新形勢(shì)下行業(yè)院校應(yīng)用密碼學(xué)課程改革思路探究

周景賢，鐘安鳴，黃燕曉

（1.中國(guó)民航大學(xué) 民航技術(shù)研究院，天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，天津 300300；3.中國(guó)民航大學(xué) 高職學(xué)院，天津 300300）

0 引 言

一直以來(lái)，國(guó)家及社會(huì)各界都非常重視信息安全專業(yè)人才培養(yǎng)工作。2015年6月，國(guó)務(wù)院與教育部聯(lián)合發(fā)文，在“工學(xué)”門類下增設(shè)“網(wǎng)絡(luò)空間安全”一級(jí)學(xué)科，學(xué)科代碼為0839，授予“工學(xué)”學(xué)位，邁出了具有決定意義的一步。目前在我國(guó)開(kāi)設(shè)信息安全類專業(yè)的高等院校已超過(guò)百所，筆者所在的中國(guó)民航大學(xué)也有幸榮列其中，同時(shí)中國(guó)民航大學(xué)也是民航行業(yè)唯一一所開(kāi)展信息安全專業(yè)人才培養(yǎng)的機(jī)構(gòu)。

行業(yè)院校是由所處行業(yè)部門主管，為所在行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才的一類院校，畢業(yè)生會(huì)以較大比例到所在行業(yè)就業(yè)[1]。隨著各行各業(yè)對(duì)信息化的嚴(yán)重依賴，行業(yè)特色也越來(lái)越凸顯，在網(wǎng)絡(luò)安全上升到國(guó)家安全的時(shí)代背景下，行業(yè)院校責(zé)無(wú)旁貸地承擔(dān)起行業(yè)信息安全人才培養(yǎng)的重任。

應(yīng)用密碼學(xué)從實(shí)現(xiàn)角度而言，是信息安全的核心技術(shù)，是所有網(wǎng)絡(luò)安全從業(yè)人員必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)[2]，它也是高校網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)的重要主干課程。傳統(tǒng)的密碼學(xué)教學(xué)往往存在“重理論，輕實(shí)踐”“重模擬，輕工程”的傾向，學(xué)生在掌握了各種密碼算法或密碼協(xié)議的原理之后，并沒(méi)有機(jī)會(huì)或能力將之用于工程實(shí)踐，即便是在行業(yè)院校也僅僅將通過(guò)考試作為最終目標(biāo)，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)該課程缺乏學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。

1 專業(yè)培養(yǎng)現(xiàn)狀分析

中國(guó)民航大學(xué)信息專業(yè)最早開(kāi)始于2008年，迄今為止已有10年。由于近幾年的基本情況差不太多，筆者僅以2016年本科信息安全專業(yè)學(xué)生畢業(yè)去向和本科信息安全專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)選題情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)課程存在的問(wèn)題，進(jìn)而把脈課程改革的方向。

1.1 學(xué)生掌握及應(yīng)用知識(shí)情況分析

1.1.1 本科生畢業(yè)去向情況分析

2016年共有74名信息安全專業(yè)學(xué)生畢業(yè)，其中未確定工作6人，從事計(jì)算機(jī)相關(guān)工作42人、信息安全工作5人（考研1人，就業(yè)4人）、其他類21人，畢業(yè)生中從事安全相關(guān)的比率僅為7%。

2017年統(tǒng)計(jì)顯示，民航行業(yè)信息安全崗位人員缺口達(dá)6千多人，可見(jiàn)學(xué)校信息安全專業(yè)培養(yǎng)工作在為行業(yè)乃至國(guó)家輸送信息安全人才方面，并未發(fā)揮出應(yīng)有的作用。如何在現(xiàn)有教育體制下，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)密碼學(xué)知識(shí)的熱情，建立將密碼學(xué)研究工作作為自己的人生追求的自信，也是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

1.1.2 畢業(yè)設(shè)計(jì)選題情況分析

2016年共有74名信息安全專業(yè)學(xué)生參加畢業(yè)設(shè)計(jì)，在對(duì)選題情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用信息安全知識(shí)相關(guān)選題43個(gè)，應(yīng)用軟件系統(tǒng)類設(shè)計(jì)選題31個(gè)，其中密碼算法、協(xié)議相關(guān)選題共15個(gè)，占總選題20%。另外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生采用的都是比較傳統(tǒng)的密碼算法，并且不涉及任何分析和創(chuàng)新型設(shè)計(jì)。

可見(jiàn)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)只是掌握了密碼算法和密碼協(xié)議的基礎(chǔ)知識(shí)，但由于教材內(nèi)容限制，都是一些比較傳統(tǒng)的、經(jīng)典的算法，例如DES、3DES、AES等，對(duì)于目前新的密碼技術(shù)并未采用。另外，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出對(duì)密碼應(yīng)用工程中的能力明顯欠缺，完全不考慮密鑰存儲(chǔ)、交換等實(shí)際情況。如何能夠充分理解基礎(chǔ)知識(shí)，并能應(yīng)用于實(shí)際工程，也是密碼學(xué)教學(xué)中面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

1.2 問(wèn)題分析

通過(guò)上述分析，不難發(fā)現(xiàn)應(yīng)用密碼學(xué)課程在實(shí)踐和理論的知識(shí)講解面臨諸多挑戰(zhàn)，因此，為了能夠應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，需要客觀分析挑戰(zhàn)背后的本質(zhì)原因。

