基于虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的網(wǎng)絡(luò)安全實踐教學(xué)體系研究與構(gòu)建

摘要：基于CC2020勝任力模型，從實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全核心知識的學(xué)習(xí)、攻防技能的提高、品行的培養(yǎng)出發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)體系進行了構(gòu)建及研究。虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和雨課堂平臺，為實踐開展提供了信息化教學(xué)的基礎(chǔ)，同時提升了實踐教學(xué)的可行性和創(chuàng)新性。結(jié)合學(xué)生現(xiàn)狀，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、實驗資源建設(shè)、教學(xué)方法策略、考核評價機制，多角度、多方位地提出了詳細建設(shè)舉措。實踐課程的實施將對培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)安全創(chuàng)新型、實戰(zhàn)型人才培養(yǎng)具有實際意義和參考價值。

關(guān)鍵詞：CC2020勝任力模型虛擬仿真實驗教學(xué)平臺實踐教學(xué)項目驅(qū)動教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

中圖分類號：G712;TP393.08-4

ResearchandConstructionofNetworkSecurityExperimentalTeachingSystemBasedonVirtualSimulationExperimentTeachingPlatform

YANG YangSUNHaoyueQINXiaohui

HebeiUniversityofArchitecture，Zhangjiakou，HebeiProvince，075000China

Abstract：BasedonCC2020competencymodel，thispaperconstructsandstudiesthenetworksecurityexperimentteachingsysteminordertorealizethelearningofcoreknowledgeofnetworksecurity，theimprovementofoffensiveanddefensiveskillsandthecultivationofcharacter.Thevirtualsimulationexperimentteachingplatformandrainclassroomplatformprovidethebasisofinformation-basedteachingandenhancetheinnovationofpracticalteaching.Combinedwiththecurrentsituationofstudentsinourschool，thispaperputsforwarddetailedconstructionmeasuresfromvariousanglesanddirections，suchasteachingcontentdesign，experimentalresourcesconstruction，teachingstrategyassessmentandevaluationmechanism.Theimplementationofthispracticalcoursewillhavepracticalsignificanceandreferencevalueforcultivatinginnovativeandpracticaltalentsinnetworksecurity.

KeyWords：CC2020CompetencyModel;Virtualsimulationexperimentteachingplatform;Practicalteaching;Project-driven;Teachingcontentdesign

2020年12月，ACM/IEEE-CS協(xié)會發(fā)布了全球性計算機科學(xué)教育領(lǐng)域計算課程體系紅皮書（ComputingCurricula，簡稱CC2020）[1]，CC2020從計算機課程體系建設(shè)出發(fā)，倡導(dǎo)計算機教育人才培養(yǎng)的核心需求，從而提供了指導(dǎo)。

CC2020工作組將勝任力作為核心培養(yǎng)目標(biāo)，由知識、技能和品行3部分組成[2]，鼓勵各教學(xué)機構(gòu)根據(jù)自己的定位設(shè)計具體的培養(yǎng)方案。對實現(xiàn)我國“新工科”建設(shè)所強調(diào)的“以能力培養(yǎng)促進工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”的目標(biāo)有著重要的促進作用。

針對CC2020所提出的人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容，本課程實踐教學(xué)過程中依托虛擬仿真實驗平臺，構(gòu)建以培養(yǎng)學(xué)生興趣為導(dǎo)向，以實踐帶動理論的教學(xué)體系，從而設(shè)計實驗教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全核心知識的學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)安全攻防技能的提高、網(wǎng)絡(luò)安全職業(yè)素養(yǎng)及團隊精神等品行的培養(yǎng)。

