結(jié)合行業(yè)熱點(diǎn)工程案例教學(xué)的開展

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［摘要］移動(dòng)通信作為通信和電子類專業(yè)高年級(jí)本科生的一門重要專業(yè)課程，因?yàn)槠鋬?nèi)容更新快、概念多，理論性、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)難度較大。本研究結(jié)合實(shí)際授課經(jīng)驗(yàn)對(duì)該課程的特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討了工程案例教學(xué)在該門課程中的作用和選題原則，選取偽基站這一當(dāng)前行業(yè)和社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題，從問題導(dǎo)向入手開展了教學(xué)工程案例的開發(fā)，并將開發(fā)成果應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)工作中，從而提高學(xué)生課堂參與的積極性和創(chuàng)新能力。

［關(guān)鍵詞］案例教學(xué);移動(dòng)通信;工程案例;偽基站

一、引言

“移動(dòng)通信”作為通信和電子類專業(yè)高年級(jí)本科生的一門重要專業(yè)課程，因其內(nèi)容涉及面廣、概念多，理論性、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)，同時(shí)要求學(xué)生具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)難度較大。引入案例教學(xué)歷來(lái)是該類課程教學(xué)中提高授課效果的一個(gè)重要手段。北京聯(lián)合大學(xué)智慧城市學(xué)院根據(jù)學(xué)校教務(wù)處對(duì)教學(xué)質(zhì)量提升經(jīng)費(fèi)使用的要求，本著有利于培養(yǎng)高質(zhì)量人才、有利于提升科研和教學(xué)、有利于全院工作能力提升的原則，啟動(dòng)了教學(xué)工程案例項(xiàng)目。學(xué)校通過(guò)該項(xiàng)目推動(dòng)了各專業(yè)課任教師進(jìn)行所授課程的教學(xué)工程案例制作，并積累形成了教學(xué)案例資源庫(kù)。該項(xiàng)目的主要實(shí)施要點(diǎn)包括:第一，每位專業(yè)教師要針對(duì)所授課程，選擇一門課程制作教學(xué)工程案例，案例要求有一定的工程背景或類工程背景;第二，教學(xué)工程案例的內(nèi)容要完備，如軟件教學(xué)工程案例要有源代碼、詳細(xì)注釋等內(nèi)容，電子類、通信類教學(xué)工程案例要有電路圖、PCB圖或算法說(shuō)明，圖中應(yīng)有明確標(biāo)識(shí)和原理說(shuō)明等內(nèi)容;第三，教學(xué)工程案例要提供視頻、音頻等內(nèi)容。以工程案例的制作為契機(jī)，筆者團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)圍繞“移動(dòng)通信”課程中學(xué)生最難以理解的信令流程，同時(shí)選取了當(dāng)前通信行業(yè)熱門的偽基站問題，展開了案例研究和開發(fā)工作。筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)及時(shí)將案例開發(fā)成果引入電子信息類專業(yè)課程教學(xué)環(huán)節(jié)，為案例教學(xué)在通信類課程中的具體應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。

二、移動(dòng)通信的課程特點(diǎn)和難點(diǎn)

移動(dòng)通信是一門實(shí)踐性、應(yīng)用性、綜合性都很強(qiáng)的課程，是一門對(duì)電子信息類高年級(jí)本科生來(lái)說(shuō)非常重要的專業(yè)課，也是學(xué)生在經(jīng)歷了信號(hào)與系統(tǒng)、通信原理等前續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)之后，進(jìn)入實(shí)際通信系統(tǒng)階段學(xué)習(xí)的重點(diǎn)內(nèi)容。移動(dòng)通信不僅是信息類學(xué)生本科階段學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，而且是難點(diǎn)。首先，移動(dòng)通信課程內(nèi)容的綜合性很強(qiáng)，既有無(wú)線電波傳播等移動(dòng)通信基礎(chǔ)理論，又涉及大量實(shí)際通信系統(tǒng)算法和實(shí)踐性內(nèi)容。而且，移動(dòng)通信課程所涉及的通信系統(tǒng)跨度也很大，從早期模擬制式的移動(dòng)通信系統(tǒng)(AMPS/TACS)，到2G、3G、4G，乃至最新的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)，都是移動(dòng)通信課程的教學(xué)內(nèi)容。其次，當(dāng)前通信系統(tǒng)的發(fā)展和技術(shù)更新速度很快，大量新的技術(shù)、算法、概念不斷涌現(xiàn)，學(xué)生要在短時(shí)間內(nèi)理解這些內(nèi)容難度很大，加之前續(xù)課程都是以理論為主，學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的認(rèn)識(shí)，在學(xué)習(xí)各種概念和算法的過(guò)程中，往往缺乏感性認(rèn)識(shí)，無(wú)法深入理解概念本身及其背后的原理，從而影響了學(xué)習(xí)效果。最后，學(xué)校雖然開展了一定的案例式教學(xué)探索，但由于教學(xué)觀念和教學(xué)方法的相對(duì)落后，教學(xué)并未到達(dá)預(yù)期效果。

