基于CBL教學(xué)策略的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全教學(xué)改革研究

郭顯 馮濤 曹來成 蔣泳波 王晶

［摘 要］CBL教學(xué)策略是一種基于“能力”的教學(xué)框架。文章基于CBL教學(xué)策略提出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程和五階段科研訓(xùn)練計劃教學(xué)方案。教學(xué)方案中采用問題導(dǎo)向教學(xué)法等，目的是通過跨學(xué)科、跨年級，聯(lián)合企業(yè)，參加競賽等形式將該課程打造成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實踐平臺，打造成培養(yǎng)21世紀(jì)優(yōu)秀人才的“金課”。

［關(guān)鍵詞］物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育；問題導(dǎo)向教學(xué)法；工程教育

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）02-0098-04

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會和國家發(fā)展戰(zhàn)略需要而產(chǎn)生的一種教學(xué)理念與模式。在高等學(xué)校中大力推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，對促進(jìn)高等教育科學(xué)發(fā)展、 深化教育教學(xué)改革、提高人才培養(yǎng)質(zhì)量而言具有重大的現(xiàn)實意義和長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[1]。2015年5月國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》（國辦發(fā)〔2015〕36號）強(qiáng)調(diào)，高校要“調(diào)整專業(yè)課程設(shè)置，挖掘和充實各類專業(yè)課程的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育資源，在傳授專業(yè)知識過程中加強(qiáng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育”[2]。根據(jù)2018年全國教育工作會議部署要求，為全面貫徹落實黨的十九大精神，深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記給“青年紅色筑夢之旅”活動大學(xué)生重要回信精神，進(jìn)一步貫徹落實國務(wù)院《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》精神，在更高層次、更深程度、更關(guān)鍵環(huán)節(jié)上深入推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，高校應(yīng)把建設(shè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育優(yōu)質(zhì)課程、提升教師創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育能力作為高校工作重點之一[3]。

我國已將物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。然而，物聯(lián)網(wǎng)安全問題是當(dāng)前亟待解決的問題，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全人才培養(yǎng)是各高校關(guān)注的焦點。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程具有跨領(lǐng)域性質(zhì)，需要一種不同于傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法，這種方法應(yīng)能夠促進(jìn)學(xué)生在不斷發(fā)展的環(huán)境中關(guān)聯(lián)不同概念、技術(shù)和學(xué)科的能力的提升。Sánchez等人提出了一種基于“能力”的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程教學(xué)的完整教學(xué)策略[4]，本文簡稱其為CBL（Competency?Based Learning）教學(xué)策略。CBL教學(xué)策略分階段定義學(xué)生的學(xué)習(xí)方法、獲得的能力和結(jié)果，集成目前OBE+CDIO工程教育背景下創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革研究中普遍關(guān)注的新的教學(xué)模式[5-12]，如基于項目的教學(xué)方法[13]、問題導(dǎo)向教學(xué)法[14]等。該策略有意識地培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，以使學(xué)生更深入地理解關(guān)鍵知識，發(fā)展批判性思維，掌握協(xié)作及溝通等基本技能。

為響應(yīng)國家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革方針、培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全專業(yè)人才，筆者所在學(xué)校開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全創(chuàng)新課及五階段的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全科研訓(xùn)練計劃課程，借助物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)Contiki平臺[15-16]，基于CBL教學(xué)策略，設(shè)計“頂點項目”，探索物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革模式，將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程打造成物聯(lián)網(wǎng)工程及相關(guān)專業(yè)的“頂點課程”，以及培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的“金課”。

一、基于“能力”的CBL教學(xué)策略

培養(yǎng)具備批判性思維、解決問題能力、應(yīng)變能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力的大學(xué)生是21世紀(jì)大學(xué)要應(yīng)對的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程的授課目標(biāo)，Sánchez等人提出了一種涉及多種教與學(xué)方法的完整教學(xué)策略。該教學(xué)策略包括初級、中級和高級三個階段：初級階段主要是學(xué)生獲得與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)和知識；中級階段主要是學(xué)生與學(xué)習(xí)小組合作，在具體的應(yīng)用環(huán)境或案例中運用所學(xué)知識，以便完成最終論文撰寫或培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，并在高級階段完成進(jìn)一步的學(xué)習(xí)；高級階段主要是學(xué)生參與企業(yè)相關(guān)項目，并與跨學(xué)科或跨專業(yè)的學(xué)生共同完成項目[4]。

