基于三段式課堂的大學實驗課程教學設計與實踐

邱 菡，朱俊虎，李玉峰，2，周天陽，丁文博

（1.解放軍信息工程大學 網絡空間安全學院，河南 鄭州 450002；2.國家數字交換系統工程技術研究中心，河南 鄭州 450002）

基于三段式課堂的大學實驗課程教學設計與實踐

邱 菡1，朱俊虎1，李玉峰1，2，周天陽1，丁文博1

（1.解放軍信息工程大學 網絡空間安全學院，河南 鄭州 450002；2.國家數字交換系統工程技術研究中心，河南 鄭州 450002）

針對大學實驗課程自身的特點以及實驗課堂教學中個性化指導的學生學習情況難以及時獲取的問題，提出基于實驗階段映射的隨機化旗標機制，闡述基于“講授、實踐、討論”三段式課堂教學模式開展的實驗課程教學設計過程以及網絡安全技術實驗課程的具體實踐過程。

三段式課堂；建構主義；實驗教學；信息安全

0 引 言

實驗是理論聯系實際的重要途徑，實驗教學對于培養學生的動手能力、創新意識和綜合素質具有重要意義。傳統的實驗教學注重實驗環境建設和實驗結果，導致學生知其然而不知其所以然，不能適應現代技術迅速發展的特點，無法滿足市場對創新應用型人才的需求。此外，信息化技術的發展，為實現多種類型的教育手段和方法帶來契機。為此，我們提出“講授、實踐、討論”三段式課堂教學模式[1]，并以此為基礎，針對實驗教學的特點進行教學設計和實踐，將以學生為主體的思想貫穿于實驗教學始終，綜合運用當前的信息技術實現對該教學模式的全面支撐。

1 實驗課程教學現狀

國內的實驗教學普遍被認為用以輔助大學課堂教學，因而存在著對實驗教學重視程度不夠、教學方法單一等問題，導致學生在實驗過程中出現照搬實驗指導書，對實驗內容知其然而不知其所以然。隨著高等教育的迅速發展，通過借鑒國內外先進實驗教學理念并在長期教學實踐的基礎上，近10年來，國內高校的實驗課程教學開始從傳統型實驗教學向創新型實驗教學轉變，逐步探索出以學生為主體、面向創新能力培養的教學模式。

建構主義學習理論強調學生對知識的主動探索和構建，目前已經被大量應用于大學課程教學改革[23]，一些實驗課程也開始了相關探索。文獻[4]和[5]分別以計算機實驗教學和計算機硬件實驗教學為例，運用建構主義學習理論從實驗內容設置、實驗組織形式、實驗考核方式等方面進行教學改革并實踐。翻轉課堂、微課程等信息化時代背景下的新型教學模式，近年來也被引入大學實驗教學改革中[67]。雖然這些改革方法能夠有效提高實驗教學效果，但是在實施過程中還存在以下兩個問題。

一是難以實現及時的個性化指導。無論是建構主義學習理論，還是翻轉課堂，都強調以學生為主體，因此，在學生實驗這一實驗教學的核心環節中，對學生進行個性化指導是關鍵。然而，我國大學生數量較多，教育資源相對缺乏，以解放軍信息工程大學（以下簡稱我校）為例，信息安全專業每學年學生在50名以上，相應的實驗課程教師只有1名，要在實驗過程中及時了解每位學生的實驗進展和面臨的問題，幾乎不可能。學生主動提問這一解決方法取決于學生的主動性，教師現場查看并不能快速、全面地掌握學生的真實學習情況，及時的個性化指導受到教育資源的制約。目前，信息技術主要應用在實驗課程的實驗環境、翻轉課堂和微課堂的教學資源準備以及課下交流方面，缺乏對于課堂實驗教學組織實施過程的支持。

二是對知識進一步內化的重視程度不夠。以學生為主體，強調教師是學生學習過程的引導者和協助者。學生實驗是知識內化的過程，實驗過程中，學生可能存在認識深度有限、認識出現偏差等問題，導致實驗結果出現偏差甚至不能達成。鑒于個性化指導存在不全面、不系統等問題，教師除了需要在實驗過程中對學生進行引導和協助之外，還需要設置額外的環節幫助學生進行知識的進一步內化。

2 基于三段式課堂的大學實驗課程教學設計

三段式課堂是我們針對信息安全專業課程的特點，吸收翻轉課堂和對分課堂的精華，運用建構主義學習理論提出的以學生為主體的教學模式[1]。課程內容按照專題劃分，三段式課堂由講授、實踐和討論3個順序環節構成，對應知識獲取、知識內化以及知識進一步獲取和內化的過程；講授環節可以融合采用支架式教學法和情境式教學法，實踐和討論環節聯合采用情境式教學法。

