面向新工科的互聯網安全虛擬仿真實踐教學建設與探索

王瑞錦，張 翔，張萌潔，朱國斌，周世杰

面向新工科的互聯網安全虛擬仿真實踐教學建設與探索

王瑞錦，張 翔，張萌潔，朱國斌，周世杰

(電子科技大學 信息與軟件工程學院，四川 成都 610054)

為了提升實踐教學質量和人才培養(yǎng)質量，依托于新工科的有關工程人才能力培養(yǎng)的3個層次，著重引導學生參與實踐活動，創(chuàng)新研發(fā)新作品，并加強建設遞進式互聯網安全人才培養(yǎng)模式與虛擬仿真互聯網安全實踐教學體系。建立了“四層次”“六結合”的互聯網安全虛擬仿真實驗教學體系，對虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)體系的教學新方法進行了探索。

互聯網安全；虛擬仿真；實踐教學

為了培養(yǎng)適應社會需求、多類型、多層次、攻防兼?zhèn)涞幕ヂ摼W安全人才，電子科技大學信息與軟件工程學院結合新工科實踐教學的特點，將虛擬仿真平臺作為探索與創(chuàng)新實驗教學的重要組成部分，構建互聯網安全虛擬仿真實驗教學體系和遞進式人才培養(yǎng)模式，加強與國內外相關產業(yè)中領先企業(yè)的合作和深度融合。

1 新工科背景下的互聯網安全人才培養(yǎng)模式

1.1 新工科背景下的人才培養(yǎng)思想

教育部針對新工科建設發(fā)展問題，于2017年2月形成“天大行動”與“復旦共識”，促進我國新興科技革命與產業(yè)轉變改革，同時促進“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的推進與實施。為了更好、更全面地發(fā)展工程教育，落實強國發(fā)展戰(zhàn)略，教育部還下發(fā)了《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》和《關于開展新工科研究與實踐的通知》等文件。

“新工科”的建設發(fā)展離不開新興技術產業(yè)以及新型業(yè)態(tài)發(fā)展模式的輔助，而“新工科”的進步也能夠促進產業(yè)結構升級優(yōu)化，在一定程度上提高我國硬實力?！靶鹿た啤钡某霈F在一定程度上創(chuàng)新了中國高等工程教育的發(fā)展模式，是具有特色的“中國方案”[1-3]。

“新工科”為高等教育提供了新的人才培養(yǎng)目標，要求培養(yǎng)具有可持續(xù)競爭力的新型人才。在專業(yè)人才培養(yǎng)中，注重價值觀、社會觀、科學理念、系統思維與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提升專業(yè)中的深寬兼?zhèn)渑c學科交叉的程度，培養(yǎng)具有專業(yè)知識與技能、綜合素質好、實踐能力和終身學習能力強的精英人才[4-5]。

在進行新工科互聯網安全人才培養(yǎng)中，需加強領導才能、個人品質和知識思維三個維度能力的培養(yǎng)和考查（見圖1）。

圖1 新工科背景下網安人才能力三維度

1.2 基于新工科背景的互聯網安全人才培養(yǎng)模式

根據軟件工程（互聯網安全方向）專業(yè)的特點和新工科背景下工程人才培養(yǎng)目標，設計出遞進式互聯網安全虛擬仿真實驗教學體系的基本模式，如圖2所示。為了更好地執(zhí)行“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，在互聯網安全方向的教學實踐活動中，要著重建立專業(yè)課程與企業(yè)實習同時優(yōu)化的能力培養(yǎng)制度[6]，使得學生不僅可以豐富互聯網安全專業(yè)知識，還能夠深入企業(yè)內部進行長達一年的相關專業(yè)課程實踐學習。

圖2 遞進式人才培養(yǎng)模式基本架構

根據該專業(yè)方向的實踐教學設計，在校內，基于“知行、創(chuàng)新、卓越”的創(chuàng)學初衷，借助工程實踐實驗、帶有一定難度的綜合設計實驗，以及基礎驗證實驗和創(chuàng)新研究實驗，加強對學生進行知識的傳遞力度，確保學生能記住要點，并培養(yǎng)學生的動手實踐技能；在校外，則借助OBE模型[7]進行計劃引導，對不同階段的教學目標進行規(guī)劃設計、優(yōu)化管理，并及時進行反饋總結。

為了更好地培養(yǎng)出互聯網安全人才，學院基于實際教學情況，按照校內實驗和校外實踐兩個方面進行規(guī)劃設計。只有這兩個方面同時進行培養(yǎng)，才能更大程度開發(fā)學生的潛力，促進人才培養(yǎng)計劃實施。

