挑戰式教學的研究與實踐

孟 魁，劉功申，邱衛東，李建華

（上海交通大學 網絡空間安全學院，上海 200240）

0 引 言

建設世界一流大學和一流學科，是繼211和985之后我國在高等教育領域確定實施的又一項重大戰略措施。一流大學和一流學科的教育無疑屬于精英教育。在著名教育社會學家Martin Trow博士看來，精英教育的特點在于要“激發學生的雄心大志”[1]。如何激發學生的雄心大志是我國高等教育從業者的一大要務。

世界一流大學往往集中了眾多具備較好潛質的學生，學校應該為這些學生提供一種難度更大、標準更高、要求更嚴、挑戰性更強的教育，通過校內的挑戰性教育培養，不僅可以進一步刺激和培育其雄心大志，更能提升學生的挑戰應對能力，得以成就其雄心。蘭州大學李碩豪教授提出：一流本科教育是發展力教育，實施發展力教育要以適當難度的教學為抓手[2]。

在2009—2010年，清華大學教育研究院所做的“清華大學本科教育學情調查報告——與美國頂尖研究型大學的比較”發現，清華本科教育總體上與美國同類大學相當，但在學業挑戰度和生師互動水平兩項指標上與美國同類大學存在一定差距[3]。清華大學孫宏斌教授等指出，課程內容的挑戰度不足是我國世界一流本科教育事業發展中的瓶頸問題之一[4]。

如何改進教學方法、如何提升課業挑戰度是我們在雙一流建設過程中和教學改革中要著力思考的問題。在近年的信息安全綜合實踐課程教學中，我們采用挑戰式教學法，以學生為中心、以問題為線索、以能力培養為重點組織教學，根據學生特點設置教學環節、改進教學形式，促進了學生在問題發現、自主學習、交流表達等方面能力的提升，得到了學生的肯定，取得了一定成效。

1 挑戰式教學法

早在20 世紀初，美國著名教育家、心理學家John Dewey就指出，教學不應直截了當地注入知識，而應引導受教育者在活動中得到經驗和知識[5]。因此，他提出了探究式教學（Hands-on Inquiry Based Learning），即“做中學”的理念。在探究式教學中，教師在學生學習概念和原理時，只提供一些事例和問題，讓學生自己通過閱讀、觀察、實驗、思考、討論、聽講等途徑去主動探究，自行發現并掌握相應的原理和結論。雖然探究式教學可以很好地培養學生的自主學習能力和邏輯思維能力，但一般培養時間比較久，在單項課程的教學中很難實施。

1969年，美國神經病學教授Howard Barrows提出了問題式教學法（Problem-based Learning），強調應把學習設置在復雜、有意義的“問題情境”中，以提出問題、分析問題、解決問題為線索，并以問題為載體貫穿整個教學過程[6]。問題教學法在設問和釋問的過程中激發了學生自主學習的主動性和積極性，進而逐漸使他們養成自主學習的習慣，并在實踐中不斷優化自主學習的方法，是提升學生自主學習能力的一種有效教學法。在問題式教學中，教師往往承擔著問題的提出者、討論的組織者、方法的指導者等多個角色，對教師自身的素質和教學技巧都有很高的要求。而且問題式教學比較適合小班教學，在大班實施難度較大。此外，如何有效地平衡共性問題與個性問題也是問題式教學要克服的一大難題。

2008年，蘋果公司在其發起的合作項目ACOT2（Apple Classrooms of Tomorrow-Today）中首次提出了挑戰式學習（CBL，challengebased learning）的教學理念，通過設置一些有吸引力且學生跳一跳能解決的難題，引導學生運用相關知識去解決這些難題[4]。

2012年，清華大學首次啟動了挑戰性學習課程建設，著手建設了15門校級和一批院系級挑戰性學習示范課（簡稱挑戰性課程）[4]。該類課程通過設置挑戰性問題吸引學生，讓學生在好奇中產生深度鉆研的興趣，通過高強度師生互動、生生互動，使學生快速獲取新知識并綜合運用相關知識，激發創新意識，培養溝通合作能力，收獲挑戰自我的勇氣和能力，促進主動學習。

按照前蘇聯著名心理學家維果斯基提出的“最近發展區理論”，通過為學生提供帶有一定難度的學習內容，可以更好地調動學生的積極性，從而超越其“最近發展區”而達到下一發展階段水平，繼而實現“下一個發展區”的發展[7]。無疑，挑戰式教學法對于有潛質學生的培養非常有助益。

