云平臺驅動的物聯網信息安全實驗教學改革與創新實踐

摘要：物聯網技術的普及帶來信息安全挑戰升級，對人才培養的實踐創新能力培養提出更高要求。物聯網信息安全課程亟須突破傳統實驗室的物理限制，推動實驗教學改革。文章基于云虛擬實驗平臺，聚焦教學模式、實驗設計和交互優化三方面進行系統化改革探索。通過采用“線上線下混合+任務驅動+項目協作”模式，結合物聯網通信加密等典型實戰案例，構建可復現的安全虛擬實驗環境，系統提升學生的操作能力和安全素養。實踐表明，該平臺在教學組織效能、過程監控精度及反饋機制實時性方面具有顯著優勢，有效促進教學效果提升和課程數字化轉型升級。研究進一步通過實證數據分析云平臺的應用成效與現存問題，提出優化建議，為新工科背景下信息安全類課程建設提供了兼具理論支撐和實踐價值的參考范式。

關鍵詞：云平臺；物聯網；信息安全；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642" " " 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）23-0117-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著信息技術的飛速發展，物聯網已廣泛應用于智慧農業、智能制造、智慧城市、醫療健康等關鍵領域，成為推動產業變革的重要動力[1-2]。然而，物聯網系統的開放性、異構性及資源受限等特點導致嚴重的信息安全挑戰，典型表現為數據泄露、通信劫持、固件篡改等高發安全事件，持續威脅系統穩定與用戶隱私[3-4]。如何提升物聯網系統的安全性，已成為學術界與產業界共同關注的熱點問題，也對相關人才的培養提出了更高要求。

在高等教育中，實驗教學是連接信息安全理論與工程實踐的核心環節。通過動手實踐，學生不僅能掌握基礎安全原理，更能提升實際攻防技能與問題解決能力。然而，當前多數高校的物聯網信息安全實驗仍沿用傳統模式，突出表現為實驗資源不足、環境構建復雜、內容更新滯后等矛盾[5-7]。特別值得注意的是，物理實驗室建設成本高、維護難度大，難以支撐實時性、多樣化的教學需求，客觀制約學生的參與度與教師的教學管理效能。

近年來，“云計算+虛擬化”技術的發展為實驗教學改革提供了技術支撐。基于云虛擬平臺的實驗教學模式，具有資源彈性擴展、環境快速部署、安全隔離等優勢，能夠有效突破傳統實驗教學的空間與技術瓶頸[8-10]。該平臺支持遠程訪問與集中管理，有助于快速迭代實驗內容、提升教學效率與教學交互體驗；同時，其數據記錄與分析能力也為教學評估與持續優化提供了支撐。本文以物聯網信息安全實驗課程為例，圍繞平臺支撐下的教學模式創新、實驗內容設計與多維交互過程，開展系統化教學實踐研究。通過構建面向典型安全場景的虛擬實驗環境，融合任務驅動與項目協作教學策略，探索實驗教學的新路徑，為相關課程改革提供兼具實踐可行性與理論創新性的解決方案。

1 云虛擬實驗平臺的教育應用基礎與優勢分析

1.1 云虛擬實驗平臺的基本理念與教育意義

云虛擬實驗平臺通過云計算與虛擬化技術構建遠程、彈性、安全的實驗教學環境。通過云計算技術實現資源集中管理與動態調度，依托虛擬化技術保障多用戶環境并行部署與安全隔離運行。支持教師靈活發布實驗任務、學生隨時接入平臺操作，突破傳統實驗教學在時空約束與資源調配中的物理性限制。

從教學理念來看，云虛擬平臺契合“以學生為中心”的教育思想，支持個性化學習路徑與項目化實踐，強調學生在真實任務驅動下的自主探究與協作解決問題的能力。同時，它也是建構主義學習理論在工程教育中的具體體現，為培養學生的綜合實踐能力與創新意識提供了有效技術支撐。

1.2 傳統本地實驗室的局限性

盡管本地實驗室具備一定的實操基礎與真實感，但在當前高質量教育發展背景下，其局限性日益顯現于多維層面。首當其沖的是資源建設與維護的經濟性困境，物聯網安全實驗室建設需要持續投入大量硬件設備，而較長的更新周期易導致技術迭代滯后；同步存在的時空約束問題，使得學生實驗活動被嚴格限制在固定時間與物理空間內，難以實現個性化學習節奏；教學過程的不可視化缺陷，導致教師無法實時追蹤學生操作軌跡，僅能依賴結果性數據進行教學評價，缺乏全流程動態監測機制；更為關鍵的是安全管控風險，傳統實驗室在開展網絡攻防演練、系統防護測試等高危操作時，面臨網絡隔離失效與系統穩定性受損的雙重挑戰。這些結構性矛盾在信息安全類課程中尤為突出，已實質性制約實驗教學效果與人才培養質量提升。

