新工科背景下的网络安全综合课程设计教学改革

刘 静，赖英旭，杨胜志，杨淇善

（1. 北京工业大学 计算机学院，北京 100124；2. 北京工业大学 信息化建设与管理中心，北京 100124）

0 引 言

工程教育是高等教育的重要组成部分，作为旨在培养工程科技人才的高等教育重要类型，工程教育对国家经济社会发展越来越显示出其重要性。2010年6月，教育部联合行业协（学）会等共同启动了“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）。卓越计划以强化工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力为核心[1]，卓越计划的实施成为工程教育改革的一个突破口。参与卓越计划的高校按照通用标准重构了课程体系和教学内容，在校内采用以学生为中心的研究性教学方法，基于问题的学习（Problembased learning）、基于项目的学习（Project-based learning）、基于设计思维的学习等教学模式的展开，激发了学生的学习兴趣，强化了学生的工程能力和创新精神。企业深度参与学生的培养过程，建立联合实验室，提供实习职位，完善和优化了培养体系。卓越计划将在2020年到期，总体上看，我国工程教育人才培养质量在一定程度上得到了提高，但还没实现当初设定的目标，工程教育也没有得到质的飞跃。

当前，世界范围内新一轮科技革命和产业变革加速发展，以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济蓬勃发展，迫切需要培养、造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才[2]。新的经济呼唤着新的工科建设，2017年6月教育部工作会议通过了《新工科研究与实践项目指南》。会议指出新工科建设是“卓越工程师教育培养计划”的升级版（简称“卓越计划2.0”），加速提升我国工程教育质量进入国际第一方阵。新工科的目标是培养和造就一大批适应经济社会发展需要的不同层次、不同类型、创新能力强的高素质工程人才，对标“工业4.0”和“工业互联网”，为“创新驱动”“中国制造2025”“一带一路”等国家发展战略的顺利实施提供丰富的人才储备，为迎接新工业革命的需求和挑战奠定坚实的人力资源优势，从而增强我国的核心竞争力和综合国力[3]。

近几年，各个国家网络安全问题呈现高发态势，安全问题已经从企业层面提升到国家层面。网络安全的本质是对抗，对抗的本质在攻防两端能力的较量。网络安全实质是人与人的对抗，不是购买和部署一批网络安全设备、安装一批软件就能解决问题[4]。在规划“中国制造2025”时，如果没有安全保障，工业互联网也将寸步难行。在新工科建设和国家安全形势的推动下，将“新工科”目标转化为实际操作，课程是最重要的一个环节。

1 网络安全综合课程设计教学现状

网络安全综合课程设计是信息安全专业的学科实践必修课，是一门理论和实践操作强力结合的课程。继程序设计、信息安全数学基础、密码学I、网络协议分析、信息安全体系结构、安全协议等课程后，引导学生在理论学习的基础上，通过网络安全综合课程设计使学生真正理解和掌握网络安全的相关理论，通过应用所学习的知识，解决实际网络安全的复杂问题。课程面向解决复杂工程问题的能力培养，充分发挥学生的主观能动性，让学生做到“勤解决”“乐解决”“会解决”“善解决”。通过本课程的学习，可为后续在企业的实践实习打下牢固的基础。该课程理论知识和工程技能对后续工作实习课程起到重要支撑作用，实现从高校到企业的无缝衔接。

“新工科”背景下的课程改革要求以促进学生全面发展为根本目标。一方面要满足学生的现实需求，适应学生前期的准备情况与个性特点，增强学生投入学习、自主探索的乐趣；另一方面要满足学生未来发展的需要，从基于知识体系完整性过渡到基于发展学生的核心素质与能力。其次，课程改革以加深学生对工程的认识为总体方向，从以往单一的课程改革转变为引导学生系统学习工程，大幅增加项目设计、学科交叉的内容，通过设置各种工程情境，指导学生深度参与，以工程师的视角体验和看待工程。

针对“新工科”的目标和国家对网络安全人才的新需求，发现网络安全综合课程设计存在以下几个方面有待改进。

1.1 校企在课程建设上缺乏协同合作

面向未来的新工科担负的责任远远超越了传统工程领域的范畴。首先，新工科要解决复杂工程问题。复杂工程问题无法靠常用方法完全解决，大部分情况下需要综合原理、技术和其他知识寻求新的解决方法，需要在复杂场景中解决非技术因素与技术结果之间存在的冲突[5]。这些复杂工程问题是行业企业在研发、生产、销售中遇到的实际问题，而且不同行业的不同职业岗位的复杂工程场景和解决方式也存在很大的差异性。但高校教师缺乏企业的实际运营经验，以往沿用的课程设计题目来自企业实际案例的裁剪，且题目数量较少，更新不够及时，不利于学生形成自己的独立思维。高校教师在扩充题目时也较难准确理解和把握复杂工程问题的特征，不能充分体现出现实的工程实践问题。因此，需要校企协同合作对实际的复杂工程问题进行梳理和指导，才能有的放矢地进行课程改革。

