基于三段式课堂的大学实验课程教学设计与实践

邱 菡，朱俊虎，李玉峰，2，周天阳，丁文博

（1.解放军信息工程大学 网络空间安全学院，河南 郑州 450002；2.国家数字交换系统工程技术研究中心，河南 郑州 450002）

基于三段式课堂的大学实验课程教学设计与实践

邱 菡1，朱俊虎1，李玉峰1，2，周天阳1，丁文博1

（1.解放军信息工程大学 网络空间安全学院，河南 郑州 450002；2.国家数字交换系统工程技术研究中心，河南 郑州 450002）

针对大学实验课程自身的特点以及实验课堂教学中个性化指导的学生学习情况难以及时获取的问题，提出基于实验阶段映射的随机化旗标机制，阐述基于“讲授、实践、讨论”三段式课堂教学模式开展的实验课程教学设计过程以及网络安全技术实验课程的具体实践过程。

三段式课堂；建构主义；实验教学；信息安全

0 引 言

实验是理论联系实际的重要途径，实验教学对于培养学生的动手能力、创新意识和综合素质具有重要意义。传统的实验教学注重实验环境建设和实验结果，导致学生知其然而不知其所以然，不能适应现代技术迅速发展的特点，无法满足市场对创新应用型人才的需求。此外，信息化技术的发展，为实现多种类型的教育手段和方法带来契机。为此，我们提出“讲授、实践、讨论”三段式课堂教学模式[1]，并以此为基础，针对实验教学的特点进行教学设计和实践，将以学生为主体的思想贯穿于实验教学始终，综合运用当前的信息技术实现对该教学模式的全面支撑。

1 实验课程教学现状

国内的实验教学普遍被认为用以辅助大学课堂教学，因而存在着对实验教学重视程度不够、教学方法单一等问题，导致学生在实验过程中出现照搬实验指导书，对实验内容知其然而不知其所以然。随着高等教育的迅速发展，通过借鉴国内外先进实验教学理念并在长期教学实践的基础上，近10年来，国内高校的实验课程教学开始从传统型实验教学向创新型实验教学转变，逐步探索出以学生为主体、面向创新能力培养的教学模式。

建构主义学习理论强调学生对知识的主动探索和构建，目前已经被大量应用于大学课程教学改革[23]，一些实验课程也开始了相关探索。文献[4]和[5]分别以计算机实验教学和计算机硬件实验教学为例，运用建构主义学习理论从实验内容设置、实验组织形式、实验考核方式等方面进行教学改革并实践。翻转课堂、微课程等信息化时代背景下的新型教学模式，近年来也被引入大学实验教学改革中[67]。虽然这些改革方法能够有效提高实验教学效果，但是在实施过程中还存在以下两个问题。

一是难以实现及时的个性化指导。无论是建构主义学习理论，还是翻转课堂，都强调以学生为主体，因此，在学生实验这一实验教学的核心环节中，对学生进行个性化指导是关键。然而，我国大学生数量较多，教育资源相对缺乏，以解放军信息工程大学（以下简称我校）为例，信息安全专业每学年学生在50名以上，相应的实验课程教师只有1名，要在实验过程中及时了解每位学生的实验进展和面临的问题，几乎不可能。学生主动提问这一解决方法取决于学生的主动性，教师现场查看并不能快速、全面地掌握学生的真实学习情况，及时的个性化指导受到教育资源的制约。目前，信息技术主要应用在实验课程的实验环境、翻转课堂和微课堂的教学资源准备以及课下交流方面，缺乏对于课堂实验教学组织实施过程的支持。

二是对知识进一步内化的重视程度不够。以学生为主体，强调教师是学生学习过程的引导者和协助者。学生实验是知识内化的过程，实验过程中，学生可能存在认识深度有限、认识出现偏差等问题，导致实验结果出现偏差甚至不能达成。鉴于个性化指导存在不全面、不系统等问题，教师除了需要在实验过程中对学生进行引导和协助之外，还需要设置额外的环节帮助学生进行知识的进一步内化。

2 基于三段式课堂的大学实验课程教学设计

三段式课堂是我们针对信息安全专业课程的特点，吸收翻转课堂和对分课堂的精华，运用建构主义学习理论提出的以学生为主体的教学模式[1]。课程内容按照专题划分，三段式课堂由讲授、实践和讨论3个顺序环节构成，对应知识获取、知识内化以及知识进一步获取和内化的过程；讲授环节可以融合采用支架式教学法和情境式教学法，实践和讨论环节联合采用情境式教学法。

与理论课程教学不同，实验课程教学中的讲授、实践和讨论3个环节均占用课堂时间，在课堂内完成。其中，实践环节课时量占主要地位，具体的课时量分配由具体教学内容决定。实验课程教学与理论课程教学的讨论环节相一致，具体参见文献[1]，其余两个环节的具体教学设计如下。