與理論課程教學不同，實驗課程教學中的講授、實踐和討論3個環節均占用課堂時間，在課堂內完成。其中，實踐環節課時量占主要地位，具體的課時量分配由具體教學內容決定。實驗課程教學與理論課程教學的討論環節相一致，具體參見文獻[1]，其余兩個環節的具體教學設計如下。

2.1 講授環節教學設計

實驗課程講授環節的教學目標是學生能掌握實驗原理及了解實驗步驟，而非知曉實驗細節，因此，講授內容主要是實驗所涉及的概念、原理和過程。該環節教學設計的重點在于吸引學生興趣，激發其學習主動性，具體可綜合采用支架式教學法、情境式教學法和啟發式教學法。

在實驗課程準備階段，教師須對每一個實驗專題進行梳理，剝離實驗細節，提取概念、原理和過程，針對該專題的總體教學目標盡可能創設與學生生活或者工作相關的情境。實驗課堂教學階段，講授環節主要包含情境設立、支架搭建、問題分析、評價反思等步驟，教師的主要工作是拋出與實驗內容密切相關的情境，引出該實驗專題所涉及的問題，啟發學生對問題進行深入分析，根據分析的具體情況適時搭建支架，對分析結果進行評價和反思，點明實踐環節需要注意的重點問題。

2.2 實踐環節教學設計

實驗課程的實踐環節是課程的重點，包含情境式教學法中的情境設立、獨立探索、評價等步驟。其中，情境設立由教師在課程準備階段完成，需要根據教學目標設置能夠激發學生興趣的實踐情境。實踐情境應該具備代表性、實用性和完備性，代表性是指所設計出的實踐情境是符合教學目標的通用情況；實用性是指所設計出的實踐情境是現實中的常見情況；完備性是指所設計出的實踐情境能夠涵蓋教學目標所要求的所有要素。

教師在實踐環節中的主要工作是及時掌握學生的實驗情況，有針對性地進行指導，啟發學生對問題進行分析和解決，并發現實驗過程中的共性和難點問題。

3 三段式課堂的實驗教學實踐

3.1 網絡安全技術實驗課程內容安排

2016年和2017年，我校信息安全專業學生分別為57人和58人，網絡安全技術課程包括理論40學時和實驗40學時。其中，每周分別有1次理論課程和1次實驗課程，每次2學時，共上課20周。我們將實驗課程內容劃分為12個專題，每個專題的課程教學按照講授、實踐和討論3個環節組織，均占用課堂時間，具體時間安排見表1，各專題的實驗內容從教材《網絡安全實驗教程》[8]中選取。

目前市面上的網絡安全實驗教材都描述了詳細的實驗步驟，具有很強的實操性，但是將其作為教材配發給學生在課堂使用時，這些完備的操作信息和既定的實驗步驟反而會增加學生的依賴性，扼殺學生的創新性，導致實驗完成而教學目標卻遠遠沒有達到。對此，按照支架式教學法的思想，可將教材中的關鍵實驗步驟抽取出來，剔除具體代碼、工具參數設置等詳細信息，讓學生在掌握實驗原理和基本步驟后就開始實驗；實驗過程中，為學生提供詳細的工具使用說明文檔，由學生根據實驗的具體需求，自主學習工具的使用方法并完成實驗。

表1 網絡安全技術實驗課程三段式課堂教學設計

3.2 綜合實驗教學設計

綜合實驗的教學目標是使學生掌握網絡攻擊流程，在網絡攻擊各階段能綜合運用各種攻擊方法，掌握網絡動態安全模型，在網絡安全各個階段能熟練地綜合運用各種防護手段，鍛煉學生靈活運用工具和熟練解決網絡安全領域問題的能力。專題的各環節教學設計如下。

講授環節綜合運用支架式教學法、情境式教學法和啟發式教學法，如圖1所示。

實踐環節根據實驗環境和學生情況，可采用小組實驗形式，也可采用個人實驗形式。實驗內容模擬典型的企業環境，包含外網區域、DMZ區域和內網區域，具體網絡拓撲見文獻[8]中圖13.1。攻擊要素涵蓋口令攻擊、Web腳本攻擊、漏洞利用、ARP欺騙等攻擊方法，具體漏洞/脆弱性分布情況見文獻[8]中表13.2。目標網絡的所有節點上均設置旗標（ fl ag）信息，要獲得所有的旗標信息就必須獲得目標網絡中所有主機的控制權，執行完整的網絡攻擊流程。在實驗過程中，學生獲取到旗標信息就立即通過實驗平臺提交，由此，教師可以實時掌握學生的實驗進度，了解整體情況，及時對進度緩慢的學生進行針對性的指導。