2 學生情況分析

教學重點從“以教為中心”轉向“以學為中心”后，面臨的一個重要問題就是了解學生的情況，尤其是學生學習的情況。與問題式學習相比，挑戰性學習更強調問題的挑戰性，側重于問題的難度、深度及與理論學習和應用的結合程度。由于挑戰式教學關注于如何激發學生的優勢潛能，所以需要對學生的學習情況有更深入的了解。雖然同是理工科學生，但可能不僅在知識結構上存在差異，在學習習慣、思維方式也會有較大不同。

美國北卡羅來納州立大學教授Richard M.Felder指出，各類型學習者有不同的學習偏好，若有針對性地安排合適的教學內容和采用一定的教學形式，會達到事半功倍的作用[8]。他從信息感知、輸入、加工和理解的方式4個維度研究學習者的學習風格，將學習者分為感覺型/直覺型學習者（sensing/intuitive learners），視覺型/聽覺型學習者（visual/verbal learners），活躍型/思考型學習者（active/re fl ective learners），順序型/整體型學習者（sequential/global learners）8種類型。

近年來，我們使用Richard M.Felder和Barbara Solomon提出的學習風格（ILS，index of learning styles）判定問卷對我校信息安全專業學生的學習風格進行了調研。分析這5年的數據，可以發現，信息安全專業學生的學習類型分布具有如下規律：感覺型學習者占比明顯高于直覺型學習者，視覺型學習者占絕大多數，思考型學習者占比略高于活躍型學習者，整體型學習者也要多于順序型學習者[9]。

根據Richard M.Felder的研究結果，我校信息安全專業大多數學生希望學習內容與現實相關，偏好于通過圖片、圖表、流程圖、觀察、動手實踐等方式獲取信息，大部分人喜歡獨立學習，相較于按部就班，更多的人偏向于躍進式的學習方式。總體而言，學生的學習風格體現了典型工科學生的學習特征。

3 挑戰式教學法的應用

信息安全作為典型工程學科，強調培養學生的實踐和動手能力。ACM（Association for Computing Machinery）教育委員會在面向網際空間安全的教育研討會報告中提出，學生動手實踐是掌握信息安全知識和技能的必要途徑[10]。我校“信息安全綜合實踐”課程是信息安全專業的特色實踐類課程，我們嘗試在該課程的教學中進行了挑戰式教學實踐。

3.1 教學內容更新

該課程從系統安全、密碼技術及應用、網絡安全技術及應用等三方面出發，以提出問題、解決問題、提出挑戰為線索，通過實踐加深對信息安全技術基本概念和相關技術的理解。課程的挑戰式教學方案的總體架構如圖1所示。

圖1 挑戰式教學方案架構圖

在各模塊教學中，教學內容的組織主要是圍繞核心知識點提出問題，指導同學分析問題、解決問題。針對工科學生希望學習與現實相關內容的特點，每次作業我們都會設置與實際應用有關的思考題和擴展知識內容，要求同學們在解決問題后，進一步探求理論的實際應用。依據“最近發展區”理論，挑戰性學習目標是讓每個學生的學習目標都在自己“最近發展區”內，即跳一跳可以達到的區域，向自己已有水平進行挑戰。為了進一步加強課業的挑戰性，我們還設置了選做題，讓學有余力或有興趣的同學可以深層次地探究應用背后的技術問題。

比如惡意代碼是普遍遇到的信息安全問題之一。在惡意代碼查殺這一模塊中，我們在指導同學們了解惡意代碼的特點、查殺工具和查殺要點后，以一個真實的惡意代碼樣本為思考題，讓他們分析該惡意代碼的行為特點，自行進行惡意代碼查殺。同時布置的選做題以代碼安全分析作為挑戰內容，讓他們對該惡意代碼進行反編譯，分析惡意代碼是通過哪些編程技術實現其隱蔽性、傳染性，從而提出防范策略。

網絡攻防安全也是信息安全專業學生普遍比較感興趣的內容。在Web應用安全這一模塊中，我們先讓同學們自行查找材料，總結Web應用存在的典型安全問題。同學們可以在通過端口掃描、提權登錄、Web漏洞掃描等方式發現所提供靶機存在的安全問題，并采取暴力破解、注入攻擊、跨站攻擊、文件上傳等方式對靶機進行攻擊，最后通過分析攻擊代碼的方式，結合自己的體驗給出Web應用安全防范的建議。在實施攻擊的過程中，同學們不僅可以自行選擇攻擊方式，而且可以自行采用由簡到繁、由易到難的不同級別進行攻擊實驗，完成自我挑戰。

