馬行空+王勇軍+趙文濤+任江春+付紹靜+曹源

摘 要：針對內(nèi)容安全課程的重要性以及當(dāng)前教學(xué)中存在的問題，基于學(xué)習(xí)圈理論提出“案例體驗(yàn)—原理剖析—設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)—測試檢驗(yàn)—拓展創(chuàng)新”的五步遞進(jìn)教學(xué)方法，闡述五步遞進(jìn)教學(xué)方法在內(nèi)容安全課程中的應(yīng)用情況及注意事項(xiàng)，并說明教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)圈理論；五步遞進(jìn)教學(xué)；內(nèi)容安全

0 引 言

內(nèi)容安全課程是信息安全專業(yè)的重要專業(yè)課程，旨在分析識別信息內(nèi)容是否合法，確保合法內(nèi)容的安全，阻止非法內(nèi)容的傳播和利用。該課程要求學(xué)生掌握內(nèi)容安全的基本概念、基本原理和基本技術(shù)，了解各種典型的內(nèi)容安全威脅，掌握信息內(nèi)容的獲取、分析識別和管控以及多媒體信息隱藏的基本技術(shù)。

內(nèi)容安全課程包含內(nèi)容寬泛，涉及文本安全、多媒體安全、社交網(wǎng)絡(luò)安全等多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師要在有限時(shí)間內(nèi)講解所有內(nèi)容，難以保證教學(xué)質(zhì)量；此外，該課程實(shí)驗(yàn)難度大，傳統(tǒng)教學(xué)中理論教學(xué)時(shí)間多、實(shí)踐教學(xué)時(shí)間少，使得學(xué)生難以通過實(shí)踐加深對課程的理解和掌握。為此，我們設(shè)計(jì)了基于Kolb學(xué)習(xí)模式的五步遞進(jìn)教學(xué)方法并應(yīng)用于內(nèi)容安全課程。實(shí)踐表明，該教學(xué)方法能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

1 內(nèi)容安全課程教學(xué)現(xiàn)狀

內(nèi)容安全作為信息安全領(lǐng)域的新興學(xué)科，內(nèi)容涉及的背景知識數(shù)量大且實(shí)驗(yàn)難度大，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易產(chǎn)生挫敗感，影響教學(xué)效果。內(nèi)容安全課程教學(xué)中存在的問題主要有以下幾方面。

1）理論講授時(shí)間有限。

根據(jù)《信息安全專業(yè)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》的建議，內(nèi)容安全課程的理論授課時(shí)間為36學(xué)時(shí)，而內(nèi)容安全課程的理論知識寬泛，涉及網(wǎng)絡(luò)爬蟲、數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式匹配、數(shù)字水印、數(shù)字指紋等多個(gè)領(lǐng)域，使得學(xué)生很難在較短的時(shí)間內(nèi)熟練掌握多個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜算法。傳統(tǒng)教學(xué)中以教師為中心，學(xué)生被動接收知識，再加上本課程理論學(xué)習(xí)難度較高，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

2）實(shí)驗(yàn)難度大。

內(nèi)容安全課程多針對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的具體問題展開實(shí)驗(yàn)探索，這要求學(xué)生能夠處理實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中遇到的各種突發(fā)情況。例如，在網(wǎng)絡(luò)爬蟲實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生能夠自動模擬網(wǎng)站登錄，并繞過大型網(wǎng)站的反爬蟲機(jī)制；在垃圾郵件分類實(shí)驗(yàn)中，要求學(xué)生能夠自主選擇與分類正確率相關(guān)的多個(gè)參數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)難度系數(shù)較高，若缺乏相應(yīng)教師指導(dǎo)，學(xué)生很容易卡在某一個(gè)小問題上而止步不前。