三、案例教學(xué)在教學(xué)中的意義和選題

(一)案例教學(xué)的意義在世界范圍內(nèi)，利用案例組織教學(xué)活動(dòng)最具影響的學(xué)校首推美國(guó)哈佛商學(xué)院。哈佛商學(xué)院成功地運(yùn)用案例教學(xué)法培養(yǎng)出了大量杰出的工商界成功人士，也使案例教學(xué)成為一種風(fēng)靡全球，并且代表著未來(lái)教育方向的成功教育模式。在我國(guó)，案例教學(xué)已被越來(lái)越多的人所接受，并在法學(xué)、師范教育等專業(yè)得到了成功的運(yùn)用，以案例教學(xué)為核心的MBA課程也得到了廣泛認(rèn)同。［1］案例教學(xué)法是目前比較流行的一種教學(xué)方式，即教師通過(guò)向?qū)W生提供實(shí)際發(fā)生的情況或事件的案例，采用師生和生生多向互動(dòng)、平等對(duì)話和積極研討的形式解決問題，旨在培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生主動(dòng)參與課堂討論的積極性、提高學(xué)生實(shí)踐能力的一種教學(xué)方法。［2］移動(dòng)通信課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，且內(nèi)容非常龐雜且抽象，教師如果單純地采取單向灌輸式的教學(xué)方式，那么最后的教學(xué)效果會(huì)很差。因此，案例教學(xué)是非常重要的一種提高教學(xué)效果的教學(xué)方式。

(二)案例的選題原則案例的選題應(yīng)滿足以下基本原則:第一，與當(dāng)前行業(yè)的熱點(diǎn)緊密聯(lián)系，便于引起學(xué)生的興趣;第二，緊扣課程關(guān)鍵內(nèi)容，易于將重要概念、算法、流程等用更簡(jiǎn)便、清晰、直觀的方式展現(xiàn)出來(lái);第三，易于學(xué)生直接參與?；谏鲜鲈瓌t，筆者團(tuán)隊(duì)選擇了“偽基站”這一當(dāng)前行業(yè)和社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題作為實(shí)施案例教學(xué)的核心內(nèi)容，具體原因如下。第一，偽基站由于存在影響合法通信系統(tǒng)正常工作、侵犯手機(jī)用戶正常通信權(quán)利、侵犯?jìng)€(gè)人信息隱私和財(cái)產(chǎn)安全等諸多問題，成為近年來(lái)媒體頻繁曝光、公安部和工信部等相關(guān)部門重點(diǎn)打擊的非法行為。［3—4］學(xué)生應(yīng)對(duì)該問題有一定的了解。第二，偽基站的原理是利用現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)重選信令流程中的技術(shù)漏洞，通過(guò)無(wú)線參數(shù)上的偽裝實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶通信過(guò)程的攻擊。這其中涉及信令、算法和具體的基站設(shè)備等重要內(nèi)容，教師可以通過(guò)精心設(shè)計(jì)案例內(nèi)容讓學(xué)生更好地參與課程互動(dòng)。

四、工程案例的制作

在案例設(shè)計(jì)上，一方面，筆者團(tuán)隊(duì)通過(guò)講解偽基站所涉及的信令漏洞和偽基站技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理，讓學(xué)生對(duì)相關(guān)信令流程和機(jī)制有更具體的認(rèn)識(shí);另一方面，筆者團(tuán)隊(duì)還通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生針對(duì)這種問題思考可采用什么好的方法進(jìn)行對(duì)抗，從而激勵(lì)學(xué)生整合并利用學(xué)過(guò)的知識(shí)來(lái)解決本領(lǐng)域的實(shí)際問題。

(一)偽基站的工作原理偽基站的主要功能是利用移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)議上的缺陷，捕獲手機(jī)用戶的IMSI和IMEI號(hào)等敏感的標(biāo)識(shí)信息，再偽裝成任意號(hào)碼向被攻擊用戶的手機(jī)進(jìn)行垃圾短信的推送，實(shí)施詐騙等不法活動(dòng)。偽基站不僅對(duì)用戶正常使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生負(fù)面影響，而且會(huì)對(duì)用戶的利益造成損失，對(duì)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾?，F(xiàn)在的偽基站由于尺寸較小，既可安裝在路燈桿、橋下等不易發(fā)覺的位置，又可放置在車上流動(dòng)使用，因此，難以被發(fā)現(xiàn)和追蹤。

(二)偽基站入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理和架構(gòu)偽基站入侵檢測(cè)與分析的研究一直是業(yè)界的熱點(diǎn)之一。［5—6］筆者團(tuán)隊(duì)在分析現(xiàn)有方法的不足的基礎(chǔ)上，提出了一種偽基站入侵的檢測(cè)算法，并結(jié)合課堂教學(xué)的特點(diǎn)開發(fā)了一款智能手機(jī)應(yīng)用軟件。該軟件可以通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的變化，結(jié)合偽基站攻擊時(shí)的參數(shù)特征(包括信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的劇烈波動(dòng)，LAC/CI編碼出現(xiàn)非本地的特殊值以及乒乓切換現(xiàn)象和信號(hào)脫網(wǎng)等)，再通過(guò)對(duì)多個(gè)判決條件以加權(quán)的方式進(jìn)行偽基站攻擊行為的綜合分析判斷，有效地偵測(cè)用戶終端收到的鄰近偽基站的入侵行為，并實(shí)時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，避免偽基站入侵可能給手機(jī)用戶帶來(lái)的損失。相關(guān)檢測(cè)算法已申請(qǐng)發(fā)明專利并獲得授權(quán)。［7］圖1為該系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

