網(wǎng)絡安全與管理課程的案例教學

陳紅松，張冬艷，王小妹

（北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083）

0 引 言

2016年12月，國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室正式發(fā)布《國家網(wǎng)絡空間安全戰(zhàn)略》，從國家層面實施網(wǎng)絡安全人才工程，推動網(wǎng)絡安全教育進教材、進學校、進課堂。在網(wǎng)絡安全教育教學中，案例教學法作為一種有效的方法正逐步得到重視。

案例教學法是一種以案例為基礎的教學方法，能夠把理論和實踐有機聯(lián)系，提高學生分析問題、解決問題的能力[1]。案例教學的特點是要學生通過自身對所處情景問題的思考，探索掌握分析問題、解決問題的方法，獲得知識與技能，體驗學習知識的樂趣，同時給予學生一定的學習探索空間。因此，教師可以選取發(fā)生在實踐過程中的真實案例為教學素材，進行有步驟、有目標的案例教學研究，尋找該案例中涵蓋的知識點及規(guī)律，并以此培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維。案例是針對一個真實、具體發(fā)生事件的反思、探討、再現(xiàn)與思考。案例教學法的定義為：通過對一個具體教學情境的描述，引導學生對這一特殊情境進行討論，從中引出某些一般性、規(guī)律性認識的一種教學法[2]。

哈佛大學教授認為案例教學沒有正確的標準答案，只有解決問題的不同方案，案例教學訓練的是一種系統(tǒng)思考問題的方法和采用行動的勇氣與決心。案例教學是極度開發(fā)學生潛能的一種教學方法，它能最大限度地調動每一位學生學習的積極性和創(chuàng)造性。國外一些從事案例教學的教師認為更新案例是保持課程內(nèi)容新鮮度的重要方法[3]。

教學案例應選用真實、典型且含有問題的教學事件，教師能創(chuàng)設切合實際的教學實踐情景，把真實的典型問題展現(xiàn)在學生面前，讓學生通過對事件本身和所處環(huán)境的分析、討論、交流，做出正確的判斷和決策，進而提高分析問題和解決問題的能力[4]。教學案例的設計必須緊密聯(lián)系理論，按照從易到難、由簡單到復雜的過程來設計安排，需要教師具備一定的工程背景或者工程意識[5]，并在案例教學之后能適當總結、擴展與提高。科學的教學案例要具有以下 6個基本特點：① 典型性，案例要能突出某個理論在實踐中的典型應用、縮短理論知識與實際應用的差距；② 時效性，引用的案例應緊跟形勢發(fā)展，盡量引進近三年的典型實例，使學生有新鮮感，引發(fā)學生興趣；③ 準確性，引用的案例應真實準確，來源可靠，不宜人為的夸大或縮??；④ 啟發(fā)性，所選案例應引人深思、啟迪思路，能促使學生深入理解知識點；⑤ 可擴展性，案例內(nèi)容安排方面有一定的靈活性，留給學生充分的思考空間，有利于學生進行能力拓展；⑥ 系統(tǒng)性，所選用的案例與理論之間聯(lián)系密切，能夠形成知識系統(tǒng)。

1 網(wǎng)絡安全與管理課程教學的特點

網(wǎng)絡安全與管理是一門涉及網(wǎng)絡協(xié)議、數(shù)論與密碼學、通信技術、信息論與編碼、網(wǎng)絡攻擊技術、網(wǎng)絡防御技術、網(wǎng)絡安全法律法規(guī)等多門學科知識的交叉課程，它具有知識面廣、知識更新快、多學科交叉、短期難以掌握的特點[6]。網(wǎng)絡安全作為一門講述網(wǎng)絡安全原理、技術及方法的綜合性專業(yè)課程，是信息安全專業(yè)的必修課，也是網(wǎng)絡工程專業(yè)、計算機科學與技術專業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的核心選修課程，對授課教師的綜合能力要求較高，既要熟悉網(wǎng)絡安全知識結構，又要具備一定的實踐能力，引領學生積極參與網(wǎng)絡安全課程理論教學并深入實踐教學環(huán)節(jié)。通過理論與實踐的綜合運用，使學生深刻理解并掌握網(wǎng)絡安全技術，提升網(wǎng)絡安全技術綜合運用能力，理解網(wǎng)絡安全法律保護范圍，以及對網(wǎng)絡進行合理安全防護方法與策略。

