新工科建設(shè)背景下的計算機(jī)安全課程教學(xué)改革研究

李家春，熊冬青

（1. 華南理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515）

0 引 言

“新工科”[1]是教育部在2016年首次提出的概念，是對國際工程教育改革發(fā)展做出的中國本土化回應(yīng)，是一種多學(xué)科交叉融合培養(yǎng)的新模式，其關(guān)鍵就是要根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求和技術(shù)發(fā)展，創(chuàng)新性地改革人才培養(yǎng)模式、課程體系以及教學(xué)范式，從面向課程的教育CBE轉(zhuǎn)向面向產(chǎn)出的教育OBE[2-3]。計算機(jī)安全課程是一門技術(shù)發(fā)展迅速、實踐性強(qiáng)、學(xué)科交叉性多的計算機(jī)類課程，思科公司擁有全球領(lǐng)先的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備以及解決方案，因此在計算機(jī)安全教學(xué)活動中如何有效地結(jié)合思科公司的產(chǎn)品和技術(shù)，充分體現(xiàn)“以學(xué)生為中心”、培養(yǎng)學(xué)生面向社會需求和實際應(yīng)用問題的實踐動手能力，是非常有必要和迫切的。因此我們分析思科公司的教學(xué)評估云平臺NetAcad.com[4]特點，結(jié)合思科公司提供的教學(xué)軟件和平臺，研究新工科建設(shè)背景下計算機(jī)安全課程的教學(xué)改革并應(yīng)用于實踐。

1 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院教學(xué)評估云平臺NetAcad. com的特點分析

NetAcad.com是思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院（簡稱思科網(wǎng)院）的教學(xué)評估云平臺，支持的課程分為3類：信息技術(shù)專業(yè)類課程、信息技術(shù)基礎(chǔ)類課程和介紹類課程（即公共基礎(chǔ)課或通識課），約32門課程，是一個在線學(xué)習(xí)、作業(yè)、測試和實驗的平臺，課程所有資源以及所需的軟件和工具均可下載。

其課程體系如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)安全類課程有4門，如圖中4個粗方框所示。其中網(wǎng)絡(luò)安全簡介（Introduction to Cybersecurity）面向所有專業(yè)學(xué)生，為通識課；網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)（Cybersecurity Essentials）是理工科學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課；網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營（Cybersecurity Ops）和CCNA安全為專業(yè)類課程，面向IT專業(yè)學(xué)生。

思科網(wǎng)院云評估平臺為學(xué)生提供了諸多創(chuàng)新、體驗式的學(xué)習(xí)場景，開發(fā)了一款強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)模擬可視化工具軟件Packet Tracer，學(xué)生通過仿真環(huán)境嘗試網(wǎng)絡(luò)行為以獲得最佳實踐體驗和實際網(wǎng)絡(luò)技術(shù)技能，不僅用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全類課程，也可用于思科網(wǎng)院絕大多數(shù)課程進(jìn)行復(fù)雜技術(shù)概念的教學(xué)和學(xué)習(xí)。同時提供了多個基于VirtualBox的虛擬機(jī)鏡像文件（如Ubuntu_CyberEss、Cyberops Workstation、Security Onion、Kali Linux等）用于安全實驗，甚至可以搭建一個虛擬網(wǎng)絡(luò)安全沙盒環(huán)境（如圖2所示，包括外部攻擊者Kali、內(nèi)部用戶CyberOps Workstation、有漏洞的服務(wù)器Metasploitable，以及配置有防火墻和入侵檢測系統(tǒng)的路由器Security Onion）用于安全分析和測試，安全實驗不會對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成任何破壞和損失，而學(xué)生則有更多的機(jī)會進(jìn)行實戰(zhàn)演練，教師可在這樣的模擬環(huán)境中指導(dǎo)和督促學(xué)生學(xué)習(xí)和操練。

2 基于思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院教學(xué)評估云平臺的計算機(jī)安全課程教學(xué)設(shè)計

2.1 基于OBE教學(xué)理念的教學(xué)方法設(shè)計

圖1 思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院的課程體系示意圖[5]