（一）CBL教學(xué)策略中的“能力”定義

Sánchez等人提出了以物聯(lián)網(wǎng)七層參考模型（見圖1）為起點來定義學(xué)生學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程應(yīng)該獲得的相關(guān)“能力”[4]，這種能力分為通用能力和特定能力。表1給出了物聯(lián)網(wǎng)七層參考模型與能力之間的映射關(guān)系。

以SC.XY表示一般課程中定義的特定能力，SC.XY-Z表示微調(diào)后適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程學(xué)習(xí)的特定能力，各種特定能力的詳細(xì)說明如下：

SC.01：構(gòu)建、開發(fā)和管理通信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)、過程和應(yīng)用的能力。從遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)的角度來看，可理解為用于獲取、傳輸、表示、處理、存儲、管理和呈現(xiàn)多媒體信息的系統(tǒng)。

SC.01-1：構(gòu)建、開發(fā)和管理物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)、流程和應(yīng)用程序的能力。從遠(yuǎn)程信息處理的角度來看，可理解為用于獲取、傳輸、表示、處理、存儲、管理和呈現(xiàn)信息的系統(tǒng)。

SC.02：應(yīng)用遠(yuǎn)程信息處理網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)和應(yīng)用所基于的技術(shù)的能力，例如管理、信令和交換系統(tǒng)、路由、安全（加密協(xié)議、隧道、防火墻、收集機(jī)制、身份驗證和保護(hù)內(nèi)容）、流量工程（圖形理論、排隊論和電話流量）、定價、可靠性和服務(wù)質(zhì)量，包括固定帶寬、移動帶寬、個人帶寬、本地帶寬和長途帶寬以及電話和數(shù)據(jù)帶寬。

SC.02-1：應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、服務(wù)和應(yīng)用程序的管理、信令、交換和路由技術(shù)的能力。

SC.02-2：將安全技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)和應(yīng)用程序（如加密協(xié)議、隧道、防火墻、收集機(jī)制、內(nèi)容驗證和保護(hù)）的能力。

SC.03：設(shè)計網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)的能力。

SC.03-1：設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的能力。

SC.04：對遠(yuǎn)程信息處理、網(wǎng)絡(luò)和分布式應(yīng)用和服務(wù)進(jìn)行編程的能力。

SC.04-1：為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境編寫遠(yuǎn)程信息處理、網(wǎng)絡(luò)和分布式應(yīng)用和服務(wù)程序的能力。

SC.05：構(gòu)思并開發(fā)集成硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)的集中式或分布式計算機(jī)系統(tǒng)或體系結(jié)構(gòu)的能力。

SC.05-1：構(gòu)思并開發(fā)集成物聯(lián)網(wǎng)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)的集中式或分布式計算機(jī)系統(tǒng)或體系結(jié)構(gòu)的能力。

SC.06：單獨開展初始訓(xùn)練并向?qū)W位委員會陳述和答辯的能力。這種訓(xùn)練包括具有專業(yè)性質(zhì)的通信工程特定技術(shù)領(lǐng)域的項目，該類項目應(yīng)系統(tǒng)化和融合學(xué)習(xí)過程中獲得的技能。

SC.06-1：單獨開展初始訓(xùn)練并向?qū)W位委員會進(jìn)行陳述和答辯的能力。這種訓(xùn)練包括物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域的項目，該類項目應(yīng)系統(tǒng)化和融合學(xué)習(xí)過程中獲得的技能。

SC.07：在沒有提供精確的特定信息的情況下仍能發(fā)揮作用的能力。

SC.08：識別為了解決某個復(fù)雜問題所需解決的關(guān)鍵問題的能力。

SC.08-1：識別為了解決物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的復(fù)雜問題所需解決的關(guān)鍵問題的能力。

SC.09：設(shè)計、構(gòu)建、開發(fā)和執(zhí)行相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新項目的能力。

SC.09-1：設(shè)計、構(gòu)建、開發(fā)和執(zhí)行物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新項目的能力。

SC.10：基于有限的信息整合知識、處理復(fù)雜問題并形成意見的能力。

各種通用能力的詳細(xì)說明如下：

GC.01：了解并能應(yīng)用經(jīng)濟(jì)學(xué)與人力資源管理和項目組織與計劃方面的基本要素，以及通信方面的立法、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

