结合行业热点工程案例教学的开展

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［摘要］移动通信作为通信和电子类专业高年级本科生的一门重要专业课程，因为其内容更新快、概念多，理论性、综合性和实践性强，学生的学习难度较大。本研究结合实际授课经验对该课程的特点和难点进行了分析，探讨了工程案例教学在该门课程中的作用和选题原则，选取伪基站这一当前行业和社会普遍关注的热点问题，从问题导向入手开展了教学工程案例的开发，并将开发成果应用于实际教学工作中，从而提高学生课堂参与的积极性和创新能力。

［关键词］案例教学;移动通信;工程案例;伪基站

一、引言

“移动通信”作为通信和电子类专业高年级本科生的一门重要专业课程，因其内容涉及面广、概念多，理论性、综合性和实践性强，同时要求学生具有较强的理论基础，导致学生的学习难度较大。引入案例教学历来是该类课程教学中提高授课效果的一个重要手段。北京联合大学智慧城市学院根据学校教务处对教学质量提升经费使用的要求，本着有利于培养高质量人才、有利于提升科研和教学、有利于全院工作能力提升的原则，启动了教学工程案例项目。学校通过该项目推动了各专业课任教师进行所授课程的教学工程案例制作，并积累形成了教学案例资源库。该项目的主要实施要点包括:第一，每位专业教师要针对所授课程，选择一门课程制作教学工程案例，案例要求有一定的工程背景或类工程背景;第二，教学工程案例的内容要完备，如软件教学工程案例要有源代码、详细注释等内容，电子类、通信类教学工程案例要有电路图、PCB图或算法说明，图中应有明确标识和原理说明等内容;第三，教学工程案例要提供视频、音频等内容。以工程案例的制作为契机，笔者团队重点围绕“移动通信”课程中学生最难以理解的信令流程，同时选取了当前通信行业热门的伪基站问题，展开了案例研究和开发工作。笔者团队通过及时将案例开发成果引入电子信息类专业课程教学环节，为案例教学在通信类课程中的具体应用提供了经验。

二、移动通信的课程特点和难点

移动通信是一门实践性、应用性、综合性都很强的课程，是一门对电子信息类高年级本科生来说非常重要的专业课，也是学生在经历了信号与系统、通信原理等前续专业课的学习之后，进入实际通信系统阶段学习的重点内容。移动通信不仅是信息类学生本科阶段学习的重点，而且是难点。首先，移动通信课程内容的综合性很强，既有无线电波传播等移动通信基础理论，又涉及大量实际通信系统算法和实践性内容。而且，移动通信课程所涉及的通信系统跨度也很大，从早期模拟制式的移动通信系统(AMPS/TACS)，到2G、3G、4G，乃至最新的第五代移动通信系统(5G)，都是移动通信课程的教学内容。其次，当前通信系统的发展和技术更新速度很快，大量新的技术、算法、概念不断涌现，学生要在短时间内理解这些内容难度很大，加之前续课程都是以理论为主，学生缺乏对实际网络和网络设备的认识，在学习各种概念和算法的过程中，往往缺乏感性认识，无法深入理解概念本身及其背后的原理，从而影响了学习效果。最后，学校虽然开展了一定的案例式教学探索，但由于教学观念和教学方法的相对落后，教学并未到达预期效果。

三、案例教学在教学中的意义和选题

(一)案例教学的意义在世界范围内，利用案例组织教学活动最具影响的学校首推美国哈佛商学院。哈佛商学院成功地运用案例教学法培养出了大量杰出的工商界成功人士，也使案例教学成为一种风靡全球，并且代表着未来教育方向的成功教育模式。在我国，案例教学已被越来越多的人所接受，并在法学、师范教育等专业得到了成功的运用，以案例教学为核心的MBA课程也得到了广泛认同。［1］案例教学法是目前比较流行的一种教学方式，即教师通过向学生提供实际发生的情况或事件的案例，采用师生和生生多向互动、平等对话和积极研讨的形式解决问题，旨在培养和发展学生主动参与课堂讨论的积极性、提高学生实践能力的一种教学方法。［2］移动通信课程具有很强的实践性，且内容非常庞杂且抽象，教师如果单纯地采取单向灌输式的教学方式，那么最后的教学效果会很差。因此，案例教学是非常重要的一种提高教学效果的教学方式。

(二)案例的选题原则案例的选题应满足以下基本原则:第一，与当前行业的热点紧密联系，便于引起学生的兴趣;第二，紧扣课程关键内容，易于将重要概念、算法、流程等用更简便、清晰、直观的方式展现出来;第三，易于学生直接参与。基于上述原则，笔者团队选择了“伪基站”这一当前行业和社会普遍关注的热点问题作为实施案例教学的核心内容，具体原因如下。第一，伪基站由于存在影响合法通信系统正常工作、侵犯手机用户正常通信权利、侵犯个人信息隐私和财产安全等诸多问题，成为近年来媒体频繁曝光、公安部和工信部等相关部门重点打击的非法行为。［3—4］学生应对该问题有一定的了解。第二，伪基站的原理是利用现有移动通信网络中小区重选信令流程中的技术漏洞，通过无线参数上的伪装实现对用户通信过程的攻击。这其中涉及信令、算法和具体的基站设备等重要内容，教师可以通过精心设计案例内容让学生更好地参与课程互动。

四、工程案例的制作

在案例设计上，一方面，笔者团队通过讲解伪基站所涉及的信令漏洞和伪基站技术实现原理，让学生对相关信令流程和机制有更具体的认识;另一方面，笔者团队还通过引导学生针对这种问题思考可采用什么好的方法进行对抗，从而激励学生整合并利用学过的知识来解决本领域的实际问题。