圖2 虛擬網(wǎng)絡(luò)安全沙盒環(huán)境拓?fù)鋱D[6]

以學(xué)生為中心，基于項目設(shè)計課程講授內(nèi)容，以平時作業(yè)和項目成果（項目完成的系統(tǒng)演示、項目實驗報告等）作為學(xué)習(xí)成果產(chǎn)出（即作為學(xué)習(xí)成績考核的重要指標(biāo)之一），選擇思科網(wǎng)院教學(xué)評估云平臺中的網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營課程的在線學(xué)習(xí)內(nèi)容作為學(xué)生課后自學(xué)資源，將計算機(jī)安全課程分為8個專題：計算機(jī)安全概述、密碼學(xué)基礎(chǔ)、密碼學(xué)應(yīng)用、Web安全、軟件安全、網(wǎng)絡(luò)安全、操作系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)庫安全，并設(shè)計了8個項目或?qū)嶒瀻椭鷮W(xué)生理解專題中相關(guān)知識點，在模擬環(huán)境中獲得最佳實踐體驗。課程內(nèi)容設(shè)計見表1。

表1 課程內(nèi)容設(shè)計表

5個實驗分別從思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺的網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營兩門課程的在線實驗中選取，3個項目為我們自己定制項目，對學(xué)生有一定的挑戰(zhàn)性，要求具備良好的計算機(jī)編程能力、熟悉操作系統(tǒng)（Windows或Linux）基本配置安裝命令。學(xué)生完成所有實驗和項目需要自主學(xué)習(xí)思科網(wǎng)院教學(xué)云平臺資源（比如Student Lab Source Files和Student Packet Tracer Source Files等），查閱相關(guān)資料，主動探索和思考。在項目或?qū)嶒炌瓿珊螅诵枰峤豁椖炕驅(qū)嶒瀳蟾嫱猓€要在課堂上進(jìn)行項目展示匯報和實驗討論交流。

3個項目分別為：項目一“基于SSL協(xié)議的Web服務(wù)器安全認(rèn)證”，項目二“緩沖區(qū)溢出攻擊”，項目三“宏病毒演示”。每個項目按照項目情境、教學(xué)目標(biāo)（包含認(rèn)知目標(biāo)、技能目標(biāo)和情感目標(biāo)）和項目內(nèi)容這3部分進(jìn)行設(shè)計。通過這些項目的設(shè)計和實現(xiàn)可以培養(yǎng)學(xué)生安全編程意識和解決實際問題能力，表2為項目二“緩沖區(qū)溢出攻擊”的設(shè)計示例。

在8個專題的課堂講授過程中，我們不斷更新知識點，盡量結(jié)合并引導(dǎo)學(xué)生接觸當(dāng)前安全熱點，提高課程內(nèi)容的實用性，例如專題二討論加密算法時，可在算法內(nèi)容剖析基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前熱點技術(shù)應(yīng)用展開討論，如圖3所示。

圖3 加密算法研究型教學(xué)示意圖

2.2 基于NetAcad平臺的實驗教學(xué)設(shè)計

如前所述，思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺支持4門網(wǎng)絡(luò)安全課程，如何選擇難度合適的實驗內(nèi)容取決于教學(xué)班學(xué)生組成特點、學(xué)生所處理論知識層次以及和課堂講授內(nèi)容的結(jié)合度。

表2 項目二設(shè)計示例

本學(xué)院2018-2019-1秋季輔修計算機(jī)安全課程的“計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)雙學(xué)位”教學(xué)班級組成特點見表3。大三學(xué)生占比例最高（70.45%），約84%的學(xué)生已修過C++程序設(shè)計基礎(chǔ)課程，約60%的學(xué)生已修過操作系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫課程，大多數(shù)學(xué)生有QQ或游戲密碼被盜經(jīng)歷，因此他們有較強(qiáng)烈的關(guān)注計算機(jī)安全、學(xué)習(xí)本門課程的興趣和動力。