2 網(wǎng)絡安全與管理課程教學案例設計

由以上分析可知，網(wǎng)絡安全與管理課程最顯著的一個特點是應用性、時效性強，與實踐聯(lián)系密切[7]，非常適合采用案例教學法進行教學研究與改革。教學案例的設計既可以提高教師的教學研究能力及教學水平，也可以提高學生的綜合素質與能力。在網(wǎng)絡安全與管理課程教學中，本研究充分運用網(wǎng)絡安全典型案例及實驗資源，以案例為導向，提高學生學習興趣、建構學生學習能力、培養(yǎng)學生科研素養(yǎng)。通過“教中做”加強教師與學生交流互動，通過“做中學”培養(yǎng)學生的自主學習能力，增強學生通過實踐探索知識的能力，是案例教學方式探索實踐的目標。在網(wǎng)絡安全課程案例教學設計過程中，要注重涵蓋網(wǎng)絡安全與管理中的關鍵知識點，同時注重案例的模塊化、層次化[8]。針對網(wǎng)絡安全與管理課程教學改革設計3種不同類型的教學案例（情景引導型案例、實戰(zhàn)演示型案例、綜合應用型案例），形成教學案例體系，如圖1所示。

由圖1可知，網(wǎng)絡安全與管理教學案例體系包括3種不同類型的案例，每種案例從不同的角度來調動學生主動參與學習的積極性：情景引導型案例設置典型案例場景，通過場景中問題導入、各主體及關系說明、事件發(fā)展過程的分析還原、網(wǎng)絡安全知識點導入等環(huán)節(jié)，激發(fā)學生對網(wǎng)絡安全課程的學習興趣、達到學以致用的目的；實戰(zhàn)演示型案例由教師選擇典型的網(wǎng)絡安全實驗教學系統(tǒng)，通過教師演示使用Kali Linux安全專用操作系統(tǒng)中典型實驗工具解決網(wǎng)絡安全問題的具體操作過程，使學生深刻理解Kali Linux安全專用操作系統(tǒng)中集成的網(wǎng)絡安全工具的功能和使用場景，形成身臨其境般的學習體驗，并通過課下的跟蹤與擴展實驗進一步理解掌握典型實驗工具的使用；綜合應用型案例是由教師選取典型的綜合性實驗環(huán)境及實驗內(nèi)容，讓學生通過自己搭建實驗環(huán)境、完成一定綜合性實驗任務來進一步理解掌握網(wǎng)絡安全知識，形成網(wǎng)絡安全綜合應用能力。這些案例由淺入深、逐步深入，形成了網(wǎng)絡安全教學案例體系，由教師與學生共同參與教學過程，促進學生創(chuàng)新及綜合能力的發(fā)展。

圖1 網(wǎng)絡安全與管理案例教學體系架構

3 網(wǎng)絡安全與管理課程教學案例實施

網(wǎng)絡安全與管理案例教學改革需要解決如何從實際中選取典型案例、如何將課堂教授的知識應用到實際中去這兩大突出問題。因此，教學案例的選擇很大程度上關系到案例式教學效果的好壞，選擇恰當?shù)木W(wǎng)絡安全案例是案例教學設計中的關鍵一步。筆者選取情景引導型案例和綜合應用型案例實施說明實施過程，實戰(zhàn)演示型案例不再贅述。

3.1 情景引導型案例實施

一堂課的開始部分至關重要，這是吸引學生學習興趣、調動學生學習積極性的關鍵時間段，而情景導入是在課堂的開始部分引入知識點的關鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)實生活中有豐富的網(wǎng)絡安全案例，需要選擇其中有代表性、普適性、又能夠吸引學生興趣的案例，通過講授實際案例，并圍繞該案例從專業(yè)角度提出問題，突顯要講授知識的重要性，從而引導學生帶著問題來學習與思考，教師開始相關知識點的講授。

