云計算安全課程混合式教學(xué)設(shè)計實踐探索

劉建 鮮明

摘要 混合式教學(xué)已經(jīng)成為傳統(tǒng)課堂改革的主要方向，是課堂教學(xué)提質(zhì)增效的有效手段。文章以云計算安全課程為對象，結(jié)合近年的學(xué)情分析、成效分析和課程內(nèi)容特點分析，進(jìn)行綜合性的混合式教學(xué)設(shè)計實踐探索。文章提出了本課程改革實踐的預(yù)期效果，有針對性地設(shè)計了圖譜式知識組織、眾包式知識歸集、論壇式交流分享等六項混合式教學(xué)活動，通過靈活實施這些教學(xué)活動，有力地促進(jìn)了以學(xué)生為中心的教學(xué)成效提升。

關(guān)鍵詞 云計算安全；教學(xué)設(shè)計；混合式教學(xué)

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.10.038

隨著云計算技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，其安全性獲得各界廣泛關(guān)注，正在成為制約其效能發(fā)揮的核心要素[1]。在此背景之下，國內(nèi)很多高校都在加強(qiáng)關(guān)于云計算安全的教學(xué)、科研工作，或開設(shè)相關(guān)課程，或優(yōu)化原有課程內(nèi)容新增云安全章節(jié)，面向現(xiàn)實需要培養(yǎng)專業(yè)化人才。

國防科技大學(xué)（以下簡稱“我校”）面向研究生開設(shè)的云計算安全課程涵蓋了云計算系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全、計算安全等，涉及知識點多面廣、迭代發(fā)展快、理論與現(xiàn)實緊密結(jié)合。課程團(tuán)隊通過對近兩年的授課效果進(jìn)行復(fù)盤發(fā)現(xiàn)，僅依賴線下授課+上機(jī)實驗的傳統(tǒng)教學(xué)方式，難以達(dá)到滿意的效果。因此，本文擬針對云計算安全課程進(jìn)行混合式教學(xué)改革探索，在傳統(tǒng)課堂基礎(chǔ)上多維度融合線上教學(xué)活動，以期有效提升課程教學(xué)效果和學(xué)生學(xué)習(xí)成效。

1混合式教學(xué)活動

混合式教學(xué)是在教育數(shù)字化背景之下，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)和數(shù)字化教學(xué)有機(jī)結(jié)合，圍繞教學(xué)目標(biāo)線上線下協(xié)同開展教學(xué)活動，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，從而實現(xiàn)教學(xué)效果倍增。其內(nèi)涵包括[2]：①學(xué)習(xí)方式是在線學(xué)習(xí)與線下學(xué)習(xí)的有機(jī)融合，信息技術(shù)的運(yùn)用成為其標(biāo)志；②以構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的教學(xué)范式，知識和能力的習(xí)得是學(xué)生在主動構(gòu)建的過程中完成的。

然而，混合式教學(xué)并非傳統(tǒng)課堂講授與視頻授課的簡單結(jié)合，需對傳統(tǒng)課堂進(jìn)行深度教學(xué)設(shè)計改革，把握以下幾個原則：①線上線下教學(xué)目標(biāo)各有側(cè)重，課程組要以成效為導(dǎo)向，以授課內(nèi)容為主線梳理確定課程教學(xué)問題，明確線上和線下活動各自的目標(biāo)；②要明確主體與主導(dǎo)的關(guān)系[3]，在混合式教學(xué)模式下，學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體和教學(xué)的中心，教師則擔(dān)任組織者和引導(dǎo)者的角色，混合式課堂是在教師主導(dǎo)下開展的以學(xué)生為主體的高交互教學(xué)活動；③要在普適性標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行個性化設(shè)計，以“兩性一度”[4]為基本原則，對待改革課程的內(nèi)容進(jìn)行解構(gòu)和重構(gòu)，以具有針對性的線上教學(xué)活動為載體，線上線下協(xié)同推進(jìn)，達(dá)成知識傳授和能力培養(yǎng)目標(biāo)；此外，混合式教學(xué)實踐還需靈活地運(yùn)用各類信息化工具，對傳統(tǒng)課堂進(jìn)行全流程多要素的優(yōu)化設(shè)計，覆蓋預(yù)備知識準(zhǔn)備、課堂知識延伸、隨堂測試點名、研討交流閱讀、過程與結(jié)果評價以及課程思政等各個環(huán)節(jié)。

