基于CBL教學策略的物聯網系統安全教學改革研究

郭顯 馮濤 曹來成 蔣泳波 王晶

［摘 要］CBL教學策略是一種基于“能力”的教學框架。文章基于CBL教學策略提出物聯網系統安全課程和五階段科研訓練計劃教學方案。教學方案中采用問題導向教學法等，目的是通過跨學科、跨年級，聯合企業，參加競賽等形式將該課程打造成創新創業教育改革的實踐平臺，打造成培養21世紀優秀人才的“金課”。

［關鍵詞］物聯網系統安全；創新創業教育；問題導向教學法；工程教育

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）02-0098-04

創新創業教育是為適應經濟社會和國家發展戰略需要而產生的一種教學理念與模式。在高等學校中大力推進創新創業教育，對促進高等教育科學發展、 深化教育教學改革、提高人才培養質量而言具有重大的現實意義和長遠的戰略意義[1]。2015年5月國務院辦公廳印發的《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》（國辦發〔2015〕36號）強調，高校要“調整專業課程設置，挖掘和充實各類專業課程的創新創業教育資源，在傳授專業知識過程中加強創新創業教育”[2]。根據2018年全國教育工作會議部署要求，為全面貫徹落實黨的十九大精神，深入學習貫徹習近平總書記給“青年紅色筑夢之旅”活動大學生重要回信精神，進一步貫徹落實國務院《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》精神，在更高層次、更深程度、更關鍵環節上深入推進創新創業教育改革，高校應把建設創新創業教育優質課程、提升教師創新創業教育能力作為高校工作重點之一[3]。

我國已將物聯網產業列為國家重點發展的戰略性新興產業。然而，物聯網安全問題是當前亟待解決的問題，物聯網系統安全人才培養是各高校關注的焦點。物聯網系統安全課程具有跨領域性質，需要一種不同于傳統的學習方法，這種方法應能夠促進學生在不斷發展的環境中關聯不同概念、技術和學科的能力的提升。Sánchez等人提出了一種基于“能力”的物聯網系統安全課程教學的完整教學策略[4]，本文簡稱其為CBL（Competency?Based Learning）教學策略。CBL教學策略分階段定義學生的學習方法、獲得的能力和結果，集成目前OBE+CDIO工程教育背景下創新創業教育改革研究中普遍關注的新的教學模式[5-12]，如基于項目的教學方法[13]、問題導向教學法[14]等。該策略有意識地培養學生解決問題的能力和創新能力，以使學生更深入地理解關鍵知識，發展批判性思維，掌握協作及溝通等基本技能。

為響應國家創新創業教育改革方針、培養物聯網系統安全專業人才，筆者所在學校開設了物聯網系統安全創新課及五階段的物聯網系統安全科研訓練計劃課程，借助物聯網操作系統Contiki平臺[15-16]，基于CBL教學策略，設計“頂點項目”，探索物聯網系統安全課程創新創業教育改革模式，將物聯網系統安全課程打造成物聯網工程及相關專業的“頂點課程”，以及培養物聯網系統安全創新創業人才的“金課”。

一、基于“能力”的CBL教學策略

培養具備批判性思維、解決問題能力、應變能力以及團隊協作能力的大學生是21世紀大學要應對的挑戰。為了實現物聯網系統安全課程的授課目標，Sánchez等人提出了一種涉及多種教與學方法的完整教學策略。該教學策略包括初級、中級和高級三個階段：初級階段主要是學生獲得與物聯網系統安全相關的基礎技術和知識；中級階段主要是學生與學習小組合作，在具體的應用環境或案例中運用所學知識，以便完成最終論文撰寫或培養學習興趣，并在高級階段完成進一步的學習；高級階段主要是學生參與企業相關項目，并與跨學科或跨專業的學生共同完成項目[4]。

（一）CBL教學策略中的“能力”定義

Sánchez等人提出了以物聯網七層參考模型（見圖1）為起點來定義學生學習物聯網系統安全課程應該獲得的相關“能力”[4]，這種能力分為通用能力和特定能力。表1給出了物聯網七層參考模型與能力之間的映射關系。