(三)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程和軟件界面軟件的基本工作流程如下:1．啟動(dòng)監(jiān)測(cè):軟件啟動(dòng)后，以后臺(tái)運(yùn)行的方式在手機(jī)上工作。2．采集參數(shù):軟件周期性地采集網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)相關(guān)參數(shù)供后續(xù)的判決使用(見圖2)。3．參數(shù)判決:通過(guò)分析實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的特征，進(jìn)行特征符合度的識(shí)別和判決。4．預(yù)警顯示:一旦偽基站入侵的特征符合度超過(guò)預(yù)設(shè)門限，就立即啟動(dòng)相關(guān)預(yù)警。利用通知欄和聲音進(jìn)行提示，用戶可以點(diǎn)擊進(jìn)入軟件中看到具體的判決結(jié)果信息。

五、案例在教學(xué)實(shí)踐中的具體應(yīng)用

筆者團(tuán)隊(duì)將該案例的開發(fā)成果應(yīng)用于通信工程專業(yè)、電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)高年級(jí)本科生的“移動(dòng)通信”課程的教學(xué)過(guò)程中。首先，教師會(huì)介紹GSM和LTE系統(tǒng)的基本信令流程，引導(dǎo)學(xué)生直觀地理解GSM和LTE系統(tǒng)位置區(qū)更新的信令流程和鑒權(quán)流程的特點(diǎn)和存在的技術(shù)漏洞，認(rèn)識(shí)當(dāng)前日益猖獗的基于偽基站的垃圾和詐騙短信現(xiàn)象對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和用戶的影響。然后，教師利用無(wú)線電監(jiān)測(cè)站繳獲的實(shí)際偽基站設(shè)備(如圖3所示)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)攻擊演示，使學(xué)生對(duì)偽基站攻擊過(guò)程有感性認(rèn)識(shí)。接著，教師通過(guò)啟發(fā)式教學(xué)方式，以問題導(dǎo)向的手段引導(dǎo)學(xué)生圍繞著“如何應(yīng)對(duì)這種攻擊行為”進(jìn)行思考并展開熱烈討論。通過(guò)這種討論，教師可以引導(dǎo)學(xué)生梳理之前學(xué)習(xí)過(guò)的專業(yè)知識(shí)。雖然在短時(shí)間內(nèi)學(xué)生難以給出較為合理的對(duì)抗方法，但對(duì)于鞏固已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)仍然起到了積極的作用，并能有效激發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)和能力。最后，在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，教師介紹利用參數(shù)監(jiān)測(cè)和特征匹配的方法進(jìn)行偽基站攻擊行為的判別。在此基礎(chǔ)上，教師可以借助所開發(fā)的偽基站入侵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)利用偽基站設(shè)備開展實(shí)際攻擊，并觀察手機(jī)上網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)參數(shù)的變化以及該系統(tǒng)的實(shí)際工作效果，從而更進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)于偽基站攻擊行為和相應(yīng)應(yīng)對(duì)方法有效性的理解。實(shí)踐證明，教師利用偽基站設(shè)備開展課堂教學(xué)的效果良好，學(xué)生的參與度高，互動(dòng)積極、氣氛活躍。

六、總結(jié)

“移動(dòng)通信”作為電子信息類本科專業(yè)學(xué)生的高年級(jí)專業(yè)課，具有課程內(nèi)容更新快、涉及的知識(shí)概念和算法原理性內(nèi)容多且較難理解、綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，在授課過(guò)程中往往存在教學(xué)效果差的問題。筆者團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些問題，從強(qiáng)化應(yīng)用性和實(shí)踐性的角度入手，對(duì)強(qiáng)化工程案例教學(xué)在該課程中的應(yīng)用展開了有益的探索。首先，教師結(jié)合實(shí)際授課經(jīng)驗(yàn)對(duì)移動(dòng)通信課程的特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了分析，探討了案例教學(xué)在該門課程中的作用和選題原則，選取偽基站這一當(dāng)前行業(yè)和社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題開展了相應(yīng)的教學(xué)工程案例的開發(fā)，并將開發(fā)成果應(yīng)用于實(shí)際教學(xué)的工作中。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生形成以解決問題為導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)力的學(xué)習(xí)方式，在教學(xué)過(guò)程中不僅完成了專業(yè)知識(shí)的傳授，而且鍛煉了學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力，取得了良好的教學(xué)效果。

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作者：李克 許菁菁 蘇利敏 單位：北京聯(lián)合大學(xué)智慧城市學(xué)院