面向網絡空間安全人才培養的嵌入式系統課程教學內容設計

王瑞敏，常 瑞，唐永鶴

（信息工程大學 網絡空間安全學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著信息技術的飛速發展，移動智能設備得到了普及和應用，網絡安全形勢日益嚴峻，利用網絡干涉他國內政以及大規模網絡監控、竊密等活動嚴重危害用戶信息安全，網絡基礎設施遭受攻擊破壞等重大安全事件正嚴重危害經濟安全和公共利益[1]。網絡空間安全的技術領域發生根本性變革，使得高端人才培養也勢必隨之改變，尤其以嵌入式設備為核心的各類通用和專用計算系統的開發、設計逐漸成為網絡空間的重點和熱點[2]。網絡空間安全領域人才要求：熟悉網絡中智能終端構成、特點和屬性；掌握嵌入式處理器工作原理、關鍵技術和開發方法；具備初步的網絡智能嵌入式系統的運用能力。嵌入式系統課程作為信息安全專業和網絡工程專業的核心課程，為滿足網絡空間安全人才新需求，應將知識傳授、能力訓練和綜合素質培養融為一體，突出對學員的綜合能力和創新意識的培養，對理論教學內容、實驗內容和教學活動科學梳理，使學員了解嵌入式系統的定義、特點和應用領域；理解嵌入式系統的總體結構和工作原理，了解嵌入式系統設計的基本過程和常用軟硬件開發工具，掌握嵌入式系統的軟硬件及調試方法。

1 打造功底厚實的理論教學

本課程教學內容按照由淺入深、由整體到局部、再由局部到整體的思路，從嵌入式系統的基本概念、特點和應用領域入手，逐步討論嵌入式系統的總體結構和工作原理；從硬件和軟件兩個方面介紹嵌入式系統的設計方法和過程；介紹嵌入式系統的硬件設計與軟件開發方法。嵌入式系統應用采用實際系統的演示和分析，鞏固和加深學員對所學知識的理解和掌握，培養學員發現問題、分析問題、解決問題的能力。

1.1 構建模塊化基礎教學內容

課程以培養功底厚實、知識結構完整為目標，結合網絡空間安全中相關的典型目標設備（如網絡設備、加密終端設備等），針對嵌入式系統的安全性測試與分析等需求，梳理教學內容之間的關系，明確課程中教學重點、知識點的銜接關系。面對市場上千余種嵌入式處理器，重點分析常用的X86和ARM的處理器體系結構。圍繞網絡空間中各種嵌入式系統，抽象成一個統一的嵌入式系統結構進行剖析和講解。課程的教學內容設計為4個模塊，具體內容見表1。

基本教學內容的講解使學員能夠了解嵌入式系統的定義與特點，掌握嵌入式處理器體系結構、嵌入式處理器相關配套電路，并能從嵌入式系統開發流程、外圍設備接口、外部設備等多方面認識嵌入式系統。

表1 嵌入式系統基礎教學內容

1.2 增加實用性拓展教學內容

由于嵌入式技術和裝備的更新越來越快。嵌入式設備由原來的單一X86平臺向ARM、MIPS、PowerPC、DSP、FPGA等其他架構（甚至是異構）的多平臺擴展，使得網絡空間安全更加的復雜多樣。教學內容也由單一的X86位處理器向多處理器擴展，實現PC X86和ARM技術的融合性和組合性，以此適應更加復雜多樣的網絡空間安全領域。

結合嵌入式設備技術的最新發展，開展嵌入式系統應用案例分析和ARM安全擴展技術內容，分析網絡空間安全中嵌入式系統及其應用技術，整理嵌入式設備分析的理論、技術和方法等，使學員全面深入地了解嵌入式系統及其應用技術，為網絡空間安全方向進一步開設基于嵌入式系統的技術研究提供支持。