1.2 教学内容依旧是面向学科的

新工科要求打破固有学科领域界限，形成体现多学科交叉融合特征的工程人才培养模式[6]。目前高校的学科门类还是壁垒森严，学术架构总体上来说还是面向学科的，研究型大学的教师还是以学术研究为主。然而网络安全涉及数学、物联网、人工智能、自动化、通讯等多个科学领域和技术门类，呈现多学科的交叉性和边缘性。学科细分不应该是本科的范畴，在本科的教学内容上必须注重学科交叉与融合，课程的教学内容应面向产业、面向行业，甚至面向岗位，以培养行业急需的交叉复合型网络安全人才。

1.3 学生评价未真正体现多元化

学生在大学期间的学习时间是有限的，但是新技术、新问题的出现一定会伴随人的一生。学生离开高校后需要在实际工作中运用所学的知识和能力解决遇到的工程问题和复杂工程问题，但不要求他们能在同一时间、用相同的方式达成。传统模式的课程评价体系采用统一标准的考核评价，缺乏学生能力指标的细化分解，因此无法采用多元的标准对学生进行“个性化”评价，无法促进学生的个性化发展。

2 课程教学改革内容

2.1 校企协同界定网络安全复杂工程问题

由行业联盟和高校互动合作，基于职业场景进行复杂工程问题界定，职业场景划分为7个大类：安全产品销售、网络安全工程师、安全产品研发、网络安全测评、信息安全监管、安全分析师和安全研究员，据此制订每个职业场景的典型任务以及应具备的知识、技能和能力。各职业场景解决的复杂工程问题训练遵照工程能力培养目标，由易到难分为3个层次，即初级复杂工程问题、中级复杂工程问题和高级复杂工程问题。在每一类职业场景的不同层次中，配套相应的课程内容单元、实践练习、科技竞赛、科研项目、企业实习等。以网络安全工程师职业场景为例，复杂工程问题实例见图1。

校企合作在课程教学环节构造认知冲突，为解决复杂工程问题形成一个较为合理的思维意向，使学生能以网络安全知识为主，综合利用所学交叉学科知识、经验“同化”和“索引”出当前工程问题的解决方案，从而针对新的、更复杂的问题，建构新的解决方法，最终确保学生在毕业后具备“解决复杂工程问题”所需的能力和素质。

2.2 面向行业设计教学内容

课程教学内容主线为“分解知识点学习—综合训练—微创新引导”，综合运用所学知识解决复杂工程问题，满足学生个性化发展需求，注重激发学生的创新能力。部分课程教学内容举例见表1。

在网络安全综合课程设计中为学生提供一个实践实训平台，平台的题目由企业和高校教师根据2.1中构建的复杂工程体系设计。在题目的设计过程中着重研究不同类别题目的前后时序关系和结合方式等，明确每个题目的职责、指标达成度。实践实训平台的题目切实地注重学科交叉与融合，有针对性地培养行业急需的交叉复合型网络安全人才。另一方面，学生个体存在差异性，行业岗位具有复杂性，教师可以根据学生的情况，从平台中选择不同的教学内容供不同能力水平的学生选择。学生根据自己的情况和能力期望选取相应的、适合自己的课程单元，不再用固定的教材和内容等限制教师和学生。

在课程学习基础上，学校引导学生完成科研型作品，参加全国大学生信息安全竞赛和全国大学生计算机大赛。针对个性化的发展要求，做到让不同发展需求、不同职业规划、不同能力特点的学生能够各取所需，找到提升自身能力的途径，顺利衔接随后的工作实习。

图1 复杂工程问题实例

表1 部分课程教学内容举例

2.3 建立面向个性化的多元化考核评价系统

教育的核心工作之一是善于“发现”，一要精确发现学生能力与培养目标之间存在的差异，修正培养模式中相应的课程单元环节；二是要发现每位学生的禀赋，因材施教，并进一步激发专长、支持成长，满足个性化发展需求。“发现”即是力求确保培养目标的达成度、稳定性、可持续性。

建立学生能力评价系统，见图2。一方面可以发现学生的优势能力，为学生提供丰富、多元、可选择的课程单元，促进该项能力个性化、精细化提升；另一方面可以对比不同年度相同年级的各项评价指标，深入分析影响因素，找出课程中存在的问题，反馈修正教学内容。保证人才培养质量的可控和稳定，实现工程实践与创新能力提升的精准性和高效性。

3 结 语

图2 学生能力评价系统

北京工业大学信息安全专业2011年入选卓越计划后，优化了课程体系，加强了教师的工程培训，在提高学生工程实践和创新能力等方面不断进行改革探索，培养了一批企业和社会认可的卓越工程师，取得了良好的效果[7-10]。在课程的教学改革中，注重新工科的标准和新产业的要求，培养学生找到问题、学习问题、分析问题、解决问题的方法和思路，最终具备复杂工程问题解决能力。充分了解学生发展中的需求，关注个别差异，为学生提供一个可以自主选择课程内容的空间，使每个学生都能找到自己的兴趣点和深入学习。通过网络安全综合课程设计的学习和培养，学生可以逐渐适应未来网络安全技术不断发展变化的需求。