MOOC參與的安全實驗課程教學(xué)改進(jìn)研究

孫偉峰　邢元勛　覃振權(quán)

摘要：與計算機安全相關(guān)的課程有多門，多數(shù)要配備實驗課程。文章以計算機病毒與入侵檢測實驗課程為例，針對實驗課程形式單一、內(nèi)容重復(fù)的狀況，分析當(dāng)代大學(xué)生動手實驗?zāi)芰Σ蛔?、課程學(xué)習(xí)效果較差的原因，對計算機病毒入侵與檢測實驗課程教學(xué)的改進(jìn)進(jìn)行思考，最后提出一種因材施教、MOOC參與、理論指導(dǎo)為輔的實驗課程教學(xué)改進(jìn)模式。

關(guān)鍵詞：MOOC；網(wǎng)絡(luò)安全實驗課程；因材施教；輔助理論指導(dǎo)；教學(xué)改進(jìn)

1.背景

網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)是國家一級學(xué)科專業(yè)，對信息安全人才的培養(yǎng)起到舉足輕重的作用。網(wǎng)絡(luò)安全的專業(yè)課包含多門，如大連理工大學(xué)軟件學(xué)院的安全專業(yè)課程包括信息論、密碼理論與技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分析與設(shè)計、計算機病毒和入侵檢測、無線網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等。其中，計算機病毒與入侵檢測課程是一門以實驗課為主、理論課為輔的網(wǎng)絡(luò)安全課程。筆者曾在論文《無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教學(xué)形式及內(nèi)容“超市化”研究》中提出，在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)容和形式改革、上課和實驗結(jié)合、課內(nèi)和課外互動結(jié)合、培養(yǎng)學(xué)生研究能力等方面進(jìn)行探索和實踐，闡述理論課和實驗課的內(nèi)容“超市化”、方案“草根化”、理論和實踐聯(lián)系“一體化”、科研及實驗場地“自由化”的教學(xué)思路和方法。隨著教學(xué)硬件設(shè)備的更新?lián)Q代，實驗課的設(shè)置越來越靈活，病毒的種類越來越多，攻防措施也越來越先進(jìn)。從最早的計算機病毒Morris，到現(xiàn)在成千上萬種病毒充斥互聯(lián)網(wǎng)，研究各種計算機病毒的擴散機制和感染原理十分必要。在教學(xué)手法上，采用實驗操作搭配理論指導(dǎo)的方式可以顯著提升教學(xué)效率和效果，并在實驗室VMware虛擬機上配備實驗平臺供學(xué)生實驗使用。

考慮到計算機病毒與入侵課程的設(shè)置人數(shù)并不多，近3年來平均選課人數(shù)在60名左右，網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)方向的本科生教學(xué)應(yīng)更著重動手實驗，因此采用因材施教的教學(xué)模式更適應(yīng)教學(xué)要求；通過與每位學(xué)生溝通，了解學(xué)生掌握相關(guān)知識的程度和實際動手能力的強弱，根據(jù)每位學(xué)生的特征量身定做屬于該學(xué)生的教學(xué)方式。例如，讓學(xué)生選擇喜歡研究的領(lǐng)域，通過互聯(lián)網(wǎng)查閱相關(guān)知識并確定實驗內(nèi)容，培養(yǎng)其動手能力和理論結(jié)合實踐的能力，讓學(xué)生完成學(xué)校的學(xué)習(xí)之后能夠在實際工作和科研工作中快速上手。這種因材施教的方式可以提升學(xué)生的成就感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強實際動手能力并提升學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。不同學(xué)生對不同方向的選擇，需要MOOC參與。MOOC是massive（大規(guī)模的）、open（開放的）、online（在線的）、course（課程）4個單詞的縮寫，指大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)開放課程。

2.現(xiàn)有的實驗課教學(xué)方式

以大連理工大學(xué)軟件學(xué)院的本科生課程為例，包含實驗課的課程有計算機系統(tǒng)組裝與設(shè)置、模擬與數(shù)字電路、計算機與IT入門、計算機組織與結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)綜合實驗、計算機病毒入侵與檢測等。以往這些實驗課的講授方式幾近相同，長此以往，學(xué)生對實驗課產(chǎn)生抵觸隋緒。

