MOOC參與的安全實驗課程教學改進研究

孫偉峰　邢元勛　覃振權

摘要：與計算機安全相關的課程有多門，多數要配備實驗課程。文章以計算機病毒與入侵檢測實驗課程為例，針對實驗課程形式單一、內容重復的狀況，分析當代大學生動手實驗能力不足、課程學習效果較差的原因，對計算機病毒入侵與檢測實驗課程教學的改進進行思考，最后提出一種因材施教、MOOC參與、理論指導為輔的實驗課程教學改進模式。

關鍵詞：MOOC；網絡安全實驗課程；因材施教；輔助理論指導；教學改進

1.背景

網絡空間安全專業是國家一級學科專業，對信息安全人才的培養起到舉足輕重的作用。網絡安全的專業課包含多門，如大連理工大學軟件學院的安全專業課程包括信息論、密碼理論與技術、網絡協議棧分析與設計、計算機病毒和入侵檢測、無線網絡安全技術等。其中，計算機病毒與入侵檢測課程是一門以實驗課為主、理論課為輔的網絡安全課程。筆者曾在論文《無線網絡技術教學形式及內容“超市化”研究》中提出，在無線網絡技術內容和形式改革、上課和實驗結合、課內和課外互動結合、培養學生研究能力等方面進行探索和實踐，闡述理論課和實驗課的內容“超市化”、方案“草根化”、理論和實踐聯系“一體化”、科研及實驗場地“自由化”的教學思路和方法。隨著教學硬件設備的更新換代，實驗課的設置越來越靈活，病毒的種類越來越多，攻防措施也越來越先進。從最早的計算機病毒Morris，到現在成千上萬種病毒充斥互聯網，研究各種計算機病毒的擴散機制和感染原理十分必要。在教學手法上，采用實驗操作搭配理論指導的方式可以顯著提升教學效率和效果，并在實驗室VMware虛擬機上配備實驗平臺供學生實驗使用。

考慮到計算機病毒與入侵課程的設置人數并不多，近3年來平均選課人數在60名左右，網絡安全專業方向的本科生教學應更著重動手實驗，因此采用因材施教的教學模式更適應教學要求；通過與每位學生溝通，了解學生掌握相關知識的程度和實際動手能力的強弱，根據每位學生的特征量身定做屬于該學生的教學方式。例如，讓學生選擇喜歡研究的領域，通過互聯網查閱相關知識并確定實驗內容，培養其動手能力和理論結合實踐的能力，讓學生完成學校的學習之后能夠在實際工作和科研工作中快速上手。這種因材施教的方式可以提升學生的成就感，激發學生的學習興趣，增強實際動手能力并提升學生的科研創新能力。不同學生對不同方向的選擇，需要MOOC參與。MOOC是massive（大規模的）、open（開放的）、online（在線的）、course（課程）4個單詞的縮寫，指大規模網絡開放課程。

2.現有的實驗課教學方式

以大連理工大學軟件學院的本科生課程為例，包含實驗課的課程有計算機系統組裝與設置、模擬與數字電路、計算機與IT入門、計算機組織與結構、網絡綜合實驗、計算機病毒入侵與檢測等。以往這些實驗課的講授方式幾近相同，長此以往，學生對實驗課產生抵觸隋緒。

2.1指定實驗和步驟的教學方式

指定實驗和步驟的實驗課授課方式以理論講授為主，動手實驗為輔。教師在實驗課開始之前，以PPT的形式講述即將進行的指定實驗及步驟。該實驗課教學方式常見于實驗內容單一的實驗課程。這種教學方式下，學生將按照授課教師的規定步驟一步一步地實驗，實驗結果千篇一律、大同小異。在詢問學生此類實驗課的收獲時，得到的答案普遍是：“按部就班地照做就好”，在實驗的過程中沒有思考應該怎樣做和為什么這樣做，八成以上的學生表示沒有從實驗課中學到知識。這種指定實驗、指定步驟的實驗課教學模式下，授課教師為了授課方便，沒有考慮到學生的多元化特征，忽略了培養學生的自主創新能力和科研動手能力。而最根本的問題在于給定題目之后的步驟講解，完全剝奪了學生思考問題和解決問題的權利，禁錮了學生的思維，失去了設置實驗課的意義。這樣的教學模式是不可取的。