表3 選課學(xué)生特點統(tǒng)計表

針對教學(xué)班特點，并結(jié)合8個專題授課的知識點范圍，我們從網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營兩門課的實驗中精心選擇5個實驗，實驗編號用E或O區(qū)分兩門課程（網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)記為E-xxx，網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營記為O-xxx），E系列實驗使用虛擬機(jī)文件為Ubuntu_CyberEss，虛擬機(jī)操作系統(tǒng)為Ubuntu Linux；O系列實驗使用虛擬機(jī)文件主要為Cyberops Workstation，虛擬機(jī)操作系統(tǒng)為Arch Linux，見表4。

表4 實驗教學(xué)設(shè)計表

實驗1-2相對簡單，實驗3-5要求的知識面比較廣，要求對Linux命令、MySQL數(shù)據(jù)庫使用、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識比較熟悉，難度相對偏大。例如實驗3，不僅要求學(xué)生深入了解X.509公鑰證書格式的所有元素、區(qū)分終端用戶證書和CA證書，還需要進(jìn)一步學(xué)習(xí)HTTPS中間人攻擊，并通過Linux系統(tǒng)下的OpenSSL命令等獲取網(wǎng)站證書指紋等，整個實驗內(nèi)涵知識量較多，對動手能力也有較高要求。

實驗操作提供較詳盡的使用手冊，并給學(xué)生留下思考題以幫助他們分析和解決問題。學(xué)生在實驗過程中興致很高，思維活躍，還能發(fā)現(xiàn)實驗手冊的不足并改進(jìn)。比如O-9.2.2.7 lab中給出的熱門網(wǎng)站及其SHA-1證書指紋均已過期，導(dǎo)致實驗結(jié)果和實驗手冊不一致，學(xué)生們在自行收集最新證書指紋后，最終成功地驗證了實驗，學(xué)生創(chuàng)新思維能力得到較好的提升。

2.3 教學(xué)設(shè)計應(yīng)用

基于思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺的教學(xué)方法在本學(xué)院2018-2019-1秋季輔修計算機(jī)安全課程的教學(xué)班中得到了實施，參與觀測的學(xué)生共42名。通過一學(xué)期的應(yīng)用實踐，學(xué)生對NetAcad.com平臺的評價如表5所示。

表5 NetAcad. com平臺使用評價表

可見學(xué)生對NetAcad.com平臺的接受度是比較好的。但也有22.73%的學(xué)生認(rèn)為實驗偏難，今后還要在實驗的部署實施上進(jìn)行優(yōu)化，對實驗手冊進(jìn)一步完善和擴(kuò)展，比如虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境配置等方面給出更詳細(xì)描述說明。

在試卷題目難易程度相當(dāng)，選課人數(shù)也接近（每學(xué)期的選修人數(shù)基本固定，約為42人左右）的情況下，對2018-1019-1學(xué)期和2017-2018-1學(xué)期的計算機(jī)安全課程期末成績分布進(jìn)行比較，如圖4所示。

由圖可見，基于思科網(wǎng)院NetAcad.com平臺實驗教學(xué)以及課后學(xué)生自主在線學(xué)習(xí)，成績優(yōu)秀學(xué)生占比明顯提高，及格率也大幅度增加，成績平均值小幅增加，標(biāo)準(zhǔn)差（均方差）小幅減少，說明我們采用的教學(xué)方法和教學(xué)改革效果良好。

圖4 兩學(xué)期期末成績分布圖

3 結(jié) 語

在新工科建設(shè)的大背景環(huán)境下，我們設(shè)計了基于OBE教學(xué)理念的教學(xué)方法以及基于NetAcad.com教學(xué)評估云平臺的實驗教學(xué)方案，教學(xué)改革的實施提高了成績優(yōu)秀學(xué)生占比以及及格率。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化實驗內(nèi)容，結(jié)合更多互聯(lián)網(wǎng)資源和工具（比如雨課堂），加強(qiáng)與學(xué)生的課堂互動，完善以項目能力和跟蹤性數(shù)據(jù)為主的課程考核機(jī)制。