基于綜合實驗平臺的信息化教學課程設計

摘要：和傳統教學模式相比，本文提出的基于綜合實驗平臺的信息化教學課程設計，針對不同類型的知識點，采用了任務驅動、翻轉課堂[1]、六段式教學法、學生互評等“學、教、做一體化”的教學模式，以及MOOC和綜合實驗平臺等多種不同的信息化教學手段來進行教學設計，實現了導學結合、線上線下混合教學，改變了傳統的教學模式，提高了教學效率，突出了教學重點，解決了教學難點，提高了學生的工程實踐能力和創新意識，同時對整個學習過程進行了跟蹤評估，保障了教學目標的達成。

關鍵詞：信息化教學；課程設計；網絡安全

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2018）15/16-0175-04

計算機網絡安全的教學內容是以提高學生的實踐能力和強化創新意識為導向，在其掌握理論知識的基礎上，將動手實踐作為重點教學方式。但就目前大多數院校網絡安全課程的教學模式來看，依然是采用了傳統的課堂講授的教學模式，有些院校即使在課上增加了實驗的環節，但也只是讓學生一味地按照實驗指導書的要求按部就班地完成既定的實驗內容，并沒有引導學生作為學習主體去主動地思考。[2][3]而只有增加學生作為學習主體的學習興趣，引導學生主動地、真正地去思考問題，解決問題，才能實現“學為主體，教為主導，學做結合，學以致用”的教學目標。因此，筆者所在院校聯合外協單位共同研發了綜合實驗平臺，對計算機網絡安全的信息化教學課程設計進行了探索和實踐。

綜合實驗平臺的教學優勢

綜合實驗平臺是基于云計算技術，通過虛擬網絡靶場訓練的方式來提高學習者的網絡安全技能。平臺設置為靶場實操和紅藍對抗兩種訓練模式，通過兩種模式分別鍛煉學生對固定場景和變化場景的應對能力，提高學生的主動思考能力和解決問題能力。通過提供模擬真實情境的訓練環境，來最大限度地彌補客觀教學條件的不足，快速提升學生的網絡安全技能。與傳統教學模式相比，綜合實驗平臺有以下明顯的教學優勢。

1.實驗資源豐富，接入方便

綜合實驗平臺的硬件平臺由一臺云調度設備和多臺靶場云資源設備組成，軟件包括了管理端、靶場實戰和紅藍對抗。系統提供了各類型的實戰靶機，包括FTP服務器靶場、SqlServer提權靶場、破解TOMCAT后臺管理權限靶場、服務器木馬查殺靶場、MS08_067漏洞靶場等共120個靶機39個靶場。平臺內嵌18類共127個網絡安全實驗，如滲透測試、網絡掃描、網絡嗅探、安全防護、密碼破解等，其中每項實驗均附有視頻教程以及詳盡的實驗指導書。綜合實驗平臺既可以依托校園內的局域網開展局部的網絡安全實驗，也可連接至網絡實現在線網絡實驗，可支持150人同時在線，開展大規模網絡攻防演練。圖1為綜合實驗平臺的拓撲結構圖。

2.教師定義基礎實驗，靶場實操靈活性強

靶場實操為所有學生提供共同的目標，學生可根據目標的提示信息進行操作，快速得到目標上的得分文件拿到分數。靶場實操的靶機為固定場景，由教師在實驗開始前設定好，既可以按照平臺提供的場景進行設定，也可以根據教學內容和要求進行自定義實驗，實驗的靈活性非常強。在實驗過程中，教師還可以通過管理員權限實時監控實驗進度，考核學生對各種技術點的掌握程度。

3.學生定義拓展實驗，紅藍對抗開放性強

紅藍對抗模式為分組對戰的模式，紅方默認為攻擊方，藍方為防守方，但同時也不局限于只攻或者只守，需要根據對戰的實際情況進行調整。這種模式使得攻守雙方都處于變化的狀態，增加了攻擊的難度，擴展了教師對學生考核的范圍，增加了實驗的趣味性，也更加接近于實際情境。

同時，紅藍對抗模式還具有較強的開放性，可以允許學生進行自定義實驗，由教師提供實驗所需的相關素材。學生依據素材通過自定義的方式對實驗環境、實驗靶機等相關情境進行設置；教師則可以通過這種學生自定義拓展實驗的互測互評方式對學生進行考核和提高。

