基于信息安全竞赛的实验课程探索与实践

吴 淮, 吉家成, 詹文翰

(电子科技大学 计算机国家级实验教学示范中心, 四川 成都 611731)

随着信息化技术的飞速发展和全球信息化进程的不断加快，国际上围绕信息获取、使用和控制的斗争愈演愈烈，信息安全已成为维护国家安全和社会稳定的一个焦点，各国都给以极大的关注和投入。据ISC分析报告，我国信息安全人才需求数量在2020年将超过140万人。因此，对该领域的人才培养得到了国家与社会的重点关注，与此同时，大量相关的教学模式与实践观念也被不断地提出[1-5]，特别是将竞赛思路整合于教学之中[6-9]，用于更好地进行创新型人才培养。“全国大学生信息安全竞赛”是由工信部和教育部指导、教育部高校信息安全类专业教学指导委员会主办的国内信息安全领域最高水平的大学生科技活动[10]。由于该竞赛为开放性命题,不少学生对参赛作品如何选题以及比赛流程不完全熟悉，对于参赛技能准备、队友选择以及团队协作等方面没有合理的规划，虽然付出了大量的时间与精力，却未能取得理想成绩。基于上述情况，建设了一门基于该竞赛的实验课程，将竞赛指导过程系统化、专业化。

1 信息安全人才培养现状与思路

目前，信息安全专业已初步具备实验教学体系，但信息安全技术的飞速发展，使得人才培养上依然存在一些矛盾。例如：教师重视课堂理论教学，对学生实践能力的培养仍然较为缺乏，使得学生普遍存在信息安全理论与实践结合程度不高的问题；相关课程任课教师之间、任课教师与实验教师之间的沟通较少以及先导课程与后续课程的衔接较差，影响学生对信息安全知识体系内在逻辑性的认识；同时，信息安全专业发展迅猛，教师很难将最新技术、研究成果、应用案例等无遗漏地引入教学课程中，致使学生所学的课程和专业知识相对滞后，同时创新性、挑战性和综合性的实验项目较少，导致人才培养与需求脱节。

全国大学生信息安全竞赛为信息安全专业提供了一个培养具备良好专业素质和创新思维能力人才的平台。基于上述现状，从培养学生自主学习、实际操作、创新开拓、独立思考等能力出发，围绕信息安全竞赛构建了“教学—实践—竞赛”的创新型人才培养模式，如图1所示。

图1 信息安全专业“教学—实践—竞赛”创新型人才培养模式

该模式基于螺旋渐进的教学方法，从容灾恢复、系统维护、审计评估、应急响应等专业能力培养，到技术创新、写作表达、工程实践、团队协助等综合能力培养，实现了“教学—实践—竞赛” 三位一体的创新型人才培养模式的目标。在此目标下，我校在信息安全专业培养中，积极探索并形成了“以竞赛为抓手，任务驱动”的信息安全教学体系。

信息安全特色类课程包括信息安全学科基础课程(如信息安全数学基础、密码学、安全协议理论等)、信息安全专业核心课程(如信息安全概论、PKI技术、网络与系统攻击技术等)、信息安全专业选修课程(如安全软件设计、计算机系统与网络安全技术、系统与数据恢复技术等)和信息安全实践课程及竞赛挑战性课程(如信息安全基础综合设计实验、安全协议综合设计实验、基于全国大学生信息安全竞赛的实验课程等)。基础课程与核心课程构建学生信息安全知识体系；选修课程拓展专业知识；实践与竞赛课程则将理论知识转化为实际应用，达到学以致用的目的。围绕“教学—实践—竞赛”模式设计与建设的基于全国大学生信息安全竞赛的实验课程，是其实施应用的重要载体。

2 基于全国大学生信息安全竞赛的实验课程设计

2.1 课程整体架构

课程整体由4部分组成：

(1) 队伍建设。介绍全国大学生信息安全竞赛背景与流程，让学生根据实际情况，进行组队与分工，便于取长补短，锻炼学生团队合作能力。

(2) 竞赛技能学习。对计算机相关技能与信息安全技术进行学习。该部分需完成对应的实验课程学习，学生可进一步自学其他知识，为竞赛做好技术储备。

(3) 作品选题与设计。通过学习与讨论，引导学生思考选题方案、明确拟参赛的作品方向与拟采用的技术路线，进一步给出具体设计方案与实现方式。

(4) 项目作品完成。在项目进行中，邀请专家，通过集中答辩与分组评审，对各队的项目进行指导；在项目接近尾声时，系统训练学生的竞赛报告写作与答辩能力，完成最终竞赛作品报告。

该实验课程尝试将竞赛过程系统化、教学化。在课程完善后，可复制教学模式，扩大课程参与面；在实验后半程将结合全国大学生信息安全竞赛的时间节点，设计相关教学方案，如进度检查、项目答辩、文档撰写等，使课程与竞赛保持同步，并将竞赛报名完成与提交的全套材料作为课程的考核内容；课程将建立多层次的教学指导体系，同时引入虚拟教学平台，创新教学模式；在进行信息安全竞赛指导的同时，将根据学生作品情况，引导学生学习论文、专利等写作技巧并参与创新创业活动，尝试将教学、竞赛、实践三者结合，全面提高学生能力。