以SC.XY表示一般課程中定義的特定能力，SC.XY-Z表示微調后適應物聯網系統安全課程學習的特定能力，各種特定能力的詳細說明如下：

SC.01：構建、開發和管理通信網絡、服務、過程和應用的能力。從遠程信息處理服務的角度來看，可理解為用于獲取、傳輸、表示、處理、存儲、管理和呈現多媒體信息的系統。

SC.01-1：構建、開發和管理物聯網體系結構、服務、流程和應用程序的能力。從遠程信息處理的角度來看，可理解為用于獲取、傳輸、表示、處理、存儲、管理和呈現信息的系統。

SC.02：應用遠程信息處理網絡、服務和應用所基于的技術的能力，例如管理、信令和交換系統、路由、安全（加密協議、隧道、防火墻、收集機制、身份驗證和保護內容）、流量工程（圖形理論、排隊論和電話流量）、定價、可靠性和服務質量，包括固定帶寬、移動帶寬、個人帶寬、本地帶寬和長途帶寬以及電話和數據帶寬。

SC.02-1：應用基于物聯網系統架構、服務和應用程序的管理、信令、交換和路由技術的能力。

SC.02-2：將安全技術應用于物聯網體系結構、服務和應用程序（如加密協議、隧道、防火墻、收集機制、內容驗證和保護）的能力。

SC.03：設計網絡體系結構和遠程信息處理服務的能力。

SC.03-1：設計物聯網系統架構的能力。

SC.04：對遠程信息處理、網絡和分布式應用和服務進行編程的能力。

SC.04-1：為物聯網應用環境編寫遠程信息處理、網絡和分布式應用和服務程序的能力。

SC.05：構思并開發集成硬件、軟件和網絡的集中式或分布式計算機系統或體系結構的能力。

SC.05-1：構思并開發集成物聯網硬件、軟件和網絡的集中式或分布式計算機系統或體系結構的能力。

SC.06：單獨開展初始訓練并向學位委員會陳述和答辯的能力。這種訓練包括具有專業性質的通信工程特定技術領域的項目，該類項目應系統化和融合學習過程中獲得的技能。

SC.06-1：單獨開展初始訓練并向學位委員會進行陳述和答辯的能力。這種訓練包括物聯網技術領域的項目，該類項目應系統化和融合學習過程中獲得的技能。

SC.07：在沒有提供精確的特定信息的情況下仍能發揮作用的能力。

SC.08：識別為了解決某個復雜問題所需解決的關鍵問題的能力。

SC.08-1：識別為了解決物聯網環境中的復雜問題所需解決的關鍵問題的能力。

SC.09：設計、構建、開發和執行相關專業領域的創新項目的能力。

SC.09-1：設計、構建、開發和執行物聯網領域的創新項目的能力。

SC.10：基于有限的信息整合知識、處理復雜問題并形成意見的能力。

各種通用能力的詳細說明如下：

GC.01：了解并能應用經濟學與人力資源管理和項目組織與計劃方面的基本要素，以及通信方面的立法、法規和標準。

GC.02：在多學科小組和多語言環境中工作，并以書面和口頭形式交流與電子和通信相關的知識、過程、結果和思想的能力。

GC.03：知道如何以專業的方式將知識應用于工作或職業，并具有通常在闡述和辯論以及解決研究領域中的問題時表現出的能力。

GC.04：收集和解釋相關數據（通常在“學生”研究領域內）以便做出包括對相關社會、科學或道德問題的反思的判斷的能力。

GC.05：將信息、想法、問題和解決方案傳輸給專業和非專業的受眾的能力。

GC.06：發展必要的學習技能，以高度自主地開展進一步學習。

GC.07：為解決方案進行答辯的智力和關鍵能力。

（二）CBL教學策略中的學習方法

通過應用不同的學習方法可以獲得上述能力。Sánchez等人建議在教學策略中應用如下學習方法：

LM.01：實驗室活動。包括學生使用已掌握的理論知識來解決問題或做出決策，師生使用實驗室或企業車間的特定設備進行實驗教學、模擬練習、現場研究、計算機實踐、公司訪問或現場考察等教與學的活動。

LM.02：自定進度學習。學生根據教師的指導方針或為此目的設計的教學材料自行學習新內容。自主學習、定向學習、虛擬網絡學習、教室外的個人或小組協作是一些常見的學習活動。

