基于SPOC平臺的翻轉課堂教學研究

曹琰++王禹++丁文博++魏強

摘 要：針對漏洞分析課程存在理解抽象、實踐性強、前序知識依賴度高的特點，構建涵蓋流媒體、實驗環境和知識體系導教的SPOC教學平臺，提出基于SPOC平臺開展漏洞分析課程翻轉課堂教學改革的方法，從線上線下課堂、實驗教學和考核方式等方面闡述具體改革內容。

關鍵詞：漏洞分析；私播課；翻轉課堂

0 引 言

2008年，加拿大愛德華王子島大學的Dave Cormier教授提出了慕課（massive open online courses， MOOC）的概念[1]。它具有大規模（massive，每門課程同時學習人數可達數千至上萬甚至幾十萬）、開放（open，學習內容免費，尊崇創用共享協議）、在線（online，學習資源通過互聯網存儲和傳播）的特點。將慕課資源植入校內平臺，針對學生的學習特點，結合課程屬性，靈活調整教學內容，提供與慕課平臺類似的課外學習環境，由此誕生了私播課（small private online course， SPOC）[2]。私播課針對的是幾十人或者上百人規模的在線學習，其最大特點是面向指定人群，很好地將慕課技術應用于大學課堂教學之中。

漏洞分析課程是網絡空間安全專業學科教學內容的重要組成，旨在對軟件脆弱性進行發現和分析，從而達到維護信息系統安全的目的。該課程涉及底層匯編語言、程序逆向分析、操作系統內核原理等知識，具有理解抽象、技術難度大、前序課程相關性強、實踐能力要求高等特點。將SPOC平臺技術引入漏洞分析課，翻轉課堂教學改革，是促進該課程教學方法改進的有效手段。

1 漏洞分析課程教學現狀

漏洞分析技術是信息安全領域的研究熱點和難點，也是網絡空間安全專業學科不同學歷層次學生的重要學習內容之一。根據漏洞分析技術特點和對已開設的相關課程的教學調研，目前漏洞分析課程存在的主要問題總結如下。

1.1 漏洞分析對象眾多，知識碎片化

漏洞分析目標對象眾多，包括操作系統、應用軟件、硬件、數據庫、網絡協議、Web系統等，每個對象的漏洞檢測和分析方法差別較大，在測試環境、樣本構造、異常監控方法等方面都存在很大差異。比如，在測試環境方面Web應用的漏洞檢測需要搭建客戶端和服務端環境，而文件類程序的安全測試只需要在本地進行即可；在樣本構造方面，文件類程序需要解析文件格式來構造有效樣本，而協議類測試需要解析還原協議格式，從而構造網絡數據包作為測試輸入樣本。

1.2 逆向分析難度大，技術門檻高

漏洞分析工作需要對可執行程序的靜態文件結構和在內存中的動態運行機理熟悉掌握，這就需要利用逆向分析技術還原可執行文件的匯編代碼，從而為進一步分析提供支撐。逆向分析研究的對象往往是底層語言甚至是硬件邏輯編碼，這些對象不像高級語言容易理解，具有語義抽象、調試困難的特點。所以，開展逆向分析學習需要有扎實的編程基礎和操作系統內核原理知識，這些技術本身難度較大。

1.3 前序課程依賴程度高，學生基礎參差不齊

漏洞分析課程的前序課程包括操作系統原理、匯編語言、計算機網絡安全、C語言編程等，漏洞分析課程對這些課程的依賴性很強。學生在學習過程中，知識積累程度不盡相同。知識碎片化的特點也導致學生很難熟練掌握漏洞分析的所有基礎知識。學生基礎的參差不齊，給教學帶來了一定困難。根據學生情況，教師可能需要占用漏洞教學時間進行前序課程或背景知識的講授，但如果不擠壓漏洞教學時間進行基礎知識的復習或講解，可能導致部分學生完全無法理解本堂課的內容。

1.4 操作實踐性強，理論體系化程度弱

漏洞分析課程屬于實踐技巧性強，理論程度相對弱化的課程。本門課程對學生動手實踐能力要求較高，學生要能夠使用代碼編譯、反匯編、動靜態調試、測試分析等多種類型的工具。因為每個工具的操作命令、應用場景、界面使用都不相同，所以每個工具的使用和掌握都需要花費較多時間。本門課程的教學目的是學生能夠了解和掌握典型漏洞形成的機理，具備分析漏洞成因的能力，高級要求是能夠進一步發現新的安全漏洞。教學的目標本身帶有很強的實踐性要求，只有具有扎實的程序分析基礎，才能夠達成學習目標。但是，目前本門課程較為欠缺理論體系的建立，課程內容往往是針對某一具體漏洞案例或者某一典型漏洞類型的講解，缺少對知識整體的梳理，對漏洞分析的一般規律總結提煉不夠。漏洞分析類的工具書雖有不少可作為參考資料，但是適合本科生或研究生教學的理論和實踐結合較好的教材依然欠缺。

