信息安全专业操作系统课程教学改革

　　一、引言
　　信息是社会发展的重要战略资源。随着信息技术的发展，国际上围绕信息获取、使用和控制的争斗愈演愈烈，信息安全已成为维护国家安全和社会稳定的重要因素之一，并且国内外都给予了极大的关注和投入。因此，如何加强信息安全学科建设，促进信息安全专业课程改革，为国家和社会培养出符合社会需要的复合型、应用型信息安全专业人才是当务之急。操作系统课程是计算机科学与技术、信息与通信工程的核心课程之一，信息安全专业设置后，操作系统课程也是信息安全专业的核心主干课程之一，其重要性是毋庸置疑的。
　　为了适应信息安全专业的需要，高校应对操作系统课程进行改革，结合信息安全专业的培养目标，将信息安全专业知识渗透到操作系统的教学内容中，做到课程间的有机结合，使学生能够将信息安全理论融入到操作系统设计中，为后续的课程打好专A业基础。本文将从理论教学和实践教学两个方面，讨论信息安全专业操作系统课程的教学改革。
　　二、理论教学改革
　　操作系统是计算机中最重要的软件，它能够对计算机的硬件和软件进行有效的统一管理，便于用户使用计算机。操作系统课程是计算机类专业一门重要的基础课程，其教学内容主要包括进程管理、处理机调度与死锁、存储器管理、设备管理和文件系统五大部分。系统安全问题是信息安全的一个重要研究方向，但是在传统的操作系统课程中并没有涉及到信息安全的相关知识，信息安全专业学生在学习完操作系统课程后，无法将其所学的知识与现有的系统安全问题相结合。因此，针对信息安全专业的特点，理论教学改革应先从教学内容入手，将信息安全中的系统安全技术与操作系统课程的现有内容整合，通过讲授操作系统各个部分的实现原理，让学生深入了解对应系统安全产生的原因和解决方法。如在讲授内存管理时，传统操作系统课程的教学内容需要学生掌握操作系统是如何对内存进行分配、回收和调度。在信息安全专业的操作系统课程中，可以将缓冲区溢出的原理加入其中，使学生真正了解缓冲区溢出攻击的实现方法和预防手段。通过上述将操作系统教学内容和信息安全知识有机的结合起来、相互渗透，学生对操作系统原理和系统安全知识的理解会更加透彻，同时为后续的计算机病毒与原理、网络攻击与防御、逆向工程等信息安全专业课程打下了坚实的基础。
　　三、实践教学改革
　　实践教学内容是信息安全专业课程的一个重要环节。为了培养符合社会需求的工程性应用人才，在信息安全专业课程的教学过程中，强调理论和实际相结合的教学方法，在保障理论教学的基础上，强调实践教学，提高学生的工程实践能力。本节将从实验教学、课程设计和实践活动三个方面来讨论如何对操作系统课程的实践教学内容进行改革。
　　1.实验教学。为操作系统课程开设合适的实验项目是非常困难的，主要问题在于很难找到合适的实验环境，大多数的操作系统相对于学生来说，太大、太复杂，学生很难在短时间内将操作系统的设计结构和实现代码弄清楚。尽管可以让学生分块的实现操作系统的各个功能，如CPU调度、内存管理等，但是在复杂操作系统中，改变其中的一个功能模块，其工作量也是非常巨大的。因此，在选择操作系统作为课程环境时，需要考虑以下问题：(1)所选操作系统的体系结构和实现方法要尽量简单，便于学生快速掌握系统的实现框架，理解各部分的实现思路和方法。(2)所选的操作系统源代码完整且完全公开。学生可以通过在学习现有操作系统源码的基础上，深入理解操作系统的设计原理。(3)所选操作系统有相应的说明文档，便于学生学习，培养学生的程序设计思维。(4)所选操作系统允许程序员修改，可以重新编译、运行。允许学生对操作系统代码进行修改，是对学生实践能力培养的重要手段。