LM.03：基于問題的學習[14]。該方法注重五個關鍵點。（1）以學生為中心。（2）以實際問題為中心。（3）接近學生的環境。（4）要求提出具體的解決方案。（5）體驗式學習。

LM.04：基于項目的學習[13]。該方法涉及主題的發展，基于（以小組或單獨的方式）解決一個或多個項目的過程。在該項目中，學生會發現主題發展所必需的概念。

LM.05：案例方法。該方法包括幾個階段。（1）初步階段：閱讀和研究有關個人作品的案例。（2）表達意見和判斷的階段：個人反思和檢測個人作品的描述。（3）對比階段：對分析數據進行聯合分析，以小組形式完成，并在整個小組中共享。

（三）CBL教學策略中的學習結果

一旦學生成功完成了上述學習方法中提出的活動，他們將獲得以下學習成果，從而保證獲得前述相關能力。

LO.01：掌握用于物聯網環境的網絡、架構、部署和服務的概念。

LO.02：了解并區分傳輸和訪問網絡的概念，包括最重要的協議和接口。

LO.03：精通構成物聯網網絡架構的設備的設計、配置和實施。

LO.04：掌握針對IoT環境的網絡問題的分析、診斷和解決方案。

LO.05：物聯網系統網絡安全性的分析和設計。

LO.06：了解安全技術及其在數據系統和網絡中的應用。

LO.07：已深入研究該學位研究領域的特定主題，運用所學知識，并能夠以獨創或新穎的方式分析和解決問題。

LO.08：具有組織和計劃的能力、搜索技能和管理信息的能力。

LO.09：已以書面形式交流所做的工作，并將其公開展示給該領域的專家和非專家。

LO.10：具有構想、設計、實施和采用相當范圍的研究過程的能力及學術誠信。

LO.11：已對新的復雜概念進行批判性分析、評估和整合。

Sánchez等人給出了物聯網系統安全課程不同階段、獲得能力、學習方法和學習結果之間的映射關系，如表2所示。

二、基于CBL的教學方案設計

本文在物聯網系統安全課和五階段科研訓練計劃的教學中，根據Sánchez等人提出的教學策略，分初級、中級和高級三個階段設計教學方案。

（一）初級階段

在本階段，選修物聯網系統安全課程的學生已經學習了程序設計基礎、數據結構、計算機網絡及信息安全等相關課程，非計算機相關專業學生也可通過五階段科研訓練計劃第1—2階段的訓練補充相關內容。在這些先修課程的基礎上，本課程基于物聯網七層參考模型培養學生開發物聯網應用系統的能力以及網絡攻防基本技能，如基于物聯網操作系統平臺Contiki[15]開發簡單的數據采集應用、設備控制應用程序，驗證分析RPL、CoAP協議，比較分析RPL協議與OSPF協議以及比較分析CoAP協議與HTTP協議。學習結果和獲得的能力如表3所示。

以上學習內容是學生在教師的指導下，基于Contiki操作系統和Kalinux并主要通過仿真實驗來獲取的，也就是主要采用LM.01和LM.02這兩種學習方法。

（二）中級階段

本階段的教學主要以科研訓練小組形式展開。要求不同專業學生（如選修本課程的計算機科學與技術、物聯網工程、網絡空間安全等專業的學生），甚至包括在讀研究生，以協作、技術報告等形式來實現能力的獲取，如表4所示。這種訓練讓學生更加接近科研體驗，幫助學生獲得并提升以后工作中所需的基本研究能力，學會區分有效的知識來源以支持連貫的工作，學習通過詳細的文檔描述傳播和轉移知識，通過定期介紹他們的工作進度來口頭表達他們的工作和想法，并學習將他們的工作重點放在感興趣的主題上。

本階段采用問題導向教學法（PBL），設定需要解決的問題，如探索RPL協議中存在的安全問題（版本號攻擊、洪泛攻擊等），要求提出解決這些安全問題的方案，如基于密碼學機制的RPL協議方案、基于信任機制的RPL協議方案、基于軟件定義網絡的RPL協議方案等。