綜上，針對云計算安全課程實施混合式教學(xué)設(shè)計改革實踐，必須要深度剖析其內(nèi)容特點，以預(yù)期目標(biāo)為牽引，精心設(shè)計編排線上線下活動組織，才能夠真正實現(xiàn)以學(xué)生為中心，以效果為導(dǎo)向的優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)。

2云計算安全課程剖析

下面，以我校開設(shè)的云計算安全課程為對象，進(jìn)行課程內(nèi)容體系、特點的剖析，并設(shè)定混合式改革的預(yù)期目標(biāo)。

2.1內(nèi)容與特點分析

本課程主要面向我校信息與通信工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)空間安全、軟件工程、電子信息等專業(yè)的研究生而開設(shè)，根據(jù)以往學(xué)情數(shù)據(jù)分析，學(xué)生本科階段的專業(yè)涉及計算機(jī)、信息工程、通信工程、自動化、數(shù)學(xué)等大類專業(yè)，基礎(chǔ)不同，對標(biāo)本課程的要求還有明顯差距。

在教學(xué)內(nèi)容方面，本課程共設(shè)置云安全概念與基礎(chǔ)、基礎(chǔ)設(shè)施安全、數(shù)據(jù)安全、訪問控制、計算安全等五大板塊，不同板塊均涉及相關(guān)的基礎(chǔ)理論、技術(shù)原理和實踐應(yīng)用等三個層面。顯然本課程是一個綜合類和實踐要求高的課程，同時具有較強(qiáng)的學(xué)科交叉特點，從專業(yè)基礎(chǔ)來看，涉及計算機(jī)、信息通信、網(wǎng)絡(luò)工程與網(wǎng)絡(luò)安全、軟件工程、密碼學(xué)、數(shù)學(xué)等多個學(xué)科方向，知識點多面廣，依賴傳統(tǒng)課堂教學(xué)甚至難以保證三位一體育人目標(biāo)中的最低級目標(biāo)，即知識傳授的效果。因而迫切需要改革教學(xué)模式、豐富教學(xué)手段，充分利用數(shù)字化工具平臺解決傳統(tǒng)課堂中的痛點問題。

我們對本課程的板塊劃分、內(nèi)容設(shè)計和特點進(jìn)行了詳細(xì)剖析，如表1所示。

分析結(jié)果表明，云計算安全課程中設(shè)置的各板塊為松耦合關(guān)系，板塊內(nèi)部知識體系化程度高，板塊之間關(guān)聯(lián)度較弱，各自獨立設(shè)計混合式教學(xué)活動容易導(dǎo)致學(xué)生只見樹木不見森林，效果難以保證。因此在進(jìn)行混合式教學(xué)活動設(shè)計時，要正確處理課程整體與板塊局部的關(guān)系、長期成效與短期目標(biāo)的關(guān)系。以基礎(chǔ)設(shè)施安全板塊和數(shù)據(jù)安全板塊教學(xué)階段的線上研討（如論壇式討論）為例，兩板塊的知識本身并無太多關(guān)聯(lián)性，但教師在發(fā)布研討主題時，可以從知識關(guān)聯(lián)應(yīng)用的角度出發(fā)，發(fā)布討論主題：為何在數(shù)據(jù)安全方案的威脅假設(shè)中，通常假設(shè)CSP為誠實的但是好奇的，如何確保CSP的基礎(chǔ)設(shè)施是誠實的？學(xué)生在參與討論時，會主動回顧基礎(chǔ)設(shè)施安全板塊中所學(xué)的知識，從云計算基礎(chǔ)設(shè)施安全加固的角度提出相關(guān)解決方案，達(dá)到啟發(fā)新知識和鞏固舊知識的目的。

2.2預(yù)期目標(biāo)

結(jié)合前文分析，總結(jié)出本課程混合式教學(xué)實踐的預(yù)期目標(biāo)如下：

2.2.1知識點的結(jié)構(gòu)化分解與重構(gòu)

