新工科背景下“信息安全系統研發”實驗課程的重構

王瑞錦，吳 勁，周世杰，張鳳荔，張萌潔

（電子科技大學 信息與軟件工程學院，四川 成都 610054）

“新工科”是相對于“傳統工科”的新概念，是基于人工智能、5G、物聯網等新技術驅動下的新領域。

開展“新工科”的研究和實踐，從而深化工程教育改革，推動“新工科”的建設與發展意義重大[1]?！疤魬鹦詫W習”是一種新的教學模式[2-3]，以“學生為中心、興趣牽引、任務驅動、項目導向”為教學思路。通過啟發式講授、互動式交流、探究式討論以及螺旋遞進式實踐“四位一體”教學方法，引導學生挖掘、探究現實生活中的“痛點”，同時引導學生進行項目方案的設計，通過團隊協作實現一個完整的挑戰性工程項目，在項目的實施過程中，激發學生利用知識解決復雜工程問題的好奇心、夯實實踐能力、養成自主學習能力以及培養團隊協作能力，達到創新精英人才培養的目的。

1 課程建設背景

1.1 網安人才培養的現狀

網絡空間安全是一門新興的交叉學科，涉及計算機科學、網絡技術、通信技術、密碼技術、信息安全技術、應用數學、數論、信息論等多個領域[4]。以培養學生系統掌握網絡安全專業知識為主要目標，注重理論與網絡安全知識體系的傳授。目前課程體系實踐方面過于單薄，主要以課程附帶實驗為主，實踐環節較少，實踐內容不合理，極大地阻礙了學生實踐和創新能力的提高，間接導致了學生的知識與能力只停留在書本的理論知識與傳統網絡安全模型上。面對理論重于實踐的網安人才培養現狀，增加實踐比重，解決實踐與理論之間的平衡問題刻不容緩[5]。

1.2 新工科背景下的人才培養要求

“新工科”為軟件工程、網絡空間安全等工科專業教育提供了新的人才培養目標和更高的要求，其核心是培養具有可持續競爭力的新型人才，在注重專業培養的同時，還需要培養學生社會觀、科學思想、價值觀、系統思維、工程思維、創新思維、知識思維、領導才能和個人品質等能力[6]。這亟需建設一批體現“新工科”屬性的新課程、新教學體系和新教學內容。基于這樣的背景，我們設計了“信息安全系統研發”挑戰性實驗課程。

1.3 構建“三位一體”教學體系

信息與軟件工程學院構建了“教學—實踐—競賽”三位一體的教學體系，如圖1 所示，開設了“信息安全系統研發”挑戰性課程[7-8]。在教學方面為學生提供組隊、選題與項目設計的指導，即讓學生根據實際情況進行組隊與分工，便于取長補短，鍛煉學生的團隊合作能力；同時在教學上通過學習與討論，引導學生根據所選題目進行項目的概要設計和詳細設計，明確將要參賽的項目方向與擬采用的技術路線，并進一步給出具體的設計方案與實現方式。在實踐方面督促學生自主完成項目的開發、測試以及持續改進，以項目驅動的方式培養學生的實踐能力和創新能力。在競賽方面落實課程效果，鼓勵學生參與全國大學生信息安全競賽（簡稱“信安大賽”），在競賽中充分發揮自己所學，全面提升專業能力和綜合能力。依托學科競賽“興趣牽引—任務驅動—能力提升”的培養模式，從而形成了“校級”“省級”“國家級”3 層次、遞進式全方位的學科競賽體系，以實用性、創新性、挑戰性問題為切入點和抓手，加強學生專業、創新和綜合能力的鍛煉和培養。通過“以賽促學、以賽促教”的理念，推動網安人才培養模式和實踐教學改革，提高學生的培養質量。