案例教學設計：WannyCry網(wǎng)絡勒索病毒在全球范圍突然大規(guī)模爆發(fā)案例。

案例背景及過程：2017年5月12日，WannyCry網(wǎng)絡勒索病毒在全球大規(guī)模傳播，通過該病毒全球傳播熱點圖展示的全球傳播態(tài)勢，該病毒由不法分子利用高危漏洞“EternalBlue”（永恒之藍）進行傳播 ，該病毒會加密感染計算機上的文件，誘導用戶支付比特幣贖金，換取被加密文件的解密密鑰。WannaCry勒索病毒導致至少150個國家、30萬名用戶的計算機被攻擊，造成損失達80億美元，影響金融、醫(yī)療、能源等眾多行業(yè)，造成嚴重的全球性網(wǎng)絡安全與管理問題。卡巴斯基實驗室在2017年5月15日檢測到WannaCry攻擊數(shù)量與2017年5月12日相比下降了6倍，表明該攻擊已逐漸得到控制。

教師創(chuàng)設問題：WannaCry是利用什么漏洞進行網(wǎng)絡攻擊的？網(wǎng)絡攻擊者的目的是什么？攻擊者為什么選用比特幣作為勒索支付貨幣？如何有效運用網(wǎng)絡安全技術防范該類攻擊？

引導學生分析問題：學生對該案例場景印象深刻，課堂討論氛圍濃厚，大多數(shù)學生了解該漏洞是利用了微軟操作系統(tǒng)Windows SMB協(xié)議遠程提權漏洞；部分學生認為攻擊者的目的是為了勒索贖金，也有學生認為攻擊者的目的是為了測試該漏洞利用工具的威力；甚至有學生認為攻擊者的目的是變相為比特幣打廣告，原因是攻擊者通過比特幣進行勒索，攻擊發(fā)生后幾個月內(nèi)全球比特幣價格大漲。在攻擊者為什么選用比特幣作為勒索支付貨幣問題上，學生認為是比特幣支付的匿名特性。在運用網(wǎng)絡安全技術防范該類攻擊問題上，教師引導學生從多個方面對該類攻擊進行防護，例如可以通過網(wǎng)絡防火墻封鎖445端口防止SMB協(xié)議通信，也可以通過升級Windows安全補丁包從根本上解決該安全漏洞；也可以通過主機防火墻關閉445端口，防止外部的SMB協(xié)議通信及連接；也可以通過骨干網(wǎng)安全設備檢測WannaCry的C2連接流量，并進行實時阻斷。

教師歸納總結評價：WannaCry勒索病毒涉及的安全漏洞包括多個Windows SMB服務漏洞（CVE-2017-0143、CVE-2017-0144、CVE-2017-0145、CVE-2017-0146、CVE-2017-0148），該安全漏洞本質是微軟操作系統(tǒng)SMB某函數(shù)處理參數(shù)時邏輯不正確導致越界拷貝，對應微軟漏洞公告編號為MS17-010。攻擊者利用該安全漏洞可以在受影響的計算機上遠程執(zhí)行任意代碼。WannaCry勒索病毒在主機執(zhí)行的操作是惡意加密，黑客之所以要求以比特幣進行贖金支付，是因為比特幣在支付轉賬時具有的全球化、去中心化和匿名性等特性，便于黑客隱藏真實身份。此外，由于比特幣不受地域限制，可以在全球范圍收款、轉賬，具有較好的貨幣流動性。在網(wǎng)絡安全防范技術方面，可以從蠕蟲病毒的感染源、傳播途徑、破壞后果等不同維度對該網(wǎng)絡蠕蟲病毒進行有效防范。