校內實驗教學環(huán)節(jié)分為基礎驗證實驗、工程實踐實驗、綜合設計實驗（含挑戰(zhàn)性實驗課程）和創(chuàng)新研究實驗；校外企業(yè)實踐培養(yǎng)則劃分為企業(yè)的參觀、實際訓練和實習或頂崗實習、畢業(yè)設計等內容。

在校內實驗中，借助基礎驗證實驗的方式提高學生的能力素質；利用工程實踐實驗，以信息安全系統工程為背景，整合專業(yè)基礎課、專業(yè)核心課及其綜合實踐環(huán)節(jié)，實現對學生工程實踐能力的培養(yǎng)；利用創(chuàng)新研究實驗的多個項目來培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，并鼓勵學生主動運用專業(yè)知識處理項目中所遇到的各種問題。

在校外企業(yè)實踐中，學生通過參與實習與實訓，能夠最大程度地將所學知識與實際工作結合在一起，提高對工作的適應力。在大四下學期臨近畢業(yè)階段，學生可以在相關企業(yè)實習的過程中做出能解決社會安全痛點的畢業(yè)設計，在畢業(yè)設計理念里融合工作實習中的所見所感，提前適應未來的職場工作。

2 互聯網安全虛擬仿真實驗教學平臺總體建設

在新工科建設的背景下，互聯網安全虛擬仿真實驗教學平臺需建立在“工程”的基礎之上，著重開發(fā)工程實踐實驗，提高學生的工程實踐能力。在開發(fā)虛擬仿真實驗時，遵循工程理念，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。虛擬仿真實驗教學平臺的考評需要符合“工程”的宗旨與要求，借助嚴格的考評手段，真實反映出工程實踐實驗的成果。

在新工程背景下，互聯網安全虛擬仿真實驗教學平臺依托軟件工程一級學科，以及網絡與數據安全四川省重點實驗室和互聯網安全實驗室的教學與科研資源，服務對象涵蓋互聯網安全、信息對抗、計算機科學與技術、軟件系統、通信工程、互聯網+等10個專業(yè)方向，構筑了“攻防兼?zhèn)洹⒁怨ゴ俜?、應用牽引、資源共享”的工程實踐支撐平臺。

該平臺在實踐教學建設過程中要以基礎驗證、工程實踐、綜合設計和創(chuàng)新研究為主線，強調學用結合，注重能力訓練，倡導創(chuàng)新拓展，基于對新工科背景下工程人才三維度能力的培養(yǎng)，建成了四層次、六結合的互聯網安全虛擬仿真實驗教學體系（見圖3）。

（1）四層次：按照互聯網安全人才培養(yǎng)需求和新工科人才能力培養(yǎng)體系，將實驗教學體系劃分為4個層次，即基礎驗證實驗層—工程實踐實驗層—綜合設計實驗層—創(chuàng)新研究實驗層，在4個階段提高學生的素質，實現學生網絡攻防能力與實踐能力協同發(fā)展。

（2）六結合：互聯網安全虛擬仿真教學體系的4個層次與理論課程、實體實驗、科研項目、學科競賽、企業(yè)實踐、實際工程相結合，做到不同層次相互交叉、融合滲透，提高學生的綜合能力素質、創(chuàng)新思維、工程科研意識和管理合作能力，形成多元化的虛擬仿真實驗內容，并共同構成新工科背景下的互聯網安全虛擬仿真實驗教學體系。

圖3 互聯網安全虛擬仿真實驗教學體系

3 多維度互聯網安全虛擬仿真實驗體系的構建

在工程實踐實驗教學中，通過四層次、六結合的實驗教學，將經典實驗體系與新工科的知識與科技融合，重視學生的智力水平以及非智力區(qū)域，全方位地發(fā)掘學生的專業(yè)知識水平以及綜合能力素質，引導學生擴大專業(yè)知識容量，并意識到多維度研究與合作能力的可貴，力爭培養(yǎng)出學科思維豐富、創(chuàng)新思維強大的工程類復合型知識人才。

在互聯網安全實驗教學體系中，依據四層次構建了4個虛擬實驗平臺：互聯網安全基礎仿真實驗平臺、網絡互聯安全虛擬仿真平臺、網絡攻防實戰(zhàn)虛擬仿真實驗平臺和互聯網安全創(chuàng)新虛擬仿真平臺（見圖4），構建了從基礎課程到專業(yè)課程的實驗教學資源。