3）照搬網(wǎng)上資料，創(chuàng)新意識缺乏。

由于課程設(shè)計(jì)時(shí)間有限，不少學(xué)生通過互聯(lián)網(wǎng)查找現(xiàn)成解決方法，對其簡單改動以完成作業(yè)。原本學(xué)生通過查閱資料吸收他人方法解決問題的做法值得提倡，但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)這對提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果并不理想：一是很多學(xué)生的解題思路完全一致，沒有在他人已有工作基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升，使得學(xué)生喪失獨(dú)立思考能力；二是由于代碼不是學(xué)生自己從頭開始寫的，很多算法設(shè)計(jì)過程中的疑難問題都已經(jīng)被原作者解決，學(xué)生在吸收的過程中則直接回避，無法有效提高動手實(shí)踐能力，也難以對實(shí)驗(yàn)所涉及的方法原理產(chǎn)生較深刻的認(rèn)識。

2 學(xué)習(xí)圈理論

1984年，美國社會心理學(xué)家、教育家David Kolb在其著作《體驗(yàn)學(xué)習(xí)：體驗(yàn)——學(xué)習(xí)發(fā)展的源泉》[1]一書中提出學(xué)習(xí)圈理論，其基本思想是學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程可闡述為一個(gè)體驗(yàn)過程：具體的體驗(yàn)—對已獲得體驗(yàn)的反思—體驗(yàn)抽象和理論化—行動實(shí)驗(yàn)，循環(huán)往復(fù)，形成一個(gè)貫穿的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，由學(xué)習(xí)者自動完成反饋和調(diào)節(jié)。

根據(jù)體驗(yàn)方式的不同，已有教學(xué)方法包括問題驅(qū)動教學(xué)、案例驅(qū)動教學(xué)和項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)。問題驅(qū)動教學(xué)是設(shè)計(jì)與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)的問題或介紹典型的實(shí)際問題，通過引導(dǎo)學(xué)生如何發(fā)現(xiàn)問題、分析問題并解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。在實(shí)施過程中，教師需要根據(jù)教材內(nèi)容、學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和已有知識儲備，提出學(xué)生感興趣又有一定梯度的問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入深層思考。該教學(xué)法已經(jīng)在程序設(shè)計(jì)[2]、離散數(shù)學(xué)[3]等課程中有較好的實(shí)施案例。

案例驅(qū)動教學(xué)中，教師通過講解一個(gè)完整案例的分析解決過程，與學(xué)生充分地交流互動，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力和提高其創(chuàng)新能力的目的。該教學(xué)法已經(jīng)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[4]、軟件項(xiàng)目管理[5]等與應(yīng)用密切相關(guān)的課程中開展實(shí)施，并取得良好的教學(xué)效果。

項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)是指提前給學(xué)生布置擬完成的項(xiàng)目，通過循序漸進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目開發(fā)實(shí)踐。學(xué)生主導(dǎo)項(xiàng)目需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)和集成測試全過程，從而全面提高項(xiàng)目開發(fā)能力。該教學(xué)方法在軟件工程[6]、數(shù)據(jù)庫[7]、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)[8]等課程中以項(xiàng)目為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體開展實(shí)施，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探索創(chuàng)新能力。

以上3類方法，既相互關(guān)聯(lián)，又有所區(qū)別。概括來說，問題驅(qū)動教學(xué)法和案例驅(qū)動教學(xué)法注重課上知識傳授過程的有效性，項(xiàng)目驅(qū)動教學(xué)法則注重整個(gè)學(xué)習(xí)周期內(nèi)學(xué)生動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

3 五步遞進(jìn)教學(xué)方法設(shè)計(jì)

為了有效提高學(xué)生的知識理解和應(yīng)用創(chuàng)新能力，我們基于學(xué)習(xí)圈理論提出“案例體驗(yàn)—原理剖析—設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)—測試檢驗(yàn)—拓展創(chuàng)新”的五步遞進(jìn)教學(xué)方法，以內(nèi)容安全課程為例，對這種教學(xué)方法進(jìn)行初步探索和嘗試，具體實(shí)施方案見表1。