2.2開放式教學方式

開放式實驗課授課方式是指教師不布置實驗內容，任由學生自主選擇題目進行實驗的授課方式。這種授課方式常見于實驗內容范圍廣泛的實驗課程。在該教學方式下，學生在沒有理論指導的情況下完全隨個人愛好選擇實驗內容，導致實驗期間人手困難、因理論知識匱乏遇到難點無法繼續實驗、得不到預期效果等情況。實驗課結束后詢問學生實驗課收獲時，學生反映開放式教學方式下的實驗課雖然可以按照個人興趣選擇實驗題目，著重培養自主創新意識和自我解決問題的能力，但是理論知識的匱乏和正確指引的缺乏使許多實驗過程中的問題無法解決，導致許多學生在實驗進行的過程中逐漸喪失信心和興趣。該教學模式下，表面上學生開放了思維，實質上大部分學生不能正確估量實驗難度，難以真正完成實驗內容，久而久之導致學生自信心受到打擊，這與本科生教學理念背道而馳。

3.理論指導為輔的因材施教教學方式

3.1教學理念

實驗課的教學區別于理論課，它要求授課教師引導學生完成實驗操作而不是一味地講授理論知識和實驗步驟，也不是一味地放權讓學生獨立完成實驗的選題和操作過程。所謂引導，是指在了解學生的不同條件和不同興趣愛好的基礎上，根據學生的意愿，給出合理的建議和指導，并在實驗過程中設置基礎實驗和創新實驗兩部分供學生完成，真正做到因材施教。

3.2基礎實驗課程

計算機病毒入侵與檢測課程基礎實驗課部分，針對學生們的興趣和教學相關要求，從實驗平臺的40余項實驗中選取幾個有代表性的實驗，比如編寫惡意html文件，通過編寫死循環語句，導致打開網頁時頁面進行無限次的黑白閃動；通過編寫簡單的html語句，導致打開指定網頁時會不斷彈出空白網頁。選擇這種實驗，可以直觀地讓學生感受到計算機病毒給計算機帶來的影響。通過學生動手實踐，讓其對計算機病毒入侵與檢測這門課程有更加深入的理解并逐漸產生興趣，這也正是實驗基礎課程的核心目標。再比如Word宏病毒實驗，雖然這是一種很古老的病毒，但是它的意義不容小覷。宏病毒是使用宏語言（VBA）編寫的惡意程序，存在于文字處理文檔、電子數據表格、數據庫等數據文件中。在Word宏病毒實驗中，學生根據實驗要求，將被感染宏病毒的Word文檔擴散到一個空白的Word文檔中，并使用Visual Basic編輯器查看宏病毒代碼，理解宏病毒的感染和擴散過程。在基礎實驗課程教學中，教師介紹實驗基本原理，提醒注意事項，比如在html網頁病毒實驗中，教師要提醒學生編寫html語言程序要注意該語言的語法。教師還應在實驗前提出幾點問題，例如在宏病毒實驗中提出以下幾點問題：

（1）什么是宏病毒？為什么它被稱作宏病毒？

（2）宏病毒的傳播原理是怎樣的？

（3）能不能參考本次實驗自己制作一個簡單的宏病毒？

其中，第3點要根據學生的個體情況有選擇地完成。另外，教師應及時深入學生內部觀察每一位學生的實驗情況，觀察學生實驗進程快慢，對吃力的學生加以指引。基礎實驗課程的實驗設置對大多數學生來講是相同的，因此采取學生內部交流與幫助的方式是可行的。根據本課程實際情況，學生更容易采用內部交流的方式解決困難，原因在于學生與學生之間的交流無障礙，且學生更容易將困難講述給關系較好的同學。這樣的好處是使每一位參與實驗課的學生都能夠真正動手操作，理解實驗意圖和目標，并最終通過自己的努力完成每一個實驗。