2.1指定實驗和步驟的教學(xué)方式

指定實驗和步驟的實驗課授課方式以理論講授為主，動手實驗為輔。教師在實驗課開始之前，以PPT的形式講述即將進(jìn)行的指定實驗及步驟。該實驗課教學(xué)方式常見于實驗內(nèi)容單一的實驗課程。這種教學(xué)方式下，學(xué)生將按照授課教師的規(guī)定步驟一步一步地實驗，實驗結(jié)果千篇一律、大同小異。在詢問學(xué)生此類實驗課的收獲時，得到的答案普遍是：“按部就班地照做就好”，在實驗的過程中沒有思考應(yīng)該怎樣做和為什么這樣做，八成以上的學(xué)生表示沒有從實驗課中學(xué)到知識。這種指定實驗、指定步驟的實驗課教學(xué)模式下，授課教師為了授課方便，沒有考慮到學(xué)生的多元化特征，忽略了培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和科研動手能力。而最根本的問題在于給定題目之后的步驟講解，完全剝奪了學(xué)生思考問題和解決問題的權(quán)利，禁錮了學(xué)生的思維，失去了設(shè)置實驗課的意義。這樣的教學(xué)模式是不可取的。

2.2開放式教學(xué)方式

開放式實驗課授課方式是指教師不布置實驗內(nèi)容，任由學(xué)生自主選擇題目進(jìn)行實驗的授課方式。這種授課方式常見于實驗內(nèi)容范圍廣泛的實驗課程。在該教學(xué)方式下，學(xué)生在沒有理論指導(dǎo)的情況下完全隨個人愛好選擇實驗內(nèi)容，導(dǎo)致實驗期間人手困難、因理論知識匱乏遇到難點無法繼續(xù)實驗、得不到預(yù)期效果等情況。實驗課結(jié)束后詢問學(xué)生實驗課收獲時，學(xué)生反映開放式教學(xué)方式下的實驗課雖然可以按照個人興趣選擇實驗題目，著重培養(yǎng)自主創(chuàng)新意識和自我解決問題的能力，但是理論知識的匱乏和正確指引的缺乏使許多實驗過程中的問題無法解決，導(dǎo)致許多學(xué)生在實驗進(jìn)行的過程中逐漸喪失信心和興趣。該教學(xué)模式下，表面上學(xué)生開放了思維，實質(zhì)上大部分學(xué)生不能正確估量實驗難度，難以真正完成實驗內(nèi)容，久而久之導(dǎo)致學(xué)生自信心受到打擊，這與本科生教學(xué)理念背道而馳。

3.理論指導(dǎo)為輔的因材施教教學(xué)方式

3.1教學(xué)理念

實驗課的教學(xué)區(qū)別于理論課，它要求授課教師引導(dǎo)學(xué)生完成實驗操作而不是一味地講授理論知識和實驗步驟，也不是一味地放權(quán)讓學(xué)生獨立完成實驗的選題和操作過程。所謂引導(dǎo)，是指在了解學(xué)生的不同條件和不同興趣愛好的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的意愿，給出合理的建議和指導(dǎo)，并在實驗過程中設(shè)置基礎(chǔ)實驗和創(chuàng)新實驗兩部分供學(xué)生完成，真正做到因材施教。

3.2基礎(chǔ)實驗課程

計算機病毒入侵與檢測課程基礎(chǔ)實驗課部分，針對學(xué)生們的興趣和教學(xué)相關(guān)要求，從實驗平臺的40余項實驗中選取幾個有代表性的實驗，比如編寫惡意html文件，通過編寫死循環(huán)語句，導(dǎo)致打開網(wǎng)頁時頁面進(jìn)行無限次的黑白閃動；通過編寫簡單的html語句，導(dǎo)致打開指定網(wǎng)頁時會不斷彈出空白網(wǎng)頁。選擇這種實驗，可以直觀地讓學(xué)生感受到計算機病毒給計算機帶來的影響。通過學(xué)生動手實踐，讓其對計算機病毒入侵與檢測這門課程有更加深入的理解并逐漸產(chǎn)生興趣，這也正是實驗基礎(chǔ)課程的核心目標(biāo)。再比如Word宏病毒實驗，雖然這是一種很古老的病毒，但是它的意義不容小覷。宏病毒是使用宏語言（VBA）編寫的惡意程序，存在于文字處理文檔、電子數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)文件中。在Word宏病毒實驗中，學(xué)生根據(jù)實驗要求，將被感染宏病毒的Word文檔擴散到一個空白的Word文檔中，并使用Visual Basic編輯器查看宏病毒代碼，理解宏病毒的感染和擴散過程。在基礎(chǔ)實驗課程教學(xué)中，教師介紹實驗基本原理，提醒注意事項，比如在html網(wǎng)頁病毒實驗中，教師要提醒學(xué)生編寫html語言程序要注意該語言的語法。教師還應(yīng)在實驗前提出幾點問題，例如在宏病毒實驗中提出以下幾點問題：