1.3 云虛擬實驗平臺的教學優勢

云虛擬實驗平臺通過多維技術融合有效化解傳統實驗教學困境，其核心優勢體現在全域覆蓋與縱深服務能力：平臺支持學生遠程無縫接入，突破時空限制實現學習靈活度躍升；賦予教師集中化資源管理權限，依托環境秒級部署、快照還原與彈性擴展功能顯著提升教學組織效能；構建全流程可觀測體系，通過操作日志自動歸檔與任務進度可視化，實現教學過程動態追蹤與精準評價；創新安全沙箱機制，基于環境隔離、權限分級與行為審計構建可控風險域，保障高危實驗操作的安全性；強化技術迭代適配性，通過模塊化實驗模板快速集成物聯網加密通信、終端固件逆向等前沿技術；深度支持教學模式創新，為翻轉課堂、角色化協作等新型教學方法提供底層架構支撐，形成“資源-管理-評估-安全-更新-教法”六維協同的生態化服務體系。

總體來看，云虛擬平臺不僅提升了實驗教學的可操作性與實效性，也為課程教學模式的創新提供了良好支撐。

2 云虛擬平臺在物聯網信息安全實驗課程中的應用實踐

為提升實驗教學效果與學生參與度，本文在物聯網信息安全課程中引入云虛擬實驗平臺，圍繞通信安全等典型問題設計系列實驗任務，構建以“任務驅動+項目協作”為核心的教學模式，全面提升學生實踐能力與問題解決能力。本部分從教學模式、典型案例與互動過程三個方面展開分析。

2.1 教學模式創新

傳統實驗教學以驗證性操作為主，學生主要按照預設步驟完成任務，缺乏探究性與協作性。基于云平臺的實驗教學則采用“線上線下混合+任務驅動+小組協作”模式，貫穿教學全過程。課前，教師通過平臺布置預習材料與工具指引，幫助學生理解實驗背景；實驗中，以“通信安全—加密機制—漏洞分析”為主線，設置遞進式任務，引導學生逐步構建安全通信環境；課后，結合實驗數據與平臺記錄進行總結與評價，強化反思提升。平臺支持教師遠程管理學生操作、自動收集實驗數據、按組分配資源與權限，有效提升教學效率與組織靈活性。

2.2 實驗案例：物聯網通信加密實驗

物聯網通信加密實驗以MQTT協議為實踐載體，重點訓練TLS加密部署與安全分析能力。實驗設置明文通信與TLS加密雙階段對比：學生先通過Wireshark監聽1883端口捕獲明文數據，隨后配置8883加密端口完成證書驗證，最終形成加密傳輸風險對比報告。云平臺集成Mosquitto Broker、MQTT客戶端及抓包工具，支持環境秒級部署、操作日志自動歸檔及角色化團隊協作。該案例通過“漏洞感知”“加密實施”和“安全驗證”的遞進式訓練，直觀展現加密通信的必要性，強化學生協議解析與風險防控的工程思維閉環。

2.3 多維互動教學過程

依托云虛擬實驗平臺，物聯網信息安全課程構建了“任務驅動”到“協同探索”的多維度教學閉環。教師通過實時監控與動態指導優化教學干預，學生借助資源共享與協作編輯工具完成項目攻關，系統自動采集實驗行為數據生成個性化學習畫像支撐精準評估，多模態成果提交機制同步強化技術應用與表達能力。該模式推動學生在加密通信等關鍵技術實踐中形成系統性安全防護思維，通過虛實結合的攻防場景訓練構建工程實踐能力，實現從離散技能驗證到綜合素養培育的教學范式轉型。

3 云虛擬實驗平臺應用效果分析

在物聯網信息安全課程中引入云虛擬實驗平臺，旨在提升實驗教學的靈活性、實踐性與交互性。為了全面評估平臺的教學應用效果，本文從教學成效評價和優勢與局限性分析兩個維度展開研究，通過問卷調查、教師訪談、實驗成績數據分析等手段，對平臺應用的教學效果進行多角度、多層次的實證評估。

3.1 實踐教學效果評價

為全面評估云虛擬實驗平臺在物聯網信息安全課程中的教學效果，課程團隊在學期末對兩個教學班的82名學生進行了問卷調查，并結合平臺操作日志和實驗成績進行分析。結果表明，平臺在提升學生實踐能力、學習積極性和教學組織效率等方面取得了良好成效。

1） 實踐能力顯著提升。問卷數據顯示，90.2%的學生認為平臺提升了其動手能力和問題解決能力。平臺支持多次實驗重做與狀態恢復，使學生能深入掌握如通信加密、固件分析、入侵檢測等關鍵技能。后臺數據表明，學生人均實驗操作次數較傳統方式提升了37.5%，實驗報告質量整體提高。