本課程中很多章節(jié)的知識點呈現(xiàn)點多、面廣、來源復(fù)雜且離散度高的特點，來自不同的學(xué)科或工程領(lǐng)域的知識點需要在現(xiàn)有的章節(jié)框架下進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解與重組，形成圖譜化的知識組織形式，并能夠按需引導(dǎo)學(xué)生抽取相關(guān)知識點的結(jié)構(gòu)視圖，有效解決學(xué)生課程學(xué)習(xí)期間只見樹木不見森林問題。

2.2.2授課全程中學(xué)生注意力的引導(dǎo)

本課程每個板塊都存在一些章節(jié)需要在一次課中集中講述大量的概念和知識點，僅依賴傳統(tǒng)“總―分―總”授課范式，難以保證學(xué)生的注意力持續(xù)集中。傳統(tǒng)的課堂點名回答問題的互動方式參與范圍小，效果有限。綜合利用線上線下混合設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計互動提問環(huán)節(jié)，教師獲得快速反饋的同時，也能夠有效將學(xué)生的注意力集中在課堂內(nèi)容上。

2.2.3前期知識儲備與課外知識擴(kuò)展

本課程學(xué)科交叉屬性強(qiáng)，每個板塊學(xué)習(xí)均需要學(xué)生掌握大量的前期預(yù)備知識。例如“基礎(chǔ)設(shè)施安全”板塊，學(xué)生需要提前了解x86架構(gòu)CPU權(quán)限設(shè)計、計算機(jī)金字塔存儲結(jié)構(gòu)、高速緩存、虛擬化實現(xiàn)模式、數(shù)據(jù)中心架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等知識。另外，出于對學(xué)生視野拓展的考慮，還需要在課外通過多種途徑如閱讀、討論等，引導(dǎo)學(xué)生對課內(nèi)知識進(jìn)行深度思考和延伸，起到以點帶面的效果。

2.2.4從理論學(xué)習(xí)到應(yīng)用實踐

本課程的內(nèi)容中，如虛擬化安全與對抗、容錯存儲、密態(tài)數(shù)據(jù)檢索、同態(tài)加密等章節(jié)，均需要學(xué)生在理解相關(guān)知識點的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用實踐，達(dá)到知識強(qiáng)化、內(nèi)化的目的。在混合式教學(xué)模式下，教師需要對傳統(tǒng)的線下分組實驗+提交報告的組織形式進(jìn)行變革，創(chuàng)新應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)工具實現(xiàn)在線自主實驗、自動評判和結(jié)果自動統(tǒng)計，提高組織效率，提升能力培養(yǎng)效果。

2.2.5課程思政案例庫建設(shè)

云計算和大數(shù)據(jù)安全相關(guān)的事件近年來深受各界關(guān)注，提供了很好的課程思政素材，可以引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)科研質(zhì)量意識、風(fēng)險意識，辯證看待技術(shù)與人員的關(guān)系，再比如，近年某打車軟件公司因存在嚴(yán)重影響國家安全的數(shù)據(jù)處理行為而被處罰的案例，激勵學(xué)生從事數(shù)據(jù)安全工作的使命感、責(zé)任感。混合式教學(xué)模式將為本課程思政庫的建設(shè)提供更加高效率、多途徑的實施辦法。

2.2.6過程跟蹤與課程考核

本課程采用過程性評價的方法，全程跟蹤記錄學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實踐表現(xiàn)、線上活動表現(xiàn)以及研討匯報表現(xiàn)等方面，最終給出綜合性考核評價結(jié)果。前期授課過程中，課程組依賴傳統(tǒng)方式進(jìn)行成績記錄，存在數(shù)據(jù)采集難、統(tǒng)計分析難、數(shù)據(jù)不完整等問題，導(dǎo)致學(xué)生最終成績評定的主觀性較強(qiáng)，且難以支撐復(fù)盤分析。混合式教學(xué)模式下，依賴線上平臺的自動統(tǒng)計分析能力能夠為本課程學(xué)生學(xué)習(xí)過程的考核提供很好的解決方案。