圖1 “教學-實踐-競賽”三位一體教學體系

2 教學實施方案

2.1 課程結構

此課程以培養學生的專業能力與綜合能力為主體，從實用及創新等挑戰性問題切入，培養學生從實際出發綜合運用體系結構的能力。該課程與新興技術基礎教學、3 種創新型教學方法、多維度思維培養、挑戰性問題研究共同構成教學體系的5 個層次，該課程結構如圖2 所示。

1）挑戰性問題。

課程以挑戰性問題的實用性、創新性、可行性為切入點和抓手，培養學生從實際出發解決問題的信息安全綜合實踐能力。要求學生了解社會安全需求熱點的挑戰性問題。競賽主題主要參考近年國際 CCS（ACM Conference Communications Security）、TDSC（ IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing）、TIFS（IEEE Transactions on Information Forensics and Security）三大會議以及國內外相關信息安全項目，將其作為研究點并進行深入調研，最終設計出新穎且實用的項目，項目最終應用于實際生活之中并解決社會問題。課程側重考查學生的創新能力，內容不僅要有理論上的創新，還要有理念上的創新，由此才能全面檢驗以及培養學生的信息安全理論素養和實踐動手能力。

2）教學方法。

我們在教學方法上采用了啟發式講授、互動式交流、探究式討論以及螺旋遞進式[9]實踐“四位一體”教學方法。

啟發式講授、互動式交流、探究式討論在學習掌握信息安全技術知識上有著重要的作用，這三者是不可分割的，因為啟發就要探討，探討就要互動。螺旋遞進式實踐則著重培養學生利用信息安全知識解決實際問題的能力。螺旋遞進式實踐強調要不斷轉換攻防視角，通過由淺及深的螺旋式互換探究，深化對課程知識的掌握，培養學生的系統思維和能力。四種教學方法相互結合，不可分割，從而使信息安全系統研發挑戰性課程區別于傳統課程的死板、沉悶和無趣，調動學生的興趣和積極性。

3）資源支持。

圖2 課程結構

借助中國大學MOOC（慕課）開放的、豐富的在線相關課程資源，將課程資源與專業課程體系相結合，以數據庫技術、區塊鏈技術、密碼學技術、生物識別技術和機器學習技術為基石，開展線上教學實踐。通過4 個線下實驗（基于生物識別的身份認證實驗、基于信息安全通信加密協議驗證實驗、基于區塊鏈的網絡構建實驗以及基于深度學習的內容安全實驗）讓學生對所學的知識進行操練，掌握基本的原理和編碼方法，幫助學生在競賽過程中順利完成項目，同時解決因時間、空間的限制導致無法深入學習的問題。

4）能力培養。

課程不僅注重系統設計能力、系統開發能力、系統測試能力以及文檔撰寫能力等專業能力的培養，同時注重技術創新能力、寫作表達能力、工程實踐能力和團隊協助能力等綜合能力的提升。課程以“繼承與創新”“協調與共享”“交叉與融合”為主要培養途徑，使學生能夠在競賽中靈活應對困難。此外，也希望能夠培養出多樣化、創新型的卓越工程技術人才，為我國的網安事業提供智力以及人才上的支撐，為社會主義現代化事業添磚加瓦[10-11]。

2.2 教學內容和教學設計

本課程的教學由第一階段（積累與設計）和第二階段（總結與升華）兩部分組成，素質教育貫穿始終。學生通過上述兩個階段的遞進式挑戰性學習，系統、全面掌握組隊技巧、選題依據、信息安全系統研發方法后，參加每年舉行的信安大賽。在競賽過程中，學生的團隊協作、答辯表達等綜合能力將得到進一步提升。

2.2.1 第一階段：積累與設計

第一階段分為5 個遞進式的階段，涉及撥開云霧和求知探索兩大板塊。

1）撥開云霧。

該板塊包括講述信安大賽的競賽背景、競賽流程、競賽規范等3 個階段，通過分析近幾年全國信安大賽獲一等獎的項目的創新點、采用的核心技術等，為學生展現信安大賽的方方面面，使其深入了解和構建競賽框圖。