（1）什么是宏病毒？為什么它被稱作宏病毒？

（2）宏病毒的傳播原理是怎樣的？

（3）能不能參考本次實驗自己制作一個簡單的宏病毒？

其中，第3點要根據(jù)學(xué)生的個體情況有選擇地完成。另外，教師應(yīng)及時深入學(xué)生內(nèi)部觀察每一位學(xué)生的實驗情況，觀察學(xué)生實驗進(jìn)程快慢，對吃力的學(xué)生加以指引。基礎(chǔ)實驗課程的實驗設(shè)置對大多數(shù)學(xué)生來講是相同的，因此采取學(xué)生內(nèi)部交流與幫助的方式是可行的。根據(jù)本課程實際情況，學(xué)生更容易采用內(nèi)部交流的方式解決困難，原因在于學(xué)生與學(xué)生之間的交流無障礙，且學(xué)生更容易將困難講述給關(guān)系較好的同學(xué)。這樣的好處是使每一位參與實驗課的學(xué)生都能夠真正動手操作，理解實驗意圖和目標(biāo)，并最終通過自己的努力完成每一個實驗。

基礎(chǔ)實驗課程設(shè)置的優(yōu)勢總體來講體現(xiàn)為以下3點：

（1）學(xué)生掌握了實驗課應(yīng)具備的基本操作技能和動腦思考能力。

（2）配合教師的理論指引，減少學(xué)生完成基礎(chǔ)實驗過程中的障礙。

（3）樹立學(xué)生的自信心，使之對實驗課程產(chǎn)生濃厚的興趣。

3.3創(chuàng)新實驗課程

創(chuàng)新實驗課程是指根據(jù)學(xué)生的個人興趣愛好以及自身學(xué)習(xí)能力而設(shè)置的一系列難度較高的實驗。這些實驗的設(shè)置是根據(jù)平時調(diào)查學(xué)生的興趣點，對實驗難度加以評判后，在實驗室之外由學(xué)生自主選擇完成，最終的實驗過程和實驗結(jié)果要整理成一篇實驗報告作為計算機病毒入侵與檢測課程的期末成績。為了防止學(xué)生應(yīng)付，要求每位學(xué)生做視頻演示，并詳細(xì)說明做了什么內(nèi)容。視頻要上傳到實驗視頻平臺，這會敦促學(xué)生真正參與實驗，并努力做到最好。而這些視頻，又可以作為MOOC的視頻材料，供其他學(xué)生參考。在從確定實驗到完成實驗的過程中，教師可以清晰地發(fā)現(xiàn)不同學(xué)生在面對困難時的不同表現(xiàn)。有些學(xué)生在面對困難時摸不到頭腦，不知從何處下手，陷入迷茫和止步不前的狀態(tài)中。這時候教師要對這類學(xué)生加以引導(dǎo)，與他們交流，分析問題所在，指引他們尋找問題的答案，如可以聆聽學(xué)生的困難之處，針對困難提供給學(xué)生幾點參考意見，比如去某些網(wǎng)站或者教材查找相關(guān)知識，并教導(dǎo)學(xué)生在面對困難的時候要堅定自己的信念和自我認(rèn)同。比如蟲洞wormhole實驗，實驗的過程比較繁瑣，而且需要額外的硬件支持。許多學(xué)生在沒理解病毒原理的情況下急于動手，導(dǎo)致在實驗進(jìn)行一半的時候迷失了目標(biāo)，這時候可以建議學(xué)生暫時先放下手頭實驗，先去了解wormhole病毒的基本原理，再查閱wormhole相關(guān)的實驗例子，參考別人是怎樣完成實驗的，并結(jié)合自己的需求將實驗進(jìn)行下去。對于如何參考別人的實驗，除了同學(xué)間的參考，還需要建立基于MOOC的實驗視頻平臺，包含互聯(lián)網(wǎng)上的視頻、以前學(xué)生在實驗時錄制的視頻、教師講解和操作視頻等，給學(xué)生更多的選擇。