2.1 讲授环节教学设计

实验课程讲授环节的教学目标是学生能掌握实验原理及了解实验步骤，而非知晓实验细节，因此，讲授内容主要是实验所涉及的概念、原理和过程。该环节教学设计的重点在于吸引学生兴趣，激发其学习主动性，具体可综合采用支架式教学法、情境式教学法和启发式教学法。

在实验课程准备阶段，教师须对每一个实验专题进行梳理，剥离实验细节，提取概念、原理和过程，针对该专题的总体教学目标尽可能创设与学生生活或者工作相关的情境。实验课堂教学阶段，讲授环节主要包含情境设立、支架搭建、问题分析、评价反思等步骤，教师的主要工作是抛出与实验内容密切相关的情境，引出该实验专题所涉及的问题，启发学生对问题进行深入分析，根据分析的具体情况适时搭建支架，对分析结果进行评价和反思，点明实践环节需要注意的重点问题。

2.2 实践环节教学设计

实验课程的实践环节是课程的重点，包含情境式教学法中的情境设立、独立探索、评价等步骤。其中，情境设立由教师在课程准备阶段完成，需要根据教学目标设置能够激发学生兴趣的实践情境。实践情境应该具备代表性、实用性和完备性，代表性是指所设计出的实践情境是符合教学目标的通用情况；实用性是指所设计出的实践情境是现实中的常见情况；完备性是指所设计出的实践情境能够涵盖教学目标所要求的所有要素。

教师在实践环节中的主要工作是及时掌握学生的实验情况，有针对性地进行指导，启发学生对问题进行分析和解决，并发现实验过程中的共性和难点问题。

3 三段式课堂的实验教学实践

3.1 网络安全技术实验课程内容安排

2016年和2017年，我校信息安全专业学生分别为57人和58人，网络安全技术课程包括理论40学时和实验40学时。其中，每周分别有1次理论课程和1次实验课程，每次2学时，共上课20周。我们将实验课程内容划分为12个专题，每个专题的课程教学按照讲授、实践和讨论3个环节组织，均占用课堂时间，具体时间安排见表1，各专题的实验内容从教材《网络安全实验教程》[8]中选取。

目前市面上的网络安全实验教材都描述了详细的实验步骤，具有很强的实操性，但是将其作为教材配发给学生在课堂使用时，这些完备的操作信息和既定的实验步骤反而会增加学生的依赖性，扼杀学生的创新性，导致实验完成而教学目标却远远没有达到。对此，按照支架式教学法的思想，可将教材中的关键实验步骤抽取出来，剔除具体代码、工具参数设置等详细信息，让学生在掌握实验原理和基本步骤后就开始实验；实验过程中，为学生提供详细的工具使用说明文档，由学生根据实验的具体需求，自主学习工具的使用方法并完成实验。

表1 网络安全技术实验课程三段式课堂教学设计

3.2 综合实验教学设计

综合实验的教学目标是使学生掌握网络攻击流程，在网络攻击各阶段能综合运用各种攻击方法，掌握网络动态安全模型，在网络安全各个阶段能熟练地综合运用各种防护手段，锻炼学生灵活运用工具和熟练解决网络安全领域问题的能力。专题的各环节教学设计如下。

讲授环节综合运用支架式教学法、情境式教学法和启发式教学法，如图1所示。

实践环节根据实验环境和学生情况，可采用小组实验形式，也可采用个人实验形式。实验内容模拟典型的企业环境，包含外网区域、DMZ区域和内网区域，具体网络拓扑见文献[8]中图13.1。攻击要素涵盖口令攻击、Web脚本攻击、漏洞利用、ARP欺骗等攻击方法，具体漏洞/脆弱性分布情况见文献[8]中表13.2。目标网络的所有节点上均设置旗标（ fl ag）信息，要获得所有的旗标信息就必须获得目标网络中所有主机的控制权，执行完整的网络攻击流程。在实验过程中，学生获取到旗标信息就立即通过实验平台提交，由此，教师可以实时掌握学生的实验进度，了解整体情况，及时对进度缓慢的学生进行针对性的指导。

图1 综合实验讲授环节教学设计

讨论环节中，教师指出实验过程中出现的普遍问题和难点问题，并指定具有代表性和特色的学生进行实验过程展示，并针对教师所提的问题以及实验心得体会与大家进行交流。在交流过程中，教师抛出问题引发学生进一步思考和课下验证。综合实验部分的难点问题包括快速高效的主机扫描和防火墙过滤规则的发现，延伸问题包括攻击路径的多样性和攻击的隐蔽性。

3.3 实时实验情况掌握

及时、个性化的实验指导是以学生为主体的教学方法的内涵要求，然而在教师资源有限的情况下，通过教师现场观察和抽查、学生主动提问等方式，教师很难及时、全面地掌握学生的实验情况，从而难以实现及时的个性化实验指导。由于网络安全实验是在计算机网络上开展且具有一定的破坏性，目前该类实验大多基于系统虚拟化和网络虚拟化技术搭建实验平台[910]。这些实验平台主要提供对实验环境、人员管理、成绩管理等的支持，缺乏对实验情况的实时监控和评价支持，我们之前提出的基于攻击向量的攻击过程评价虽然能够实现对攻击实验过程的跟踪[10]，但是不能获取实验所处的状态，难以掌握全面的进展情况。

