基于虛擬仿真實驗教學平臺的網絡安全實踐教學體系研究與構建

摘要：基于CC2020勝任力模型，從實現網絡安全核心知識的學習、攻防技能的提高、品行的培養出發，對網絡安全實驗教學體系進行了構建及研究。虛擬仿真實驗教學平臺和雨課堂平臺，為實踐開展提供了信息化教學的基礎，同時提升了實踐教學的可行性和創新性。結合學生現狀，從教學內容設計、實驗資源建設、教學方法策略、考核評價機制，多角度、多方位地提出了詳細建設舉措。實踐課程的實施將對培養網絡安全創新型、實戰型人才培養具有實際意義和參考價值。

關鍵詞：CC2020勝任力模型虛擬仿真實驗教學平臺實踐教學項目驅動教學內容設計

中圖分類號：G712;TP393.08-4

ResearchandConstructionofNetworkSecurityExperimentalTeachingSystemBasedonVirtualSimulationExperimentTeachingPlatform

YANG YangSUNHaoyueQINXiaohui

HebeiUniversityofArchitecture，Zhangjiakou，HebeiProvince，075000China

Abstract：BasedonCC2020competencymodel，thispaperconstructsandstudiesthenetworksecurityexperimentteachingsysteminordertorealizethelearningofcoreknowledgeofnetworksecurity，theimprovementofoffensiveanddefensiveskillsandthecultivationofcharacter.Thevirtualsimulationexperimentteachingplatformandrainclassroomplatformprovidethebasisofinformation-basedteachingandenhancetheinnovationofpracticalteaching.Combinedwiththecurrentsituationofstudentsinourschool，thispaperputsforwarddetailedconstructionmeasuresfromvariousanglesanddirections，suchasteachingcontentdesign，experimentalresourcesconstruction，teachingstrategyassessmentandevaluationmechanism.Theimplementationofthispracticalcoursewillhavepracticalsignificanceandreferencevalueforcultivatinginnovativeandpracticaltalentsinnetworksecurity.

KeyWords：CC2020CompetencyModel;Virtualsimulationexperimentteachingplatform;Practicalteaching;Project-driven;Teachingcontentdesign

2020年12月，ACM/IEEE-CS協會發布了全球性計算機科學教育領域計算課程體系紅皮書（ComputingCurricula，簡稱CC2020）[1]，CC2020從計算機課程體系建設出發，倡導計算機教育人才培養的核心需求，從而提供了指導。

CC2020工作組將勝任力作為核心培養目標，由知識、技能和品行3部分組成[2]，鼓勵各教學機構根據自己的定位設計具體的培養方案。對實現我國“新工科”建設所強調的“以能力培養促進工程科技創新和產業創新”的目標有著重要的促進作用。

針對CC2020所提出的人才培養的核心內容，本課程實踐教學過程中依托虛擬仿真實驗平臺，構建以培養學生興趣為導向，以實踐帶動理論的教學體系，從而設計實驗教學內容，實現網絡安全核心知識的學習、網絡安全攻防技能的提高、網絡安全職業素養及團隊精神等品行的培養。

1網絡安全實驗教學體系總體設計

本課程實踐所設計的網絡安全實驗教學內容以知識學習為基礎、以技能提升為目標、以思政教育為導向，教學內容的設計上突出問題求解的作用，實驗類型方面主要從實驗的難易程度出發劃分為基礎型實驗、專業型實驗、綜合型實驗和學科創新型實驗；以在線虛擬仿真實驗教學平臺為依托，靈活采用任務驅動式教學方法進行設計，將學科競賽、網絡安全創新型成果融入實驗教學的考核中。重在培養悉攻善守、攻防兼具的工程型網安人才。

1.1建立網絡安全實踐課程建設模式

構建知識、技能、品行3個網絡安全人才培養支撐點，以知識學習、實戰能力提高、思政品行教育為教學目標，整合線上線下教學資源進行知識點講授學習；通過項目式任務驅動實踐教學法，融入學科競賽，將學生帶入具體的網絡安全靶場進行實際問題分析，通過實驗類型要求學生獨立思考或集體協作，提高學生的實操實戰技能；同時，從思政教育、職業素養、團隊精神、溝通能力等方面培養學生的品行意識。