2.2 实验课程的内容设置

实验内容的设置是信息安全竞赛课程建设的关键，因此，须针对实验对象，依据实验目的选择合适的实验内容。由于该课程是基于全国大学生信息安全竞赛，主要涉及到计算机网络、数据库、信息安全、Android应用等专业知识，此外，还涉及文档写作、项目答辩等各种技能的综合培训。课程将学习内容分为基础知识培训与实践、分项目的对应技能指导、文档写作与答辩训练3部分。

2.2.1 基础知识培训与实践

该部分课程将涉及2方面内容——计算机技能与信息安全技术。内容选取依据为历年竞赛作品中经常出现的技术知识。

计算机技能从项目技术需要出发,对历年的作品情况进行统计分析,在计算机技能方面选取计算机网络编程、数据库、Android基础3方面技术进行讲解与实验学习。具体学习内容如下:

(1) 计算机网络编程。了解不同网络编程模型的原理,构思不同网络编程模型下回射服务的程序结构；实现迭代、多进程、多线程、异步事件驱动模型下的网络回射服务器；思考同步编程模型和异步编程模型在程序构思、设计及实现上的巨大差异；采用单线程异步事件驱动模型实现网络回射服务的负载发生器,对之前实现的各种回射服务器进行性能测试。

(2) 数据库知识。掌握创建数据库的方法及相关操作, 学习约束条件、结构化查询语言；掌握数据修改、查询；学习数据库建模；综合利用所学的数据库知识,设计具有一定实用价值管理系统。

(3) Android基础学习。Android的应用开发环境,生命周期等；Android_UI基础开发学习,组件间的通信和简单的数据存储。

信息安全技术从3方面进行学习：一方面为密码学相关技术，进行对称加密算法、非对称加密算法讲解和具体实验，对认证方式的学习等；另一方面为近期信息安全热点技术，如区块链；最后将介绍历年优秀作品，对其采用的一些安全技术做解析。课程中涉及到的一些知识点会根据信息安全技术发展与参赛作品的更新情况，做出相应调整。具体学习内容如表1所示。

表1 信息安全技术学习内容

2.2.2 分项目的对应技能指导

学生选定作品方向之后,由于每个队选题方向存在差异,各队的技术水平、专业方向也大不相同,集中授课的内容仅能解决部分队伍的问题,而另外部分队伍的作品可能与授课内容无关。因此,在选题确定后到文档写作训练前,采取分项目的对应技能指导。

总体来讲,分项目的对应技能指导包括:课上进行分组讨论,对各队作品的系统架构、技术路线进行大致规划和建议,课下进行相关资料查阅与技术学习,着手进行项目实施,在此期间,将组建微信群与QQ群,随时进行技术讨论；项目进行过半时,邀请专家参与项目答辩,就技术路线和项目呈现情况进行点评指导；根据答辩情况,各队进一步细化分工,就提出的建议和意见进行整理,继续项目的研发,逐步完善作品。

2.2.3 文档写作与答辩训练

文档写作与答辩训练安排在课程的后半段,按照竞赛时间节点,结合课程具体情况进行实施。文档撰写训练通过报告撰写讲解,系统训练学生的写作水平,包括项目背景分析、作品架构与设计、测试方案确定与测试结果分析,在项目完成后,进一步提炼出主要功能与创新点。通过这一环节工作,将作品更好地呈现给评委；此外,对某些有特色的作品,还将进一步通过论文和专利撰写讲解,鼓励学生将其写成论文或申请专利,或参加创新创业活动,从而实现课程拓展,将教学、竞赛、实践三者结合。

答辩训练包括展示材料制作与答辩练习,在每次答辩后,对各队的答辩情况进行分析与总结,让学生理清思路,查缺补漏,为进一步研究打下基础,同时有效地锻炼学生表达讲解的能力,使学生综合素质快速提高。

3 基于全国大学生信息安全竞赛的实验课程教学实施

有了具体的教学内容,还需要合理的教学方式。将课程分为基本阶段和扩展阶段,让学生能根据自身情况和作品方向进行选择,建立多层次的实验教学模式。

3.1 实验教学安排

由于课程内容丰富,将分为上下2部分,分2个学期完成。第一部分课程内容为竞赛基础练习；第二部分课程内容为竞赛提高与拓展练习,具体实验教学学时安排与考核计划等如表2所示。

