公安院校基于python語言的程序設(shè)計網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)探索

劉 衍，王 剛，楊興春，張明旺，徐 紅

（四川警察學(xué)院 四川瀘州 646000）

一、問題的提出

隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)民規(guī)模不斷壯大，新型網(wǎng)絡(luò)犯罪大量產(chǎn)生，涉網(wǎng)案件數(shù)量在不斷增加，監(jiān)控、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的工作面臨巨大挑戰(zhàn)。國務(wù)委員、公安部部長郭聲琨在全國公安機(jī)關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全保衛(wèi)工作會議上強(qiáng)調(diào)：“各級公安機(jī)關(guān)要深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全的重要指示及網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作座談會精神，深刻認(rèn)識新形勢下加強(qiáng)網(wǎng)安工作的重要意義，著力提升維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全能力，積極推動網(wǎng)絡(luò)社會治理創(chuàng)新，堅決維護(hù)網(wǎng)絡(luò)公共安全，為營造風(fēng)清氣正的網(wǎng)絡(luò)空間、推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國建設(shè)作出新的更大的貢獻(xiàn)[1]。作為培養(yǎng)預(yù)備警官的公安院校，有義務(wù)為公安機(jī)關(guān)輸送合格的網(wǎng)絡(luò)安全執(zhí)法技術(shù)人才，打擊日益高發(fā)的網(wǎng)絡(luò)犯罪，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)空間安全。

近年來，公安院校積極探索適合公安技術(shù)類專業(yè)面向?qū)崙?zhàn)的網(wǎng)絡(luò)課程改革，大力提升培養(yǎng)具備信息化實戰(zhàn)知識技能人才的能力，取得了顯著成效。但是，在大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術(shù)快速興起的背景下，如何緊緊跟上技術(shù)進(jìn)步的節(jié)奏，仍然需要不斷探索。例如，面向網(wǎng)絡(luò)安全與執(zhí)法專業(yè)開設(shè)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程，普遍講授的是C++語言。由于C++語言語法繁瑣、入門困難、多用于軟硬件系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)備驅(qū)動等，對網(wǎng)安實戰(zhàn)需要來說，適用性不是很強(qiáng)，應(yīng)適時進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)充。我們考察，國內(nèi)外很多高校已經(jīng)開展python 程序設(shè)計語言教學(xué)。Python 語言，既支持面向過程也支持面向?qū)ο?，功能?qiáng)大且入門簡單，是目前最流行的程序設(shè)計語言。網(wǎng)絡(luò)安全從業(yè)者與網(wǎng)絡(luò)黑客在網(wǎng)絡(luò)攻防較量中基本都在使用Python，甚至人工智能的實現(xiàn)也需用使用Python。因此，網(wǎng)安儲備技術(shù)人才應(yīng)當(dāng)具備Python 技能。鑒此，本文就面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程的開設(shè)提出幾點初步探索。

二、Python語言的優(yōu)勢

（一）Python語言特點

Python語言自誕生以來，作為一種“膠水”語言，在統(tǒng)計分析、科學(xué)計算可視化、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、系統(tǒng)運(yùn)維等幾乎所有專業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛使用，是最受歡迎的程序設(shè)計語言之一。近年來國內(nèi)有幾百所高校的多個專業(yè)選擇使用Python作為程序設(shè)計入門教學(xué)語言或者作為各專業(yè)擴(kuò)展課程。

Python語言具有簡單易學(xué)，免費(fèi)開源的特點。用python編寫程序，無需關(guān)心硬件底層細(xì)節(jié)，無需編譯鏈接。它既支持面向過程編程也支持面向?qū)ο缶幊?，可以移植到多個平臺與其他語言例如c、c++進(jìn)行擴(kuò)展和嵌入。它提供了豐富強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)庫，無論實現(xiàn)什么功能，都有現(xiàn)成的、相似的類庫可以使用。隨著版本的不斷更新和語言新功能的添加，越來越多被用于獨立的、大型項目的開發(fā)。

（二）Python的開發(fā)環(huán)境

Python 可在多平臺上使用，比如Windows、Linux、Unix 和Mac 等，它也可以在Java 和.NET 虛擬機(jī)上使用。在Linux中寫的Python程序，也能在Windows中運(yùn)行。

學(xué)習(xí)Python程序設(shè)計，首先需要搭建開發(fā)環(huán)境。安裝Python后，自帶內(nèi)置的解釋器，可以命令行交互環(huán)境中編寫代碼運(yùn)行程序。

除此之外，支持Python的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）有很多，例如PyCharm軟件是一種Python IDE，帶有一整套可以幫助用戶在使用Python語言開發(fā)時提高效率的工具，支持Django框架下的專業(yè)Web開發(fā)，也方便跟相關(guān)GUI進(jìn)行配合界面開發(fā)。例如Eclipse軟件可以集成多個插件實現(xiàn)多種開發(fā)環(huán)境搭建，使用各種編程語言不需要切換IDE。