為了更好地滿足新工科背景下的互聯網安全專業(yè)人才的需求，互聯網安全虛擬仿真實驗教學資源的開發(fā)核心思想體現6個結合。

（1）與理論課程相結合。借助學校、學院教學師資隊伍，在強大的課程理論支撐下，對實驗教學制度進行改革，設計理論與實驗一體模式，提高學生實驗訓練的學時，并與虛擬仿真項目聯合運作。

（2）與實體實驗相結合。依托學院互聯網安全系和實驗中心的資源，搭建互聯網安全專業(yè)課程實驗教學環(huán)境，完成了PKI技術、互聯網安全技術、互聯網安全協議、計算機病毒防治、系統與數據恢復、網絡與系統安全綜合設計等6門實驗課程、共計172學時的實驗內容建設。

（3）與科研項目相結合。大力倡導將實驗實踐與科研項目相結合。例如通過網絡與數據安全四川省重點實驗室等院內科研團隊的科研項目，將最新科研成果轉化為虛擬仿真實驗項目，將科研方法融入實驗教學活動，有利于學生掌握互聯網安全方面的科研思維與工程價值，讓學生意識到互聯網安全的重要性和發(fā)展趨勢，培養(yǎng)學生科學研究能力和創(chuàng)新實踐能力。

（4）與實際工程相結合。互聯網安全工程實例為虛擬技術平臺提供了豐富的案例素材，使工程項目具有明確的目標以及階梯難度，能夠使學生有著不同階段的進步。學生能夠綜合運用專業(yè)知識，提升自身的工程素質和實踐能力，成為合格的互聯網安全專業(yè)型人才。

（5）與學科競賽相結合。為培養(yǎng)攻防兼?zhèn)涞幕ヂ摼W安全創(chuàng)新人才，以互聯網安全攻防能力和互聯網安全創(chuàng)新能力兩類競賽為抓手，將最新的研究成果、應用實例應用到互聯網安全創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)中?；诟傎惖娜蝿镇寗印⑴d趣牽引機制，建立創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和工程實踐能力培養(yǎng)鏈。在互聯網安全攻擊和防御能力競賽演練中，著重培養(yǎng)學生面對真實環(huán)境下的網絡信息系統所產生的海量復雜數據的處理和分析能力，對企業(yè)真實生產環(huán)境中各種業(yè)務系統及現場網絡進行安全對抗的能力，對智能設備、網絡環(huán)境的安全分析、處理及對抗能力，強化對學生“攻防兼?zhèn)?、工程實踐創(chuàng)新能力”的培養(yǎng)[8]。

圖4 虛擬仿真實驗教學資源開發(fā)體系的“四層次”

（6）與企業(yè)實踐相結合。依據《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》和“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”的要求，對學生工程化培養(yǎng)過程進行了改革，提出了全鏈條、遞進式校企聯合育人理念[9]。

學院實施的“大一到企業(yè)參觀、大二到企業(yè)實訓、大三到企業(yè)頂崗實習、大四到企業(yè)畢業(yè)設計”的工程實踐培養(yǎng)模式，使“學校學”與“企業(yè)做”有機結合。通過整合專業(yè)課程，將互聯網安全虛擬仿真實驗教學歸納為學科基礎培養(yǎng)、基本專業(yè)能力培養(yǎng)、工程基礎培養(yǎng)、工程能力和職業(yè)培養(yǎng)幾個階段，每個階段內置不同層次要求的企業(yè)培養(yǎng)過程，形成培養(yǎng)過程“全鏈條”、能力鍛煉“遞進式”的工程培養(yǎng)實施方式。對低年級學生注重學科基礎和專業(yè)能力培養(yǎng)，穿插企業(yè)參觀和企業(yè)實訓環(huán)節(jié)，對學生工程意識進行啟迪，了解行業(yè)發(fā)展。對高年級學生注重工程基礎培養(yǎng)、工程能力和職業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)，穿插企業(yè)頂崗實習和企業(yè)畢業(yè)設計，培養(yǎng)提高學生工程實踐能力。在校內開設企業(yè)合作課程，結合工程項目訓練引入企業(yè)資源。

4 互聯網安全虛擬仿真實驗教學方法探索

在新工科背景下，對學生的綜合創(chuàng)新能力要求越來越嚴格，需要制訂更加優(yōu)質、新穎的教學計劃，更注重發(fā)展學生的個性與能力培養(yǎng)。虛擬仿真實驗教學資源平臺應該具有綜合創(chuàng)新的特點，特別是在實踐教學過程中應充分結合四層次、六結合，構成創(chuàng)新能力與工程能力并行培養(yǎng)的新制度，促進培養(yǎng)目標的實現。在制訂教學計劃中，要聽取企業(yè)的意見，吸取企業(yè)優(yōu)秀的管理經驗和創(chuàng)新技術思維。