1.2?;構建網絡安全實驗教學課程體系

教學內容上，主要以“問題求解”為中心[3]，實驗類型從實驗內容的性質及難易程度主要分為基礎型實驗、專業型實驗、綜合型實驗和創新型實驗4個內容層次，實驗類型和課程實踐教學目標相對應，難度從簡單到難度加大，注重“問題求解”能力的工程型人才培養。

1.3多元化多維度的實驗考核評價機制方案

從實驗考核的多元化出發，采用靈活多樣的實驗考核方式[4]，針對不同的實驗類別制定不同的考核參考標準，例如傳統的實驗報告基礎上增加實驗答辯、線上攻防情況測評、科研創新項目和學科競賽獲獎等，主要突出對網絡安全技能的實踐動手能力和創新思維的培養，根據本課程實踐所設計的教學模式下的學生學習成績分布，驗證網絡安全實踐課程的建設成果和檢驗。

2本網絡安全實踐教學所依托的信息化服務環境

2.1網絡安全虛擬仿真實驗教學平臺建設

網絡安全虛擬仿真實驗教學平臺的構建初衷是為了提高學生的動手能力，以實踐技能和創新意識的培養為目標。通過平臺實現實驗教學資源的信息化，提高整合度，具備資源的開放性和共享性，建設過程結合學情個性化、需求多元化、資源信息化的特點進行建設。通過虛擬化技術創建各種網絡安全實驗場景及實訓環境，將理論學習和實驗實踐相結合，集在線實驗、在線課堂、項目實戰、題庫、在線考試等功能于一體。平臺課程資源包含安全基礎、滲透測試、安全運維、安全競賽和安全靶場等主流信息安全實戰類資源，滿足遠程教學與在線實驗。

2.2基于雨課堂的智慧教學體系

理論教學方面，整合線上和線下教學學習資源，開展實踐教學理論指導，主要基于雨課堂和慕課兩個平臺，構建一個資源完備的教學環境，提供覆蓋實踐課程所需的課前資源發布與學習、課中答題互動、課后進度跟蹤與學情觀測，開展全面的沉浸式實踐教學指導，充分調動學生的學習興趣、課程關注度和主觀能動性。

3網絡安全實驗教學實踐詳細建設舉措

3.1全面的虛擬仿真實驗教學內容設計

融合線上資源、線下課堂和虛擬仿真網絡安全實驗平臺建立智慧學習環境[5]，以基礎知識（know-what）做支撐；技能（know-how）和品行（know-why）提升作為主要目標，以網絡安全勝任力核心需求為牽引，教學實踐設計了符合學情的和培養方案一致的教學內容，基于一定的教學方案，結合理論講授與實驗實訓，激發學生的學習驅動力，重在賦能學生的網絡安全技能實操和解決問題的勝任力。

3.2網絡安全課程實驗資源建設情況

提出了多維分層進階式學習理念，從基礎型實驗、專業型實驗、綜合型實驗和科研創新學科競賽出發，建設前期進行了網絡安全實驗任務設計，突破以往的網絡安全實踐教學方法及教學模式、重在任務驅動強化學生的實踐能力、夯實學生解決網絡安全工程問題的職業能力，探索基于CC2020勝任力模型的計算機人才培養理念。同時，基于學生學情，根據教學知識點和實踐教學項目的難易程度，在覆蓋學科知識技能范圍的前提下，將網絡安全課程的實踐教學環節按實驗性質分為：認知實驗、驗證實驗、設計實驗、綜合實訓、畢業設計和學科競賽6個教學環節。

綜上，通過實驗情況及平臺記錄收集學情反饋，檢驗學生學習質量。以培養“悉攻善守、攻防兼具”的多層次人才為目標，調整各知識點的考核目標，思考設計課內實驗，為學生提供自我成長的練習平臺，通過實踐能力的提升，引導學生由知識掌握向知識運用的遷移。

3.3課程實踐產出規劃

通過學習每章理論知識、實用技術和實驗練習，拓展視野，增強技能，培養學生對網絡安全的研究、分析和實戰能力。在自主學習意識與能力上有所提高，養成科學嚴謹、實事求是的科學態度和學習態度，為今后工作打下良好的基礎。讓學生掌握知識和技能的同時，提高學生網絡信息內容鑒別能力和網絡安全意識，提高大學生的社會競爭力，為我國互聯網技術的發展與使用培養專業人才和可靠人才。

