基于虚拟仿真实验教学平台的网络安全实践教学体系研究与构建

摘要：基于CC2020胜任力模型，从实现网络安全核心知识的学习、攻防技能的提高、品行的培养出发，对网络安全实验教学体系进行了构建及研究。虚拟仿真实验教学平台和雨课堂平台，为实践开展提供了信息化教学的基础，同时提升了实践教学的可行性和创新性。结合学生现状，从教学内容设计、实验资源建设、教学方法策略、考核评价机制，多角度、多方位地提出了详细建设举措。实践课程的实施将对培养网络安全创新型、实战型人才培养具有实际意义和参考价值。

关键词：CC2020胜任力模型虚拟仿真实验教学平台实践教学项目驱动教学内容设计

中图分类号：G712;TP393.08-4

ResearchandConstructionofNetworkSecurityExperimentalTeachingSystemBasedonVirtualSimulationExperimentTeachingPlatform

YANG YangSUNHaoyueQINXiaohui

HebeiUniversityofArchitecture，Zhangjiakou，HebeiProvince，075000China

Abstract：BasedonCC2020competencymodel，thispaperconstructsandstudiesthenetworksecurityexperimentteachingsysteminordertorealizethelearningofcoreknowledgeofnetworksecurity，theimprovementofoffensiveanddefensiveskillsandthecultivationofcharacter.Thevirtualsimulationexperimentteachingplatformandrainclassroomplatformprovidethebasisofinformation-basedteachingandenhancetheinnovationofpracticalteaching.Combinedwiththecurrentsituationofstudentsinourschool，thispaperputsforwarddetailedconstructionmeasuresfromvariousanglesanddirections，suchasteachingcontentdesign，experimentalresourcesconstruction，teachingstrategyassessmentandevaluationmechanism.Theimplementationofthispracticalcoursewillhavepracticalsignificanceandreferencevalueforcultivatinginnovativeandpracticaltalentsinnetworksecurity.

KeyWords：CC2020CompetencyModel;Virtualsimulationexperimentteachingplatform;Practicalteaching;Project-driven;Teachingcontentdesign

2020年12月，ACM/IEEE-CS协会发布了全球性计算机科学教育领域计算课程体系红皮书（ComputingCurricula，简称CC2020）[1]，CC2020从计算机课程体系建设出发，倡导计算机教育人才培养的核心需求，从而提供了指导。

CC2020工作组将胜任力作为核心培养目标，由知识、技能和品行3部分组成[2]，鼓励各教学机构根据自己的定位设计具体的培养方案。对实现我国“新工科”建设所强调的“以能力培养促进工程科技创新和产业创新”的目标有着重要的促进作用。

针对CC2020所提出的人才培养的核心内容，本课程实践教学过程中依托虚拟仿真实验平台，构建以培养学生兴趣为导向，以实践带动理论的教学体系，从而设计实验教学内容，实现网络安全核心知识的学习、网络安全攻防技能的提高、网络安全职业素养及团队精神等品行的培养。

1网络安全实验教学体系总体设计

本课程实践所设计的网络安全实验教学内容以知识学习为基础、以技能提升为目标、以思政教育为导向，教学内容的设计上突出问题求解的作用，实验类型方面主要从实验的难易程度出发划分为基础型实验、专业型实验、综合型实验和学科创新型实验；以在线虚拟仿真实验教学平台为依托，灵活采用任务驱动式教学方法进行设计，将学科竞赛、网络安全创新型成果融入实验教学的考核中。重在培养悉攻善守、攻防兼具的工程型网安人才。

1.1建立网络安全实践课程建设模式

构建知识、技能、品行3个网络安全人才培养支撑点，以知识学习、实战能力提高、思政品行教育为教学目标，整合线上线下教学资源进行知识点讲授学习；通过项目式任务驱动实践教学法，融入学科竞赛，将学生带入具体的网络安全靶场进行实际问题分析，通过实验类型要求学生独立思考或集体协作，提高学生的实操实战技能；同时，从思政教育、职业素养、团队精神、沟通能力等方面培养学生的品行意识。