案例體驗(yàn)是指通過教師演示應(yīng)用案例或?qū)W生親自操作工具，快速獲得直觀效果，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，帶動學(xué)生主動思考，并在該過程中需要教師認(rèn)真挑選典型案例。在內(nèi)容安全課程中，很多知識點(diǎn)都有相應(yīng)的案例或工具可供教師和學(xué)生使用，如講授網(wǎng)絡(luò)爬蟲時(shí)，教師可使用Scrapy、Arachinid、Crawlzilla等已有的開源爬蟲軟件向?qū)W生展示爬蟲軟件功能和爬取效果，包括如何模擬用戶登錄，如何設(shè)置爬取范圍、頻率等；講授文本分類時(shí)，教師使用Jieba、IKAnalyzer等工具向?qū)W生展示中文、英文、中英文數(shù)字混合等不同情況下的分詞結(jié)果；講授特征選擇時(shí)，教師可通過使用Scikit-learn、MLlib等開源機(jī)器學(xué)習(xí)工具，向?qū)W生展示選擇不同特征后的分類準(zhǔn)確率的區(qū)別；而在講授圖像信息隱藏時(shí)，教師可通過使用Steganos、S-Tools等工具，在有趣的圖片中隱藏信息，更容易引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；講授網(wǎng)絡(luò)水軍檢測時(shí)，教師通過展示水軍賬號在社交網(wǎng)絡(luò)中的個(gè)人主頁信息，很容易引起學(xué)生注意。

原理剖析是教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)原理的過程。案例體驗(yàn)后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣已被調(diào)動起來，此時(shí)教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考案例背后的技術(shù)原理。需要注意的是，在原理剖析過程中，教師應(yīng)該采用啟發(fā)式提問的方式，逐步引導(dǎo)學(xué)生沉浸到深度思考中，而不是直接將方法和原理告訴學(xué)生。例如，在講授網(wǎng)絡(luò)爬蟲時(shí)，讓學(xué)生思考如何才能持續(xù)地爬取網(wǎng)頁，從而引出寬度優(yōu)先、深度優(yōu)先等關(guān)鍵技術(shù)；在講授文本分類時(shí)，通過展示多個(gè)分詞工具的不同分詞效果，引出最大匹配分詞、概率匹配分詞等不同的分詞技術(shù)，通過展示選擇不同特征后的分類準(zhǔn)確率，引出特征選擇的TFIDF、信息增益、主成分分析等技術(shù)；在講授圖像信息隱藏時(shí)，通過展示在圖像不同位置隱藏信息對圖像造成的損傷效果，引出LSB、DCT信息隱藏算法；在講授網(wǎng)絡(luò)水軍檢測時(shí)，通過分析大量水軍賬號主頁的內(nèi)容和行為，引出網(wǎng)絡(luò)水軍檢測中的特征分析技術(shù)。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是學(xué)生理解相關(guān)知識點(diǎn)后所開展的動手實(shí)踐。該階段由教師發(fā)布任務(wù)并引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。需要注意的是，教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的能力水平和有效學(xué)習(xí)時(shí)間，發(fā)布難度適中的任務(wù)，因?yàn)槿蝿?wù)過于簡單無法達(dá)到能力提高的目的，過于困難則可能使學(xué)生產(chǎn)生挫敗感和厭學(xué)心理。例如，在設(shè)計(jì)面向社交網(wǎng)絡(luò)的爬蟲實(shí)驗(yàn)中，教師可以要求學(xué)生使用寬度或深度優(yōu)先遍歷方法并模擬用戶登錄。雖然在該實(shí)驗(yàn)中，模擬用戶登錄是一個(gè)難點(diǎn)，不同社交網(wǎng)站有不同的登錄表單參數(shù)，有的網(wǎng)站甚至還有反爬蟲機(jī)制需要繞過，這給學(xué)生的實(shí)現(xiàn)過程提出了挑戰(zhàn)，但是網(wǎng)上已有很多模擬登錄的案例可供參考，學(xué)生通過查閱資料是可以自主完成該實(shí)驗(yàn)的。再如在垃圾郵件過濾實(shí)驗(yàn)中，教師可以要求學(xué)生利用文本分詞和特征選擇技術(shù)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確率較高的垃圾郵件過濾系統(tǒng)。在該實(shí)驗(yàn)中，難點(diǎn)在于如何提高分類準(zhǔn)確率。提高準(zhǔn)確率與多個(gè)因素相關(guān)，如訓(xùn)練集的選擇、文本分詞的準(zhǔn)確性、特征選擇的合理性等，需要學(xué)生仔細(xì)分析并作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在圖像信息隱藏實(shí)驗(yàn)中，不僅要求學(xué)生實(shí)現(xiàn)LSB和DCT算法，還要求學(xué)生能夠采用合理的方法提高其信息隱藏的安全性；而在社交網(wǎng)絡(luò)水軍賬號檢測中，要求學(xué)生采用多種方法對比檢測精度。

