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摘 要：针对学实验课程存在的问题,借助SPOC 教学方式,设计全新的学实验教学模式,从3 个方面阐述需重点把握的问题,即以实验教师为中心,回归教育本质；以学生为主体,提高学习责任感；以平台为依托,开展全时教学.
关键词：学；实验；SPOC
0 引 言
MOOC（Massive Open Online Courses）, 即大型开放式网络课程[1],借助计算机和网络技术,在各国高校积极参与和推动下,将优质教育送到世界的每个角落,为更多的人提供系统学习的机会.清华大学、北京大学、香港大学、香港科技大学、复旦大学、上海交通大学和国防科技大学等陆续开展了MOOC 教育革命的研究与讨论,并推出多门优质课程,但MOOC 教学存在课程完成率低的问题[2].为了解决这个问题,并且与院校教学实际相结合,SPOC[3]（SmallPrivate Online Course,简称SPOC）应运而生.
SPOC 教学课程多以理论课程为主,而实验课程建设鲜有.目前已出现了多个MOOC/SPOC实验教学平台,如合天网安实验室、实验吧、实验楼等,尽管还不够完善,但已为相关课程开展SPOC 式实验教学提供了基础条件.学作为网络空间安全专业的技术基础课,兼具理论性和实践性.在教学中,教师往往侧重于理论讲解,花费较多课堂时间在各种抽象算法的讲解学习中,忽视了学在实际中的应用；而学实验教学过程则侧重于学生对算法的理解和实现,以验证性实验为主,同时课时较少,使得学生普遍缺乏学习的积极性和兴趣,进一步导致学生实践能力下降.
1 学实验教学存在的问题
学作为学科的理论基础课程是教学中的重点.然而网络空间安全学科是一个创办时间不长的新兴学科,学的教学基础仍然薄弱.近年来,不少学校已经对学实验课程建设进行了有益的探索和尝试,但仍然存在不少问题[4-8].
（1）实验难度高.这体现在两个方面：一是算法本身较为抽象和复杂,学生理解起来就很困难；二是编程难度大,涉及大量数学运算的编程实现.在学中,最为典型的对称算法是DES 算法,在教学中有着重要的地位.对于它的理解和掌握,直接反映了学生对学的学习程度.DES 算法采用Feistel 结构,有着多轮迭代,还使用了较为神秘的S 盒.算法本身让学生在理论学习上就已经望而却步,而在实现过程中,涉及大量的二进制运算和矩阵表达,更是让对编程不熟悉的同学逐渐失去学习的兴趣.
（2）实验基础环境配置复杂[5].算法的实现需要借助于函数库,如GMP 高精度数学库、OpenSSL、Libtomcrypt、Miracl、Crypto++、NTL 等,其中有些大数库是侧重于商业用途且不容易独立成为大数库,如OpenSSL；有的又太过复杂,如Crypto++,这些函数库需要安装在Linux 环境下,对于习惯使用Windows 操作系统的学生来说,既陌生又困难,从而在安装配置方面花费了大量精力.
（3）实验课时有限.一般在设计学课程中,大多保有50~60 学时,其中理论教学30~40学时,实验课课时15~20 学时,但大多学生反映实验课时不够,离开实验室无法开展实验,算法虽能编写出,但理解算法和应用于实践不够深入.
2 SPOC式学实验的教学模型
通过学习众多学者的观点,我们结合SPOC的特点以及学习者的需求,将翻转课堂分为课前、课中和课后3 个阶段来构建模型,如图1 所示.
2.1 课前阶段
在该阶段中,以SPOC 网络教学平台为依托,教师采用任务驱动,强调学生自主学习,并提出问题,以供后续的课中教学研讨.教师要根据学生具体学习情况,进行微视频、相关资料查看任务的布置.学生根据教师的要求,在学习后进行在线实验的实践环节.同时在本阶段,还有在线交流活动环节,教师负责组织,学生按要求参与.可以看出,教师是“SPOC 翻转课堂”内容及进度的设计者,学生是“翻转课堂”的执行者.
2.2 课中阶段
该阶段以传统的课堂教学平台为核心,采用翻转课堂的形式,在教师的正确引导下,鼓励学生主动发言,提出并解决问题,从而达到知识内化的目的.学生通过课前“翻转课堂”的学习,对于知识点有了一定认知,并通过在线实验环节,对学的实验有了进一步理解和掌握.在课堂中,通过与教师和其他同学交流,解决在线实验环节存在的问题,从而使知识得到内化,提高学习的质量.在本阶段,教师是“SPOC 翻转课堂”的主导者,根据学生完成的实验情况,对知识点进行总结归纳,给予新的任务,学生通过实践操作,内化知识.
2.3 课后阶段
由于学课程理论难度高、实践性强、创作性强的特点,该阶段主要进行课程综合创新实验,即学生自由分布,自行选择题目,分别进行需求分析、功能设计,与课堂教学同步进行具体功能的实现,最后进行比赛竞技,以提高学生的整体实践能力.学生可以利用老师在“翻转课堂”中提供的一些“拓展知识”进行实践创新,在线与老师、同学进行互动交流,使学生对于该课程的学习内容进一步巩固,融会贯通,得到知识的升华.