GC.02：在多學(xué)科小組和多語言環(huán)境中工作，并以書面和口頭形式交流與電子和通信相關(guān)的知識、過程、結(jié)果和思想的能力。

GC.03：知道如何以專業(yè)的方式將知識應(yīng)用于工作或職業(yè)，并具有通常在闡述和辯論以及解決研究領(lǐng)域中的問題時表現(xiàn)出的能力。

GC.04：收集和解釋相關(guān)數(shù)據(jù)（通常在“學(xué)生”研究領(lǐng)域內(nèi)）以便做出包括對相關(guān)社會、科學(xué)或道德問題的反思的判斷的能力。

GC.05：將信息、想法、問題和解決方案傳輸給專業(yè)和非專業(yè)的受眾的能力。

GC.06：發(fā)展必要的學(xué)習(xí)技能，以高度自主地開展進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

GC.07：為解決方案進(jìn)行答辯的智力和關(guān)鍵能力。

（二）CBL教學(xué)策略中的學(xué)習(xí)方法

通過應(yīng)用不同的學(xué)習(xí)方法可以獲得上述能力。Sánchez等人建議在教學(xué)策略中應(yīng)用如下學(xué)習(xí)方法：

LM.01：實驗室活動。包括學(xué)生使用已掌握的理論知識來解決問題或做出決策，師生使用實驗室或企業(yè)車間的特定設(shè)備進(jìn)行實驗教學(xué)、模擬練習(xí)、現(xiàn)場研究、計算機(jī)實踐、公司訪問或現(xiàn)場考察等教與學(xué)的活動。

LM.02：自定進(jìn)度學(xué)習(xí)。學(xué)生根據(jù)教師的指導(dǎo)方針或為此目的設(shè)計的教學(xué)材料自行學(xué)習(xí)新內(nèi)容。自主學(xué)習(xí)、定向?qū)W習(xí)、虛擬網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、教室外的個人或小組協(xié)作是一些常見的學(xué)習(xí)活動。

LM.03：基于問題的學(xué)習(xí)[14]。該方法注重五個關(guān)鍵點。（1）以學(xué)生為中心。（2）以實際問題為中心。（3）接近學(xué)生的環(huán)境。（4）要求提出具體的解決方案。（5）體驗式學(xué)習(xí)。

LM.04：基于項目的學(xué)習(xí)[13]。該方法涉及主題的發(fā)展，基于（以小組或單獨的方式）解決一個或多個項目的過程。在該項目中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)主題發(fā)展所必需的概念。

LM.05：案例方法。該方法包括幾個階段。（1）初步階段：閱讀和研究有關(guān)個人作品的案例。（2）表達(dá)意見和判斷的階段：個人反思和檢測個人作品的描述。（3）對比階段：對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，以小組形式完成，并在整個小組中共享。

（三）CBL教學(xué)策略中的學(xué)習(xí)結(jié)果

一旦學(xué)生成功完成了上述學(xué)習(xí)方法中提出的活動，他們將獲得以下學(xué)習(xí)成果，從而保證獲得前述相關(guān)能力。

LO.01：掌握用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)、架構(gòu)、部署和服務(wù)的概念。

LO.02：了解并區(qū)分傳輸和訪問網(wǎng)絡(luò)的概念，包括最重要的協(xié)議和接口。

LO.03：精通構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)備的設(shè)計、配置和實施。

LO.04：掌握針對IoT環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)問題的分析、診斷和解決方案。

LO.05：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性的分析和設(shè)計。

LO.06：了解安全技術(shù)及其在數(shù)據(jù)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

LO.07：已深入研究該學(xué)位研究領(lǐng)域的特定主題，運用所學(xué)知識，并能夠以獨創(chuàng)或新穎的方式分析和解決問題。

LO.08：具有組織和計劃的能力、搜索技能和管理信息的能力。

LO.09：已以書面形式交流所做的工作，并將其公開展示給該領(lǐng)域的專家和非專家。

LO.10：具有構(gòu)想、設(shè)計、實施和采用相當(dāng)范圍的研究過程的能力及學(xué)術(shù)誠信。

LO.11：已對新的復(fù)雜概念進(jìn)行批判性分析、評估和整合。

Sánchez等人給出了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程不同階段、獲得能力、學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)結(jié)果之間的映射關(guān)系，如表2所示。