学生根据课上所学的理论知识，可以自行修改操作系统功能，并且便于教师添加信息安全的相关实验。根据以上几点，Minix系统是较适合作为操作系统课程实验环境的系统，而且Minix系统中已经包含了一些安全机制，如特权管理和访问控制。在操作系统课程的实验教学环节中，首先要求学生根据所学理论知识读懂对应的Minix系统源代码，然后要求学生分模块的实现对应功能。操作系统原理课程与教学内容同步的实验学时为20学时，除了传统操作系统实验内容：进程管理(4学时)、进程通信(2学时)、内存管理(4学时)、文件系统(2学时)之外，实验内容中还添加了信息安全相关实验缓冲区溢出(2学时)、访问控制(2学时)、加密文件系统(2学时)、资源竞争(2学时)。实验内容包括验证性和设计型两类实验，培养了学生的实际动手能力。
　　2.课程设计。除了与操作系统课程同步的实验教学之外，还可以开设课程设计，让学生能够利用所学操作系统知识，开发、实现相关工具，培养学生的综合设计、开发能力。操作系统课程的实验教学内容是让学生分模块的设计、实现操作系统功能，此类实验对学生理解操作系统的整体架构和工作原理帮助不大，学生无法将各个小的功能模块联系成为一个完整的管理软件，即操作系统。而课程设计的目的是将操作系统课程和其他信息安全相关课程的教学内容相整合，最终实现能够满足实际需求的工程项目。课程设计相对实验教学来说内容较丰富，需要学生组队、合作完成对应的课程设计项目。针对信息安全专业的特点，可以考虑添加与信息安全相关的实验项目，如PE(Portable Executable)文件分析、Windows病毒开发、系统安全工具开发等。通过上述实验项目，让学生在了解操作系统原理的基础上，开发实用的信息安全软件和工具。通过开设课程设计，既能锻炼学生的实际动手能力，又能培养学生的团队协作能力。
　　3.实践活动。除了课堂教学之外，鼓励学生参加各项实践活动也是非常有必要的。组织学生成立大学生创新团队，指导学生申报大学生创新性实验项目，参加校内外举办的信息安全竞赛都是提高学生实践能力的途径。本校每年都组织本专业内、校内、省内及全国信息安全竞赛，同时积极鼓励学生参加校外信息安全竞赛。在此类竞赛中一个重要的考核部分是关于系统安全，即对操作系统漏洞地挖掘和利用，通过以学科竞赛为平台，将操作系统教学引向纵深方向，实现了理论与实践的有机结合，优化了学生的知识结构，促进了学生与其他高校学生和教师的交流，以比赛来使学生得到进步。此外，学院还邀请其他高校、公司有经验的教师、优秀的校友和技术人员来校讲座，增加学生对外沟通和交流的机会，让学生能够接触到新的、实用的业界动态，为今后工作做准备。
　　从实践活动效果来看，学生的实际开发能力提升很快，能够将理论知识更好地融合到实际开发中。此外，实践活动还可以促进学生创新团队建设，通过高年级带动低年级学生，使新生能更早、更快地融入到专业学习中。本校通过几年的尝试，取得了初步成绩，学生在各项信息安全赛事中取得了优异的成绩，培养出来的学生也受到了用人单位的认可。
　　四、结论
　　信息安全学科是一个交叉学科，它需要以计算机、电子、数学等学科的基础知识作为支撑。如何在其他学科的课程基础上，针对信息安全专业特点，独立建设和发展信息安全专业相关课程是需要不断探索的课题。本文从信息安全专业核心课程操作系统出发，针对该课程的理论教学和实践教学两方面进行探讨，提出了对该课程改革的思路。此项改革，在实际教学过程中取得了良好的教学效果，培养了学生的专业兴趣，学生不但获得了扎实的理论基础，而且掌握了较强的专业技能，同时也提高了学生以操作系统知识为基础，应用信息安全相关知识解决实际问题的能力。