面向網(wǎng)絡(luò)空間安全新工科的密碼學(xué)教學(xué)研究

劉楊 王佰玲

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)空間安全新工科的興起，研究面向網(wǎng)絡(luò)空間安全的密碼學(xué)教學(xué)方法具有越來(lái)越重要的意義。利用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和分層目標(biāo)教學(xué)法，提出了適合網(wǎng)絡(luò)空間安全方向的密碼學(xué)教學(xué)模式，構(gòu)建了支撐體系模型，將教學(xué)過(guò)程分為基礎(chǔ)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，使整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)更加完善合理。實(shí)踐表明這種教學(xué)方式是可行的，不僅提高了教學(xué)效果，而且極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性。

關(guān)鍵詞：密碼學(xué)；網(wǎng)絡(luò)空間安全；項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)；分層目標(biāo)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）12-0013-03

Abstract： The rise of the new engineering of cyberspace security makes it become more and more significant to make the research on the teaching method of Cryptology dealing with cyberspace security. Through project-driven teaching method and stratified teaching method， the paper proposes the teaching model suitable for cryptology applied for cyberspace security， constructs the supporting system model， and divides the process of teaching into basic theory teaching， experimental teaching and practical teaching. The practice proves that this teaching method is available， for it not only improves the teaching effect， but also gets the students motivated.

Keywords： Cryptology； cyberspace security； project-driven teaching method； stratified teaching method

引言

密碼學(xué)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，在現(xiàn)代信息安全領(lǐng)域中，密碼學(xué)已經(jīng)成為支持信息安全各個(gè)方向的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科之一。隨著網(wǎng)絡(luò)空間安全新工科[1]的興起，密碼學(xué)迫切需要調(diào)整傳統(tǒng)以信息安全專業(yè)為背景的教學(xué)模式，設(shè)計(jì)新的教學(xué)模式與教學(xué)方法，從而適合新工科的發(fā)展需求。

隨著密碼學(xué)教學(xué)改革的不斷發(fā)展，很多教師都在積極探索新的、有效的教學(xué)方法[2-7]。胡小明等人[4]利用案例教學(xué)法，從理論和實(shí)踐兩方面對(duì)密碼學(xué)課程教學(xué)進(jìn)行研究，同時(shí)將密碼學(xué)最新研究成果和知識(shí)引入到課堂教學(xué)，以提高教學(xué)效果。竇本年等人[5]利用科研方法論，將密碼學(xué)教學(xué)與科研創(chuàng)新教育相結(jié)合，使學(xué)生在深入理解教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，接受科研方法的培訓(xùn)，自覺培養(yǎng)自己的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。朱曉玲等人[6]在優(yōu)化課程體系、構(gòu)建工程實(shí)踐教學(xué)及改革教學(xué)方法等方面對(duì)課程體系進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建由基礎(chǔ)實(shí)踐、工程實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)組成的密碼工程實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。王后珍等人[7]根據(jù)密碼學(xué)課程特點(diǎn)，從加強(qiáng)課堂教學(xué)的生動(dòng)性和啟發(fā)性、加強(qiáng)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)及采取靈活多樣的考核體系等方面進(jìn)行了密碼學(xué)教學(xué)研究。

一、密碼學(xué)課程教學(xué)存在問(wèn)題分析

作為網(wǎng)絡(luò)空間安全關(guān)鍵技術(shù)的密碼學(xué)課程，具有其不同于其他學(xué)科的特點(diǎn)：1.較強(qiáng)的實(shí)踐性。密碼學(xué)的最終目的是提供各種安全的應(yīng)用算法，如加密保護(hù)信息的機(jī)密性，消息摘要檢測(cè)信息的完整性，數(shù)字簽名對(duì)抗信息的否認(rèn)性。2.覆蓋的知識(shí)面廣。由于密碼學(xué)最初是由軍事發(fā)展而來(lái)，故而涉及到的知識(shí)非常廣，如數(shù)論、抽象代數(shù)、概率論、組合數(shù)學(xué)等。3.廣泛的橫向聯(lián)系。密碼學(xué)是由應(yīng)用數(shù)學(xué)、通信、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等多個(gè)自然學(xué)科匯集而成的綜合性學(xué)科。密碼學(xué)與其他課程的關(guān)聯(lián)如圖1所示。

隨著各學(xué)科的發(fā)展，課程所涉及的知識(shí)越來(lái)越多，學(xué)科之間相互聯(lián)系和相互交叉的趨勢(shì)越來(lái)越廣泛，在有限的授課課時(shí)內(nèi)，如何選擇本門課程的主要內(nèi)容，采用哪些有效教學(xué)方法，使學(xué)生接收和掌握這些內(nèi)容，是一件值得深入研究的問(wèn)題。這也就是教學(xué)中“教什么”和“怎么教”的根本問(wèn)題。因?yàn)檎n程所涉及知識(shí)多，且存在交叉和聯(lián)系，所以需要介紹的內(nèi)容較多；又因?yàn)檎n時(shí)有限，不能憑借增加課時(shí)、增加課目的方法將每個(gè)分支詳細(xì)介紹?；谝陨戏治?，發(fā)現(xiàn)目前密碼學(xué)教學(xué)存在以下問(wèn)題：