表2 课程具体教学安排

在竞赛基础练习阶段,将介绍信息安全竞赛背景与流程,让学生了解整个比赛,同时让学生在竞赛班级里找到合适的队友,取长补短,完成队伍成员分工的合理配置。在实际课程中由于学生来源广,学生所掌握的专业知识存在较大差异,这就使得在项目进行中如果组队不合理,就会造成资源错配,难以发挥学生各自的特长,使得队伍在一些技能要求并不高的环节浪费大量时间,后期项目完成时间非常紧张。因此,在课程伊始,需要协助学生合理组队,其次,在后期遇到技术问题时,各队应在现有方案基础上,尽量选择与自身专业契合度高的设计思路,以便顺利完成作品。

竞赛提高与拓展阶段课程,针对有意参加全国信息安全大赛的学生开设,若要通过实验考核,需要参加信息安全大赛,按竞赛要求报名并提交全部材料。该部分课程将紧密结合信息安全校内赛与全国赛,按照竞赛的时间节点,针对性地开展分组讨论、进度检查、完善作品、文档撰写与答辩训练。

3.2 实验教学团队构建

丰富的教学内容对教学团队提出了较高的要求，因此,实验教学团队由课程指导教师、参赛队伍指导教师、专家团队与虚拟仿真平台4部分构成,建立起纵深指导体系,全方位、多层次地对学生进行指导。

(1) 课程教师与指导教师结合。课程教师由相关专业教师组成,就网络编程、数据库知识与信息安全方面分别对学生进行专业性指导,为学生参加竞赛做好技能铺垫。在实验后半程,课程教师与指导教师分别在课上课下指导学生,并根据反馈的情况对学生作品进行调整。

(2) 专家团队在关键节点参与。在项目进行的重要时刻,将组织专家团队对各组作品进行整体指导,给出明确的建议,以便项目的进一步设计和完成。

(3) 虚拟仿真教学平台的补充。由于课程学时限制,不能对每一位学生就每一个问题进行单独练习与指导,在此引入虚拟仿真实验教学系统,将一些必要的但可能大部分学生都熟悉的内容采用虚拟平台教学,让有需求的学生在课后根据平台指导自行学习。

3.3 引入虚拟实验教学系统

虚拟实验教学是利用计算机仿真、虚拟现实等技术对实验教学内容进行模拟,从而达到降低实验教学成本、提高教学质量的目的[11],同时也能很好地提高高校实验教学信息化水平[12]。由于该课程学生来源广泛、专业知识存在差异、课程学习侧重点有所区别,因此引入虚拟实验教学可以有效解决学生知识点参差不齐的问题,使课程学习进度尽可能统一，此外,也使实验不受时间、空间的限制,不受学时数限制。根据学生来源的情况和本课程的特点,选取密码学原理与Android基础编程2部分内容进行虚拟实验教学。

信息安全技术部分实验为密码学原理实验,主要学习加密算法,可以说,加密算法是信息安全的基础,也是几乎所有作品都会涉及到的信息安全技术,课程使用虚拟仿真平台,学习和仿真各种加密算法,如对称加密算法DES、非对称加密算法RSA,这样,学生能尽快将理论知识与实践相结合,接下来可以举一反三地学习AES或国密系列算法。

选取Android基础编程进行学习是基于在近几年的信息安全竞赛中,APP应用是很常见的作品方式,在竞赛中具有非常好的演示性。本部分实验将采用虚拟仿真实验平台,通过对Android的应用开发环境、生命周期、Android_UI基础、组件间的通信和简单的数据存储等技术进行学习,逐步掌握Android基础编程技术。对技术有一定掌握之后,再根据项目作品开发需要,进行下一步学习。如在“基于Android的多维度垃圾短信过滤系统”作品开发中,首先通过虚拟实验教学系统搭建Android实验环境,让学生快速掌握Android开发基础技术；其次,通过分组指导等教学手段,逐步实现深度学习算法、基于特征的再过滤算法、基于特征的再过滤模型等功能,使作品能准确应对短信难以识别的问题(变种短信),较快地分析伪基站劫持过程和劫持后特征,最终达到能主动检测伪基站劫持手机信号的目标。

通过引入虚拟实验教学系统,实现了利用现代信息和虚拟仿真技术丰富实验教学手段提高学生的创新精神和综合实践能力。

4 结语

基于全国大学生信息安全竞赛的实验课程建设是多元化的教学方式探索与实践。该课程有如下特色:

(1) 课程与竞赛同步,将竞赛过程系统化、教学化；

(2) 课程教师与指导教师相结合,关键节点引入专家评判,提高学习的深度；

(3) 引入虚拟教学平台,拓展相关知识学习广度；

(4) 以实验课程为载体,以信息安全竞赛为目标,以论文撰写或其他形式的作品转化为拓展,尝试将教学、竞赛、实践三者结合,全面提高学生能力。

实践教学注重培养学生自主思考、分析、解决问题的能力,在竞赛的激励下,学生的学习更加积极主动,这有助于进一步提高课堂教学效果。如何正确引导学生的热情,保持其在高强度学习下的信心是很重要的,因此,探索结合竞赛模式下高效创新的实验内容与教学方法，在学生的培养中无疑能起到非常良好的作用,能快速提升学生的综合素质,确保人才培养与时俱进。

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