2 基于SPOC平臺的教學實踐

2.1 基于流媒體的知識點教學

將課程基礎知識點進行講課視頻錄制，每個視頻時長根據具體內容一般在10～30分鐘。具體內容包括可執行文件的結構和運行機理，經典漏洞類型的觸發原理，典型工具（IDA Pro、SoftICE、OllyDbg、WinDbg等）的使用，內存的分配和使用，通用驗證代碼的編寫、ROP技術、SHE利用原理以及操作系統的防護機制（數據執行保護、地址空間布局隨機化）等。

除此之外，還引入了漏洞分析課程的前序課程或關聯知識的講解視頻資源，包括操作系統原理、匯編語言、計算機網絡安全、 C語言編程、 Web安全實踐等。

2.2 知識體系引導式學習

漏洞分析課程對前序課程和相關基礎知識依賴較強，需要學生具有較強的編程和系統原理基礎，而且，根據漏洞分析對象的不同，其所依賴的基礎知識內容也不盡相同。具體來說，需要根據漏洞分析對象構建相應的知識體系，以知識體系引導學生就某類漏洞分析開展相應知識內容的學習，具體知識體系如圖1所示。

2.3 教師學生雙向互評

SPOC平臺建立的雙向評價機制，包括學生評價課程和教師評價學生兩個部分。

學生可以對漏洞分析課程的教學內容進行評價，就課程比較難理解的部分提出問題，有助于教師改進教學方法或者選擇教學內容的側重點。同時，學生也可以對前序課程或關聯知識點的教學內容進行評價，教師可以根據這些評價更新第三方公開的優質教學資源。endprint

平臺在漏洞分析每個講解單元后附有課后習題，以幫助學生掌握知識點，鞏固學習效果。題目的選取緊扣流媒體教學內容，適當發散，主要以客觀題（填空、選擇）為主，系統可以自動打分，教師可以根據錯題率統計掌握學生學習狀況。同時設置了簡答、推理等主觀題目，主觀題目需要由教師給出評分。同時，教師可以根據實驗錄像、實驗報告，掌握學生實踐能力情況并進行量化。

2.4 理論與實踐相輔練習

學生利用平臺在學習相關課程知識內容后可以進行習題練習和實驗練習。課后習題由題庫抽取，類型包括概念記憶、理解推理、混淆判斷等。題目針對教學視頻設置，由學生自行觀看相應視頻內容后自己完成，主要用于考查學生相應理論知識的掌握程度。

針對每個課程單元，平臺共設置了36個實驗，涵蓋了觸發原理驗證、真實案例、檢測方法、應用方法等內容。漏洞分析類實驗中的大量畸形樣本型測試會導致系統或應用異常，同時為了滿足百人規模的在線實驗需求，平臺采用了基于OpenStack的虛擬化資源配置方法，管理和部署實驗環境。當多人同時開展實驗時，可以迅速地通過克隆部署完成資源配置，便于實驗環境現場的快照保存、系統恢復和過程錄制。

3 應用SPOC平臺開展翻轉課程教學

翻轉課堂（flipped classroom），又稱為翻轉教室、顛倒教室，是近些年來逐步被應用的新的教學模式[3]，2007年起源于美國。翻轉課堂先由學生在家中看教師準備的在線課程內容，到學校時，學生和教師共同完成作業，并且進行問答及討論。這種教學模式區別于傳統的課堂講授，課下完成作業，因此稱為翻轉課堂。建設利用SPOC平臺分享在線教學資源，針對漏洞分析課程知識碎片化、難度大等特點，開展翻轉課堂教學模式探索，是對這門課程教學方式改革的一個有益嘗試。

3.1 線上、線下內容組織

如何利用SPOC在線教學平臺，將線上與線下教學很好地組織起來，是反轉課堂教學要研究的首要問題。漏洞分析課程理論理解較為抽象，需要大量基礎知識學習做鋪墊。而分析對象不同，基礎知識的需求又具有碎片化特點，且學生很難在掌握了全部前序課程或知識點的前提下再開始本門課程學習，即使學習成績很好的學生也會因為遺忘或知識體系不完整而無法快速進入漏洞分析學習的狀態，影響傳統課堂的講授效果。