2）求知探索。

主要涉及選題與組隊以及項目設計2 個階段。從各方面汲取社會中具有挑戰性的安全難題，確定優秀的選題大綱，并就選題進行系統設計，培養學生開創性的思維模式，引領學生邁入實踐指導階段。

（1）選題與組隊。分析信安大賽的基本理念、近幾年的獲獎情況，詳細分析歷年信安大賽獲獎的題目類型與特點。在該階段，學生將依據歷屆信安大賽主體章程中的相關要求，根據自身實際情況，進行組隊與分工，取長補短，鍛煉團隊合作能力。

（2）項目設計。通過學習與討論，學生根據選題進行項目的概要設計和詳細設計、明確擬參賽的項目方向與擬采用的技術路線，進一步給出具體設計方案與實現方法。

總體來講，在積累與設計階段，主要是讓學生熟悉基本的競賽信息，同時通過組隊和選題，培養學生的開創性思維，推動學生對信息安全前沿技術的學習與掌握，鍛煉學生的創新能力。這一階段主要通過所選課題，對學生進行系統設計能力的培養。

2.2.2 第二階段：總結與升華

本階段涉及軟件工程基本模型中的差異性指導、項目實現、項目測試、文檔編寫與答辯。在上一個階段的基礎上總結與升華，進一步完善，提升學生的項目開發能力。該階段主要針對學生的不同選題進行差異性指導，在培養學生競賽實踐能力的同時，提升其寫作表達等綜合能力。該部分又分為以下6 個階段，涉及求知探索、厚積薄發、點睛之筆和酌古斟今等4 個板塊。

1）求知探索：主要介紹參賽項目在實驗階段需要做的準備，為項目更好的呈現奠定基礎。

（1）差異性指導階段。學生選定項目方向之后，由于各隊選題方向存在差異性，且成員的技術水平、專業方向也大不相同，集體授課的內容僅能解決部分問題，還需要針對各項目團隊進行差異性指導。指導具體從三個方面展開：①課上分組討論。課上對各隊項目的系統架構和技術路線進行規劃和建議，課下督促學生進行相關資料查閱與相關技術學習，著手項目實施，在此期間，師生隨時進行技術討論。②專家點評與指導。邀請專家參與項目答辯，并就技術路線和項目呈現情況進行點評與指導；各隊根據答辯情況進一步細化分工，整理專家提出的建議和意見，繼續項目的研發，逐步完善項目。③成立競賽工作組。由經驗豐富的競賽中心教師和教授擔任競賽教練、競賽指導和核心技術指導等，對學生進行更為詳細的指導和培訓。

（2）項目實現階段。通過邀請專家指導以及集中答辯的方式，對各隊的項目進行評價與指導，并在項目接近尾聲時，系統地訓練學生的文檔寫作與答辯能力，完成最終競賽項目報告。

（3）項目測試階段。主要是在項目實現之后，對項目進行測試。本階段分別從功能、算法、性能3 個方面對項目進行測試，訓練學生在測試過程中發現問題并進行改進的能力。

（4）文檔編寫與答辯訓練階段。通過對報告的撰寫與講解，系統訓練學生的寫作水平，包括項目背景分析、項目架構設計、測試方案確定與測試結果分析，以及在項目完成后進一步提煉出主要功能與創新點的訓練，并在寫作完成后進行答辯技巧與表達能力的訓練。

2）厚積薄發（競賽技能學習階段）：介紹當下在信安大賽中應用較為廣泛的 5 種技術——密碼學技術、機器學習技術、生物識別技術、區塊鏈技術與數據庫技術——使學生了解當下現有技術發展水平，掌握熱點技術，學習競賽技能。

