網絡安全專業課程貫通的聯合教學方案研究

孫偉峰，賈茗涵，覃振權

（大連理工大學 軟件學院，遼寧 大連 116600）

0 引言

翻轉課堂是指重新調整課堂內外的時間，將學習的決定權從教師轉移給學生的一種教學模式。“互聯網+”是融合MOOC、SPOC、網絡視頻、在線資源等內容，使師生可以通過多種途徑獲得知識的一種理念。“互聯網+”的應用，也是翻轉課堂得以實施、打造“金課”的技術手段。翻轉課堂的教學模式要求學生在課前完成自主學習，學生可以通過看視頻講座、聽播客、查詢網絡等方式進行自學；在課上由教師來引導學生，讓學生在實踐過程中加深對所學知識的了解，使得學生能夠將課下所學的知識內化。翻轉課堂模式是一種混合式的主動的學習，可以讓學生的參與度更強，達到杜絕“水課”、打造“金課”的目的。翻轉課堂的目標之一是讓學生在課堂上學到在課堂外學不到的東西。通過“課下知識傳授、課上知識內化”的方式實現了對傳統課堂教學的革新。

2017—2018 年，筆者在美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校UIUC 進行為期一年的訪問，訪問期間聽了6 門課程，有一些課程也采用翻轉課堂的教學方法，發現采用了翻轉課堂的課程更加生動、互動性更好，學生對知識的掌握度更高。另外，翻轉教學促使學生主動學習的方法在美國非常常見。在美國，筆者參加教學討論會，發現這種翻轉課堂通過MOOC 等平臺激發學生積極性，激勵學生參與研究和討論的模式也是教育教學研究所關注的一大方向。

1 現 狀

互聯網的發展，使得很少有知識是在課堂外找不到的。那課堂的作用是什么就值得教育工作者來思考[1-3]。如果教師只是照本宣科，講課件、讀內容，那從網絡上找到的資源會更好、更多。學生可以坐在宿舍或者家里就能聽到全國甚至是全世界的名師授課。那線下課堂存在的意義是什么？價值又在哪里呢？所以要發揮課堂的作用，需要學生討論、學生參與，并通過學生了解學生的狀態，激發學生的學習積極性[4-5]。這種方式，在國內外多所學校都有采用，也有一些方法可以借鑒[6]。如“提出問題要大家討論”“進行特定專題的辯論”“為了讓學生通過實踐獲得更真實的學習，讓學生的參與度更強”[7-8]“讓學生參與教學”等。

當前的教育模式，學生與教師都面臨著重重困難[9-10]，常規教學很難滿足各方的需求。近年來，利用互聯網新一代信息技術，進一步推動知識社會以用戶創新、開放創新、大眾創新、協同創新為特點的創新，正在逐漸改變人們的生產、工作和生活方式。“互聯網+”的背景下，翻轉課堂教學應運而生[11]，翻轉課堂教學對于學生學習是否具有助力、如何助力，以及其推行的可行性仍然需要研究討論[12-13]。甚至從推廣來看，對于其他領域的學術知識的學習與傳播的可行性也值得研究[14]。

比爾蓋茨曾經在一次與喬布斯的對話中描述過他對未來學校的設想，學生自己觀看講座和視頻課程，而課堂時間用來討論和解決問題，隨之出現了翻轉課堂[15-16]。翻轉課堂是以搭建的課堂網站為主要載體，針對某個學科的知識點而設計開發的一種情景化、支持多種學習方式的在線視頻課程資源。同時，也會建立互聯網平臺共享資源，解決了無法統一各地教學水平的問題，不同地區的學生可以共同學習，消除了地區教學資源的差異，實現優質資源共享；另一方面，教學更加具有針對性[17-18]。筆者結合“互聯網+”和翻轉課堂思想，將網絡工程系高年級專業課程打通，使得多個課程結合成一個統一的目標，幫助學生在本科生階段能有一項或幾項擅長的知識點和技能，更加注重學生能力的培養，特別是注重培養解決問題能力和動手能力。

