網絡安全與執法專業《計算機操作系統》實驗設計

楊興春，王 剛，李朝榮

(1.四川警察學院 四川瀘州 646000；2.宜賓學院 四川宜賓 644000)

近年來，網絡違法犯罪形勢日趨嚴峻。為滿足公安機關對網絡安全與執法人才的需求，2009年，經教育部批準，中國人民公安大學首次開設“網絡安全與執法”專業（以下簡稱網安專業），并于次年開始招生。2012年，教育部正式頒文公布網絡安全與執法為工學門類下的公安技術類專業，此后，國內眾多公安院校陸續獲批開設該專業。

由于網安專業要求學生掌握與計算機相關的專業知識和技能，因此，其課程設置也引入了部分計算機科學與技術專業（以下簡稱計科專業）的核心課程。事實上，國內公安院校的網安專業大多從計科專業過渡而來，但是網安專業又不同于計科專業。根據應用型本科人才的培養定位，前者的課程設置及課程內容，應當緊緊圍繞學生未來的公安職業能力需要進行設置。因此，沿用普通院校計科專業的課程大綱及實驗大綱，對于學生的職業能力培養來說，是不合理且不科學的。從目前的情況來看，公安院校在網安專業課程設置方面的相關研究和研討還較少。

一、網絡安全與執法專業人才培養要求

我校在2014年獲準開設網絡安全與執法專業，并停辦“計算機科學與技術”專業。根據我校普通本科專業人才培養方案（2015版），網安專業旨在培養“掌握信息網絡安全監管、互聯網巡查、網絡犯罪偵查和電子數據取證的基礎理論、基本知識與基本技能，具有開展網絡安全與執法工作的職業核心能力、能在公安部門及相關領域從事網絡安全保衛工作的應用型專門人才”。

在職業能力培養方面，該方案要求學生“具備網絡犯罪偵查能力，具備電子數據證據發現、提取、固定保全、分析和鑒定的能力”；在職業素質培養方面，要求學生“能夠系統運用網絡安全與執法專業知識發現、分析和解決實際問題”。根據此培養方案，我校該專業的專業必修課程包括專業基礎課和專業核心課兩大類，其中，《計算機操作系統》《數據結構》《面向對象程序設計》《數據庫應用》等歸屬于專業基礎課，《計算機網絡》《網絡犯罪偵查》《網絡安全技術》《電子數據取證與鑒定》等歸屬于專業核心課。

二、《計算機操作系統》實驗課程開設現狀

《計算機操作系統》（Operating System）是計科專業的核心課程，同時也是網絡安全與執法專業的專業基礎課程，對于培養學生的職業能力以及完善學生的知識結構來說，其重要性不言而喻。該課程主要講授：操作系統概論、進程及其調度、內存管理、外存管理、文件管理、外設管理、操作系統接口、網絡操作系統、系統安全、Unix/Linux系統內核結構等[1]，國內大部分高校將前面六部分內容作為主要授課內容，后面四部分內容一般作為課外自學。

在實驗開設方面，國外知名高校如普靈斯頓大學、加州大學伯克利分校、哈佛大學等的計算機專業，都非常重視《計算機操作系統》課程的實驗教學，其每一項實驗的時間至少持續兩周甚至以上[2]，并且課程實踐的成績一般占到總成績的50%以上[3][4]。國內的部分高校也非常重視該課程的實驗教學，如浙江大學、國防科技大學、西北工業大學等都開設有獨立的《計算機操作系統》實驗課程[3]。

國外和國內的部分知名高校將《計算機操作系統》實驗內容定位于對操作系統的改進和設計，其難度較大[5]。國內普通高校的計科專業，因考慮到學生未來的職業能力需要和應用型人才的培養要求，都有針對性的降低了該課程的實驗難度，一般以驗證性和模擬性的單項實驗為主，其開設的實驗項目包括：進程同步的模擬、進程調度算法模擬、虛擬存儲器管理、硬盤調度算法模擬、文件與目錄管理、Linux基本操作等。但是，目前許多高校仍然存在操作系統課程理論與實踐脫節的問題[6]。針對該課程的實驗設計，我校原計算機科學與技術專業的主要實驗內容如表1所示。

表1 原課程實驗內容

三、實驗設計

根據我校網安專業培養方案和《計算機操作系統》課程大綱，該課程為64學時（其中實驗20學時），要求學生了解計算機操作系統的基本功能和特點，理解進程的并發和同步，熟悉處理機調度策略，理解操作系統的內存和外存管理機制，以及理解操作系統對文件的管理和外部設備的管理，并掌握Linux基本操作。