为了及时获取全面的实验情况，可参考当前CTF（catch the fl ag）竞赛的评判机制，在原有实验平台上设计基于实验阶段映射的随机化旗标机制；根据实验内容和目标将实验过程划分成不同的阶段，每个阶段具有可识别的阶段性成果，如某个目标系统或者目标网站的控制权，可通过学生获取某个目标系统或网站下的字符串（即旗标）来标识。在批量生成实验环境时，为不同的学生生成随机化的旗标；学生在实验过程中一旦获取到旗标，立即通过实验平台提交，由实验平台自动比对旗标的正确性，并进行记录和总体情况呈现。2016年度综合实验的旗标提交情况如图2所示，该图可以实时更新。由此，教师可推断出所有学生所处的实验阶段，并且旗标的随机化能有效防范抄袭。图2中有2名学生未提交 fl ag，处于实验第1阶段，正在进行Web网站突破；1名学生只提交了“ fl ag-host1-Web”旗标，处于实验的第2阶段，正在尝试突破Web服务器；3名学生只提交了“ fl ag-host1-host”旗标，处于实验第3阶段，正在尝试内网渗透，由于未提交“ fl ag-host1-web”旗标，可以推断在第1阶段Web网站突破后未能进行有效的信息收集。针对进度较慢的这些学生，教师可以调用预先安装在学生用机中的VNC（virtual network computing）远程桌面服务，在不影响学生实验的情况下远程查看学生对应的操作界面，发现学生面临的问题，并利用局域网即时通讯工具对学生进行针对性的启发指导。

4 结 语

图2 综合实验旗标实时提交情况

实验教学改革的教学目标从对学生动手操作能力的培养转变到对分析能力和创新思维的培养，关注热点也从实验环境建设逐步过渡到实验内容建设和教学方法改革。讲授、实践和讨论三段式课堂教学模式强调学生的主体性和知识内化的重要性，鉴于实验课程是以实践为主体的课程，我们将三段式课堂教学模式引入实验教学，针对实验教学课程特点进行教学设计，并在网络安全技术实验课程进行教学实践。及时的个性化指导是以及时、全面了解实验情况为基础，在网络安全实验平台上通过引入随机化旗标，可以实现及时、全面的实验情况获取，运用远程桌面服务可实现个别情况详查。实践表明，现有信息技术能够为教学模式的实现提供支撑；考核和反馈结果表明，学生做实验的积极主动性显著提高，分析问题和解决问题的能力得到有效锻炼。

三段式课堂教学模式包含讲授环节，因此不仅适用于与理论课程并行开设的实验课程，还适用于独立开设的实验课程。下一步，我们将在独立开设的实验课程中进行相关教学实践，以期进一步完善三段式课堂的实验教学设计，为实验教学改革提供有益参考。

[1] 邱菡, 张连成, 李玉峰, 等. 基于建构主义和翻转课堂的信息安全专业课程教学[J]. 计算机教育, 2016(2): 69-72.

[2] 李庆. 建构主义教学模式下的教学方法的运用探索[J]. 教育界, 2011(30): 83.

[3] 吴浩, 高飞. 建构主义学习理论在算法与程序设计类课程中的应用[J]. 计算机教育, 2016(6): 50-53.

[4] 游应德, 游丽. 基于建构主义的计算机实验教学改革与探索[J]. 大众科技, 2011(8): 180-181.

[5] 赖梅, 熊丽荣. 基于建构主义学习理论的计算机硬件实验教学改革[J]. 中国信息技术教育, 2014(11): 117-119.

[6] 丁雪梅, 张晓军, 王鹏, 等. 翻转课堂教学模式在大学实验教学中的应用[J]. 实验室研究与探索, 2015(6): 207-212.

[7] 叶爱敏, 王佑镁. 嵌入微课程的翻转实验教学模式构建与应用: 基于“现代教育技术”实验教学的实践探索[J]. 中国教育信息化, 2016(4): 28-31.

[8] 王清贤, 朱俊虎, 邱菡, 等. 网络安全实验教程[M]. 北京: 电子工业出版社, 2016.

[9] 鲁先志, 胡海波. 基于开源架构的虚拟安全实验平台[J]. 实验技术与管理, 2015(7): 120-123.

[10] 邱菡, 朱俊虎, 李玉峰, 等. 高校实验教学考核模式改革探索与实践[J]. 武汉大学学报(理学版), 2012(增刊2): 207-210.

1672-5913(2017)11-0146-04

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邱菡，女，副教授，研究方向为网络信息安全，qiuhan410@aliyun.com。

（编辑：宋文婷）