开放式的网络与安全实验室建设与教学改革探索

王 虎， 张立江， 陈 伟， 钱冠伸

(1. 中国矿业大学 计算机科学与技术学院， 江苏 徐州 221116; 2. 锐捷网络有限公司， 北京 100036)

0 引 言

教育部关于进一步深化本科教育的《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》和“教育部等部门关于进一步加强高校实践育人工作的若干意见” 都强调了实践教学的重要作用，明确提出了“强化实践教学，努力提高学生的实践创新能力”的要求，强化了“实践育人”意识，实践教学的重要性不言而喻。目前各大高校所制定的新版培养计划普遍都大幅度提高了实验和实践教学的学时和学分比例。

当前，移动互联网和云计算等新技术已广泛应用在科技创新、工业生产、生活服务等领域中，对于高校来说，教育教学方式也必然在其影响下迎来变革[2-4]。本文围绕计算机科学与技术学院网络与安全实验室建设和所进行的一系列教学改革探索，探讨新形势下如何进行实验和实践教学改革。

1 网络与安全实验室历史沿袭和面临的问题

1.1 历史沿袭

我校计算机科学与技术学院网络与安全实验室于2003年筹建，2005年建成投入使用，是当时国内较先进的网络与安全实验室之一，采用了当时流行的分组机架方案，部署了锐捷公司的多组实验机架，每组包括多台路由器、交换机和防火墙等设备，采用分组实验方式，可以进行路由、交换、网络安全、复杂网络组建和网络管理等实验。该实验室支持了我校信息安全和网络工程2个专业的实验和实践教学工作，先后开展了“计算机网络”“网络安全”“路由与交换”等10多门专业课的实验教学和“网络系统与安全实践”“网络规划课程设计”“路由与交换实践”等近10门实践课程的教学，同时支持信息安全和网络工程专业本科毕业设计、大学生实践创新训练计划、学科竞赛等一系列实践创新活动，发挥了巨大的作用[5]。

1.2 所面临问题

(1) 设备陈旧、整体方案已落伍。截至2016年，该网络与安全实验室已运行10余年，长期高强度的实验教学使交换机、路由器等主要实验设备老化严重、故障频发，设备故障已成为学生实验失败的原因之一，教师常被迫在实验课上花费宝贵的教学时间来解决设备故障，严重影响了教学效果。该实验室所采用的分组机架方案的优点是学生可以接触到实体的物理设备，可以锻炼学生实践动手能力；缺点是投资大、设备种类杂、数量多，维护工作量大，实验PC已与机架等物理设备绑定，远程在线实验难以开展[6]。

现今国内以西普教育、永信至诚和合天智汇为代表的一些公司推出了包括网络安全、程序设计、操作系统、大数据和云计算等多种实验项目在内的在线云平台实验方案，将逐步成为今后的主流。其优点是实验环境和服务部署在服务器端，不依赖PC性能，实验部署快速便捷、各组实验环境相对独立、全虚拟化，支持开放式远程在线实验等[2]。

(2) 实验与实践教学和考核模式落后。当前很多高校对实验和实践教学没有一套专门、行之有效的考核机制，实验教学考核往往附属于理论教学考核，实验成绩所占比例较小，师生不重视，导致实验和实践教学质量不高[7]。多数高校传统的实验教学模式，通常实验教师给出实验指导书并进行简单讲解，而后学生即开始做实验，实验课结束学生上交实验报告，成绩大多依据出勤情况和实验报告给出。这种教学和考核模式缺乏客观性和可操作性，教师在实践教学过程完成后考核评价学生，评价结果无法反映实践过程中的学生表现，同时因为没有明确的可操作的评价标准，使考核评价结果存在较大的主观性[8-11]。

(3) 无法开展开放式和远程在线实验。在移动互联网与云计算等新技术的推动下，高校都大力开展开放式和远程在线实验，远程开放实验突破了传统的实验教学模式受时间、地点和设备的限制，利用互联网和云计算、虚拟仿真技术构建一个远程、开放的实验环境，可以全面提高实践教学水平和学生的实践动手能力[12-15]。然而，受限于实验条件，我校网络与安全实验室无法开展任何开放式和远程在线实验教学。

2 新形势下实验和实践教学的变革方向

在移动互联网、云计算及大数据等新技术的影响下，实验和实践教学也必然迎来变革。

(1) 实验环境云化。传统以PC为主体的实验环境将被云实验环境替代，实验环境部署在云服务器端，借助虚拟仿真技术进行实验，不再依赖于PC的性能，具有部署快捷、维护工作量小和系统升级方便等优势[2-4]。

(2) 实验和实践考核客观化、自动化，过程化。对编程类实验，云平台将与考核平台相融合，可自动进行代码审查，在云端进行编译和运行，自动审核运行结果并评分；对于调试和实操类实验，云实验平台可实现每一步操作的自动记录、验证和自动评分，并具有过程回放功能；对实践类课程，将考核融入到平时实践中，云实验平台可自动记录和监控学生的实验过程和成长轨迹，便于教师进行最终的评判考核[3]。

(3) 实验终端移动化。借助于云实验平台和移动互联网技术，突破了传统实验环境的局限，开展实验不再局限于实验室和PC，任何时间任何地点均可以远程在线做实验，实验终端可以是笔记本，平板电脑，甚至是大屏智能手机，无限拓展了实验室的时间和空间。