3.4綜合的考核評價機制設計

采用靈活多樣的實驗教學考核方式，對應不同的實驗類別制定不同的考核參考依據，比如實驗報告、實驗答辯、線上攻防測評和學科競賽[6]等，主要突出對網絡安全技能的應用情況和創新思維，根據本項目設計的實踐教學模式下的學生學習成績分布，驗證網絡安全實踐課程建設成效。具體實施策略如下。

（1）通過發布雨課堂考試或作業的方式，實施常態化學習評價工作：每章結束后都會發布本章單元測試題，并在近幾年的教學中加入的信息化期中考試。通過無紙化考試自動評分功能減輕了教師評閱試卷的能力，同時可對學生對知識點的掌握情況得以掌握了解。

（2）課程設置了4個必須完成的實驗，輔助有12個選擇性完成的實驗。

（3）實驗部分的考核方式由單一的實驗報告向多元化轉變，考核形式主要包括實驗報告、實驗視頻等環節。

3.5集成的教學方法及實驗策略研究

3.5.1任務驅動教學法

從個人作業角度，基于網絡安全虛擬仿真實驗教學平臺的進度完成功能，通過考核要求，發布學習任務，考核驅動學生將實驗教學從應付學時轉變為以任務完成需求為主，而最終目標在于培養悉攻善守的網絡安全人才。

3.5.2項目驅動式教學法

團隊作業角度，在教師的指導下，將相對獨立的項目交由學生進行協作完成全流程的設計與評價，以項目任務作為內驅力，將理論知識和實踐操作融為一體，同時在品行思政教育方面，提升學生團隊合作能力。

3.5.3案例式教學法

通過理論教學，在理論知識儲備具備的基礎上，在教學內容的設計和指導下，在具體的網絡安全靶實踐場進行實際問題的梳理認識和分析，通過反復的多場景攻防練習，舉一反三，進一步提高學生解決具體網安工程問題的能力，同時培養學生品行培養方面的相關能力如溝通能力和協作精神等。

3.6拓展實驗：基于深度學習的網絡安全檢測研究

本科生繼續深造本校研究生，給出一些學生繼續網絡安全研究方向的建議。本科網絡安全學習的基礎上，帶學生繼續網絡安全深度拓展學習，主要研究方向在深度學習卷積神經網絡在網絡安全方向的應用方面，包括基于深度學習惡意流量檢測、基于深度學習的計算機用戶行為異常檢測等，并發表了一系列的研究論文。

4結論

本課程實踐體系的設計以CC2020勝任力計算機人才培養模型為指導，構建知識、能力、品行培養著力點，以網絡安全復雜實踐問題的解決為培養目標，設計符合學情的遞進式的網絡安全實踐項目體系。主要通過項目驅動式實踐教學方法，全面提升學生解決網絡安全方向復雜問題的技術能力和動手能力。從個人任務和團隊任務的驅動角度，關注每位學生的學習收獲、學習困難和產出效果，開展全方面的實踐教學指導。評價方式上向多元化轉變，兼顧網絡安全知識點考核、實驗報告撰寫、實驗視頻操作記錄、綜合實驗項目設計與提高。

參考文獻

[1]IMPAGLIAZZOJ，PEARSAN.TheCC2020project-computingcurriculaguidelinesforthe2020s[C]//ProceedingsoftheEDUCON’18.WashingtonDC：IEEE，2018：2021-2024.

[2]ALISONC，TONYC，ABHIJATV，etal.DevelopingCompetencyStatementsforComputerScienceCurricula[C]//ProceedingsoftheACMSIGCSE’20.NewYork：ACM，2020：515-516.

[3]孫梅，肖建于，沈龍鳳，等.問題驅動的網絡安全線上線下實驗教學探索[J].淮北師范大學學報（自然科學版），2022，43（3）：85-91.

[4]劉毅文，姚敦紅.基于CC2020勝任力模型的計算機類理論課程作業設計優化策略[J].計算機教育，2022（7）：199-204.

[5]劉強，王瑞錦，趙文濤，等.基于CC2020勝任力模型的網絡安全實踐教學金課建設[J].計算機教育，2021，17（6）：59-64.

[6]劉莉，劉持標.結合CTF競賽的網絡安全課程教學改革[J].計算機教育，2019（4）：107-111.