3云計算安全課程混合式教學(xué)設(shè)計

課程組深度調(diào)研了現(xiàn)有的混合式教學(xué)模式改革案例以及信息化平臺，針對性地設(shè)計了系列混合式教學(xué)活動，以期能夠補(bǔ)足傳統(tǒng)課堂的缺陷，實現(xiàn)本門課程提質(zhì)增效。

3.1圖譜式知識點組織

知識圖譜是一種基于實體和關(guān)系的知識組織形式，具有開放性好、靈活性高等特點，非常適用于本課程復(fù)雜多源的知識點組織。考慮到完備的知識圖譜構(gòu)建過程復(fù)雜，我們擬以思維導(dǎo)圖為骨干構(gòu)建一種類知識圖譜的結(jié)構(gòu)，首先基于章節(jié)結(jié)構(gòu)梳理并繪制樹狀知識導(dǎo)圖，之后根據(jù)跨章節(jié)知識點之間的邏輯關(guān)系，在思維導(dǎo)圖基礎(chǔ)上添加關(guān)聯(lián)關(guān)系、支撐關(guān)系、從屬關(guān)系等邏輯關(guān)系。以容錯存儲部分的糾刪碼、門限存儲和完整性審計部分的POR協(xié)議為例，糾刪碼（如RS碼）不同的構(gòu)造方法可以分別支撐構(gòu)建門限存儲方案和POR協(xié)議，此處糾刪碼是門限存儲和完整性審計兩個小節(jié)的支撐知識點。按照上述方法構(gòu)造的知識點組織結(jié)構(gòu)，能夠更加清晰地展示本門課程的知識體系，有利于學(xué)生對全課程知識概貌地了解，以及對于詳細(xì)知識點的理解和學(xué)習(xí)。

圖譜構(gòu)建過程可由師生共同完成，隨著課程的授課進(jìn)度不斷擴(kuò)展、豐富，該類圖譜的制作可以通過在線思維導(dǎo)圖工具完成，繪制結(jié)果可以直接發(fā)布于在線平臺或者發(fā)布為共享文檔。

3.2眾包式知識歸集

從前文分析得知，本課程需要提供大量的文獻(xiàn)資料等，以滿足學(xué)生們課前知識儲備和課后知識擴(kuò)展需要。針對該問題，我們擬設(shè)置知識眾包活動。具體的，教師在每個板塊開始前和結(jié)束后提出知識歸集的基本要求，發(fā)布知識歸集任務(wù)，學(xué)生據(jù)此開展資料收集并上傳到在線資料庫；課前的知識儲備材料主要由授課教師和有相關(guān)基礎(chǔ)和前置課程學(xué)習(xí)經(jīng)歷的同學(xué)提供，而課外的知識擴(kuò)展材料則鼓勵全體學(xué)生收集，材料的形式可以為文獻(xiàn)、圖書、科普推文、公眾號文章、小視頻，或者是自己總結(jié)的圖文報告等多種形式。例如，在隱私計算板塊授課之前，教師依托微信群或雨課堂等在線工具發(fā)布知識眾包任務(wù)及其基本要求，設(shè)置“密碼應(yīng)用發(fā)展史”“新型密碼體制”“時事動態(tài)”等幾個專題，要求學(xué)生參與資料歸集活動，活動開展時間為板塊授課開始前一周至學(xué)期授課結(jié)束。

各位同學(xué)在該環(huán)節(jié)中的貢獻(xiàn)度由其所提供資料的訪問情況、學(xué)生點贊情況以及教師評價共同確定，作為形成性考核的一部分計入最終成績。

3.3論壇式交流分享

該活動主要針對課程中的研討交流環(huán)節(jié)進(jìn)行改革，在原本的PPT匯報+文檔報告的研討模式基礎(chǔ)上，增設(shè)在線論壇式討論。在課程開始幾周內(nèi)，按照每學(xué)期的課程教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生情況，教師規(guī)劃并發(fā)布論壇專題，由學(xué)生自主選題并著手資料閱讀、分析和研討工作，在課程中期，每名同學(xué)需要將研討的報告（非正式報告，形式靈活，核心觀點要明確）發(fā)布到論壇中，其余同學(xué)的閱讀、評論情況即為同學(xué)互評。論壇交流的情況將與課程期末的答辯匯報、正式版報告等綜合考慮，共同構(gòu)成學(xué)生研討交流環(huán)節(jié)的成績。