我學院在進行創(chuàng)新項目開發(fā)時，將科研成果與虛擬仿真實驗教學資源進行融合，取得了很好的教學效果。我校歷年在全國大學生信息安全競賽中取得佳績，獲獎數量高達58項，其中一等獎23項、二等獎22項、三等獎18項、優(yōu)勝獎2項，位居全國高校首位。學校多次獲得“優(yōu)秀組織獎”。特別是在第十屆全國大學生信息安全競賽中獲得唯一的最高獎——創(chuàng)業(yè)價值獎，該作品被直接推薦參加第三屆全國“互聯網+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽決賽。

5 結語

學院在新工科背景下，沿著基礎驗證、工程實踐、綜合設計和創(chuàng)新研究主線，借助多種創(chuàng)新項目、科學實驗以及學科競賽，豐富了學生的實踐內容，激發(fā)了學生的創(chuàng)新意識，提高了學生創(chuàng)新思維、科研能力和團隊意識。所提出的新工科背景下互聯網安全人才實踐教學培養(yǎng)體系和教學方法，在互聯網安全人才培養(yǎng)與工程建設中發(fā)揮了很好的作用，為實施卓越工程師2.0奠定很好的基礎[10]。

[1] 劉風華，潘江如. 加拿大高校工程實踐能力培養(yǎng)模式及啟示[J]. 實驗技術與管理，2017, 34(4): 272-274.

[2] 司道文，孫金蓮，孫紅. 改革操作性實驗的考核機制，推進學生知識能力素質的提升[J]. 實驗技術與管理，2012, 29(11): 147-149.

[3] 夏建國，趙軍. 新工科建設背景下地方高校工程教育改革發(fā)展芻議[J]. 高等工程教育研究，2016(3): 15-19, 65.

[4] 包麗，張洪軍，李西兵，等. 校企聯合探索實驗教學新模式[J]. 實驗技術與管理，2014, 31(6): 200-202.

[5] 黃品梅，黃道平，梁錦. 開發(fā)綜合設計性實驗促進創(chuàng)新人才之培養(yǎng)[J]. 實驗室研究與探索，2010, 29(6): 93-95.

[6] 林文松，何亮，劉延輝. 基于“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的工程材料課程實驗教學改革[J]. 實驗技術與管理，2012, 29(12): 20-21.

[7] 鄭大鋒，陳礪，王秀軍，等. OBE工程教育理念與化工專業(yè)實踐教學體系研究[J]. 實驗技術與管理，2017, 34(5): 154-157.

[8] 蔣西明，陳世平，李慈，等. 加強學科競賽管理，提高人才培養(yǎng)質量[J]. 實驗技術與管理，2012, 29(11): 22-25.

[9] 易洪雷，薛元，張彩云，等. 基于校企合作聯盟模式的校外實習基地建設[J]. 實驗技術與管理，2011, 28(4): 139- 142.

[10] 韓新才，閆福安，王存文，等. 卓越工程師人才培養(yǎng)工程教育體系的探索[J]. 實驗技術與管理，2015, 32(3): 13-17.

Construction and exploration of Internet security virtual simulation practice teaching for new engineering

WANG Ruijin, ZHANG Xiang, ZHANG Mengjie, ZHU Guobin, ZHOU Shijie

(School of Information and Software Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

In order to improve the quality of practical teaching and talent training, and based on the three levels of cultivating engineering talents’ abilities for new engineering, focus is placed on guiding students to participate in practical activities, innovating and developing new works, and strengthening the construction of progressive training mode of Internet security talents and virtual simulation of Internet security practice teaching system. The virtual simulation experiment teaching system of Internet security based on “Four levels” and “Six combinations” has been established, and the new teaching method for the virtual simulation experiment teaching resource development system has been explored.

Internet security; virtual simulation; practical teaching

TP391.9

A

1002-4956(2019)07-0124-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.030

2018-12-06

教育部高等教育司產學合作協同育人項目（201701023057，201702178018，201702010025）；電子科技大學教改項目（2017XJYT-YB19，2015XJYYB034，bksjy-2016-108）

王瑞錦（1980—），男，甘肅天水，博士，從事實踐教學與管理.