1網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)體系總體設(shè)計

本課程實踐所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)內(nèi)容以知識學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)、以技能提升為目標(biāo)、以思政教育為導(dǎo)向，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計上突出問題求解的作用，實驗類型方面主要從實驗的難易程度出發(fā)劃分為基礎(chǔ)型實驗、專業(yè)型實驗、綜合型實驗和學(xué)科創(chuàng)新型實驗；以在線虛擬仿真實驗教學(xué)平臺為依托，靈活采用任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)方法進行設(shè)計，將學(xué)科競賽、網(wǎng)絡(luò)安全創(chuàng)新型成果融入實驗教學(xué)的考核中。重在培養(yǎng)悉攻善守、攻防兼具的工程型網(wǎng)安人才。

1.1建立網(wǎng)絡(luò)安全實踐課程建設(shè)模式

構(gòu)建知識、技能、品行3個網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)支撐點，以知識學(xué)習(xí)、實戰(zhàn)能力提高、思政品行教育為教學(xué)目標(biāo)，整合線上線下教學(xué)資源進行知識點講授學(xué)習(xí)；通過項目式任務(wù)驅(qū)動實踐教學(xué)法，融入學(xué)科競賽，將學(xué)生帶入具體的網(wǎng)絡(luò)安全靶場進行實際問題分析，通過實驗類型要求學(xué)生獨立思考或集體協(xié)作，提高學(xué)生的實操實戰(zhàn)技能；同時，從思政教育、職業(yè)素養(yǎng)、團隊精神、溝通能力等方面培養(yǎng)學(xué)生的品行意識。

1.2?;構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)課程體系

教學(xué)內(nèi)容上，主要以“問題求解”為中心[3]，實驗類型從實驗內(nèi)容的性質(zhì)及難易程度主要分為基礎(chǔ)型實驗、專業(yè)型實驗、綜合型實驗和創(chuàng)新型實驗4個內(nèi)容層次，實驗類型和課程實踐教學(xué)目標(biāo)相對應(yīng)，難度從簡單到難度加大，注重“問題求解”能力的工程型人才培養(yǎng)。

1.3多元化多維度的實驗考核評價機制方案

從實驗考核的多元化出發(fā)，采用靈活多樣的實驗考核方式[4]，針對不同的實驗類別制定不同的考核參考標(biāo)準(zhǔn)，例如傳統(tǒng)的實驗報告基礎(chǔ)上增加實驗答辯、線上攻防情況測評、科研創(chuàng)新項目和學(xué)科競賽獲獎等，主要突出對網(wǎng)絡(luò)安全技能的實踐動手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，根據(jù)本課程實踐所設(shè)計的教學(xué)模式下的學(xué)生學(xué)習(xí)成績分布，驗證網(wǎng)絡(luò)安全實踐課程的建設(shè)成果和檢驗。

2本網(wǎng)絡(luò)安全實踐教學(xué)所依托的信息化服務(wù)環(huán)境

2.1網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)

網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建初衷是為了提高學(xué)生的動手能力，以實踐技能和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)為目標(biāo)。通過平臺實現(xiàn)實驗教學(xué)資源的信息化，提高整合度，具備資源的開放性和共享性，建設(shè)過程結(jié)合學(xué)情個性化、需求多元化、資源信息化的特點進行建設(shè)。通過虛擬化技術(shù)創(chuàng)建各種網(wǎng)絡(luò)安全實驗場景及實訓(xùn)環(huán)境，將理論學(xué)習(xí)和實驗實踐相結(jié)合，集在線實驗、在線課堂、項目實戰(zhàn)、題庫、在線考試等功能于一體。平臺課程資源包含安全基礎(chǔ)、滲透測試、安全運維、安全競賽和安全靶場等主流信息安全實戰(zhàn)類資源，滿足遠程教學(xué)與在線實驗。

2.2基于雨課堂的智慧教學(xué)體系

理論教學(xué)方面，整合線上和線下教學(xué)學(xué)習(xí)資源，開展實踐教學(xué)理論指導(dǎo)，主要基于雨課堂和慕課兩個平臺，構(gòu)建一個資源完備的教學(xué)環(huán)境，提供覆蓋實踐課程所需的課前資源發(fā)布與學(xué)習(xí)、課中答題互動、課后進度跟蹤與學(xué)情觀測，開展全面的沉浸式實踐教學(xué)指導(dǎo)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、課程關(guān)注度和主觀能動性。