圖1 綜合實驗講授環節教學設計

討論環節中，教師指出實驗過程中出現的普遍問題和難點問題，并指定具有代表性和特色的學生進行實驗過程展示，并針對教師所提的問題以及實驗心得體會與大家進行交流。在交流過程中，教師拋出問題引發學生進一步思考和課下驗證。綜合實驗部分的難點問題包括快速高效的主機掃描和防火墻過濾規則的發現，延伸問題包括攻擊路徑的多樣性和攻擊的隱蔽性。

3.3 實時實驗情況掌握

及時、個性化的實驗指導是以學生為主體的教學方法的內涵要求，然而在教師資源有限的情況下，通過教師現場觀察和抽查、學生主動提問等方式，教師很難及時、全面地掌握學生的實驗情況，從而難以實現及時的個性化實驗指導。由于網絡安全實驗是在計算機網絡上開展且具有一定的破壞性，目前該類實驗大多基于系統虛擬化和網絡虛擬化技術搭建實驗平臺[910]。這些實驗平臺主要提供對實驗環境、人員管理、成績管理等的支持，缺乏對實驗情況的實時監控和評價支持，我們之前提出的基于攻擊向量的攻擊過程評價雖然能夠實現對攻擊實驗過程的跟蹤[10]，但是不能獲取實驗所處的狀態，難以掌握全面的進展情況。

為了及時獲取全面的實驗情況，可參考當前CTF（catch the fl ag）競賽的評判機制，在原有實驗平臺上設計基于實驗階段映射的隨機化旗標機制；根據實驗內容和目標將實驗過程劃分成不同的階段，每個階段具有可識別的階段性成果，如某個目標系統或者目標網站的控制權，可通過學生獲取某個目標系統或網站下的字符串（即旗標）來標識。在批量生成實驗環境時，為不同的學生生成隨機化的旗標；學生在實驗過程中一旦獲取到旗標，立即通過實驗平臺提交，由實驗平臺自動比對旗標的正確性，并進行記錄和總體情況呈現。2016年度綜合實驗的旗標提交情況如圖2所示，該圖可以實時更新。由此，教師可推斷出所有學生所處的實驗階段，并且旗標的隨機化能有效防范抄襲。圖2中有2名學生未提交 fl ag，處于實驗第1階段，正在進行Web網站突破；1名學生只提交了“ fl ag-host1-Web”旗標，處于實驗的第2階段，正在嘗試突破Web服務器；3名學生只提交了“ fl ag-host1-host”旗標，處于實驗第3階段，正在嘗試內網滲透，由于未提交“ fl ag-host1-web”旗標，可以推斷在第1階段Web網站突破后未能進行有效的信息收集。針對進度較慢的這些學生，教師可以調用預先安裝在學生用機中的VNC（virtual network computing）遠程桌面服務，在不影響學生實驗的情況下遠程查看學生對應的操作界面，發現學生面臨的問題，并利用局域網即時通訊工具對學生進行針對性的啟發指導。

4 結 語

圖2 綜合實驗旗標實時提交情況

實驗教學改革的教學目標從對學生動手操作能力的培養轉變到對分析能力和創新思維的培養，關注熱點也從實驗環境建設逐步過渡到實驗內容建設和教學方法改革。講授、實踐和討論三段式課堂教學模式強調學生的主體性和知識內化的重要性，鑒于實驗課程是以實踐為主體的課程，我們將三段式課堂教學模式引入實驗教學，針對實驗教學課程特點進行教學設計，并在網絡安全技術實驗課程進行教學實踐。及時的個性化指導是以及時、全面了解實驗情況為基礎，在網絡安全實驗平臺上通過引入隨機化旗標，可以實現及時、全面的實驗情況獲取，運用遠程桌面服務可實現個別情況詳查。實踐表明，現有信息技術能夠為教學模式的實現提供支撐；考核和反饋結果表明，學生做實驗的積極主動性顯著提高，分析問題和解決問題的能力得到有效鍛煉。

三段式課堂教學模式包含講授環節，因此不僅適用于與理論課程并行開設的實驗課程，還適用于獨立開設的實驗課程。下一步，我們將在獨立開設的實驗課程中進行相關教學實踐，以期進一步完善三段式課堂的實驗教學設計，為實驗教學改革提供有益參考。

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[10] 邱菡, 朱俊虎, 李玉峰, 等. 高校實驗教學考核模式改革探索與實踐[J]. 武漢大學學報(理學版), 2012(增刊2): 207-210.

1672-5913(2017)11-0146-04

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邱菡，女，副教授，研究方向為網絡信息安全，qiuhan410@aliyun.com。

（編輯：宋文婷）