3 SPOC式学实验教学需把握的问题
3.1 以实验教师为中心,回归教育本质
传统的实验教学往往有着固定的模式和套路,实验教师在准备好实验设施后,需要详细地讲解实验内容,而后要求学生按照要求,完成指定的实验步骤和内容.在这种模式下,强调组织管理的“统一性”和教学内容的“验证性”,导致实验教师的教学内容被限制,教学形式易僵化[9].而SPOC 式实验教学要求教师更多地扮演“指南针”的角色,引导学生独立观察,自主地思考和探索,从而具备发现问题、分析问题和解决问题的能力,这也对实验教师提出了更高要求,不仅需要实验教师能设计、会辅导,更要求在SPOC 支撑环境、SPOC 体系、SPOC 平台、SPOC 教学方法和手段等方面有新的认知和见解.
（1）重视顶层设计.在学实验SPOC 建设中,确立以“培养学生创新精神和实践能力”为目标,将学的“理论学习”和“实验教学”有机结合起来,形成教学不可分割的整体.为此,规划SPOC 学实验教学,全面推进实验教学的内容、手段、方法等方面的建设,改变过去实验课局限于验证理论,明确界定期望的实验成果,重新制定评价策略.
（2）注重教学互动.实验教师充分利用SPOC 教学实验平台的桥梁作用,指导学生的学实验,改变过去只能在实验课上沟通交流的时间限制,进行思想上的交流碰撞.同时在此过程中,也可了解学生的想法和反馈信息,以此为依据及时调整教学方法.
（3）精心设计实验活动.实践证明,较短的视频更容易吸引学生,提升学生的学习投入度.一般来说,实验教师应将SPOC 教学内容分解成少于6 分钟即可讲解清楚的视频片段.还应该精心设置实验场景,开展案例式教学,区分实验的难易程度增加综合性、设计性和自拟题目的实验内容,为不同层次的学习提供相应的空间,提高学生探索未知和分析问题的能力.
（4）明确实验评价策略.通过获得学生的反馈信息,并借助SPOC 平台的学习分析技术,确认实验效果在整体上是否达到了预先目标,继续推进和改善实验教学.
3.2 以学生为主体,提高学习责任感
在传统实验教学中,学生的角色被固定化,限定在一定的教学范围内学习,且大多“依葫芦画瓢”,依照提前制定好的实验步骤逐步实施,不去主动思考,创新余地小；而SPOC 式实验教学鼓励学生自主学习、自主参与、团队协作,进一步解放各种束缚,培养学生的自学能力、创新能力和团队协作能力,确保学生的学实验主体地位,因此利用SPOC 式实验教学方式,启发学生自主学习是“重中之重”.
（1）设置开放式实验.SPOC 式实验应设置不同的实验内容,有些要求学生必须掌握,有些供学有余力的学生探索和挑战,支持学生的开放式学习体验,由学生按自己的需求自行选择具体的学习时间与方式.
（2）重视SPOC 中的小组协同学习.鼓励学生自行选择成立学习小组或者临时搭建在线学习小组,支持学生在一个有任务分工、合作协同的小组中,获得算法学习、协同设计、协同实践等学习体验,以完成学实验.这样精心设计一些小组学习则可能有效地提升学生的学习热情.
（3）提供个性化学习服务与支持.为学生提供一些有启示、有争论的问题,促进学生回顾、反思、思考、提取、应用所学内容去解决这些问题,利用SPOC 平台短时间内得到学生的作答,而后实验教师及时解答分析,让学生有一种面对面接受教师个别化辅导的体验.
3.3 以平台为依托,开展全时教学
传统实验教学需要专门的实验室,开放时间受限.SPOC 式实验教学依托MOOC、SPOC 教学平台,利用云计算技术,提前配置好实验环境,让学生通过远程网络的方式,访问实验资源,实现全时教学,在时间和空间上进行了有效扩展.
（1）在线实验平台.利用云计算平台,远程编写DES、IDEA、AES 等对称加密算法以及RSA 和ELGamal 等公钥加密算法.对于当前的DES、AES 和RSA 等复杂度较高的加密算法,可以提供现成的在线破译工具,让学生自己破译之前编写的算法.对于实践性比较强的实验,例如为学生提供 PKI 在线实验模块,其中实验中心模拟CA,学生利用公钥证书实现安全通信.
（2）发挥SPOC 论坛的交流作用.我们发现传统方式的学实验中,同学们遇到一时无法解决的编程问题时,往往一筹莫展,在小范围内讨论求助,无法及时有效地获取信息,逐渐丧失了继续实验的兴趣.学生在学习的过程中,遇到疑问可以请教教师,也可以与其他学习者讨论和交流.通过 MOOC 论坛这种学习模式,每个学生都能感觉到自己在接受教师的单独教授和辅导,也可以从一起学习的同伴那里获得指导以及指导他人,同时感受学与教的快乐.
（3）建立SPOC 式实验教学网站.该网站包括课程导学、讨论协助、相关资源、作品展示、知识扩展等相关板块,为学生构建了完整的学习资源,既有助于学生在课下进行自主性和探索性学习,又可以辅助教师进行课堂教学.网站中优秀作品展示模块,能够更好地激发学生的学习热情,提高创新实践能力.
4 结 语
SPOC 为学实验课程建设提供了一个理想的平台,利用先进的技术开展网络化实验教学,以更加人性化的方式为学生提供学习资源和机会,激发其学习积极性和主动性,使教师和学生都成为课程的建设者和受益者,进而优化学生实验技能的培养.同时我们必须清醒认识到,教师在SPOC 式实验教学中的作用和影响力更大了,这对教师也提出了更高的要求.
参考文献：
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（编辑：郭田珍）
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