因此，可以把圖1中關聯知識層所屬教學內容作為線上學習內容。每堂課前，教師把教學目標和分析對象層的內容傳達給學生，學生可以根據自己的基礎靈活選擇關聯知識進行學習。這樣，教師就不需要為了顧及學生的基礎差異，而把大量時間用于補充前序課程知識講授上；學生也不會因為基礎知識儲備不足，無法跟上漏洞分析課程的學習進度。

經研究發現，即使教師講課很精彩，學生也很容易忘記上一堂課的主要內容[4]。因此，可以將漏洞分析課程中需要學生記憶的課程錄制成視頻，上傳到SPOC平臺，供學生隨時、反復觀看學習。以典型漏洞觸發機理單元為例，將二進制程序運行機理和棧溢出漏洞觸發原理教學錄制成視頻，供學生線上自主學習。線上視頻教學采用的是基本原理講解形式，以簡短示例代碼闡明某類型漏洞的觸發原理，學生自學時也容易掌握。但是，難點在于如何利用這些知識，對真實軟件中存在的安全缺陷進行分析，在真實環境中代碼要復雜很多，也是學生容易產生畏難情緒的所在。所以，這一單元的教學，完全可以把案例式教學引入課堂教學，在學生線上學習已經儲備了一定的基礎知識，對基本原理掌握得很好的前提下，教師在課上進行案例引入教學，將真實軟件中存在的漏洞實例導入課堂，引導學生進行分析。教師的作用是引導學生展開對真實漏洞案例的剖析，把基本原理和實際應用結合起來，有助于學生舉一反三。

除了案例式教學，翻轉課堂上也可以組織研討交流等多種活動，學生在課下除了利用SPOC平臺學習，還可以進行素材整理、資料查閱。比如，通用型驗證代碼編寫單元，將學生分為兩個大組，其中一組負責編寫通用性、適用性好的驗證代碼，而另一組準備系統安全防護知識，防止驗證代碼的執行。兩個組進行辯論式研討，攻與防進行交鋒，學生在課下的準備可以豐富自身知識結構，因為攻防不分家，一方為了駁倒另一方的論點也需要搜集整理對方的論據，所以也不會出現某一方學生只單純積累本方所需知識的情況。這種辯論式研討可以讓學生掌握漏洞應用及其緩解的演化過程，明白安全技術的發展和漏洞分析是密不可分的。除了基本概念出錯外，教師基本不去干擾學生研討，只對進度做適度控制和研討范圍不離題的把握。這種辯論式的研討和傳統辯論會是不同的，教師需要選擇具體的研討場景、辯論的起始點，當學生提出技術方案時，需要學生能夠對技術原理有較為詳細的介紹。

3.2 漸進反饋式實驗教學

漏洞分析課程對實踐動手能力要求很高，所有實驗均要在SPOC平臺線上完成。實驗內容采用分級打分法，根據學生實際進展做出評價。比如“補丁比對工具的使用”實驗，比對對象是MS-06040漏洞，以百分制評判（見表1）。這種做法摒棄了以往實驗只有“完成”和“未完成”的定性評判，可以對學生的實踐能力進行量化。該實驗的考核目標是分步完成的，能夠使用IDA比對插件是基礎要求，通過工具展開對可執行文件和補丁文件的比較，明白可疑函數的列表含義。通過對可疑函數的人工分析，進一步確定漏洞修補的正確位置，是實驗的更高一級要求。最終的要求是要根據漏洞位置正確、詳細做出漏洞成因分析報告。漏洞分析類實驗難度較大，很難用“完成”或“不完成”這種單純定性的考核方法，采用漸進分步考核是有必要的。

因為漏洞分析課程的部分實驗相對困難，對調試器和逆向分析工具的使用和掌握也有一定難度，實驗采用全程錄像，教師可以對學生的整個實驗過程進行觀測。教師可以通過實操視頻發現學生知識運用瓶頸，對視頻反映出的能力較差的學生進行重點分析，有助于改進教學方法和調整教學要點，有針對性地答疑解惑。

線上實驗遇到的問題，還可以在線下課堂進行討論和交流，也是翻轉課堂的一種表現形式。比如，Web應用程序安全測試實驗，該實驗存在多種測試方法。部分學生可能采用文件型輸入樣本測試，這就需要對Web應用的文件讀取接口和格式進行理解掌握；另外一部分學生可能通過抓取Web通信數據包，利用協議測試的方法，把構造畸形數據包作為輸入樣本，檢測Web應用的脆弱性。在線下課堂上，教師可以用實驗中遇到的問題和解決思路引導學生開展課堂討論，學生也可以針對每種方法的優劣，實現的難易程度和獲得測試的效果展開討論，博采眾長，達到知識共享的目的。線上與線下課堂的結合成為這門課程理論與實踐結合的一個方式，在實踐中的經驗總結，可以使得理論學習得到進一步提升。endprint