(4) 物理设备池化。出于加强学生动手能力，锻炼与实体设备交互能力及操作能力的目的，路由器、交换机等实体物理设备仍有存在的必要，但不再采用分组机架的方式，而是通过软件定义使之与云实验平台结合，把物理设备归入设备池管理，软硬结合，设备分配与管理均通过云实验平台定义，所有设备统一管理，都支持远程接入和在线实验，打破了原先分组机架方式难以远程接入和无法跨组使用设备的弊端。

3 网络与安全实验室的建设和教学改革探索

3.1 全面更新实验设备，部署云实验平台

在“中央高校改善基本办学条件专项资金”的支持下，我校网络与安全实验室设备得到了全面更新，2016年全新的网络与安全实验室建成并投入使用。新实验室部署了锐捷公司的10组分组机架作为网络实验设备，每组机架不仅包括交换机、路由器、防火墙等设备，还包含上网行为审计、入侵检测等设备，涵盖了交换、路由、无线、IPv6和复杂网络组建等综合性的网络实验。此外，网络与安全实验室又部署了西普教育及合天智汇的云安全实验、网络攻防实训和信息安全竞赛等云实验平台。这一系列实验设施的投入使用极大地改善了网络与安全实验和实践教学环境，为下一步的教学改革打下了良好的基础。

3.2 充实实验教学内涵，提高实验和实践教学水平

组织相关任课教师和实验指导教师重新编写“网络系统与安全实践”“安全程序设计”和“网络攻防实践”等专业实践课程实验指导书，制作实验指导课件和演示视频，每次实验课要求教师针对实验重点、难点做详细讲解，之后再开展实验，通过丰富课程内涵、狠抓实验指导细节，提高实验质量和实验的成功率。

3.3 实施过程考核、量化考核指标

在诸多专业实践课中，“网络系统与安全实践”是一门侧重锻炼学生实践动手能力的专业实践课程，要求学生使用分组机架自主搭建网络拓扑，配置各种设备命令和参数，最终完成各类网络与安全实验项目，教师需实地验证每组的实验结果。针对该门课程的特点，设计了详细的成果考核表，根据难度和工作量量化了每个实验项目的分值指标，实施量化和过程化考核。这样可以杜绝学生抄袭实验成果，保证实践课程成绩的客观性和公平性。

3.4 实施开放式在线实验

对于“安全程序设计”和“网络攻防实践”这2门专业实践课，将课程的实践任务都部署在云安全实验平台上，在校园网范围内，学生随时随地都可以登录实验平台做实验，突破了传统实验室的时间和地点限制，延伸了实验室的时间和空间。每个子实验课题都根据难度和工作量大小有不同的分值，学生可视自己能力完成不同的实验任务，系统自动判定学生提交的成果，课程结束后，系统自动计算并汇总每个同学最终的总分值。

4 教学改革成果体现

4.1 实验和实践教学质量显著提高

新的实验室设备和实验平台为提高教学水平和教学质量打下了良好的基础，充实了实践教学内涵、狠抓实验指导水平的改革措施，提高了实验和实践教学质量。以“网络系统与安全实践”课程为例：改革前，一个自然班(30人)中仅有20%～30%的同学能够完成全部的10个实验任务，大部分同学仅能完成基本的3～4个实验，仅占全部实验的40%； 改革后，2016～2017学年该门课程的平均实验成功率达到90%以上，绝大部分同学都可以完成实验指导书上所有实验，每个自然班仅个别实验组的最后1～2个实验由于时间原因未能完成，以上成果均有实验记录可考。

4.2 学生实践能力显著提高

在云实验平台的支撑下，网络与安全实验室实施全面的开放式实验，以“安全程序设计”和“网络攻防实践”这2门专业实践课为例，不仅实验的时间和地点开放，实验内容也开放。在部署课程任务时，依据大纲，以任课教师为主导，吸收部分能力突出的同学参与到课程实践任务布置中来，由学生广泛吸取各个开源平台的CTF实践任务和各大流行的安全论坛的技术热点来出题。所以，课程实验的任务数量多，内容及类型丰富，挑战性强。该方式大大激发了信息安全专业大学生的学习动力，互相之间产生了竞争性的学习氛围，个别兴趣高的同学甚至达到了废寝忘食的地步，提前完成全部任务。学生在完成实验的过程中，将所学课程的理论知识应用于实践，大大提高了学生的实践动手能力。

4.3 学生创新能力及学科竞赛水平显著提高

在网络与安全实验室的支撑下，每年信息安全与网络工程系学生均申报并立项超过20项校级、省级或者国家级大学生创新创业训练项目及优秀毕业设计等项目。通过这些创新创业项目的实训，学生的创新实践能力得到了良好的锻炼。

自新实验室投入使用后，在信息安全竞赛平台的支持下，已在本实验室举办了3次校内信息安全大赛，直接参赛的大学生人数超过400人次。实验室的网络攻防实训平台供大学生进行网络攻防实战演练，为他们参加各种国内信息安全和网络安全大赛做准备，每学期参与网络安全与攻防演练均超过1 000人次。在实验室支持下，信息安全与网络工程系师生在各类科技竞赛与创业大赛活动中取得了多项丰硕的成果，已先后获得全国奖14项、省部级奖6项。

5 结 语

高校实验室在学校创建世界一流大学，培养一流学生、建设一流师资队伍方面发挥着特殊的作用[1]。在云计算、移动互联网和大数据等新技术的推动下，实验室建设和实验教学模式已发生了巨大变革，高校应当顺应时代发展，锐意变革，积极推进开放式在线实验，改革实验和实践课程的教学模式和考核模式，这样才能提高实验和实践课程的教学质量，培养适应经济建设和社会发展所需的创新人才。