（三）開設(shè)Python程序設(shè)計網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)的必要性

Python 是最好的程序設(shè)計入門語言，是最先進(jìn)的程序設(shè)計語言，也是國際上最流行的程序設(shè)計語言。在大數(shù)據(jù)時代背景下，各行各業(yè)都在加速人工智能替代演變。Python 的分布式爬蟲用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，分布式計算、機(jī)器學(xué)習(xí)用于數(shù)據(jù)分析，已在各高校課程中陸續(xù)開展。據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)信息中心《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》顯示，截止2018 年12 月，我國網(wǎng)民規(guī)模為8.29 億，互聯(lián)網(wǎng)普及率達(dá)59.6%，普及率呈逐年增加的趨勢[2]。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全問題日益嚴(yán)峻，涉網(wǎng)犯罪案件數(shù)量趨勢逐年上升。公安工作模式需要做出相應(yīng)轉(zhuǎn)變，積極應(yīng)對。公安院校在公安專業(yè)人才的培養(yǎng)中，也需要積極探索，緊跟科技進(jìn)步，順應(yīng)時代發(fā)展。以四川警察學(xué)院為例，其網(wǎng)絡(luò)安全與執(zhí)法專業(yè)開設(shè)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)攻防等系列專業(yè)課程，在常規(guī)教學(xué)的同時，師生積極開展參與各類網(wǎng)絡(luò)安全技能競賽。在此過程中，有關(guān)教學(xué)環(huán)節(jié)經(jīng)常用到專門用于網(wǎng)絡(luò)安全滲透和測試的開源操作系統(tǒng)Kali Linux，效果甚佳。由于Kali Linux系統(tǒng)中已經(jīng)安裝配置好python 環(huán)境，這為我們進(jìn)行安全測試實驗和維護(hù)（例如主機(jī)掃描，數(shù)據(jù)包注入，數(shù)據(jù)嗅探，遠(yuǎn)程攻擊主機(jī)等等[3]）提供了極大的便利。

目前，以“課堂教學(xué)”和“網(wǎng)絡(luò)課程”優(yōu)勢相結(jié)合的混合式教學(xué)方式得到了越來越多院校的推廣，也取得了良好的教學(xué)效果。比如，使用音頻、視頻、微課、協(xié)作學(xué)習(xí)等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用交互的形式設(shè)計課程協(xié)作學(xué)習(xí)。線下學(xué)生通過網(wǎng)課學(xué)習(xí)Python的語法和程序設(shè)計流程的知識點，學(xué)生通過角色分工、組隊協(xié)作的方式完成代碼開發(fā)、運(yùn)行調(diào)試、程序發(fā)布等任務(wù)，促使全體學(xué)生充分參與課程。再比如，網(wǎng)絡(luò)課程師生可以共同分享課件、案例、課程資料等，隨時隨地進(jìn)行教師與學(xué)生以及學(xué)生與學(xué)生之間的在線互動，有利于學(xué)生根據(jù)自己的掌握程度自主高效的學(xué)習(xí)，教師也能實時掌握學(xué)生學(xué)習(xí)的反饋情況。

圖1 2004年1月至2018年4月關(guān)鍵詞Python搜索熱度[4]

三、課程設(shè)計

Python 語言簡單易學(xué)，零基礎(chǔ)學(xué)生適用。其豐富的標(biāo)準(zhǔn)庫，能滿足不同層次教學(xué)?？梢詫W(wǎng)絡(luò)安全與執(zhí)法專業(yè)開設(shè)必修課Python程序設(shè)計，替換原有的C++程序設(shè)計課程，滿足面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計教學(xué)需要；其他公安專業(yè)以選修課的形式，開設(shè)Python編程基礎(chǔ)與應(yīng)用、Python爬蟲入門、Python信息提取與數(shù)據(jù)分析、Python機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用等課程。

（一）Python面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程目標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)安全與執(zhí)法專業(yè)開設(shè)專業(yè)必修課——Python面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，教學(xué)目標(biāo)設(shè)定為通過介紹Python語言的基本語法、程序結(jié)構(gòu)、類與對象、文件操作、標(biāo)準(zhǔn)庫及第三方庫的使用，使學(xué)生熟悉面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本概念與方法，得到程序設(shè)計方面的基本訓(xùn)練，掌握一門高級程序設(shè)計語言，培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計的能力和調(diào)試程序的基本技能，提高學(xué)生利用計算機(jī)解決問題的能力，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)攻防等課程奠定編程基礎(chǔ)。