1.2 ;构建网络安全实验教学课程体系

教学内容上，主要以“问题求解”为中心[3]，实验类型从实验内容的性质及难易程度主要分为基础型实验、专业型实验、综合型实验和创新型实验4个内容层次，实验类型和课程实践教学目标相对应，难度从简单到难度加大，注重“问题求解”能力的工程型人才培养。

1.3多元化多维度的实验考核评价机制方案

从实验考核的多元化出发，采用灵活多样的实验考核方式[4]，针对不同的实验类别制定不同的考核参考标准，例如传统的实验报告基础上增加实验答辩、线上攻防情况测评、科研创新项目和学科竞赛获奖等，主要突出对网络安全技能的实践动手能力和创新思维的培养，根据本课程实践所设计的教学模式下的学生学习成绩分布，验证网络安全实践课程的建设成果和检验。

2本网络安全实践教学所依托的信息化服务环境

2.1网络安全虚拟仿真实验教学平台建设

网络安全虚拟仿真实验教学平台的构建初衷是为了提高学生的动手能力，以实践技能和创新意识的培养为目标。通过平台实现实验教学资源的信息化，提高整合度，具备资源的开放性和共享性，建设过程结合学情个性化、需求多元化、资源信息化的特点进行建设。通过虚拟化技术创建各种网络安全实验场景及实训环境，将理论学习和实验实践相结合，集在线实验、在线课堂、项目实战、题库、在线考试等功能于一体。平台课程资源包含安全基础、渗透测试、安全运维、安全竞赛和安全靶场等主流信息安全实战类资源，满足远程教学与在线实验。

2.2基于雨课堂的智慧教学体系

理论教学方面，整合线上和线下教学学习资源，开展实践教学理论指导，主要基于雨课堂和慕课两个平台，构建一个资源完备的教学环境，提供覆盖实践课程所需的课前资源发布与学习、课中答题互动、课后进度跟踪与学情观测，开展全面的沉浸式实践教学指导，充分调动学生的学习兴趣、课程关注度和主观能动性。

3网络安全实验教学实践详细建设举措

3.1全面的虚拟仿真实验教学内容设计

融合线上资源、线下课堂和虚拟仿真网络安全实验平台建立智慧学习环境[5]，以基础知识（know-what）做支撑；技能（know-how）和品行（know-why）提升作为主要目标，以网络安全胜任力核心需求为牵引，教学实践设计了符合学情的和培养方案一致的教学内容，基于一定的教学方案，结合理论讲授与实验实训，激发学生的学习驱动力，重在赋能学生的网络安全技能实操和解决问题的胜任力。

3.2网络安全课程实验资源建设情况

提出了多维分层进阶式学习理念，从基础型实验、专业型实验、综合型实验和科研创新学科竞赛出发，建设前期进行了网络安全实验任务设计，突破以往的网络安全实践教学方法及教学模式、重在任务驱动强化学生的实践能力、夯实学生解决网络安全工程问题的职业能力，探索基于CC2020胜任力模型的计算机人才培养理念。同时，基于学生学情，根据教学知识点和实践教学项目的难易程度，在覆盖学科知识技能范围的前提下，将网络安全课程的实践教学环节按实验性质分为：认知实验、验证实验、设计实验、综合实训、毕业设计和学科竞赛6个教学环节。

综上，通过实验情况及平台记录收集学情反馈，检验学生学习质量。以培养“悉攻善守、攻防兼具”的多层次人才为目标，调整各知识点的考核目标，思考设计课内实验，为学生提供自我成长的练习平台，通过实践能力的提升，引导学生由知识掌握向知识运用的迁移。

3.3课程实践产出规划

通过学习每章理论知识、实用技术和实验练习，拓展视野，增强技能，培养学生对网络安全的研究、分析和实战能力。在自主学习意识与能力上有所提高，养成科学严谨、实事求是的科学态度和学习态度，为今后工作打下良好的基础。让学生掌握知识和技能的同时，提高学生网络信息内容鉴别能力和网络安全意识，提高大学生的社会竞争力，为我国互联网技术的发展与使用培养专业人才和可靠人才。