1. 課程應(yīng)用性教學(xué)不足。密碼學(xué)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，在網(wǎng)上銀行、衛(wèi)星通信、網(wǎng)絡(luò)安全等生產(chǎn)生活、軍事外交領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。目前密碼學(xué)教學(xué)在這些應(yīng)用方面的內(nèi)容不足，不能使學(xué)生對(duì)密碼學(xué)實(shí)際應(yīng)用具有直觀的理解。

2. 科研與教學(xué)融合不夠。目前的密碼學(xué)教學(xué)僅局限于課本知識(shí)，但是密碼學(xué)是一門發(fā)展很快的學(xué)科，很多信息安全類的科學(xué)研究都要涉及密碼學(xué)知識(shí)，而目前的密碼學(xué)教學(xué)很少涉及科研項(xiàng)目，局限了學(xué)生的眼界和知識(shí)獲取的范圍。

3. 實(shí)踐教學(xué)缺乏工程性。由于密碼學(xué)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程，尤其是在網(wǎng)絡(luò)空間安全新工科中，密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)更應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相結(jié)合。然而，高校在人才培養(yǎng)過(guò)程中缺乏與實(shí)際項(xiàng)目相接軌的工程性實(shí)驗(yàn)，難以培養(yǎng)學(xué)生的工程認(rèn)知、工程設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力。

4. 教學(xué)模式較為單一。當(dāng)前密碼學(xué)教學(xué)模式較為單一，創(chuàng)新性和趣味性不足，不能適應(yīng)當(dāng)今學(xué)生的發(fā)展需求，需要研究適合當(dāng)今學(xué)生特征的教學(xué)模式。

二、面向網(wǎng)絡(luò)空間安全的密碼學(xué)教學(xué)模式

作為網(wǎng)絡(luò)空間安全關(guān)鍵技術(shù)的密碼學(xué)課程，在人才培養(yǎng)過(guò)程中應(yīng)體現(xiàn)較強(qiáng)的工程實(shí)踐性與自主創(chuàng)新性。密碼學(xué)是一門綜合性學(xué)科，總體來(lái)講有一定難度，學(xué)生在前期的學(xué)習(xí)可能相對(duì)輕松，但隨著教學(xué)的深入，內(nèi)容的加深，會(huì)逐步感到老師講授的知識(shí)越來(lái)越不容易理解。基于有限的教學(xué)課時(shí)及學(xué)生的接受能力，必須對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理編排。依據(jù)網(wǎng)絡(luò)空間安全對(duì)密碼學(xué)的要求，我們提出了利用科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)與分層目標(biāo)教學(xué)的密碼學(xué)教學(xué)模式，如圖2所示。

在這種教學(xué)模式中，采用科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和分層目標(biāo)教學(xué)法指導(dǎo)學(xué)生的具體課程學(xué)習(xí)任務(wù)，并在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中，使兩者有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

（一）科研項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法是通過(guò)實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)，在教學(xué)中以學(xué)生為中心，將一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的項(xiàng)目交予學(xué)生完成，信息的收集、方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施主要由學(xué)生負(fù)責(zé)。針對(duì)密碼學(xué)課程的性質(zhì)，把項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)分為明確項(xiàng)目任務(wù)、制定項(xiàng)目計(jì)劃、實(shí)施項(xiàng)目計(jì)劃和總結(jié)評(píng)估四個(gè)階段。

1. 項(xiàng)目任務(wù)劃分階段：由教師根據(jù)不同的科研項(xiàng)目背景，提出所需要的密碼學(xué)知識(shí)，把這些密碼學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的科研項(xiàng)目中，幫助學(xué)生體驗(yàn)密碼學(xué)應(yīng)用的真實(shí)情景。

2. 項(xiàng)目計(jì)劃制定：按照工作流程把整個(gè)系統(tǒng)分解成一個(gè)個(gè)模塊，對(duì)每個(gè)模塊都提出具體的工作任務(wù)和所需的密碼學(xué)知識(shí)，指導(dǎo)學(xué)生逐步完成。

3. 項(xiàng)目計(jì)劃實(shí)施：教師為學(xué)生提供技術(shù)支持，適時(shí)組織討論、講解和歸納總結(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生完成項(xiàng)目過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，為學(xué)生提供解決問(wèn)題的思路和方法。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法的主體是學(xué)生，由教師提出開發(fā)目標(biāo)，學(xué)生親身實(shí)踐，通過(guò)獨(dú)立或合作完成一個(gè)目的明確的項(xiàng)目而掌握相應(yīng)的技能。它的特點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目任務(wù)的真實(shí)性、教師指導(dǎo)的目標(biāo)指引性、學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性、實(shí)踐過(guò)程的探究性和合作性、評(píng)價(jià)的過(guò)程性和反思性等?？蒲许?xiàng)目驅(qū)動(dòng)的密碼學(xué)教學(xué)過(guò)程如圖3所示。