測試檢驗(yàn)是對學(xué)生的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行過程控制和評估，主要包括兩種方式：一是掌握學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)情況，通過個(gè)別討論、問卷調(diào)查等多種形式了解其遇到的疑難問題，并適當(dāng)?shù)靥嵝褜W(xué)生有哪些可能的解決途徑；二是現(xiàn)場檢驗(yàn)學(xué)生的完成效果并評定成績，根據(jù)設(shè)定好的評分標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生的完成情況客觀打分。在內(nèi)容安全的各個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)學(xué)生咨詢的問題和教師調(diào)查發(fā)現(xiàn)的問題，給學(xué)生適當(dāng)?shù)姆答?，以引?dǎo)其順利完成實(shí)驗(yàn)。例如，在網(wǎng)絡(luò)爬蟲實(shí)驗(yàn)中，部分學(xué)生卡在模擬登錄問題上，教師可適時(shí)地給出一個(gè)案例并提供相關(guān)的學(xué)習(xí)資料，輔助其模仿和參考；在垃圾郵件過濾中，針對分類準(zhǔn)確率不高的問題，提示學(xué)生可從特征向量長度、分詞算法等方面進(jìn)行優(yōu)化；在安全圖像信息隱藏和網(wǎng)絡(luò)水軍檢測的算法設(shè)計(jì)過程中，讓學(xué)生討論可能的安全策略和檢測算法，輔助其順利完成實(shí)驗(yàn)。

拓展創(chuàng)新是指學(xué)生可在原始實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能或性能的改進(jìn)，目的是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和提高研究水平。教師可設(shè)定拓展任務(wù)，也可以由學(xué)生自己提出拓展創(chuàng)新點(diǎn)。為了激勵學(xué)生拓展創(chuàng)新，該內(nèi)容可作為實(shí)驗(yàn)成績的加分項(xiàng)。例如，在爬蟲實(shí)驗(yàn)中，我們提出多線程爬蟲、代理爬蟲、自動識別驗(yàn)證碼和模擬真實(shí)用戶行為作為拓展加分項(xiàng)，結(jié)果顯示有50%的學(xué)生可以自主完成多線程爬蟲程序，另有20%的學(xué)生可以實(shí)現(xiàn)代理爬蟲；在垃圾郵件過濾中，我們將分類準(zhǔn)確率和召回率作為加分項(xiàng)，結(jié)果顯示部分學(xué)生能綜合采用多種分類方法提升準(zhǔn)確率和召回率；在圖像信息隱藏實(shí)驗(yàn)中，我們將安全策略數(shù)量作為加分項(xiàng)，結(jié)果顯示20%的學(xué)生可提供兩種以上的安全策略；在社交網(wǎng)絡(luò)水軍檢測中，我們將檢測精度作為加分項(xiàng)，同樣有效地鼓勵了學(xué)生創(chuàng)新。

實(shí)踐表明，采用五步遞進(jìn)教學(xué)方法能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)造力，對教學(xué)活動有很好的促進(jìn)作用。