由于教學內容較多，并且網安專業培養方案不同于計科專業培養方案，前者更強調與公安執法相結合，而且突出實踐性和應用性，而計科專業強調對操作系統的原理及其實現的理解和掌握。因此，對于網安專業的《計算機操作系統》課程，其實驗項目及其內容設計，應不同于計科專業對該課程的實驗要求。

在理論課教材的選取上，我們選用湯小丹等人主編的《計算機操作系統》第四版[1]，該書系國內眾多高校計科專業選用教材，其內容全面、難易適當且通俗易懂。根據應用型本科人才培養要求，結合網絡安全與執法實際工作內容，我們對《計算機操作系統》的實驗項目及其內容進行了重新設計，旨在理論聯系實際，重點培養學生的實際動手能力和加深對計算機系統運行過程的理解。所設計的實驗主要基于主流的Windows平臺，并將實驗的類型分為應用型和驗證型兩大類，前者強調實用和應用性，后者強調對操作系統原理的驗證。采用課內集中實驗和課外自主實踐的方式，要求學生完成每項實驗并提交實驗報告，具體的實驗項目、內容及要求如下：

（一）軟件安裝

實驗類型：綜合型

實驗內容：1.利用工具軟件或命令對硬盤分區和格式化；2.Windows 7、Windows 10或其他Windows版本的安裝；3.常用辦公軟件、殺毒軟件、程序開發軟件、網絡應用軟件、數據庫軟件的安裝及卸載；4.虛擬機的安裝和使用。

實驗目的：熟練掌握Windows系統、虛擬機及常用軟件的安裝和卸載，培養Windows系統的操作能力。

課時：3學時+課外實踐

實驗要求：獨立完成，提交實驗報告

對應章節：操作系統概論

（二）進程信息獲取

實驗類型：驗證型、研究型

實驗內容：1.觀察Windows任務管理器，查看系統當前運行的各進程的相關信息；2.通過專業工具軟件，如Process Monitor及Process Explorer[7]等，查看進程相關信息；3.擴展內容：利用高級語言，編寫一個簡單的多進程或多線程程序。

實驗目的：熟練掌握對進程信息的查看和提取，培養電子數據提取能力。

課時：3學時+課外實踐

實驗要求：獨立完成，提交實驗報告

對應章節：進程及其調度

（三）內存數據獲取

實驗類型：驗證型、研究型

實驗內容：1.利用命令，查看內存相關信息；2.利用工具軟件，如Redline[8]、EnCase[9]，獲取內存相關數據；3.擴展內容：利用高級語言，編寫程序，模擬實現頁面置換算法。

實驗目的：熟練掌握對計算機內存數據的查看和提取，培養電子數據提取能力。

課時：3學時+課外實踐

實驗要求：獨立完成，提交實驗報告

對應章節：內存管理

（四）常見文件格式分析

實驗類型：驗證型

實驗內容：1.分析EXE和COM類型文件格式；2.分析JPEG、BMP、GIF、PNG等圖片文件格式。

實驗目的：熟練掌握常用文件的格式，為計算機病毒分析打下基礎。

課時：4學時+課外實踐

實驗要求：獨立完成，提交實驗報告

對應章節：文件管理

（五）NTFS文件系統分析

實驗類型：驗證型、研究型

實驗內容：1.NTFS文件系統分析；2.硬盤數據恢復。3.擴展內容：U盤數據恢復。

實驗目的：熟練掌握NTFS文件系統格式，培養基本的電子數據恢復能力。

課時：4學時+課外實踐

實驗要求：可分組完成，提交實驗報告

對應章節：外存管理

（六）Linux操作

實驗類型：綜合型

實驗內容：1.Linux安裝；2.Linux基本操作；3.Linux系統簡單配置；4.擴展內容：Linux網絡環境配置。

實驗目的：熟練掌握Linux操作系統，培養基于Linux系統取證的基本能力。

課時：3學時+課外實踐

實驗要求：可分組完成，提交實驗報告

對應章節：操作系統概論、操作系統接口

對于實驗項目（五）和（六），考慮到其綜合性和實用性較強，學生可以采用分組的方式進行，旨在培養學生的團隊合作精神。上述實驗的課內學時合計為20學時，除擴展內容外，均為必做項目，其總成績占期末考核成績的30%。

四、結語

根據網安專業的人才培養要求，以及考慮到學生未來職業技能的需要，我們重新設計了專業基礎課《計算機操作系統》的實驗項目及其內容。所設計的六大實驗分別對應于授課教材的相應章節，實驗內容將操作系統原理與其實際應用有機地結合起來，并采取課內集中實驗與課外自主實踐的方式，旨在不斷提升學生利用所學知識解決實際問題的能力，以及加深學生對計算機系統運行的深刻理解。后續工作將持續跟蹤實際的教學效果，并適當調整實驗項目、內容和實驗要求等。