王瑞敏，常 瑞，唐永鶴

（信息工程大學 網(wǎng)絡空間安全學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，移動智能設備得到了普及和應用，網(wǎng)絡安全形勢日益嚴峻，利用網(wǎng)絡干涉他國內(nèi)政以及大規(guī)模網(wǎng)絡監(jiān)控、竊密等活動嚴重危害用戶信息安全，網(wǎng)絡基礎設施遭受攻擊破壞等重大安全事件正嚴重危害經(jīng)濟安全和公共利益[1]。網(wǎng)絡空間安全的技術(shù)領域發(fā)生根本性變革，使得高端人才培養(yǎng)也勢必隨之改變，尤其以嵌入式設備為核心的各類通用和專用計算系統(tǒng)的開發(fā)、設計逐漸成為網(wǎng)絡空間的重點和熱點[2]。網(wǎng)絡空間安全領域人才要求：熟悉網(wǎng)絡中智能終端構(gòu)成、特點和屬性；掌握嵌入式處理器工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)方法；具備初步的網(wǎng)絡智能嵌入式系統(tǒng)的運用能力。嵌入式系統(tǒng)課程作為信息安全專業(yè)和網(wǎng)絡工程專業(yè)的核心課程，為滿足網(wǎng)絡空間安全人才新需求，應將知識傳授、能力訓練和綜合素質(zhì)培養(yǎng)融為一體，突出對學員的綜合能力和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，對理論教學內(nèi)容、實驗內(nèi)容和教學活動科學梳理，使學員了解嵌入式系統(tǒng)的定義、特點和應用領域；理解嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理，了解嵌入式系統(tǒng)設計的基本過程和常用軟硬件開發(fā)工具，掌握嵌入式系統(tǒng)的軟硬件及調(diào)試方法。

1 打造功底厚實的理論教學

本課程教學內(nèi)容按照由淺入深、由整體到局部、再由局部到整體的思路，從嵌入式系統(tǒng)的基本概念、特點和應用領域入手，逐步討論嵌入式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理；從硬件和軟件兩個方面介紹嵌入式系統(tǒng)的設計方法和過程；介紹嵌入式系統(tǒng)的硬件設計與軟件開發(fā)方法。嵌入式系統(tǒng)應用采用實際系統(tǒng)的演示和分析，鞏固和加深學員對所學知識的理解和掌握，培養(yǎng)學員發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。

1.1 構(gòu)建模塊化基礎教學內(nèi)容

課程以培養(yǎng)功底厚實、知識結(jié)構(gòu)完整為目標，結(jié)合網(wǎng)絡空間安全中相關(guān)的典型目標設備（如網(wǎng)絡設備、加密終端設備等），針對嵌入式系統(tǒng)的安全性測試與分析等需求，梳理教學內(nèi)容之間的關(guān)系，明確課程中教學重點、知識點的銜接關(guān)系。面對市場上千余種嵌入式處理器，重點分析常用的X86和ARM的處理器體系結(jié)構(gòu)。圍繞網(wǎng)絡空間中各種嵌入式系統(tǒng)，抽象成一個統(tǒng)一的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行剖析和講解。課程的教學內(nèi)容設計為4個模塊，具體內(nèi)容見表1。

基本教學內(nèi)容的講解使學員能夠了解嵌入式系統(tǒng)的定義與特點，掌握嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)、嵌入式處理器相關(guān)配套電路，并能從嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程、外圍設備接口、外部設備等多方面認識嵌入式系統(tǒng)。

表1 嵌入式系統(tǒng)基礎教學內(nèi)容

1.2 增加實用性拓展教學內(nèi)容

由于嵌入式技術(shù)和裝備的更新越來越快。嵌入式設備由原來的單一X86平臺向ARM、MIPS、PowerPC、DSP、FPGA等其他架構(gòu)（甚至是異構(gòu)）的多平臺擴展，使得網(wǎng)絡空間安全更加的復雜多樣。教學內(nèi)容也由單一的X86位處理器向多處理器擴展，實現(xiàn)PC X86和ARM技術(shù)的融合性和組合性，以此適應更加復雜多樣的網(wǎng)絡空間安全領域。

結(jié)合嵌入式設備技術(shù)的最新發(fā)展，開展嵌入式系統(tǒng)應用案例分析和ARM安全擴展技術(shù)內(nèi)容，分析網(wǎng)絡空間安全中嵌入式系統(tǒng)及其應用技術(shù)，整理嵌入式設備分析的理論、技術(shù)和方法等，使學員全面深入地了解嵌入式系統(tǒng)及其應用技術(shù)，為網(wǎng)絡空間安全方向進一步開設基于嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)研究提供支持。