2 搭建多層次、階梯式實踐教學

以新形勢下網絡空間安全人才培養需求為指導，以培養學員的嵌入式設計能力為目標，按照鞏固理論知識、增強實踐能力、錘煉合作精神、培養創新思維的理念。通過課內基礎實踐、綜合性實踐和課外自主創新競賽相結合的多層次、階梯式教學逐步提高學員的理論水平[3]，增強學員分析、解決實際問題的能力，培養創新能力，錘煉學員工程實踐能力。將“重實踐、重自主”作為實踐教學的基本原則，切實把自主實踐教學有機地結合起來，培養學員“發現問題、分析問題和解決問題的工程能力及工程素養，并養成良好的工作作風和團隊協作意識”。

2.1 面向系統認知能力的基礎性實踐

基礎性實驗以驗證性實驗為主，通過讓學員獨立完成預先設計好的實驗，加深對基本理論的理解，使學員熟悉具體的嵌入式系統的開發工具及環境，盡快建立直觀的認識。實驗包括I/O接口、串口通信、實時時鐘、看門狗、數碼管顯示、呼吸燈、A/D轉換、傳感器等基礎實驗[4]，并任選3～4個基礎實驗進行功能擴展。通過基礎性實驗的學習，學員能夠掌握常見的串口、時鐘中斷、鍵盤、LCD液晶屏和觸摸屏等設備模塊端口配置、工作方法及驅動開發等。

2.2 面向系統開發能力的綜合性實踐

采取項目為導向的綜合性、探究式實驗，加強學員系統開發技能訓練[5]。在這個環節需要團隊合作，2～3人組成一個項目小組，按照項目開發的流程進行可行性論證、需求分析、總體設計、測試性能、撰寫文檔、項目答辯等。綜合性實驗包括機器人控制、數據采集、導航系統、嵌入式無限通信系統等。通過完成其中一個綜合性實驗，使得學員能夠掌握嵌入式系統的體系結構、工作原理、基本概念、開發工具和設計開發過程，熟悉嵌入式系統的軟硬件開發環境、調試方法和基本開發過程，加深對理論教學中的基本概念和基本理論的理解，同時通過小組合作，培養學員團隊協作精神。

2.3 面向學科競賽的自主創新實踐

以學科競賽推動專業建設，將課程實踐內容和競賽有機結合，培養學員自主創新能力、團隊協作和工程實踐能力[6]。本課程相關的校外自主創新實踐包括全國大學生Robomasters機器人競賽、全國大學生物聯網競賽、ACA體系結構創新大賽。學科競賽是以嵌入式系統課程實踐教學為依托，利用業余時間和暑假，先后對3屆學員進行實踐專題培訓及競賽輔導，包括創意指導、方案制訂與修改、文檔撰寫與修改、器件選購、作品實物制作、視頻錄制、答辯講稿（PPT）制作和作品演示等。通過競賽使得學員在代碼編寫、硬件設計、文檔撰寫、創新思維、團隊協作等方面得到了很大的鍛煉和提高。

圍繞學員的嵌入式系統實踐能力的培養，鼓勵學員參加學科競賽，為他們提供創新實踐環境，啟發創新思維，提高其理論水平、動手能力和創新意識。

3 設計以學生為主體的教學活動

3.1 圍繞“教為主導、學為主體、重在實踐”組織教學

構建“以學員為中心”的學習環境，使教員由講授者轉變成課堂的組織者、參與者，可以有效促進學員學習的主動性。授課方式由傳統“理論授課+實踐教學”的模式調整為“理論授課+實踐教學+交流研討”的形式，使得師生、學員之間交流討論融入理論授課和實踐教學中，增加學員獲得知識和技能的途徑，提高學員學習興趣。例如，選取一個案例或主題，由學員課前查找資料、準備課件，教員課前提供相關核心素材和指導。課上教員可以從學員的認知能力和角度講解、分析，然后學員和教員融入專題討論中。