3.3 多維度考核方法

因為翻轉課堂教學是線上和線下結合的，考核方法也是多維度的。該門課程從期末筆試、平時成績、課堂研討和實驗成績4個方面綜合考察，見表2。期末筆試主要考查學生對基本理論和概念的掌握情況，題目重在考查學生對基本原理的理解，而不是記憶某個概念；平時成績主要是線上課后習題的考評，線上教學視頻主要針對多次課堂基礎知識的儲備，課后習題的考評成績可以反映學生對于這些基礎知識的學習效果；課堂研討主要針對實驗研討或設置論題研討過程中學生研討報告和表達能力的打分；實驗成績的主要依據是學生提交的實驗報告，實驗視頻輔助評判。

因為課程對實踐能力要求較高，實驗成績占總成績60%的比重。理論掌握要求相對較低，主要考查學生對基本概念的理解情況，期末筆試占比20%，平時成績和課堂研討各占比10%。線上考試（平時成績、實驗）占總成績70%，線下考試（課堂研討、期末筆試）占總成績30%。

依托SPOC平臺不僅改變了線上、線下教學方式，也進一步促進了考核方法的改革。考核手段的多元化也能從不同側面綜合考查學生能力，督促學生線上與線下的學習，使得課程成為一個有機整體，提高教學效果。

3.4 與傳統課堂教學的對比分析

應用SPOC平臺開展的翻轉課堂與傳統課堂的不同可以從教師、學生在課堂中的地位，教學形式，課堂內容以及考核方式幾個方面來體現，見表3。翻轉課堂教學改變了傳統課堂以教師為主體，進行知識單向灌輸的教學方法。類似漏洞分析課程這樣實操性強、理論理解抽象、前序知識依賴度高的課程，尤其適合將教學內容進行線上、線下分離，將傳統課堂的基礎知識講授遷移到線上平臺讓學生自主學習，把真實案例分析、問題研討等內容引入課堂教學，幫助學生將抽象理論具體化，以問題為牽引激發學習興趣，最大限度地增強學生的學習主動性。SPOC平臺教學的引入也為改變傳統單一考核模式，進行多維度考核提供了支撐。

總體而言，利用SPOC平臺實施教學的學生在學習過程中表現出了更大的優勢，基礎知識學習可以不受時間、地點限制，隨時進行。線上課后習題便于學生自查知識掌握情況，相比于傳統的教師批改作業，學生對知識掌握情況的反饋更加及時。在互動或翻轉課堂環節，學生也能表現出更大的參與度。以往單一考核模式只能考查學生對知識點和原理的掌握情況，通過記憶也能獲取高分，無法對學生理解、實踐能力進行衡量。多維度考核方法能夠對學生知識運用能力、思維過程合理性進行評估，在評價更為完善合理的同時，也為教師改進教學內容提供了依據。通過考評和課堂反饋發現，學生采用SPOC平臺學習，使以往存在的前后單元知識脫節、學習進度差異大等問題得到了較好解決。

4 結 語

漏洞分析課程SPOC平臺的建設，將教學流媒體、實驗環境進行整合，構建了漏洞分析的知識體系，為學生進行線上學習、互助交流提供了便利。虛擬化的資源管理，可以高效、靈活地進行實驗場景的部署，為原理驗證、真實案例分析、分析工具使用等多類型的實驗提供了穩定平臺。針對漏洞分析課程教學中存在的問題，利用SPOC平臺進行翻轉課堂教學改革，改變了教學手段，切分了線上、線下教學內容，豐富了考核方法，激發了學生學習興趣。在今后的工作中，需要進一步完善SPOC平臺中知識體系的構建，引入優質教學資源，更新實驗內容，在翻轉課堂中課上設置的研討論題需要在教學實踐中進行合理調整。

參考文獻：

[1] 賀斌. 慕課： 本質、現狀及其展望 [J]. 江蘇教育研究， 2014（1）： 3-7.

[2] 徐葳， 賈永政， 阿曼多·福克斯， 等. 從MOOC到SPOC： 基于加州大學伯克利分校和清華大學MOOC實踐的學術對話[J]. 現代遠程教育研究， 2014（4）： 13-22.

[3] 伍大清， 陽小華， 劉志明， 等. 基于慕課的翻轉課堂實戰化教學模式構建[J]. 計算機教育， 2015（5）： 78-80.

[4] National Research Council. How People Learn： Bridging Research and Practice[M]. Washington， DC： The National Academies Press， 1999： 1-374.

（見習編輯：景貴英）endprint