教師通過對案例背景介紹、創(chuàng)設問題、引導學生積極思考并討論問題、歸納總結評價學生回答情況，使課堂討論過程熱烈，所設案例內(nèi)容備受學生歡迎。由教師給出全面合理的總結，使得學生深刻理解WannaCry勒索病毒傳播特點，并為開展后續(xù)的網(wǎng)絡安全加密、特定攻擊防護技術等教學做好鋪墊，激發(fā)學生對網(wǎng)絡安全知識的學習興趣。

3.2 綜合應用型案例實施

綜合應用型網(wǎng)絡安全教學案例突出網(wǎng)絡安全知識綜合性與實際應用。由于大學課堂教學學時的壓縮趨勢、學生學習興趣及綜合能力的差異化等特點，需要教師通過綜合應用型網(wǎng)絡安全案例充分調動學生課外的學習潛力和時間，一方面彌補課堂學時的不足，另一方面調動學生自主學習的積極性。網(wǎng)絡安全綜合應用型案例體現(xiàn)在案例所涉及知識點的復合性、操作過程的復雜性、案例構建的層次化等特點。重點培養(yǎng)學生對知識的整合能力、融會貫通和綜合運用能力。

學生在學習和實踐 Web 安全知識時所面臨的一大難點是需要一個安全、合法、有效的Web安全教學研究實驗環(huán)境。WebGoat 項目為 Web應用程序安全學習創(chuàng)建了一個生動的交互式教學和體驗環(huán)境，其登錄界面如圖2所示。

圖2 WebGoat網(wǎng)絡安全漏洞實驗演練平臺界面

WebGoat是國際開放Web應用安全工程組織（OWASP，Open Web Application Security Project）研制的用于Web漏洞安全實驗的教學科研共享平臺，WebGoat運行在Java運用環(huán)境，提供的實驗課程有30多個，主要包括：跨站腳本攻擊（XSS）、訪問控制缺陷、操作隱藏字段、操縱參數(shù)、弱會話Cookie、SQL盲注、數(shù)字型SQL命令注入、字符串型SQL命令注入、開放認證失效、危險的HTML注釋等。這些實訓課程包括一系列操作步驟指導及答題指南，每個學生可根據(jù)學習興趣選擇其中一種Web安全漏洞進行攻防實驗演練，每種安全漏洞實驗按照由易到難編排，有利于學生由淺入深、逐步理解并實施實驗內(nèi)容。教師選擇優(yōu)秀者進行課堂展示與匯報交流，增強學生對網(wǎng)絡安全攻防過程的實戰(zhàn)體驗，通過實操提高學生網(wǎng)絡安全攻防技能，培養(yǎng)學生主動學習Web安全的積極性，培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力。由于網(wǎng)絡安全攻防演練的特殊性[6]，在課堂交流過程中，教師要提醒學生Web攻防需要在國家法律授權范圍內(nèi)研究和運用網(wǎng)絡安全知識技能，了解Web安全漏洞和攻擊的目的是為了更好進行安全防御，只能將所學知識用于安全防御目的，不能用于任何形式的攻擊目的，加強學生的法律意識，拒絕黑帽、爭做白帽，發(fā)揚國際白帽對網(wǎng)絡安全技術的探索和共享精神。

4 結 語

WannaCry教學案例有利于學生對網(wǎng)絡安全知識的理解與認識，培養(yǎng)學生對網(wǎng)絡安全課程學習興趣，促進學生對理論知識的深層次思考和理解認知；基于WebGoat網(wǎng)絡安全漏洞演練綜合實驗，增強了學生實踐動手能力，提高了理論與實驗融合創(chuàng)新能力，使學生充分發(fā)揮潛能、由被動接受過渡到主動學習，充分利用課下時間學習Web安全技術，豐富了教學內(nèi)容和教學方式，促進學生主動思考、參與實踐，逐步由被動學習過渡到自主學習狀態(tài)，取得了良好的教學效果。通過多輪的網(wǎng)絡安全課程教學實踐和學生反饋證明，基于案例的教學內(nèi)容改革對于提高網(wǎng)絡安全與管理課程教學質量是有效的。