3.4综合的考核评价机制设计

采用灵活多样的实验教学考核方式，对应不同的实验类别制定不同的考核参考依据，比如实验报告、实验答辩、线上攻防测评和学科竞赛[6]等，主要突出对网络安全技能的应用情况和创新思维，根据本项目设计的实践教学模式下的学生学习成绩分布，验证网络安全实践课程建设成效。具体实施策略如下。

（1）通过发布雨课堂考试或作业的方式，实施常态化学习评价工作：每章结束后都会发布本章单元测试题，并在近几年的教学中加入的信息化期中考试。通过无纸化考试自动评分功能减轻了教师评阅试卷的能力，同时可对学生对知识点的掌握情况得以掌握了解。

（2）课程设置了4个必须完成的实验，辅助有12个选择性完成的实验。

（3）实验部分的考核方式由单一的实验报告向多元化转变，考核形式主要包括实验报告、实验视频等环节。

3.5集成的教学方法及实验策略研究

3.5.1任务驱动教学法

从个人作业角度，基于网络安全虚拟仿真实验教学平台的进度完成功能，通过考核要求，发布学习任务，考核驱动学生将实验教学从应付学时转变为以任务完成需求为主，而最终目标在于培养悉攻善守的网络安全人才。

3.5.2项目驱动式教学法

团队作业角度，在教师的指导下，将相对独立的项目交由学生进行协作完成全流程的设计与评价，以项目任务作为内驱力，将理论知识和实践操作融为一体，同时在品行思政教育方面，提升学生团队合作能力。

3.5.3案例式教学法

通过理论教学，在理论知识储备具备的基础上，在教学内容的设计和指导下，在具体的网络安全靶实践场进行实际问题的梳理认识和分析，通过反复的多场景攻防练习，举一反三，进一步提高学生解决具体网安工程问题的能力，同时培养学生品行培养方面的相关能力如沟通能力和协作精神等。

3.6拓展实验：基于深度学习的网络安全检测研究

本科生继续深造本校研究生，给出一些学生继续网络安全研究方向的建议。本科网络安全学习的基础上，带学生继续网络安全深度拓展学习，主要研究方向在深度学习卷积神经网络在网络安全方向的应用方面，包括基于深度学习恶意流量检测、基于深度学习的计算机用户行为异常检测等，并发表了一系列的研究论文。

4结论

本课程实践体系的设计以CC2020胜任力计算机人才培养模型为指导，构建知识、能力、品行培养着力点，以网络安全复杂实践问题的解决为培养目标，设计符合学情的递进式的网络安全实践项目体系。主要通过项目驱动式实践教学方法，全面提升学生解决网络安全方向复杂问题的技术能力和动手能力。从个人任务和团队任务的驱动角度，关注每位学生的学习收获、学习困难和产出效果，开展全方面的实践教学指导。评价方式上向多元化转变，兼顾网络安全知识点考核、实验报告撰写、实验视频操作记录、综合实验项目设计与提高。

参考文献

[1]IMPAGLIAZZOJ，PEARSAN.TheCC2020project-computingcurriculaguidelinesforthe2020s[C]//ProceedingsoftheEDUCON’18.WashingtonDC：IEEE，2018：2021-2024.

[2]ALISONC，TONYC，ABHIJATV，etal.DevelopingCompetencyStatementsforComputerScienceCurricula[C]//ProceedingsoftheACMSIGCSE’20.NewYork：ACM，2020：515-516.

[3]孙梅，肖建于，沈龙凤，等.问题驱动的网络安全线上线下实验教学探索[J].淮北师范大学学报（自然科学版），2022，43（3）：85-91.

[4]刘毅文，姚敦红.基于CC2020胜任力模型的计算机类理论课程作业设计优化策略[J].计算机教育，2022（7）：199-204.

[5]刘强，王瑞锦，赵文涛，等.基于CC2020胜任力模型的网络安全实践教学金课建设[J].计算机教育，2021，17（6）：59-64.

[6]刘莉，刘持标.结合CTF竞赛的网络安全课程教学改革[J].计算机教育，2019（4）：107-111.