（二）分層目標(biāo)教學(xué)

分層目標(biāo)教學(xué)是教師根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)、能力水平和潛力傾向，把學(xué)生科學(xué)地分成幾組，分層制定出不同的教學(xué)目標(biāo)，提出不同的教學(xué)要求，施以不同的教學(xué)內(nèi)容，以最大限度地調(diào)動(dòng)每一個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，充分促進(jìn)學(xué)生智能發(fā)展的一種教學(xué)法。根據(jù)密碼學(xué)課程的任務(wù)，把分層目標(biāo)教學(xué)分為分層制定任務(wù)、分層實(shí)施任務(wù)和分層考核評(píng)估三個(gè)階段。

1. 分層制定任務(wù)：根據(jù)學(xué)生的掌握程度以及實(shí)際的動(dòng)手能力，將學(xué)生分為不同的層次，對(duì)每個(gè)層次的學(xué)生進(jìn)行分層教學(xué)，對(duì)能力較強(qiáng)的學(xué)生可以制定較復(fù)雜的任務(wù)，而對(duì)于能力較差的學(xué)生制定較簡(jiǎn)單的任務(wù)。

2. 分層實(shí)施任務(wù)：能力較強(qiáng)的學(xué)生可以要求完成較復(fù)雜的學(xué)習(xí)目標(biāo)，遇到問(wèn)題時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生自己去查閱資料解決問(wèn)題。而對(duì)于能力較差的學(xué)生可以要求完成較簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并給予一些具體指導(dǎo)。

3. 分層考核評(píng)估：在考核評(píng)估階段，要體現(xiàn)出前兩個(gè)階段的特點(diǎn)，考慮到題目的難度和學(xué)生的完成情況。

三、面向網(wǎng)絡(luò)空間安全的密碼學(xué)教學(xué)體系

密碼學(xué)是高等院校本科生網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)的主干基礎(chǔ)課，也是各信息類專業(yè)競(jìng)相開設(shè)的重要選修課。傳統(tǒng)的信息安全專業(yè)培養(yǎng)內(nèi)容強(qiáng)調(diào)信息本身及其環(huán)境的安全，教學(xué)內(nèi)容多偏重于安全技術(shù)，培養(yǎng)的人才大多從事信息安全的科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、安全規(guī)劃、運(yùn)行維護(hù)、安全防御等和技術(shù)比較相關(guān)的工作。而網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是，培養(yǎng)不僅具有扎實(shí)的網(wǎng)絡(luò)空間安全基礎(chǔ)理論和基本技術(shù)知識(shí)，而且系統(tǒng)掌握信息內(nèi)容安全、系統(tǒng)安全、網(wǎng)絡(luò)安全等實(shí)踐技能的綜合性人才?；诿艽a學(xué)課程特點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)空間安全新工科密碼學(xué)教學(xué)模式，提出密碼學(xué)教學(xué)體系模型，如圖4所示。

學(xué)生在學(xué)習(xí)了密碼學(xué)基礎(chǔ)理論、掌握了密碼學(xué)基本原理和典型加密算法之后，通過(guò)安全算法和安全系統(tǒng)等編程實(shí)驗(yàn)加深對(duì)理論知識(shí)的理解，然后進(jìn)行科研項(xiàng)目、校企合作等實(shí)踐教學(xué)，完成從密碼學(xué)理論到實(shí)際操作的過(guò)程。從而培養(yǎng)學(xué)生不僅具有扎實(shí)的理論知識(shí)，而且具有廣泛的實(shí)踐技能。在實(shí)際的密碼學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師依據(jù)這個(gè)體系進(jìn)行教，學(xué)生依據(jù)這個(gè)體系進(jìn)行學(xué)，從而完成整個(gè)教學(xué)過(guò)程。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文利用操作性較強(qiáng)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和分層目標(biāo)教學(xué)法相結(jié)合的教學(xué)模式，提出了基于網(wǎng)絡(luò)空間安全新工科的密碼學(xué)教學(xué)體系模型。通過(guò)提高教學(xué)方法、完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)、構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)，對(duì)課程體系進(jìn)行優(yōu)化。利用科研項(xiàng)目、企業(yè)實(shí)習(xí)、校企合作、創(chuàng)新基地及校企合作等途徑提高學(xué)生實(shí)踐能力。培養(yǎng)適合網(wǎng)絡(luò)空間安全新工科的密碼學(xué)人才，使學(xué)生不僅具有扎實(shí)的理論知識(shí)，而且具有廣泛的實(shí)踐能力。

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