2 搭建多層次、階梯式實踐教學

以新形勢下網(wǎng)絡空間安全人才培養(yǎng)需求為指導，以培養(yǎng)學員的嵌入式設計能力為目標，按照鞏固理論知識、增強實踐能力、錘煉合作精神、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的理念。通過課內(nèi)基礎實踐、綜合性實踐和課外自主創(chuàng)新競賽相結(jié)合的多層次、階梯式教學逐步提高學員的理論水平[3]，增強學員分析、解決實際問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，錘煉學員工程實踐能力。將“重實踐、重自主”作為實踐教學的基本原則，切實把自主實踐教學有機地結(jié)合起來，培養(yǎng)學員“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的工程能力及工程素養(yǎng)，并養(yǎng)成良好的工作作風和團隊協(xié)作意識”。

2.1 面向系統(tǒng)認知能力的基礎性實踐

基礎性實驗以驗證性實驗為主，通過讓學員獨立完成預先設計好的實驗，加深對基本理論的理解，使學員熟悉具體的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具及環(huán)境，盡快建立直觀的認識。實驗包括I/O接口、串口通信、實時時鐘、看門狗、數(shù)碼管顯示、呼吸燈、A/D轉(zhuǎn)換、傳感器等基礎實驗[4]，并任選3～4個基礎實驗進行功能擴展。通過基礎性實驗的學習，學員能夠掌握常見的串口、時鐘中斷、鍵盤、LCD液晶屏和觸摸屏等設備模塊端口配置、工作方法及驅(qū)動開發(fā)等。

2.2 面向系統(tǒng)開發(fā)能力的綜合性實踐

采取項目為導向的綜合性、探究式實驗，加強學員系統(tǒng)開發(fā)技能訓練[5]。在這個環(huán)節(jié)需要團隊合作，2～3人組成一個項目小組，按照項目開發(fā)的流程進行可行性論證、需求分析、總體設計、測試性能、撰寫文檔、項目答辯等。綜合性實驗包括機器人控制、數(shù)據(jù)采集、導航系統(tǒng)、嵌入式無限通信系統(tǒng)等。通過完成其中一個綜合性實驗，使得學員能夠掌握嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、工作原理、基本概念、開發(fā)工具和設計開發(fā)過程，熟悉嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)環(huán)境、調(diào)試方法和基本開發(fā)過程，加深對理論教學中的基本概念和基本理論的理解，同時通過小組合作，培養(yǎng)學員團隊協(xié)作精神。

2.3 面向?qū)W科競賽的自主創(chuàng)新實踐

以學科競賽推動專業(yè)建設，將課程實踐內(nèi)容和競賽有機結(jié)合，培養(yǎng)學員自主創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作和工程實踐能力[6]。本課程相關(guān)的校外自主創(chuàng)新實踐包括全國大學生Robomasters機器人競賽、全國大學生物聯(lián)網(wǎng)競賽、ACA體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽。學科競賽是以嵌入式系統(tǒng)課程實踐教學為依托，利用業(yè)余時間和暑假，先后對3屆學員進行實踐專題培訓及競賽輔導，包括創(chuàng)意指導、方案制訂與修改、文檔撰寫與修改、器件選購、作品實物制作、視頻錄制、答辯講稿（PPT）制作和作品演示等。通過競賽使得學員在代碼編寫、硬件設計、文檔撰寫、創(chuàng)新思維、團隊協(xié)作等方面得到了很大的鍛煉和提高。

圍繞學員的嵌入式系統(tǒng)實踐能力的培養(yǎng)，鼓勵學員參加學科競賽，為他們提供創(chuàng)新實踐環(huán)境，啟發(fā)創(chuàng)新思維，提高其理論水平、動手能力和創(chuàng)新意識。

3 設計以學生為主體的教學活動

3.1 圍繞“教為主導、學為主體、重在實踐”組織教學

構(gòu)建“以學員為中心”的學習環(huán)境，使教員由講授者轉(zhuǎn)變成課堂的組織者、參與者，可以有效促進學員學習的主動性。授課方式由傳統(tǒng)“理論授課+實踐教學”的模式調(diào)整為“理論授課+實踐教學+交流研討”的形式，使得師生、學員之間交流討論融入理論授課和實踐教學中，增加學員獲得知識和技能的途徑，提高學員學習興趣。例如，選取一個案例或主題，由學員課前查找資料、準備課件，教員課前提供相關(guān)核心素材和指導。課上教員可以從學員的認知能力和角度講解、分析，然后學員和教員融入專題討論中。