（三）高級階段

本階段要求學生參加各級各類競賽、學校創新創業類項目或企業項目（如一些與企業聯合的協同育人項目等）。通過這些項目的成功實施，學生可為自己的學位論文做準備。教學策略的高級階段同樣追求跨學科、跨年級學生之間的互動及協作，甚至包括與企業人員的互動及協作，采用基于問題的學習（LM.03）和案例方法（LM.05）。學生必須面對一個實際的問題，并與所分配的多學科小組的協作者協同提出合理的解決方案。通過讓學生共同解決競賽、項目中碰到的實際問題，營造模擬工作氛圍，培養學生解決實際工程復雜問題的能力，如表5所示。

三、結束語

物聯網系統安全課程是創新創業教育改革的重要實踐課程，CBL教學策略是針對物聯網系統安全課程提出的一種基于“能力”的教學方法。在物聯網系統安全課程和五階段科研訓練計劃的教學中，本文基于CBL教學策略提出了三階段學生能力培養方案，目的是把物聯網系統安全課程打造成培養具備批判性思維、解決問題能力、應變能力以及團隊協作能力的21世紀大學生的“金課”。在今后的教學中，筆者將進一步探討基于CBL教學策略的教學成果評價機制。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 中華人民共和國教育部. 教育部關于大力推進高等學校創新創業教育和大學生自主創業工作的意見[EB/OL].（2010-05-13）[2021-06-03]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s5672/201005/t20100513_120174.html.

[2] 國務院辦公廳. 國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見[EB/OL].（2015-05-04）[2021-06-03].http：//www.gov.cn/gongbao/content/2015/content_2868465.htm.

[3] 教育部辦公廳. 教育部辦公廳關于做好2018年深化創新創業教育改革示范高校建設工作的通知[EB/OL].（2018-04-12）[2021-06-03]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s5672/201804/t20180411_332854.html.

[4] S?NCHEZ J， MALLORQU? A， BRIONES A， et al. An integral pedagogical strategy for teaching and learning IoT cybersecurity[J]. Sensors， 2020， 20（14）：3970.

[5] SHIVAPURKAR M， BHATIA S， AHMED I. Problem?based learning for cybersecurity education[J]. Journal of the colloquium for information systems security education，2020，? ? ? ? ?7（1）：32-37.

[6] 莊宏，陳忠，唐文獻，等. CDIO項目式教學研究與設計[J].大學教育，2019，18-21.

[7] 蘇芃，李曼麗.基于OBE理念，構建通識教育課程教學與評估體系：以清華大學為例[J].高等工程教育研究， 2018（2）：129-135.

[8] 把玉琴.國內基于翻轉課堂的項目式教學研究綜述[J].中國教育信息化，2017（16）：4-8.

[9] CHANG C C， KUO C G， CHANG Y H. An assessment tool predicts learning effectiveness for project?based learning in enhancing education of sustainability[J]. Sustainability，2018，10（10）：3595.

[10] RICE M， SHANNON L J. Developing project based learn?

ing， integrated courses from two different colleges at an institute of higher education：an overview of the process， challenges， and lessons learned[J]. Information systems education journal，2016，14（3）：55-62.

[11] KUMAR M K P， AGRAWAL S， BHAT H. Effectiveness of project based learning on outcome based education：a case study[J]. Journal of engineering education transformations， 2016，29（3）：132-137.

[12] LEE J S， BLACKWELL S， DRAKE J， et al. Taking a leap of faith： redefining teaching and learning in higher education through project?based learning[J]. Interdisciplinary

journal of problem?based learning，2014，8（2）：19-34.

[13] ULRICH C. John Dewey and the project?based learning： landmarks for nowadays Romanian education[J]. Journal of educational sciences & psychology，2016，6（1B）：54-60.

[14] BARROWS H S. A taxonomy of problem‐based learning methods[J]. Medical education，1986，20（6）：481-486.

[15] 郭顯. 物聯網操作系統Contiki及其應用[M].蘭州：蘭州大學出版社，2019.

[16] 郭顯，方君麗，張恩展.基于cooja仿真器的無線傳感器網絡實驗研究[J].計算機教育，2017（3）：167-172.

［責任編輯：周侯辰］