“學、教、做一體化”教學模式

在傳統教學模式下，學生因為對計算機網絡安全中的概念如計算機病毒、系統漏洞、密碼技術等有新鮮感，所以在學習的最初階段興趣十分濃厚，但隨著理論授課內容的深入，大量的新概念涌現使得興趣迅速下降。因此，常出現課程講完后，學生仍停留在對基本概念的努力記憶、理解中的狀況，將理論運用到實踐中的能力也得不到訓練。

針對上述問題，筆者提出了“學、教、做一體化”的新型教學模式，并采用六段式興趣提升教學法來進行教學設計和教學改革。

1.學——自主學習

課前，教師利用MOOC學習平臺為學生在線發布課前測試題，以任務為驅動，引導學生利用MOOC的視頻、動畫等信息化教學資源，帶著任務完成理論基礎知識的學習，并進行在線自測。通過課前小測，幫助學生檢驗預習效果，也使得教師能通過分析自測的統計結果，了解學生對預習內容的掌握情況，總結學生普遍存在的問題。

同時，借鑒翻轉課堂的教學思想，為學生布置討論思考題，學生可通過互聯網和圖書館等渠道查找資料，為課堂討論準備相關素材。通過自主學習的方式增加學生作為學習主體的學習興趣，提高學生的信息檢索能力和主動思考能力。

2.教——引導教學

教師通過對自主學習階段學生學習效果的評測，可以發現其對理論知識掌握的薄弱點，在課堂開始階段，采用案例引入的方式對薄弱點的相關知識進行重點講解。對于一些較難理解的知識點，則采用動畫或虛擬化軟件進行演示，讓抽象的概念具體化、形象化。

基于主動學習的模式，在課上組織學生根據課前準備的討論素材對思考題進行分組討論，并形成初步的實驗方案，在此過程中教師負責引導學生發現可能存在的問題。

課堂最后，教師利用思維導圖工具，根據相關教學單元的重點內容，引導學生構建個人的知識思維導圖，使知識形成關聯化、體系化、可視化，從而加深理解與記憶。

3.做——動手實驗

課堂討論結束之后，教師發布實驗相關素材，基于綜合實驗平臺開展課堂實驗，要求學生對討論形成的方案進行實驗驗證。學生按照自己討論出的實驗方案親自動手進行驗證，能進一步加深對重點、難點知識的理解和運用。

在課后階段，教師通過綜合實驗平臺發布課后作業的素材，并提供課后大作業、學生自定義互評兩種課后作業模式供學生選擇。學生可選擇完成教師布置的大作業，也可選擇利用素材自定義實驗進行互測互評，教師則通過管理員權限隨時監控、評分，掌握學生的學習情況。

想要進行深入研究的學生，還可以通過綜合實驗平臺的Web入口，網上預約申請實驗資源，根據自己的興趣完成更多實驗。

具體實施——六段式教學法

六段式教學法是將“學、教、做一體化”教學模式運用到教學過程中的具體實施辦法。它主要包括六個教學階段：課前自主學習階段、課上引入講授階段、課上重點討論階段、課上難點實驗階段、課上總結提高階段、課后再實踐階段。下面以計算機網絡安全中惡意代碼部分的教學內容為例，對六段式教學法的具體實施方案進行介紹。

本部分的教學重點是惡意代碼的檢測方法和防范策略，教學難點是手工查殺惡意代碼的方法。因此，本次課的教學目標是使學生熟悉惡意代碼的基礎知識，熟練掌握惡意代碼的檢測方法和防范策略，以及手工查殺惡意代碼的方法手段。六段式教學法的具體實施方案如下。

1.第一階段，課前自主學習階段

教師利用MOOC平臺發布與本次教學內容相關的課前測試題，包括惡意代碼的定義、發展、分類、工作原理和特征等基礎知識題，以及課堂討論題目：惡意代碼檢測方法與防范策略的設計與實現；學生利用MOOC平臺上的信息化教學資源進行自主學習，初步了解惡意代碼相關知識點，完成課前測試題，并針對教師布置的課堂討論題目，通過查閱圖書館、互聯網等資源準備課堂討論所需的素材，討論匯報形式可采用PPT、動畫等；教師根據學生完成測試題的情況梳理出自主學習階段的薄弱點，為第二階段的教學做準備。

2.第二階段，課上引入講授階段

通過對第一階段學生學習情況的跟蹤評測，發現學生對惡意代碼的工作原理理解不夠深刻，缺乏直觀認識，因此，通過引入震網病毒案例的方式，對病毒的工作模式進行剖析，然后采用動畫演示的形式，直觀形象地引導學生理解惡意代碼的工作原理。

