式

由于本課程屬于強(qiáng)實踐性的程序設(shè)計類課程，單一的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足實際的教學(xué)需求，因而須要同時融合多種教學(xué)模式的優(yōu)點，以實現(xiàn)課程教學(xué)質(zhì)量的提升，即以對分課堂為主線，有機(jī)融入“四個課堂”、微課教學(xué)、思政教學(xué)以及線上線下混合多種教學(xué)模式。

1.對分課堂。對分課堂教學(xué)模式非常適合基于Python語言的程序設(shè)計類課程教學(xué)，主要分為講授、內(nèi)化吸收以及隔堂討論三個環(huán)節(jié)，其最大的優(yōu)勢便是隔堂討論給了學(xué)生足夠的課下時間去內(nèi)化吸收上一次課所講授的新知識點［5］。充足的課下時間保證了學(xué)生可以在下堂課的集體討論前得到充分的上機(jī)實踐機(jī)會，培養(yǎng)類似于英語“語感”的“碼感”。因而，本課程建設(shè)采用對分課堂教學(xué)模式作為主線，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，強(qiáng)化實踐能力培養(yǎng)。

2.“四個課堂”?！八膫€課堂”教學(xué)模式旨在充分利用學(xué)生的課內(nèi)外、校內(nèi)外、線上線下的時間和空間，有效提升學(xué)生在學(xué)習(xí)上的主觀能動性。其中第一課堂主要指傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，第二課堂主要指校內(nèi)課外活動，第三課堂主要指校外實踐活動，第四課堂主要指外部引入或者教師自創(chuàng)的網(wǎng)絡(luò)課堂［6］。結(jié)合本課程以及對分課堂的特點，選擇第一課堂和第四課堂引入課程建設(shè)。

3.微課教學(xué)。微課是實現(xiàn)線上線下混合教學(xué)模式的重要載體，主要指教師結(jié)合學(xué)生能力水平和實際需求圍繞某個知識點、習(xí)題或者實驗等教學(xué)要素所開展的能夠有效解決教學(xué)過程中重點及難點問題的“短小精悍”的完整教學(xué)活動［7］。微課錄制不僅要把教師的講解、理解、情感活動、價值觀、教學(xué)方法以及教育策略記錄下來作為構(gòu)建第四課堂的線上資源，而且要統(tǒng)籌考慮與第一課堂的有機(jī)銜接，使這兩個課堂相輔相成、優(yōu)勢互補(bǔ)。微課有效地緩解了學(xué)生在傳統(tǒng)課堂上所面臨的理解和記錄負(fù)擔(dān)，學(xué)生可以隨時暫停、回放或者快進(jìn)微課視頻，完全自主地控制學(xué)習(xí)節(jié)奏，不用再像傳統(tǒng)課堂那樣忙于做筆記，沒有時間停頓反思［8］。因而，本課程建設(shè)考慮引入微課教學(xué)模式。

4.思政教學(xué)。Web安全關(guān)系到國家安全，國家安全關(guān)系到社會穩(wěn)定，XSS攻擊、SQL注入攻擊、DDoS攻擊以及僵尸網(wǎng)絡(luò)等層出不窮的攻擊手段對國家政治、軍事、經(jīng)濟(jì)等都造成了巨大影響［4］。面對指數(shù)級增長的攻擊日志數(shù)據(jù)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對攻擊手段進(jìn)行建模分析可能是最為契合的解決手段。雖然Web無國界，但是每個Web安全從業(yè)者卻有自己的祖國，應(yīng)該具有國家責(zé)任感和堅定的國家安全政治立場。因而，在本課程建設(shè)中將專業(yè)知識與思政元素進(jìn)行隱性交融是十分自然的，有望實現(xiàn)專業(yè)教育與思政教育的協(xié)同共贏，切實提高立德樹人水準(zhǔn)［9］。

5.線上線下混合式教學(xué)。線上線下混合教學(xué)模式可以讓學(xué)生由傳統(tǒng)課堂的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，更加深入地參與教學(xué)活動中，不僅符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律，而且契合教師的教學(xué)規(guī)律［10］。其前提是構(gòu)建用于第四課堂的線上資源，而翻轉(zhuǎn)課堂是其有效的執(zhí)行方式，可以在對分課堂的隔堂討論環(huán)節(jié)發(fā)揮巨大的作用，微課又是第四課堂和翻轉(zhuǎn)課堂得以實現(xiàn)的重要載體［11-13］。因而，本課程建設(shè)決定引入線上線下混合教學(xué)模式。

二、課程建設(shè)具體過程

（一）緊密契合學(xué)生實際需求的課程內(nèi)容建設(shè)

根據(jù)課程建設(shè)路徑分析小節(jié)對課程內(nèi)容的探索結(jié)果，本課程命名為“Web安全中的人工智能應(yīng)用入門”。課程的地位確定為：信息安全專業(yè)的專業(yè)選修課程，是信息安全專業(yè)唯一一門將Python語言程序設(shè)計、人工智能以及Web安全統(tǒng)籌考慮的入門級課程。開設(shè)本課程對于培養(yǎng)學(xué)生綜合運用人工智能算法分析和解決Web安全問題的初步實踐能力、提高就業(yè)競爭力具有十分重要的作用。