3網(wǎng)絡(luò)安全實驗教學(xué)實踐詳細建設(shè)舉措

3.1全面的虛擬仿真實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

融合線上資源、線下課堂和虛擬仿真網(wǎng)絡(luò)安全實驗平臺建立智慧學(xué)習(xí)環(huán)境[5]，以基礎(chǔ)知識（know-what）做支撐；技能（know-how）和品行（know-why）提升作為主要目標(biāo)，以網(wǎng)絡(luò)安全勝任力核心需求為牽引，教學(xué)實踐設(shè)計了符合學(xué)情的和培養(yǎng)方案一致的教學(xué)內(nèi)容，基于一定的教學(xué)方案，結(jié)合理論講授與實驗實訓(xùn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)驅(qū)動力，重在賦能學(xué)生的網(wǎng)絡(luò)安全技能實操和解決問題的勝任力。

3.2網(wǎng)絡(luò)安全課程實驗資源建設(shè)情況

提出了多維分層進階式學(xué)習(xí)理念，從基礎(chǔ)型實驗、專業(yè)型實驗、綜合型實驗和科研創(chuàng)新學(xué)科競賽出發(fā)，建設(shè)前期進行了網(wǎng)絡(luò)安全實驗任務(wù)設(shè)計，突破以往的網(wǎng)絡(luò)安全實踐教學(xué)方法及教學(xué)模式、重在任務(wù)驅(qū)動強化學(xué)生的實踐能力、夯實學(xué)生解決網(wǎng)絡(luò)安全工程問題的職業(yè)能力，探索基于CC2020勝任力模型的計算機人才培養(yǎng)理念。同時，基于學(xué)生學(xué)情，根據(jù)教學(xué)知識點和實踐教學(xué)項目的難易程度，在覆蓋學(xué)科知識技能范圍的前提下，將網(wǎng)絡(luò)安全課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)按實驗性質(zhì)分為：認知實驗、驗證實驗、設(shè)計實驗、綜合實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計和學(xué)科競賽6個教學(xué)環(huán)節(jié)。

綜上，通過實驗情況及平臺記錄收集學(xué)情反饋，檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量。以培養(yǎng)“悉攻善守、攻防兼具”的多層次人才為目標(biāo)，調(diào)整各知識點的考核目標(biāo)，思考設(shè)計課內(nèi)實驗，為學(xué)生提供自我成長的練習(xí)平臺，通過實踐能力的提升，引導(dǎo)學(xué)生由知識掌握向知識運用的遷移。

3.3課程實踐產(chǎn)出規(guī)劃

通過學(xué)習(xí)每章理論知識、實用技術(shù)和實驗練習(xí)，拓展視野，增強技能，培養(yǎng)學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)安全的研究、分析和實戰(zhàn)能力。在自主學(xué)習(xí)意識與能力上有所提高，養(yǎng)成科學(xué)嚴謹、實事求是的科學(xué)態(tài)度和學(xué)習(xí)態(tài)度，為今后工作打下良好的基礎(chǔ)。讓學(xué)生掌握知識和技能的同時，提高學(xué)生網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)容鑒別能力和網(wǎng)絡(luò)安全意識，提高大學(xué)生的社會競爭力，為我國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與使用培養(yǎng)專業(yè)人才和可靠人才。

3.4綜合的考核評價機制設(shè)計

采用靈活多樣的實驗教學(xué)考核方式，對應(yīng)不同的實驗類別制定不同的考核參考依據(jù)，比如實驗報告、實驗答辯、線上攻防測評和學(xué)科競賽[6]等，主要突出對網(wǎng)絡(luò)安全技能的應(yīng)用情況和創(chuàng)新思維，根據(jù)本項目設(shè)計的實踐教學(xué)模式下的學(xué)生學(xué)習(xí)成績分布，驗證網(wǎng)絡(luò)安全實踐課程建設(shè)成效。具體實施策略如下。