4 五步遞進(jìn)教學(xué)中的注意事項(xiàng)

1）適當(dāng)增加設(shè)計(jì)實(shí)踐的時(shí)間。

由于授課時(shí)間有限，如何分配理論和實(shí)踐的時(shí)間是很多課程中需要權(quán)衡的問題。從內(nèi)容安全課程的教學(xué)過程來看，適當(dāng)增加設(shè)計(jì)實(shí)踐時(shí)間的教學(xué)效果更好，主要原因是實(shí)踐過程可以促使學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識并深化其理解過程。教師增加理論講授時(shí)間的目的是幫助學(xué)生理解知識概念，在實(shí)踐過程中少走彎路。事實(shí)上，這樣做反而可能在一定程度上降低學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)造力。適當(dāng)降低理論時(shí)間、增加設(shè)計(jì)時(shí)間后，學(xué)生有較多時(shí)間投入動手操作過程中，通過多走一些彎路反而更容易增加實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，且促使學(xué)生通過自學(xué)深化理論理解。在內(nèi)容安全課程中，我們的理論講授和設(shè)計(jì)實(shí)踐時(shí)間的比例為1：1，結(jié)果顯示增加實(shí)踐時(shí)間后學(xué)生的作業(yè)完成的質(zhì)量更高。

2）掌握學(xué)生的實(shí)踐進(jìn)度。

在設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中，教師需要實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的實(shí)踐進(jìn)度，以保證實(shí)踐任務(wù)順利實(shí)施。在設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中，學(xué)生會遇到各種不同問題，有的學(xué)生希望自己查資料解決，有的學(xué)生則咨詢別人，還有的學(xué)生完全沒有解決思路，為此，教師需要根據(jù)問題類型分別處理，如對于多數(shù)學(xué)生碰到的疑難問題，可在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間點(diǎn)采用現(xiàn)場答疑、提示、演示等方式為學(xué)生提供幫助；對于少數(shù)沒有實(shí)踐思路的學(xué)生，則可以根據(jù)其具體情況提供建議、學(xué)習(xí)資料等。

3）采取客觀公正的激勵和懲罰措施。

客觀公正的激勵和懲罰措施有助于學(xué)生形成正向反饋。激勵是指對學(xué)生的實(shí)踐結(jié)果和拓展創(chuàng)新進(jìn)行公正的評估和獎勵；懲罰則主要針對學(xué)生在實(shí)踐過程中的抄襲行為。實(shí)際操作過程中，激勵不夠、懲罰不嚴(yán)都可能造成學(xué)生學(xué)習(xí)能動性和自我約束力的降低。在內(nèi)容安全課程中，我們規(guī)定將代碼相似度超過90%以上的作業(yè)所指向?qū)W生的成績同時(shí)記為0分，對每個(gè)任務(wù)的拓展創(chuàng)新則給予20%～30%的加分獎勵。

5 結(jié) 語

基于學(xué)習(xí)圈理論提出“案例體驗(yàn)—原理剖析—設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)—測試檢驗(yàn)—拓展創(chuàng)新”的五步遞進(jìn)教學(xué)方法，教學(xué)效果明顯提升，主要表現(xiàn)在：①結(jié)課后的調(diào)查顯示，90%以上的學(xué)生能夠理解并掌握理論知識的重點(diǎn)和難點(diǎn)；②每個(gè)實(shí)驗(yàn)的平均操作時(shí)間與理論講授時(shí)間比例達(dá)到4：1，學(xué)生的動手實(shí)踐能力得到充分鍛煉和提升；③學(xué)生創(chuàng)新能力明顯提升，部分學(xué)生已具備學(xué)術(shù)研究的基本素質(zhì)；④實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生能夠自覺查閱文獻(xiàn)、集成多種方法設(shè)計(jì)優(yōu)化算法、對比多種算法的效果以及使用開源工具驗(yàn)證所設(shè)計(jì)算法的有效性。

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（編輯：宋文婷）