課程的任務(wù)確定為：通過本課程的學(xué)習(xí)和實踐，學(xué)生應(yīng)該掌握Python程序設(shè)計、人工智能算法以及Web安全的基本概念和基本方法，了解從問題分析到程序設(shè)計，再到程序維護(hù)整套程序設(shè)計流程，具備利用Python語言實現(xiàn)簡單人工智能算法并解決實際Web安全問題的開發(fā)能力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和綜合運用知識能力。

課程的教學(xué)目標(biāo)確定為：（1）使學(xué)生具備基本的問題分析能力，能夠根據(jù)具體的Web安全問題，進(jìn)行需求分析，并完成人工智能應(yīng)用方案設(shè)計。（2）使學(xué)生了解人工智能程序設(shè)計技術(shù)和基本方法，掌握Python的基本語法、基本控制結(jié)構(gòu)等程序設(shè)計的基本方法，掌握科學(xué)計算庫Numpy和機(jī)器學(xué)習(xí)庫Scikit-learn的基本用法，能夠意識到實踐在本課程學(xué)習(xí)中的重要性。（3）使學(xué)生具備一定的軟件開發(fā)能力，能夠熟練運用Python語言實現(xiàn)人工智能應(yīng)用方案，針對具體的Web安全問題進(jìn)行分析和編程。（4）培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)具體的Web安全問題設(shè)計有效的人工智能實驗方案，并且對實驗結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)的能力，提升其問題建模與分析能力。具體的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)程安排如表1所示。

（二）以實踐為中心的融合教學(xué)模式建設(shè)

根據(jù)課程建設(shè)路徑分析小節(jié)對教學(xué)模式的探索結(jié)果，本課程按照教學(xué)全流程的課前、課中和課后三個階段，設(shè)計了以實踐為中心的融合教學(xué)模式，如表2所示，旨在引導(dǎo)學(xué)生主動了解人工智能在Web安全領(lǐng)域的應(yīng)用方式及具體實踐流程，突出理論與實際相結(jié)合，采用啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生使用人工智能思維分析和解決Web安全問題的能力。

在課前階段的預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，教師可以利用以自建微課為載體的第四課堂線上資源向?qū)W生講解偏理論部分，幫助學(xué)生事先了解和熟悉相關(guān)新知識點，從而節(jié)省課中階段時間，使得教師在第一課堂的線下講授環(huán)節(jié)采用強(qiáng)實踐性的邊講邊練方式為學(xué)生現(xiàn)場編程講解重點及難點內(nèi)容，并根據(jù)學(xué)生對預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)的反饋信息進(jìn)行個性化編程指導(dǎo)。

課中階段的講授環(huán)節(jié)作為對分課堂的核心環(huán)節(jié)，直接決定了課后階段內(nèi)化吸收環(huán)節(jié)和下次課課中階段隔堂討論環(huán)節(jié)的執(zhí)行效果［5］。而要確保講授環(huán)節(jié)的執(zhí)行質(zhì)量，就須要確保學(xué)生在課前階段的預(yù)習(xí)效果，可以從課次2開始采用在課中階段的隔堂討論環(huán)節(jié)隨機(jī)抽取學(xué)生上講臺當(dāng)眾講授微課特定知識點或者現(xiàn)場編程以微課為基礎(chǔ)的編程題目的方式來實現(xiàn)。

從課次2開始，在課中階段的第一課堂上的線下隔堂討論環(huán)節(jié)，教師可以采用翻轉(zhuǎn)課堂的形式為學(xué)生提供更多的上機(jī)實踐和互動討論機(jī)會，通過挑選一些出現(xiàn)新手常見錯誤的學(xué)生上講臺現(xiàn)場上機(jī)編程復(fù)現(xiàn)他們的錯誤，讓全體學(xué)生共同互動討論，幫助講臺上的學(xué)生各個擊破出現(xiàn)的錯誤，這種集成群體智慧的糾錯過程將有助于磨煉和提升全體學(xué)生的編程水平，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和動力。

在課后階段的線上內(nèi)化吸收環(huán)節(jié)，教師可以提供課中階段的課堂實錄供學(xué)生鞏固所學(xué)編程技能，之所以選擇課堂實錄的方式來強(qiáng)化學(xué)生的內(nèi)化吸收水平，是因為程序設(shè)計屬于強(qiáng)實踐性課程，動態(tài)的編碼過程正如書寫文字的筆畫有先后順序一樣，體現(xiàn)了教師的計算思維。編程學(xué)習(xí)本身是一個模仿、試錯和再創(chuàng)造的動態(tài)過程，如果只是展示現(xiàn)成的冷冰冰的完整代碼，學(xué)生將很可能“知其然而不知其所以然”，以至于難以下手上機(jī)實踐。學(xué)生通過在內(nèi)化吸收環(huán)節(jié)反復(fù)觀看課堂實錄，并且完成講授環(huán)節(jié)所布置的課后作業(yè)任務(wù)，可以為下次課的隔堂討論環(huán)節(jié)做好充分的學(xué)習(xí)積累。