3.4靈活式隨堂測試

針對傳統(tǒng)課堂點名答題、課堂互動效率低的問題，考慮在課堂教學(xué)中設(shè)置多模式的隨堂測試，實現(xiàn)考勤點名與學(xué)生注意力牽引的綜合效果。具體的，在課件制作時，每間隔15―20分鐘的授課內(nèi)容穿插隨堂測試（單選、多選、填空、主觀題等），并通過雨課堂等工具發(fā)布給全部學(xué)生，學(xué)生自主完成后提交答案，教師在后臺可以查看答題進(jìn)度及統(tǒng)計情況，同樣的，教師也可以隨機(jī)抽點學(xué)生現(xiàn)場回答問題。通過這類活動，教師能夠接近實時地掌握教學(xué)效果，同時將學(xué)生的注意力周期性地引導(dǎo)到授課內(nèi)容上，與教師教學(xué)形成閉合回路，確保學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。靈活式隨堂測試還能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生考勤、點名的附加目標(biāo)。

3.5漸進(jìn)式線上實踐

在本課程的實踐環(huán)節(jié)，部分項目綜合性較強(qiáng)，學(xué)生一次性完成整個實踐項目的難度高。例如“基于Spectre的側(cè)信道攻擊驗證”實驗，完整的攻擊驗證實踐需要學(xué)生掌握CPU緩存訪問時延測量、FLUSH+RELOAD、CPU預(yù)測執(zhí)行、側(cè)信道信息竊取、采集算法優(yōu)化、Spectre漏洞原理等基礎(chǔ)知識。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，擬開展“闖關(guān)式實踐”，學(xué)生從易到難循序漸進(jìn)完成整個實驗；通過前序關(guān)卡實踐，學(xué)生能夠了解Cache與內(nèi)存訪問時延測量方法、掌握FLUSH+RELOAD側(cè)信道攻擊的一般過程、理解Spectre漏洞原理、熟悉算法優(yōu)化技巧等；最后一關(guān)即為完整的綜合實踐關(guān)卡，模擬真實目標(biāo)場景，預(yù)置攻擊前置條件，由學(xué)生線上完成攻擊代碼編寫，實現(xiàn)隱藏在靜態(tài)鏈接庫中的敏感字符串竊取。通過這類闖關(guān)式實踐項目的開展，學(xué)生能夠較好地理解完整的側(cè)信道攻擊驗證所需要的關(guān)鍵步驟，切實提升其動手實踐能力。依托Educoder在線教學(xué)平臺，不僅可以實現(xiàn)該類型實踐項目設(shè)計，同時提供自動化結(jié)果研判和成績評定、排名等功能，是本課程實現(xiàn)漸進(jìn)式線上實踐教學(xué)的有效工具。

3.6多元化跟蹤評價

綜合以上混合式教學(xué)活動設(shè)計，本課程的考核評價包括了知識歸集表現(xiàn)、隨堂測試表現(xiàn)、論壇分享表現(xiàn)、實踐闖關(guān)表現(xiàn)、匯報答辯表現(xiàn)以及研討報告文檔質(zhì)量等指標(biāo)。依托Educoder+雨課堂等在線教學(xué)平臺，基本能夠滿足上述相關(guān)任務(wù)的實施以及結(jié)果數(shù)據(jù)的采集，為學(xué)生課程學(xué)習(xí)成績的綜合評定提供有效支撐。

4結(jié)語

本文從混合式教學(xué)基本原則、云計算課程特點剖析、預(yù)期效果分析、教學(xué)設(shè)計探索四個方面展開論述，介紹了針對云計算安全課程進(jìn)行混合式教學(xué)改革探索的思路和舉措。具體包括圖譜式知識點組織、眾包式知識歸集、論壇式交流分享、靈活式隨堂測試、漸進(jìn)式線上實踐、多元化跟蹤評價等6個方面的混合式教學(xué)改革舉措建議。預(yù)期對本課程的課堂教學(xué)效果、學(xué)生學(xué)習(xí)效率、課程設(shè)計質(zhì)量、課程資料庫建設(shè)等方面的提升具有良好的支撐作用。

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