2 翻轉課堂和多課程貫通的教學模式

2.1 翻轉課堂

網絡工程專業分為網絡安全和物聯網兩個方向。對于大三和大四的本科生，基礎課程已經學完，在專業選修課中，大三階段的課程相對比較少，個人空閑的時間比較多。學生反映課程學了一堆，但并沒有自己真正掌握的技能。學生考試之前對知識點背得滾瓜爛熟，在結課并通過考試以后，所有背過的知識都忘了，學生并沒有真正地理解并使用過所學習的知識，自然忘得也快。學生在寫簡歷或準備研究生面試時，竟然找不到自己的方向是什么、最擅長的專業課是什么。學生只能照本宣科，不能將知識內化，既浪費了教學資源，也浪費了時間。

在課程調查問卷中，學生提出了“提出問題要大家討論”“進行特定專題的辯論”“為了讓學生通過實踐獲得更真實的學習，讓學生的參與度更強”“讓學生參與教學”等建議。圖1 為一位學生對云計算與Hadoop 課程的調查反饋。對于高年級的專業課來說，學生普遍反映只是看完課程的PPT，交個大作業、拿到學分，并沒有得到相應的收獲。值得思考的是：如何讓學生在有限的時間內，能得到一些對以后有用的知識，而不僅僅是學到PPT 的理論知識。

圖1 學生調查問卷示例

為此研究以學生參與為主的專業課程教學方法和激勵方法，提升師生的信息素養和教學交往的深度互動。為從實際出發，翻轉課堂先從軟件學院網絡工程系網絡安全專業的學生進行初期實施和改革實踐。

2.2 多課程聯動

網絡安全專業的專業課有信息論、無線網絡安全、網絡安全編程、信息安全、密碼技術及應用、計算機病毒和入侵檢測等，這些課程由網絡工程系的幾位教師承擔。通過任課教師的交流、集體備課，希望能找到幾門課的共同目標，在多個課程中激發學生的興趣、改善教學效果、引領學生自主學習。

有了目標后，還可以通過網絡，跟進學生的個人進展。以網絡攻防技術實踐和網絡安全編程技術課程為例，學生可以通過兩門課中不同的側重點，進行設計、編程實踐以及實際應用，做一套從設計、開發到實現的完成流程。教師激勵學生展示自己，吸引其他學生組隊。在實際實施中，這種方式提高了學生的興趣度，開課2 周已有8 位同學向大家介紹了Windows 密碼破解、SQL 注入攻擊、基于彩虹表的密碼破解、RSA加密算法介紹及實現、摘要算法實現、XSS 攻擊實現及演示等。

例如，目前已經采用的幾個發展主線包括IP地址不足問題解決、P2P 軟件封禁及解封攻防、存儲的關系數據庫、NoSQL、Hadoop 技術發展，超級計算機、網格、云計算、邊緣計算這種合—分—合的發展，網絡傳輸的主機為中心、網絡為中心、SDN 的發展，讓學生了解這些技術是不斷發展的，從而會有直觀的印象。

在翻轉課堂開課時教師需要學生在本科課程可能涉及的內容中找感興趣的內容自主學習，并向大家展示和介紹。對云計算和Hadoop、網絡攻防實踐、網絡安全編程課程來說，學生主觀上也希望能學到、了解前沿知識，能夠具體應用相關技術。前期的選題情況顯示學生興趣廣泛，所以在擴展整個班級知識面的同時，也要學生之間加深信息透明，為課后的“P2P”模式的交流提供支持。同時，這種方案也適合學生之間進行效率最大化的組隊，用合作的方式來共同完成較大的項目。

整合基礎課計算機網絡、操作系統、網絡綜合實驗及專業課云計算和Hadoop、網絡攻防實踐、網絡安全編程、計算機病毒和入侵檢測、網絡協議棧分析、無線安全、網絡信息安全等內容，進行跨課程的主線式教學設計。在后期的專業課中，很多應用都是基礎課上的知識內容，所以在專業課中回顧基礎課程的知識點，會有助于學生加深對基本知識的了解，激發創新應用。

學生介紹、討論之后，由教師向全體學生提問相關的擴展問題，問題多為啟發性問題，激發學生進一步討論，或者在現場、課后深入復習或查詢。通過與學生的交流發現，學生對這種教學方法更感興趣、出勤率也更高。