（二）Python面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程計劃

采取講授和實驗相結(jié)合的方式，依托現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺比如藍(lán)墨云、超星學(xué)習(xí)通等，發(fā)布課程學(xué)習(xí)日歷和教學(xué)大綱等。將每個章節(jié)的知識點細(xì)化，以小視頻或資料的形式提前一周發(fā)布，布置針對該章節(jié)的實驗或題目（不給出答案），要求學(xué)生按時完成閱讀與練習(xí)，同時開放本章在線互動，方便學(xué)生交互研討；上課前統(tǒng)計每位學(xué)生的學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)進(jìn)度、練習(xí)和互動情況。課堂上主要講解該章節(jié)的重難點、解答線上發(fā)布的實驗和試題、針對學(xué)生的學(xué)習(xí)和交互情況反饋進(jìn)行現(xiàn)場答疑。以限定時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)平臺上的實驗完成度和期末考試，構(gòu)成整個課程的最終成績。期末根據(jù)學(xué)生對整個課程的評價，以及對學(xué)生的考核結(jié)果分析，對課程進(jìn)行教學(xué)改進(jìn)，為下一次開課做好準(zhǔn)備。

（三）Python面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程內(nèi)容

Python面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計課程內(nèi)容采用分層結(jié)構(gòu)由基本到深入再到提高，循序漸進(jìn)。穿插案例和編程練習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高課程的趣味性。課程共64個學(xué)時，占4個學(xué)分，教學(xué)內(nèi)容和章節(jié)課時分配可以參考表2，其中包含實驗教學(xué)。

第一部分主要講授Python的基本語法元素、基本圖形繪制、基本數(shù)據(jù)類型、程序結(jié)構(gòu)、函數(shù)與模塊[5]。第二部分異常處理和調(diào)試程序，學(xué)習(xí)如何糾正程序錯誤，加強(qiáng)代碼的可操作性，提高編程效率。第三部分學(xué)習(xí)文本文件的讀寫操作，數(shù)據(jù)庫的連接和各種系統(tǒng)操作以及如何 存儲對象。第四部分以面向?qū)ο鬄榛A(chǔ)，講授類和對象、封裝、繼承、多態(tài)、接口和模板等。第五部分以案例的形式，學(xué)習(xí)Python程序綜合應(yīng)用，web開發(fā)、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)爬蟲與數(shù)據(jù)可視化處理，AI人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法等。

表1 Python程序設(shè)計課程的教學(xué)內(nèi)容及課時分配

（四）選修課設(shè)計

從Python自身強(qiáng)大的功能來說，Python語言程序設(shè)計不止包含以上的基本應(yīng)用，還有面向不同領(lǐng)域的高級應(yīng)用，包括GUI編程、網(wǎng)絡(luò)編程、大數(shù)據(jù)處理、線程編程與進(jìn)程編程、多媒體編程與游戲編程、逆向工程與軟件分析、密碼學(xué)編程、統(tǒng)計分析與可視化、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)編程等。這些應(yīng)用分支可以根據(jù)需要，開設(shè)相關(guān)選修課程。

相對于理科背景學(xué)生，文科學(xué)生邏輯思維和計算思維能力相對薄弱，也沒有開設(shè)C語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程這類前導(dǎo)課程，在選修課中，如果直接講授語法規(guī)則和如何使用第三方庫，學(xué)生可能無從下手[6]。因此，選修課可以用只講案例的形式，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，按照編碼模塊逐步融入知識點，一步步由簡入深、由少到多帶領(lǐng)學(xué)生編寫代碼，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性。

例如“Python爬蟲入門”，可以用Python設(shè)計爬取熱搜關(guān)鍵字輿情分析；爬蟲程序爬取圖像智能識別、淘寶物品比價等做課程引入，可以參考圖2，圍繞第三方庫進(jìn)行講解。主要通過講解Requests 第三方庫使學(xué)生掌握HTTP/HTTPS協(xié)議自動從互聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)并向其提交請求的方法；講解Beautiful Soup第三方庫，使學(xué)生掌握從爬取的HTML頁面中解析完整Web信息的方法；講解標(biāo)準(zhǔn)庫Re，使學(xué)生掌握從爬取的HTML頁面中提取關(guān)鍵信息的方法；講解Scrapy第三方庫，介紹通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲框架構(gòu)造專業(yè)網(wǎng)絡(luò)爬蟲的基本方法。

圖2 Python爬蟲教學(xué)案例：爬取圖像識別

四、結(jié)語

python語言被廣泛使用在互聯(lián)網(wǎng)中的各個領(lǐng)域。python語言該課程是培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計能力的有效手段，可以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和問題求解能力。目前Python程序員人數(shù)排名世界前三，受歡迎程度緊隨在C/C++語言和Java語言之后。國內(nèi)外高校開展python程序設(shè)計語言教學(xué)的經(jīng)驗表明，其收獲了良好的教學(xué)效果，受到了學(xué)生們的歡迎。在大數(shù)據(jù)、云計算、網(wǎng)絡(luò)時代，公安院校大學(xué)生除了具備計算機(jī)基本操作能力外，還應(yīng)具備一定的編程能力。對未來從事打擊網(wǎng)絡(luò)違法犯罪的預(yù)備警官來說，加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)知識的學(xué)習(xí)和實踐顯得更為重要。用網(wǎng)絡(luò)課程的形式革新程序設(shè)計課程是一個技術(shù)迭代的過程，也是契合時代發(fā)展趨勢的必經(jīng)之路。