在實踐教學環節，教員也參與各組學員的實驗中，共同查找問題、解決問題，確保和學員進行有效溝通和交流，實現了教學相長；實驗室從實驗主陣地變成了展示交流的場所，學員們利用課余時間完成基礎實驗和自己感興趣的實驗，上課時間集中展示，并與大家分享經驗、交流問題。一方面提高了學員自主學習的能力，同時也培養了大家發現問題、解決問題的工程化思想和創新意識。

3.2 基于HEDE的過程性考核組織方式

考核內容貫穿教學始末，由傳統的“平時成績+最終實驗成績”變為“HEDE的過程性考核”。HEDE包括了平時作業（Homework）、實驗成績（Experiment）、課堂討論（Discussion）和課程考試（Examination）。過程性考核方式始終貫穿在教學活動中，弱化死記硬背考核模式，強化對理解問題、解決問題能力的考核，避免了傳統期末考試“一錘定音”，注重了學員的階段性發展，使得教員能夠快速掌握學員的學習情況，及時調整授課策略，具體操作如下。

平時作業（H）：滿分15分，根據學員的上交作業和作業質量情況，分為4檔（優、良、中、差）。作業無故補交或者抄襲者給差評，并在課堂上通報批評，作業全勤且答案工整、有一定創新者給優評。

實驗操作（E）：滿分30分（基礎實驗30%+綜合性實驗20%+課堂實驗展示20%+個人實驗報告30%）。學員通過完成基礎和綜合性實驗、拍攝實驗視頻、課堂宣講展示、撰寫實驗報告等多種方式，不斷在總結中找到實驗操作的樂趣，提高了自我發現和總結能力，滿足了本課程實踐教學的初衷。

交流研討（D）：滿分15分，根據舉手發言情況、研討表現、問題答疑和成果驗收，切實培養學員發現、解決問題的能力。充分利用平時討論記錄、前沿問題的研究、形成報告及口頭報告等多種方式，強化學生的書寫文檔、語言表達能力。

課程考試（E）：滿分40分，卷面考試包括選擇題、簡答題和綜合題。選擇題主要考察學員對基本概念和術語的掌握情況；簡答題和綜合題主要考查學員嵌入式系統的設計能力。這個環節主要考核學員對本門課程理論學習的掌握程度。

4 教學效果

通過3屆學員的培養實踐證明，收效頗豐。在2015級信息安全專業中共組織研討交流6次，課堂展示達到40余人次，全部學員完成了基礎實驗，另有12個小組出色完成了小車尋跡、避障等綜合性實驗[7]，其中有3個小組利用攝像頭、溫度傳感器、藍牙、音響等附加模塊，實現了機器人滅火、音樂播放器等創新性實驗。期末考試成績優秀率逐年提高，見表2。從各項考核結果可知，學員基本熟悉嵌入式系統的基本原理和設計過程，能實現一個簡單的具有實際應用價值的嵌入式系統，達到了教學要求，教學效果超過預期。

表2 近3年學員實驗完成率和期末考試成績優秀率 %

圍繞學員的嵌入式系統實踐能力的培養，為學員提供創新實踐鍛煉環境。帶領學員參加全國大學生Robomasters機器人競賽、全國大學生體系結構創新大賽、全國大學生物聯網競賽，學員在2016—2017年的校外創新實踐中取得了優異的成績（表3）。尤其在2017年9月物聯網總決賽中，所指導的兩支學員團隊經過調試、展示、答辯、交叉評審、十二強循環賽等環節的激烈角逐，從入圍全國總決賽的120支隊伍中脫穎而出，雙雙獲得全國總決賽一等獎。

5 結語

以網絡空間安全人才培養為目標，我們設計了完整的理論教學內容，并按多層次科學梳理了實踐教學內容。以學員為主體、教員為主導，夯實了學員理論功底，切實增強了學員的嵌入式軟、硬件實踐能力，培養了學生的創新思維、實踐能力和協作精神。

表3 2016—2017年校外創新實踐獲獎情況