在實踐教學環(huán)節(jié)，教員也參與各組學員的實驗中，共同查找問題、解決問題，確保和學員進行有效溝通和交流，實現(xiàn)了教學相長；實驗室從實驗主陣地變成了展示交流的場所，學員們利用課余時間完成基礎實驗和自己感興趣的實驗，上課時間集中展示，并與大家分享經(jīng)驗、交流問題。一方面提高了學員自主學習的能力，同時也培養(yǎng)了大家發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的工程化思想和創(chuàng)新意識。

3.2 基于HEDE的過程性考核組織方式

考核內(nèi)容貫穿教學始末，由傳統(tǒng)的“平時成績+最終實驗成績”變?yōu)椤癏EDE的過程性考核”。HEDE包括了平時作業(yè)（Homework）、實驗成績（Experiment）、課堂討論（Discussion）和課程考試（Examination）。過程性考核方式始終貫穿在教學活動中，弱化死記硬背考核模式，強化對理解問題、解決問題能力的考核，避免了傳統(tǒng)期末考試“一錘定音”，注重了學員的階段性發(fā)展，使得教員能夠快速掌握學員的學習情況，及時調(diào)整授課策略，具體操作如下。

平時作業(yè)（H）：滿分15分，根據(jù)學員的上交作業(yè)和作業(yè)質(zhì)量情況，分為4檔（優(yōu)、良、中、差）。作業(yè)無故補交或者抄襲者給差評，并在課堂上通報批評，作業(yè)全勤且答案工整、有一定創(chuàng)新者給優(yōu)評。

實驗操作（E）：滿分30分（基礎實驗30%+綜合性實驗20%+課堂實驗展示20%+個人實驗報告30%）。學員通過完成基礎和綜合性實驗、拍攝實驗視頻、課堂宣講展示、撰寫實驗報告等多種方式，不斷在總結(jié)中找到實驗操作的樂趣，提高了自我發(fā)現(xiàn)和總結(jié)能力，滿足了本課程實踐教學的初衷。

交流研討（D）：滿分15分，根據(jù)舉手發(fā)言情況、研討表現(xiàn)、問題答疑和成果驗收，切實培養(yǎng)學員發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力。充分利用平時討論記錄、前沿問題的研究、形成報告及口頭報告等多種方式，強化學生的書寫文檔、語言表達能力。

課程考試（E）：滿分40分，卷面考試包括選擇題、簡答題和綜合題。選擇題主要考察學員對基本概念和術(shù)語的掌握情況；簡答題和綜合題主要考查學員嵌入式系統(tǒng)的設計能力。這個環(huán)節(jié)主要考核學員對本門課程理論學習的掌握程度。

4 教學效果

通過3屆學員的培養(yǎng)實踐證明，收效頗豐。在2015級信息安全專業(yè)中共組織研討交流6次，課堂展示達到40余人次，全部學員完成了基礎實驗，另有12個小組出色完成了小車尋跡、避障等綜合性實驗[7]，其中有3個小組利用攝像頭、溫度傳感器、藍牙、音響等附加模塊，實現(xiàn)了機器人滅火、音樂播放器等創(chuàng)新性實驗。期末考試成績優(yōu)秀率逐年提高，見表2。從各項考核結(jié)果可知，學員基本熟悉嵌入式系統(tǒng)的基本原理和設計過程，能實現(xiàn)一個簡單的具有實際應用價值的嵌入式系統(tǒng)，達到了教學要求，教學效果超過預期。

表2 近3年學員實驗完成率和期末考試成績優(yōu)秀率 %

圍繞學員的嵌入式系統(tǒng)實踐能力的培養(yǎng)，為學員提供創(chuàng)新實踐鍛煉環(huán)境。帶領學員參加全國大學生Robomasters機器人競賽、全國大學生體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新大賽、全國大學生物聯(lián)網(wǎng)競賽，學員在2016—2017年的校外創(chuàng)新實踐中取得了優(yōu)異的成績（表3）。尤其在2017年9月物聯(lián)網(wǎng)總決賽中，所指導的兩支學員團隊經(jīng)過調(diào)試、展示、答辯、交叉評審、十二強循環(huán)賽等環(huán)節(jié)的激烈角逐，從入圍全國總決賽的120支隊伍中脫穎而出，雙雙獲得全國總決賽一等獎。

5 結(jié)語

以網(wǎng)絡空間安全人才培養(yǎng)為目標，我們設計了完整的理論教學內(nèi)容，并按多層次科學梳理了實踐教學內(nèi)容。以學員為主體、教員為主導，夯實了學員理論功底，切實增強了學員的嵌入式軟、硬件實踐能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維、實踐能力和協(xié)作精神。

表3 2016—2017年校外創(chuàng)新實踐獲獎情況