2.3 資料整理及素材網站建設

為解決資料少、無法從全局的角度快速找到資料的問題，筆者進行課程方案、素材、學生成果展示等網站建設。同時，對網站的不斷更新維護，通過合理的分類，讓學生能在大量的信息中快速找到自己可能感興趣的內容，節省學生選擇材料、搜集材料的時間，并能讓專業課程網站可持續發展。

對于安全類的網絡攻防操作，目標網絡會有更新，有時在上周可以演示的課程，過了一周就補上了漏洞。針對這個問題，也做了相應的視頻錄制（電腦桌面視頻錄制），讓學生可以作為參考。

3 實施效果

此系列課程的目標是制作出一系列課程聯動方案，讓學生充分利用高年級時的專業課，進行知識的融會貫通和應用，在較少的時間內抓住多個課程的教學重點和難點。希望以一種非常輕松有趣的方式讓學習內容變得更易于學生掌握，進而實現真正的“翻轉”，是對“互聯網+”教育的進一步的探索與實踐。通過調動學生的參與積極性，解決學生想參與卻無從下手、沒有壓力就沒有參與欲望的問題。

以云計算和Hadoop 技術課程為例，在實施中，通過對作業的反饋、評分，與學生的課堂互動及課后的郵件、電話交流，采用了以下的方式跟蹤學生的學習進展：前期介紹評分標準，學生在前兩次課結束后進行選題，包括已做項目或感興趣的題目；教師對選題的方向或內容提出建議，明確學生的方向；在課程開展一段時間后，選擇部分學生對已有成果做中期報告，其他學生根據介紹成果的內容可選擇與其組隊，共同完成；在后期，第二次的組隊學生成果展示，并對相應的報告進行反饋；在課程后期，已經沒有學生對大作業無法把握的問題。

在翻轉課堂的基礎上對可以聯系的相近專業課程進行整合，整理貫穿跨課程的知識主線。以計算機病毒和入侵檢測技術、網絡安全編程、網絡攻防實踐3 門課程為例，這3 門課程在連續3個階段依次進行：在計算機病毒和入侵檢測技術課程中師生花了大量的實踐來討論、選題；在網絡安全編程課程中，將已做的調研進行編碼實現；在網絡攻防實踐課程中，進一步將已有工具和自己編寫的軟件進行測試和實施。從個人完成到有選擇的分組完成，到全部分組完成的變化。

結合專業背景，在碰到新的問題時貫穿講述已經學到的知識，從全局把握，在課程中設定幾條發展主線。解決學生上完課、考試結束后就忘掉內容，知識學習局限在某一門課程中，無法從全局來看各個知識、方法的局限性等問題。

用理論知識或實踐工具激勵學生掌握自己擅長的一種或幾種方法，能夠加深學生對某個方法或工具的理解和使用。解決學生學完課程后不記得課程講了什么，多門課程學完后卻不知如何應用在本專業中，不清楚自己學了什么內容、能解決什么問題，這也是學生畢業后所必須面臨的問題。教師先介紹主流的一些工具，專門方向的特定工具，如網絡模擬器NS2、OMNeT++、ONE、OPNET、GridSim、SimGrid、Cloudsim；若是加密技術，則簡單介紹一些加密的名字，如AES、DES、IDEA、橢圓曲線、RSA、MD5、SHA-1等，而具體的內容，則由學生根據自己的興趣去調研、掌握。

在翻轉課堂的基礎上，該教學模式整合網絡安全專業課的知識點成貫穿的知識主線，從宏觀的角度去了解各個知識，對網絡安全專業課可以有更具體的把握，以構建學生的整體知識框架。該教學方案在大連理工大學軟件學院開展實施，并得到了正反饋。

4 結語

翻轉課堂和多課程聯動的方案給出了一套可以被網絡工程專業、軟件工程專業等借鑒的提高學生積極性的“翻轉”課堂方案，并將方案加以利用：分析了不同時期學生的調查問卷結果；整理并固定至少4 條跨課程的技術發展主線并推廣；完成了素材網站及成果展示網站的建設；幫助提升了教師的教學水平和教學效果。