(一)伪基站的工作原理伪基站的主要功能是利用移动通信系统协议上的缺陷，捕获手机用户的IMSI和IMEI号等敏感的标识信息，再伪装成任意号码向被攻击用户的手机进行垃圾短信的推送，实施诈骗等不法活动。伪基站不仅对用户正常使用移动通信网络产生负面影响，而且会对用户的利益造成损失，对运营商的网络质量也会产生严重的干扰。现在的伪基站由于尺寸较小，既可安装在路灯杆、桥下等不易发觉的位置，又可放置在车上流动使用，因此，难以被发现和追踪。

(二)伪基站入侵监测系统原理和架构伪基站入侵检测与分析的研究一直是业界的热点之一。［5—6］笔者团队在分析现有方法的不足的基础上，提出了一种伪基站入侵的检测算法，并结合课堂教学的特点开发了一款智能手机应用软件。该软件可以通过监测网络参数的变化，结合伪基站攻击时的参数特征(包括信号场强的剧烈波动，LAC/CI编码出现非本地的特殊值以及乒乓切换现象和信号脱网等)，再通过对多个判决条件以加权的方式进行伪基站攻击行为的综合分析判断，有效地侦测用户终端收到的邻近伪基站的入侵行为，并实时发出预警信息，避免伪基站入侵可能给手机用户带来的损失。相关检测算法已申请发明专利并获得授权。［7］图1为该系统的基本架构。

(三)监测系统工作流程和软件界面软件的基本工作流程如下:1．启动监测:软件启动后，以后台运行的方式在手机上工作。2．采集参数:软件周期性地采集网络和业务相关参数供后续的判决使用(见图2)。3．参数判决:通过分析实时采集数据的特征，进行特征符合度的识别和判决。4．预警显示:一旦伪基站入侵的特征符合度超过预设门限，就立即启动相关预警。利用通知栏和声音进行提示，用户可以点击进入软件中看到具体的判决结果信息。

五、案例在教学实践中的具体应用

笔者团队将该案例的开发成果应用于通信工程专业、电子科学与技术专业高年级本科生的“移动通信”课程的教学过程中。首先，教师会介绍GSM和LTE系统的基本信令流程，引导学生直观地理解GSM和LTE系统位置区更新的信令流程和鉴权流程的特点和存在的技术漏洞，认识当前日益猖獗的基于伪基站的垃圾和诈骗短信现象对移动通信网络和用户的影响。然后，教师利用无线电监测站缴获的实际伪基站设备(如图3所示)进行现场攻击演示，使学生对伪基站攻击过程有感性认识。接着，教师通过启发式教学方式，以问题导向的手段引导学生围绕着“如何应对这种攻击行为”进行思考并展开热烈讨论。通过这种讨论，教师可以引导学生梳理之前学习过的专业知识。虽然在短时间内学生难以给出较为合理的对抗方法，但对于巩固已经学习过的知识仍然起到了积极的作用，并能有效激发学生综合运用所学专业知识解决实际工程问题的技术创新意识和能力。最后，在学生讨论的基础上，教师介绍利用参数监测和特征匹配的方法进行伪基站攻击行为的判别。在此基础上，教师可以借助所开发的伪基站入侵实时监测报警系统，现场利用伪基站设备开展实际攻击，并观察手机上网络和业务参数的变化以及该系统的实际工作效果，从而更进一步加深了学生对于伪基站攻击行为和相应应对方法有效性的理解。实践证明，教师利用伪基站设备开展课堂教学的效果良好，学生的参与度高，互动积极、气氛活跃。

六、总结

“移动通信”作为电子信息类本科专业学生的高年级专业课，具有课程内容更新快、涉及的知识概念和算法原理性内容多且较难理解、综合性和实践性强等特点，在授课过程中往往存在教学效果差的问题。笔者团队针对这些问题，从强化应用性和实践性的角度入手，对强化工程案例教学在该课程中的应用展开了有益的探索。首先，教师结合实际授课经验对移动通信课程的特点和难点进行了分析，探讨了案例教学在该门课程中的作用和选题原则，选取伪基站这一当前行业和社会普遍关注的热点问题开展了相应的教学工程案例的开发，并将开发成果应用于实际教学的工作中。教师通过引导学生形成以解决问题为导向和驱动力的学习方式，在教学过程中不仅完成了专业知识的传授，而且锻炼了学生综合运用所学知识解决实际工程问题的能力，取得了良好的教学效果。

参考文献:

［1］叶俊民，胡金柱，李蓉，等．软件工程案例教学研究［J］．计算机教育，2017(14)．

［2］卢珊．案例教学在数据分析技术课程中的应用探讨［J］．首都师范大学学报:社会科学版，2009(S4)．

［3］工信部网站．工信部将联合相关部门开展打击治理“伪基站”“黑广播”违法犯罪和集中整治违规设置使用调频广播电台专项行动［EB/OL］．(2018－04－28)［2019－07－27］．

［4］工信部网站．国务院常务会议原则通过《无线电管理条例(修订草案)》加大对“伪基站”等违法犯罪活动惩戒力度［EB/OL］．(2016－09－02)［2019－07－27］．

［5］赵恒，绍四清．伪基站系统的分析定位方法及解决建议［J］．电信网技术，2011(7)．

［6］黄叶果．伪基站侦测技术应用研究［J］．信息通信，2015(9)．

［7］李克，纪占林，宋晓勤，等．一种非法基站入侵的快速检测与定位方法:ZL201310688635．0［P］，2017－03－29．

作者：李克 许菁菁 苏利敏 单位：北京联合大学智慧城市学院