基礎實驗課程設置的優勢總體來講體現為以下3點：

（1）學生掌握了實驗課應具備的基本操作技能和動腦思考能力。

（2）配合教師的理論指引，減少學生完成基礎實驗過程中的障礙。

（3）樹立學生的自信心，使之對實驗課程產生濃厚的興趣。

3.3創新實驗課程

創新實驗課程是指根據學生的個人興趣愛好以及自身學習能力而設置的一系列難度較高的實驗。這些實驗的設置是根據平時調查學生的興趣點，對實驗難度加以評判后，在實驗室之外由學生自主選擇完成，最終的實驗過程和實驗結果要整理成一篇實驗報告作為計算機病毒入侵與檢測課程的期末成績。為了防止學生應付，要求每位學生做視頻演示，并詳細說明做了什么內容。視頻要上傳到實驗視頻平臺，這會敦促學生真正參與實驗，并努力做到最好。而這些視頻，又可以作為MOOC的視頻材料，供其他學生參考。在從確定實驗到完成實驗的過程中，教師可以清晰地發現不同學生在面對困難時的不同表現。有些學生在面對困難時摸不到頭腦，不知從何處下手，陷入迷茫和止步不前的狀態中。這時候教師要對這類學生加以引導，與他們交流，分析問題所在，指引他們尋找問題的答案，如可以聆聽學生的困難之處，針對困難提供給學生幾點參考意見，比如去某些網站或者教材查找相關知識，并教導學生在面對困難的時候要堅定自己的信念和自我認同。比如蟲洞wormhole實驗，實驗的過程比較繁瑣，而且需要額外的硬件支持。許多學生在沒理解病毒原理的情況下急于動手，導致在實驗進行一半的時候迷失了目標，這時候可以建議學生暫時先放下手頭實驗，先去了解wormhole病毒的基本原理，再查閱wormhole相關的實驗例子，參考別人是怎樣完成實驗的，并結合自己的需求將實驗進行下去。對于如何參考別人的實驗，除了同學間的參考，還需要建立基于MOOC的實驗視頻平臺，包含互聯網上的視頻、以前學生在實驗時錄制的視頻、教師講解和操作視頻等，給學生更多的選擇。

創新實驗課程的設計符合實驗課教學的創新教育理念，其優勢體現為以下3點：

（1）結合不同學生的不同情況設置難易程度不同的實驗，做到了因材施教。

（2）創新實驗具有一定難度，完成實驗的過程中提升了學生應對困難、解決難題的能力。

（3）MOOC可以減少教師的指導過程，但在學生遇到困難時，教師與學生單獨交流更能針對問題給出有價值的建議與指導，讓學生真正在實驗中掌握知識。

4.實際效果

大學教育已經不是傳統意義的傳道授業，當今大學教育模式應該做到寓教于樂、因材施教，而實驗課改革便是深人貫徹當今教育模式的體現。通過結果反饋，計算機病毒與入侵實驗課讓學生擺脫了理論學習的枯燥乏味，在實驗動手當中感受理論知識的應用，做到了寓教于樂。實驗課中每個學生都可以針對實驗中的難點向教師提問或者尋求同學的幫助，并可自主選擇不同難度的實驗，做到了因材施教。

在完成實驗后，學生按照要求認真完成實驗報告冊。實驗報告冊添加了“本次實驗收獲與感想”這一欄，目的是通過與學生書面上的交流，得到實驗課的教學反饋。在評閱實驗報告冊的過程中，我們收到了來自學生的許多寶貴意見，比如wormhole病毒實驗難度偏大、按要求執行的過程中會出現bug導致不能達到預期效果、部分實驗內容過于老舊等。對于這些建議，我們虛心接受，并會在接下來的教學中改善實驗內容，定時更新病毒實驗。我們也收到了來自學生的良好評價，比如html病毒實驗讓學生真正感受到了計算機病毒的存在，有的學生反饋這是他第一次創造的病毒，很有成就感。還有一部分學生在之前的實驗過程中遇到了困難，最后在教師和同學的幫助下克服困難，得到實驗結果，這種把大困難分解成許多小困難并逐個擊破的方法使他信心大作，在一波三折的實驗過程中體會到了成功的不易。

在結課后提交的大作業中，有三成學生的最終實驗報告內容豐富、想法新穎，能夠在基本要求的基礎上拓寬思路、大膽創新，出色完成了該門課程的學習任務，其中優秀的實驗報告如圖1所示。六成左右的學生能較好地完成實驗內容，實現了基本操作，達到實驗的基本目標。也有近一成的學生沒能按要求完成實驗，但是他們在實驗過程中的付出有目共睹，在處理這類學生的成績時，不能一味死板地較真實驗結果，而應從學生的角度出發，判斷其有沒有全心投入。對于態度端正、努力付出的學生，即使沒能得到最終的實驗結果，也不應給予不及格成績。

總體來講，理論指導為輔的因材施教實驗課教學模式在計算機病毒入侵與檢測課程的應用中取得了較好的效果，結合實驗平臺網站的視頻教學與教學資源共享方式，獲得了學生的一致好評。實驗平臺網站的界面如圖2所示。下一步的工作是在此教學方式的基礎上提升教學質量，保證所有學生都能正確完成實驗課程內容。