3.第三階段，課上重點討論階段

組織學生根據課前準備的討論素材對思考題目——惡意代碼檢測方法與防范策略的設計與實現，進行分組討論，并形成初步的實驗方案，在此過程中教師負責引導學生發現可能存在的問題并解決問題。

4.第四階段，課上難點實驗階段

將與震網病毒中模塊功能相似的惡意代碼作為實驗素材，通過綜合實驗平臺發布給學生開展課堂實驗，要求學生首先按照第三階段討論出的實驗方案對惡意代碼進行檢測，然后按照綜合實驗平臺中實驗指導書上的方案進行惡意代碼的手工查殺。

5.第五階段，課上總結提高階段

教師對第三、四階段的課堂討論和實驗結果進行總結講評，同時進一步拓展惡意代碼的相關知識。然后引導學生利用思維導圖工具梳理各個知識點之間的關聯，設計形成知識的可視化語義網絡，構建思維導圖。

6.第六階段，課后再實踐階段

在綜合實驗平臺兩種實驗模式的支持下，學生根據自身情況選擇其中一種完成再實踐階段的考核目標：靶場實操模式下，由教師定義植入了某種或多種惡意代碼的實驗環境，學生根據考核要求設計檢測和查殺方案完成實驗；紅藍對抗模式下，由教師發布典型惡意代碼的源碼作為實驗素材，學生自由組合，按照教師規定的自定義實驗標準，建設實驗環境并設定實驗目標，通過互測互評的方式完成考核。考核過程中，教師通過管理員權限監控、評測學生的學習情況。

以惡意代碼為例的六段式教學法具體實施流程如圖2所示。在完成六個主要教學階段之后，希望對惡意代碼進行深入學習研究的學生，可通過綜合實驗平臺的Web入口，網上申請實驗平臺資源，預約與本章節相關的更多復雜實驗（由教師提前設定好的，包含更多種類繁雜的惡意代碼，且實驗場景多變的實驗環境），在預約好的時間內完成更多實踐內容。

教學效果評價

教學效果評價主要體現為五個方面：一是學習態度的評價，包括學生基于MOOC平臺自主學習情況、是否按時學習并按要求提交作業、課上環節的準備是否充分；二是知識掌握的評價，包括完成課前測試題的準確程度、作業完成質量等；三是交流能力的評價，主要體現在課上討論的表現，以及針對任務分組的團隊合作匯報情況；四是實踐創新能力的評價，包括是否按照要求順利完成課堂實驗、將所學理論知識運用到實際中的熟練程度，以及課后作業和進階學習的完成情況；五是課堂積極性的評價，主要體現在課堂環節中的學生表現，以及對學習的感興趣程度等。

本教學設計在經過一個學期的試驗期后，通過跟蹤學習和評估，得到如圖3所示的教學效果評價：在五個維度的教學評價中，學生在課堂積極性方面的提高效果最為明顯，由之前的50%左右的課堂參與率提高到了現在的80%；其次是交流能力和實踐創新能力也有較為顯著的改善。

本教學設計，將傳統教學手段與公共在線教學平臺、虛擬教學實驗平臺相結合，使學生保持了學習的主動性，并將所學的知識點落實到了實踐中，同時為知識點的擴展學習提供了公共平臺，提高了學生的工程實踐能力和創新意識。通過對學生整個學習過程的跟蹤和評估，保障了教學目標的達成，充分貫徹了以學為主體、教為主導的理念，體現了“信息化、學以致用”的教學方針。

參考文獻：

[1]胡小勇，朱龍，馮智慧，等.信息化教學模式與方法創新：趨勢與方向[J].電化教育研究，2016（6）：12-18.

[2]胡亮，匡哲君，解男男，等.計算機網絡課程信息化教學平臺建設[J].長春工業大學學報，2012，24（1）：142-146.

[3]林書兵，張倩葦.我國信息化教學模式的20年研究述評：借鑒、變革與創新[J].中國電化教育，2015（9）：103-110.

作者簡介：邢萌（1990—），女，河南濮陽人，碩士研究生學位，現擔任助教，研究方向為計算機網絡安全。

本文系2016年陸軍裝甲兵學院教育研究課題“軍事信息技術課程（網電部分）信息化教學手段建設與應用研究”（課題編號：JYYJ2016-C-12）的階段性研究成果。