思政教學(xué)則以引入思政案例的方式將思政元素自然融入專業(yè)知識講授的全階段、全環(huán)節(jié)，例如可以在學(xué)習(xí)Web安全基礎(chǔ)時的課中階段隔堂討論環(huán)節(jié)，師生共同探討“Web安全對國家安全的潛在影響”；在學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計基礎(chǔ)（2）時的課前階段預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生思考如何結(jié)合格式化輸出和字符串知識點打印輸出“新時代民航精神”；在學(xué)習(xí)Python程序的文件操作時的課后階段內(nèi)化吸收環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生運用文件操作知識以“紅船領(lǐng)航，奮楫揚帆”為主題解讀“紅船精神”。

（三）突出實踐能力考核的評價體系建設(shè)

不同于傳統(tǒng)的理論課程，程序設(shè)計課程是無法通過期末考前突擊的方式輕松通過考核的，更強(qiáng)調(diào)平時勤下功夫、上機(jī)實踐，培養(yǎng)所謂的編程直覺“碼感”?？紤]到本課程的強(qiáng)實踐性特性，課程考核以全部進(jìn)程性考核形式進(jìn)行，分為過程性考核和專題報告兩個環(huán)節(jié)。為了鼓勵學(xué)生積極參與課中階段的隔堂討論環(huán)節(jié)，課堂討論和出勤作為平時成績占比15％。為了約束學(xué)生在平時勤加上機(jī)練習(xí)，夯實編程基本功，過程性考核按照課程進(jìn)程分三次進(jìn)行，每次占比15％，總計45％，以主要考核學(xué)生的編程能力。為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)人工智能算法分析和解決Web安全問題的初步實踐能力，以期為后續(xù)本科畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)以及提升就業(yè)、升學(xué)競爭力，專題報告主要考核學(xué)生對“人工智能在Web安全中的應(yīng)用”主題的理解，占比40％，并從四個維度進(jìn)行綜合評價：（1）邏輯清晰、層次分明、語言簡潔、版式規(guī)范，滿分5分；（2）原理分析全面、透徹，滿分15分；（3）緊密結(jié)合具體Web安全場景描述應(yīng)用，解決安全問題，滿分15分；（4）核心代碼展示及個性化注釋完善，滿分5分。

結(jié)語

本課程被安排在大三下選修，于2023年春季面向2020級學(xué)生首次開課，學(xué)生在大三下還需選修兩門專業(yè)選修課修滿選修學(xué)分，總共五門專業(yè)選修課供學(xué)生選擇，分別為“Web安全中的人工智能應(yīng)用入門”“嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及安全”“無線通信安全”“網(wǎng)絡(luò)化空管信息安全”以及“區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用”。從選課情況來看，累計89名學(xué)生選擇了本門課程，涵蓋了信息安全專業(yè)2020級全部學(xué)生，從學(xué)生在2023年秋季學(xué)期對2024年春季學(xué)期的選課情況來看，選課人數(shù)再創(chuàng)新高，達(dá)到了93名，甚至部分2023級的大一學(xué)生也提前選修本課程，足以說明本課程建設(shè)深受學(xué)生歡迎。從評教結(jié)果來看，學(xué)生對體現(xiàn)本課程建設(shè)教學(xué)模式有效性的評價指標(biāo)“課上課下積極營造師生交流互動的學(xué)習(xí)氛圍”（本課程得分：91.1，全部課程平均得分：87.9）和“激發(fā)學(xué)生興趣，啟發(fā)學(xué)生思考，開闊學(xué)生視野”（本課程得分：91.1，全部課程平均得分：88.3）均給出了高度評價，證明了本課程建設(shè)思路的有效性。本課程的建設(shè)思路不僅適合推廣到計算機(jī)專業(yè)建設(shè)類似課程以供編程基礎(chǔ)不足或者對人工智能應(yīng)用感興趣的高年級學(xué)生選修，而且適合推廣到非計算機(jī)專業(yè)建設(shè)相關(guān)課程以供對Python語言程序設(shè)計和人工智能應(yīng)用感興趣的低年級學(xué)生選修。

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Construction of an Introductory Artificial Intelligence Course Based on a Novel PAD Class： A Case Study of the Information Security Major

HU Ze， YANG Hong-yu

（School of Safety Science and Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）

Abstract： For the students majoring in Information Security from the academic years 2020 to 2022， the prolonged impact of the sudden public health emergencies has compelled them to engage in online learning， resulting in a general weakness in their programming foundations. Additionally， the existing training program lacks specialized artificial intelligence courses tailored for Information Security students. In response to this， this paper proposes a course construction plan for an introductory course on artificial intelligence for Information Security major， based on a novel PAD class. This plan aims to seamlessly integrate various teaching modes， including PAD class， four classrooms， micro-lecture， ideological and political teaching， and online and offline blended methods. The paper outlines the specific course construction process and elucidates the anticipated outcomes.

Key words： PAD class; artificial intelligence; higher education; teaching reform; course construction