二、基于CBL的教學(xué)方案設(shè)計

本文在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課和五階段科研訓(xùn)練計劃的教學(xué)中，根據(jù)Sánchez等人提出的教學(xué)策略，分初級、中級和高級三個階段設(shè)計教學(xué)方案。

（一）初級階段

在本階段，選修物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了程序設(shè)計基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及信息安全等相關(guān)課程，非計算機(jī)相關(guān)專業(yè)學(xué)生也可通過五階段科研訓(xùn)練計劃第1—2階段的訓(xùn)練補(bǔ)充相關(guān)內(nèi)容。在這些先修課程的基礎(chǔ)上，本課程基于物聯(lián)網(wǎng)七層參考模型培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的能力以及網(wǎng)絡(luò)攻防基本技能，如基于物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)平臺Contiki[15]開發(fā)簡單的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用、設(shè)備控制應(yīng)用程序，驗證分析RPL、CoAP協(xié)議，比較分析RPL協(xié)議與OSPF協(xié)議以及比較分析CoAP協(xié)議與HTTP協(xié)議。學(xué)習(xí)結(jié)果和獲得的能力如表3所示。

以上學(xué)習(xí)內(nèi)容是學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，基于Contiki操作系統(tǒng)和Kalinux并主要通過仿真實驗來獲取的，也就是主要采用LM.01和LM.02這兩種學(xué)習(xí)方法。

（二）中級階段

本階段的教學(xué)主要以科研訓(xùn)練小組形式展開。要求不同專業(yè)學(xué)生（如選修本課程的計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、網(wǎng)絡(luò)空間安全等專業(yè)的學(xué)生），甚至包括在讀研究生，以協(xié)作、技術(shù)報告等形式來實現(xiàn)能力的獲取，如表4所示。這種訓(xùn)練讓學(xué)生更加接近科研體驗，幫助學(xué)生獲得并提升以后工作中所需的基本研究能力，學(xué)會區(qū)分有效的知識來源以支持連貫的工作，學(xué)習(xí)通過詳細(xì)的文檔描述傳播和轉(zhuǎn)移知識，通過定期介紹他們的工作進(jìn)度來口頭表達(dá)他們的工作和想法，并學(xué)習(xí)將他們的工作重點放在感興趣的主題上。

本階段采用問題導(dǎo)向教學(xué)法（PBL），設(shè)定需要解決的問題，如探索RPL協(xié)議中存在的安全問題（版本號攻擊、洪泛攻擊等），要求提出解決這些安全問題的方案，如基于密碼學(xué)機(jī)制的RPL協(xié)議方案、基于信任機(jī)制的RPL協(xié)議方案、基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的RPL協(xié)議方案等。

（三）高級階段

本階段要求學(xué)生參加各級各類競賽、學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類項目或企業(yè)項目（如一些與企業(yè)聯(lián)合的協(xié)同育人項目等）。通過這些項目的成功實施，學(xué)生可為自己的學(xué)位論文做準(zhǔn)備。教學(xué)策略的高級階段同樣追求跨學(xué)科、跨年級學(xué)生之間的互動及協(xié)作，甚至包括與企業(yè)人員的互動及協(xié)作，采用基于問題的學(xué)習(xí)（LM.03）和案例方法（LM.05）。學(xué)生必須面對一個實際的問題，并與所分配的多學(xué)科小組的協(xié)作者協(xié)同提出合理的解決方案。通過讓學(xué)生共同解決競賽、項目中碰到的實際問題，營造模擬工作氛圍，培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程復(fù)雜問題的能力，如表5所示。

三、結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的重要實踐課程，CBL教學(xué)策略是針對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程提出的一種基于“能力”的教學(xué)方法。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程和五階段科研訓(xùn)練計劃的教學(xué)中，本文基于CBL教學(xué)策略提出了三階段學(xué)生能力培養(yǎng)方案，目的是把物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安全課程打造成培養(yǎng)具備批判性思維、解決問題能力、應(yīng)變能力以及團(tuán)隊協(xié)作能力的21世紀(jì)大學(xué)生的“金課”。在今后的教學(xué)中，筆者將進(jìn)一步探討基于CBL教學(xué)策略的教學(xué)成果評價機(jī)制。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：周侯辰］