2） 學習積極性和參與度增強。85.4%的學生認為平臺降低了實驗操作門檻，提升了實驗趣味性。遠程訪問、友好的用戶界面以及任務自主控制增強了學生的學習主動性。同時，平臺支持小組協作，有效促進了學生間的互動與知識共享。

3） 教學組織效率提高，教師反饋良好。教師普遍認為平臺簡化了實驗準備與管理流程，自動化的日志記錄和在線評分機制為教學評價提供了數據支持，有助于精細化教學管理。一些教師指出，平臺推動了實驗教學從“經驗驅動”向“數據驅動”的轉變。

4） 典型實驗激發學生創新意識。以“物聯網通信加密實驗”為例，學生可靈活配置通信場景、測試多種加密方式，自主設計實驗方案并撰寫創新性實驗報告，表現出較強的探索能力與工程思維。

3.2 優勢與局限性對比分析

為進一步評估云虛擬實驗平臺與傳統實驗教學模式的優劣，課程團隊從資源效率、教學靈活性、學習效果、安全管理等方面進行了對比分析。結果表明，云虛擬平臺在多數維度上具有明顯優勢，但也存在一定的局限性，尚需在后續優化中加以克服。

從表1中可以看出，云虛擬平臺不僅在資源利用效率和教學靈活性方面具有顯著優勢，更為教師構建多樣化教學場景和個性化教學路徑提供了技術保障。同時，平臺也為傳統教學中較難實施的安全攻防類實驗內容提供了可靠的運行環境，提升了信息安全教學的真實性與可控性。

然而，在平臺深化應用過程中，三類結構性矛盾逐漸顯現：首先凸顯的是學習者能力差異顯性化問題，在開放式實驗場景下，自主學習能力薄弱的學生易陷入目標迷失，亟須教師建立分層指導機制與階梯式任務體系；其次暴露了技術依賴風險，網絡環境波動與學生終端性能參差直接影響操作流暢度，可能削弱技術賦能教育的普惠價值；此外還反映出教學范式轉型的適應周期挑戰，教師需突破傳統實驗管理慣性，教研團隊需協同推進平臺功能模塊解析、過程性評價標準制定等系統性培訓與流程再造。

總體來看，云虛擬實驗平臺在物聯網信息安全實驗教學中的應用效果是積極且顯著的。它不僅提升了學生的實踐操作能力和安全意識，也為教師提供了更為科學高效的教學支持手段，推動了課程的教學方式和管理機制的轉型。在后續應用中，仍需在平臺功能優化、教師支持系統建設與學習差異調控等方面不斷改進，以進一步提升教學成效與學生滿意度。

4 結束語

新工科建設背景下，傳統物聯網安全實驗教學面臨資源分散、過程低效與能力培養滯后三重困境。本研究構建云虛擬實驗教學體系，通過典型攻防案例實證，證實云平臺可達成實驗流程標準化、教學過程可視化、學習模式學生中心化的多維提升。研究證明，云虛擬實驗平臺為實驗教學提供了新型基礎設施支撐，平臺引導的教學模式實現了從“以教師為中心”向“以學生為中心”的轉變，實驗內容設計與教學過程管控實現了標準化、精細化與可視化，學生實踐能力與課程滿意度顯著提升。

參考文獻：

[1] 劉淼，夏雨虹，趙海濤，等.面向6G工業物聯網的聯邦學習：從需求、愿景到挑戰、機遇[J].電子與信息學報，2024，46（12）：4335-4353.

[2] 莊淵.以物聯網技術為支撐的智慧農業發展探索[J].棉花學報，2024，36（6）：538.

[3] 何樂生，馮毅，岳遠康，等.針對物聯網設備的旁路攻擊及防御方法的研究[J].通信學報，2025，46（2）：166-175.

[4] 楊凱，羅俊洲.物聯網數據安全可信共享平臺的構建與評估：評《物聯網數據安全可信的共享技術研究》[J].中國安全科學學報，2024，34（12）：224.

[5] 張穎，薛萬利，朱百祿，等.基于核心能力培養的信息安全專業綜合實踐課程教學改革探析[J].電腦知識與技術，2024，20（30）：167-170.

[6] 劉華.物聯網信息安全技術課程的教學設計[J].電子技術，2024，53（3）：416-419.

[7] 馬茜.適合于工程認證的混合式教學模式探索與實踐：以信息安全課程為例[J].科教文匯，2024（20）：114-117.

[8] 劉亞平.教育數字化戰略背景下研究生“云實驗” 平臺建設路徑研究[J].吉林省教育學院學報，2024，40（5）：41-45.

[9] 李鵬，曹洪武，鄔歡歡，等.虛擬云實驗平臺在網絡綜合實訓教學改革的應用[J].無線互聯科技，2019，16（18）：158-160.

[10] 黎想，雷霞，李宏.基于云實驗室的數字電子技術實驗課程教學改革[J].實驗室研究與探索，2020，39（4）：208-212.

【通聯編輯：王 力】