同時，在以問題貫穿各教學模塊的過程，我們針對部分同學偏向于躍進式學習的特點，在問題設計上有意識地作了教學內容前后呼應或與相關課程教學內容的呼應。比如前期作業中就讓同學們接觸了SQL注入問題，所以在Web應用安全作業中不少同學挑戰了高級別的SQL注入實現和預防分析；在惡意代碼查殺模塊的代碼分析挑戰，呼應了同期開設的另一門專業課程——計算機病毒原理；加密傳輸技術分析模塊呼應了同期開設的通信網絡課程。這樣的內容安排使同學們既可以從不同角度學習和理解相關知識點，也激發了他們對技術應用的深入探究。

3.2 教學形式組織

挑戰式教學希望通過高強度的師生互動、生生互動，激發學生的挑戰熱情，促進學生主動學習，快速獲取新知識并綜合運用。因此，互動式學習也是信息安全綜合實踐課程教學組織的重點。

從學習類型的調研結果可以看出，同學們雖然偏好于通過圖片、觀察、動手實踐等方式獲取信息，但大部分人喜歡獨立學習，交流互動的意愿并不強烈。我們發現，相較于同年級交流，同學們一般更樂意請教學長，因此，我們邀請高年級學生參與實驗指導，對于實驗中遇到的問題給予建議，引導學習討論。

同時，我們有意識地布置一些諸如密鑰分持、通訊監聽等需要至少兩方合作參與的實驗內容，創造機會讓同學們在分組實驗中進行討論和交流互動。不少同學還通過微信群、課程論壇等討論和分享經驗和相關閱讀文獻資料。結果表明，同學們在實驗討論過程中有很大收獲，甚至說“課程實驗中遇到問題、解決問題的日日夜夜讓他們結下了戰斗的友誼”。

課程思考題是同學們對實驗重點知識點的分析、思考和應用擴充。同學們分享展示他們的思考題部分時，也面臨著其他同學對他們的挑戰。事實證明，經過自主查閱資料、互動式學習后，同學們在提出問題、回答問題、演講展示方面的能力都有所提升。

3.3 教學實踐結果

教學實踐發現，挑戰式教學思想對促進同學們的問題發現、自主學習、交流表達、團隊管理等方面的能力提升起到了積極的作用。

首先，同學們在本課程中投入了大量時間。為了驗證和確認實驗結果，不少同學多次進行實驗，有的同學還自行搭建環境進行重復實驗。其次，從期末同學們的課程反饋也表明，大部分同學相當認同課程內容和形式的安排，認為思考題和交流討論促進了他們深層次的思考，激發了他們對相關知識和技術的好奇與探究。一些對網絡攻防感興趣的同學，在實驗中多次挑戰選做題內容，并在交流討論中感受到了經驗分享和深入學習的樂趣，幾個志同道合的同學一起加入了學校的CTF戰隊，先后參加了強網杯、網鼎杯、全國大學生信息安全競賽創新實踐賽等國家級比賽，均進入決賽并獲得全國二等獎。

此外，同學們通過課程的訓練，在問題發現、交流表達、團隊管理方面的能力也有相當大的進步，表現在近年來自行組隊報名參加全國大學生信息安全競賽的同學逐年增加，進入競賽并取得優異成績的團隊數量也越來越多。2015年4支隊伍進入決賽，最高成績二等獎；2018年8支隊伍進入決賽，最高成績一等獎。

4 結 語

美國著名教育家John Dewey認為，科學教育不僅僅是要讓學生學習大量的知識，更重要的是要學習科學研究的過程或方法。針對我校雙一流建設的需要和專業學生的特點，我們應用挑戰式教學思想進行信息安全綜合實踐課程的教學改進，在強化同學們專業知識基礎的前提下，提升教學內容的挑戰度，培養學生具備良好的知識探究、表達交流、協調組織的能力，以期達到“授人以魚不如授人以漁”的教育目標，目前看來取得了較好的成效。

當然，教學相長，挑戰式教學的應用也對授課老師提出了挑戰。首先，在信息技術不斷更新的背景下，如何有效地將技術發展的內容結合進信息安全綜合實踐的課程內容，如何更有針對性地進行各模塊教學的組織，如何更科學地設計學習評價反饋體系，如何鼓勵更多同學的互助式學習熱情。這些問題的解答都需要授課教師對課程特點、學生情況、教學規律進行深入的分析。此外，挑戰式教學的實施也對目前與教學配套的教學實踐環境提出了挑戰，如何總結教學規律、教學需求，調整相應模塊的實踐環境設計，是后期課程建設中需要考慮的問題。我們始終認為，加強教學課程內容的挑戰度，提升學生的挑戰應對能力，通過校內的挑戰性教育培養，激發學生成就一流人才的熱情，是我們在雙一流建設過程必須進行的工作，也是作為教師應該面臨的挑戰。