3）點睛之筆（獲獎項目分析階段）：通過分析競賽獲獎項目，激發學生對信息安全的敏感性和創新性。

4）酌古斟今（優秀作品借鑒階段）：進一步指導學生學習和借鑒歷年優秀項目，使學生站在巨人的肩膀上，為將要參加的競賽做好準備。

2.3 全新考核方式

在成績考核方面，該課程拋棄了傳統模式下單一的、只依靠卷面成績的考核方式，制定了全方位的考核方式，即將系統的開發過程與課程進程相結合。

課程第一階段的教學與考核緊跟系統的開發流程，主要考慮項目選題與系統設計過程，分為選題組間互評（15%）、選題教師評價（25%）、系統概要設計（15%）、系統詳細設計（15%）與期末總體答辯（30%）5 個部分。這5 個部分緊密聯系，層層遞進，不可分割，共同構成了最后的第一階段的學生成績。課程從嚴謹客觀的角度出發，在選題組間互評階段設計了信息安全系統研發選題互評表，輔助學生對自身選擇的題目進行全方位的考慮與評價。

第二階段以系統的首次開發（25%）、系統首次測試（20%）與系統第一次迭代與答辯（20%）為主，鼓勵學生對系統進行多次迭代與答辯（15%），同時在迭代過程中進行文檔修改（20%），以鍛煉學生的答辯能力并逐步完善競賽文檔。

兩個階段相結合，貫穿了整個信息安全競賽的流程，引導學生進行選題、設計、開發、測試、答辯與寫作，同時也將學生的課程成績與系統開發融為一體。

3 課程成效及創新點

本課程自2016 年立項并實施以來，至今已經開課8 次，累計受益學生600 余人，各類學科競賽參賽項目200 余項。在學科競賽、教學改革研究等方面取得了一定的成效。其中，學生項目獲2017 年全國大學生信息安全競賽全國一等獎5 項、二等獎1 項，其中一項獲大賽唯一“最具創業價值獎”，并獲直通“第三屆全國互聯網+創新創業信安大賽”決賽資格；學生項目獲2018 年全國大學生信息安全競賽全國一等獎4 項、二等獎3 項；出版教材1 部。同時，課程的部分成果由學院整合后獲第八屆高等教育四川省教學成果二等獎。

本課程還具有以下創新點：

（1）全新的教學體系和模式。課程構建了“教學—實踐—競賽”三位一體的教學體系，以學生為中心，以“興趣牽引、任務驅動、項目導向”為教學思路，通過課堂展示環節和互動交流，讓學生主動參與課堂，感受課堂氛圍，培養學生的溝通交流能力；通過督促學生自主完成項目的開發、測試以及項目的完善，培養學生的實踐動手能力、解決復雜工程問題的能力以及不斷開發創新的能力；以學科競賽為考核的模式，不再僅僅依靠單一的考試或論文成績，而是將學生課堂展示環節（答辯）也納入成績構成，通過改進成績構成，從多個維度出發調動學生的積極性，從而提升學生綜合能力和團隊合作精神，增加課程的深度和高度。在課程的建設中，將這些競賽題目進行課程化、項目化，既可以借助競賽平臺提高競賽指導水平、培養拔尖創新人才，又激發了學生的學習興趣，培養學生解決復雜工程問題能力。

（2）新穎的教學方法。將啟發式講授、互動式交流、探究式討論以及螺旋遞進式實踐“四位一體”等。4 種教學方法相互結合，不可分割，最大程度調動學生的積極性。

（3）契合“新工科”思想。本課程涵蓋了計算機、軟件工程、信息安全、數學、通信等相關學科的知識，是一個跨學科的教學與綜合實踐平臺，與“新工科”背景下建設一批跨學科實踐平臺的要求完全契合，在深化工程教育改革、推動新工科實踐建設方面有一定的示范作用。

4 結語

在新工科背景下，“信息安全系統研發”挑戰性實驗課程以“教學—實踐—競賽”三位一體為主線，是實施拔尖人才培養改革的一種新的探索。它依托學科競賽的以“學生為中心”，以“興趣牽引、任務驅動、項目導向”為教學模式，能一定程度上激發學生的好奇心，提高其解決復雜工程問題的綜合能力，為學院實施卓越工程師2.0 添磚加瓦。