（1）通過發(fā)布雨課堂考試或作業(yè)的方式，實施常態(tài)化學(xué)習(xí)評價工作：每章結(jié)束后都會發(fā)布本章單元測試題，并在近幾年的教學(xué)中加入的信息化期中考試。通過無紙化考試自動評分功能減輕了教師評閱試卷的能力，同時可對學(xué)生對知識點的掌握情況得以掌握了解。

（2）課程設(shè)置了4個必須完成的實驗，輔助有12個選擇性完成的實驗。

（3）實驗部分的考核方式由單一的實驗報告向多元化轉(zhuǎn)變，考核形式主要包括實驗報告、實驗視頻等環(huán)節(jié)。

3.5集成的教學(xué)方法及實驗策略研究

3.5.1任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法

從個人作業(yè)角度，基于網(wǎng)絡(luò)安全虛擬仿真實驗教學(xué)平臺的進度完成功能，通過考核要求，發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)，考核驅(qū)動學(xué)生將實驗教學(xué)從應(yīng)付學(xué)時轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀蝿?wù)完成需求為主，而最終目標(biāo)在于培養(yǎng)悉攻善守的網(wǎng)絡(luò)安全人才。

3.5.2項目驅(qū)動式教學(xué)法

團隊作業(yè)角度，在教師的指導(dǎo)下，將相對獨立的項目交由學(xué)生進行協(xié)作完成全流程的設(shè)計與評價，以項目任務(wù)作為內(nèi)驅(qū)力，將理論知識和實踐操作融為一體，同時在品行思政教育方面，提升學(xué)生團隊合作能力。

3.5.3案例式教學(xué)法

通過理論教學(xué)，在理論知識儲備具備的基礎(chǔ)上，在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計和指導(dǎo)下，在具體的網(wǎng)絡(luò)安全靶實踐場進行實際問題的梳理認識和分析，通過反復(fù)的多場景攻防練習(xí)，舉一反三，進一步提高學(xué)生解決具體網(wǎng)安工程問題的能力，同時培養(yǎng)學(xué)生品行培養(yǎng)方面的相關(guān)能力如溝通能力和協(xié)作精神等。

3.6拓展實驗：基于深度學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)安全檢測研究

本科生繼續(xù)深造本校研究生，給出一些學(xué)生繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)安全研究方向的建議。本科網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，帶學(xué)生繼續(xù)網(wǎng)絡(luò)安全深度拓展學(xué)習(xí)，主要研究方向在深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)安全方向的應(yīng)用方面，包括基于深度學(xué)習(xí)惡意流量檢測、基于深度學(xué)習(xí)的計算機用戶行為異常檢測等，并發(fā)表了一系列的研究論文。

4結(jié)論

本課程實踐體系的設(shè)計以CC2020勝任力計算機人才培養(yǎng)模型為指導(dǎo)，構(gòu)建知識、能力、品行培養(yǎng)著力點，以網(wǎng)絡(luò)安全復(fù)雜實踐問題的解決為培養(yǎng)目標(biāo)，設(shè)計符合學(xué)情的遞進式的網(wǎng)絡(luò)安全實踐項目體系。主要通過項目驅(qū)動式實踐教學(xué)方法，全面提升學(xué)生解決網(wǎng)絡(luò)安全方向復(fù)雜問題的技術(shù)能力和動手能力。從個人任務(wù)和團隊任務(wù)的驅(qū)動角度，關(guān)注每位學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲、學(xué)習(xí)困難和產(chǎn)出效果，開展全方面的實踐教學(xué)指導(dǎo)。評價方式上向多元化轉(zhuǎn)變，兼顧網(wǎng)絡(luò)安全知識點考核、實驗報告撰寫、實驗視頻操作記錄、綜合實驗項目設(shè)計與提高。

參考文獻

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