創(chuàng)新實驗課程的設(shè)計符合實驗課教學(xué)的創(chuàng)新教育理念，其優(yōu)勢體現(xiàn)為以下3點：

（1）結(jié)合不同學(xué)生的不同情況設(shè)置難易程度不同的實驗，做到了因材施教。

（2）創(chuàng)新實驗具有一定難度，完成實驗的過程中提升了學(xué)生應(yīng)對困難、解決難題的能力。

（3）MOOC可以減少教師的指導(dǎo)過程，但在學(xué)生遇到困難時，教師與學(xué)生單獨交流更能針對問題給出有價值的建議與指導(dǎo)，讓學(xué)生真正在實驗中掌握知識。

4.實際效果

大學(xué)教育已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義的傳道授業(yè)，當(dāng)今大學(xué)教育模式應(yīng)該做到寓教于樂、因材施教，而實驗課改革便是深人貫徹當(dāng)今教育模式的體現(xiàn)。通過結(jié)果反饋，計算機病毒與入侵實驗課讓學(xué)生擺脫了理論學(xué)習(xí)的枯燥乏味，在實驗動手當(dāng)中感受理論知識的應(yīng)用，做到了寓教于樂。實驗課中每個學(xué)生都可以針對實驗中的難點向教師提問或者尋求同學(xué)的幫助，并可自主選擇不同難度的實驗，做到了因材施教。

在完成實驗后，學(xué)生按照要求認(rèn)真完成實驗報告冊。實驗報告冊添加了“本次實驗收獲與感想”這一欄，目的是通過與學(xué)生書面上的交流，得到實驗課的教學(xué)反饋。在評閱實驗報告冊的過程中，我們收到了來自學(xué)生的許多寶貴意見，比如wormhole病毒實驗難度偏大、按要求執(zhí)行的過程中會出現(xiàn)bug導(dǎo)致不能達(dá)到預(yù)期效果、部分實驗內(nèi)容過于老舊等。對于這些建議，我們虛心接受，并會在接下來的教學(xué)中改善實驗內(nèi)容，定時更新病毒實驗。我們也收到了來自學(xué)生的良好評價，比如html病毒實驗讓學(xué)生真正感受到了計算機病毒的存在，有的學(xué)生反饋這是他第一次創(chuàng)造的病毒，很有成就感。還有一部分學(xué)生在之前的實驗過程中遇到了困難，最后在教師和同學(xué)的幫助下克服困難，得到實驗結(jié)果，這種把大困難分解成許多小困難并逐個擊破的方法使他信心大作，在一波三折的實驗過程中體會到了成功的不易。

在結(jié)課后提交的大作業(yè)中，有三成學(xué)生的最終實驗報告內(nèi)容豐富、想法新穎，能夠在基本要求的基礎(chǔ)上拓寬思路、大膽創(chuàng)新，出色完成了該門課程的學(xué)習(xí)任務(wù)，其中優(yōu)秀的實驗報告如圖1所示。六成左右的學(xué)生能較好地完成實驗內(nèi)容，實現(xiàn)了基本操作，達(dá)到實驗的基本目標(biāo)。也有近一成的學(xué)生沒能按要求完成實驗，但是他們在實驗過程中的付出有目共睹，在處理這類學(xué)生的成績時，不能一味死板地較真實驗結(jié)果，而應(yīng)從學(xué)生的角度出發(fā)，判斷其有沒有全心投入。對于態(tài)度端正、努力付出的學(xué)生，即使沒能得到最終的實驗結(jié)果，也不應(yīng)給予不及格成績。

總體來講，理論指導(dǎo)為輔的因材施教實驗課教學(xué)模式在計算機病毒入侵與檢測課程的應(yīng)用中取得了較好的效果，結(jié)合實驗平臺網(wǎng)站的視頻教學(xué)與教學(xué)資源共享方式，獲得了學(xué)生的一致好評。實驗平臺網(wǎng)站的界面如圖2所示。下一步的工作是在此教學(xué)方式的基礎(chǔ)上提升教學(xué)質(zhì)量，保證所有學(xué)生都能正確完成實驗課程內(nèi)容。