（1）教學(xué)手段不夠豐富。當(dāng)前密碼學(xué)教學(xué)以課堂為主，傳達(dá)給學(xué)生知識(shí)的方式還主要是板書和PPT，這樣就導(dǎo)致師生間互動(dòng)性不強(qiáng)。但是，密碼學(xué)的算法、協(xié)議等內(nèi)容，需要結(jié)合實(shí)際學(xué)生才能真正理解進(jìn)而掌握，這種強(qiáng)調(diào)面對(duì)面的，教授為主的教學(xué)方式，很難為學(xué)生提供將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的橋梁。

（2）重理論，輕實(shí)踐。為了應(yīng)對(duì)考試，學(xué)生們更加重視理論學(xué)習(xí)，老師也并沒(méi)有注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，這與密碼學(xué)課程是對(duì)已有密碼算法、密碼機(jī)制的設(shè)計(jì)原理的學(xué)習(xí)和分析，只有結(jié)合實(shí)踐才能深化對(duì)相關(guān)理論知識(shí)理解的本質(zhì)相矛盾。

（3）考核方式單一。目前課程考核方式主要有“期末”和“平時(shí)+期末”，其中平時(shí)成績(jī)主要包括日?？记诤驼n后作業(yè)，這樣學(xué)生一般都會(huì)采用平時(shí)網(wǎng)上找答案、期末突擊學(xué)習(xí)的方式來(lái)被動(dòng)應(yīng)付應(yīng)用密碼學(xué)課程考核。該類方式無(wú)法考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力，并在某種程度上壓制了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新性。

2 課程建設(shè)思路

通過(guò)采取面向工程教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)考查”向“應(yīng)用能力”的教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，這種改革將造成原有的教學(xué)方法和考核方式等不匹配，需要探討面向工程教學(xué)模式下的教學(xué)方法和考核方式。

2.1 以提高工程應(yīng)用能力為目標(biāo)的教學(xué)方法

針對(duì)密碼學(xué)知識(shí)專業(yè)性、應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，需采用“課內(nèi)講解+課外工程實(shí)現(xiàn)”的教學(xué)方法，具體而言，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）強(qiáng)化理解，培養(yǎng)獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)核心密碼算法的能力。密碼學(xué)基本概念、基本理論的理解是學(xué)習(xí)密碼學(xué)的根本出發(fā)點(diǎn)，是進(jìn)行密碼工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)[3]。作為信息安全專業(yè)的本科生，應(yīng)該有能力獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)核心密碼算法，如AES、SHA、國(guó)密SM1-9等。在實(shí)現(xiàn)這些核心算法的過(guò)程中，學(xué)生可以加深到密碼學(xué)基本理論的理解，并掌握密碼算法設(shè)計(jì)中的基本技巧。

（2）遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提升密碼工程實(shí)踐能力。密碼算法的優(yōu)劣主要體現(xiàn)在安全和效率兩個(gè)方面，除了依賴嚴(yán)密的數(shù)學(xué)理論外，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虒?shí)現(xiàn)也必不可少。多數(shù)密碼學(xué)教材往往注重算法原理的闡述，而忽略了算法實(shí)現(xiàn)中必須考慮的重要細(xì)節(jié)。為此，在實(shí)踐教學(xué)中，F(xiàn)IPS-140、IEEE 1363等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中成熟做法，應(yīng)該要求學(xué)生進(jìn)行掌握，特別是這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)密鑰參數(shù)選擇、長(zhǎng)度填充、內(nèi)存管理方面的規(guī)定。

（3）以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)密碼學(xué)算法庫(kù)為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力。在課程中后期的實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)始引入密碼學(xué)算法庫(kù)的概念。首先引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用經(jīng)典密碼學(xué)算法庫(kù)，例如Crypto++、OpenSSL、Miracl、Boten等；然后與學(xué)生一起閱讀經(jīng)典算法庫(kù)的源代碼，對(duì)算法庫(kù)的基本架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)；最后要求學(xué)生將整個(gè)課程中學(xué)習(xí)到的算法封裝成一個(gè)算法庫(kù)，編譯成LIB文件或JAR文件，以供其他程序調(diào)用。

（4）以密碼分析和破譯為補(bǔ)充，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：理解基礎(chǔ)理論和提高學(xué)習(xí)興趣。因此，課程必須在試驗(yàn)方式上進(jìn)行創(chuàng)新，以生動(dòng)性、新鮮性，帶動(dòng)學(xué)生的積極性和成就感。密碼分析由于難度大、基礎(chǔ)知識(shí)要求高、不容易講解，使得絕大部分的院校在密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，沒(méi)有將密碼分析的相關(guān)實(shí)驗(yàn)納入到講解內(nèi)容中。本課程的做法是：①要求學(xué)生從破譯難度較低的古典密碼入手，對(duì)某些特定的算法編寫破譯程序；②對(duì)于較為復(fù)雜的現(xiàn)代密碼算法，如DES和RSA，可以使用現(xiàn)成的破譯工具來(lái)演示破譯實(shí)驗(yàn)；③人為簡(jiǎn)化一些密碼算法，降低分析的難度，如單輪DES差分分析，通過(guò)這些方式來(lái)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（5）增加行業(yè)實(shí)際應(yīng)用案例講解，增強(qiáng)密碼應(yīng)用的直觀印象。行業(yè)應(yīng)用密碼主要體現(xiàn)在電子政務(wù)、電子支付、認(rèn)證和數(shù)據(jù)安全4個(gè)方面，結(jié)合密碼學(xué)應(yīng)用特點(diǎn)，從民航行業(yè)實(shí)際出發(fā)，講解密碼學(xué)在行業(yè)中的應(yīng)用案例，循序漸進(jìn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決專業(yè)的具體問(wèn)題，這樣使得學(xué)生可以直觀地感受到密碼學(xué)的用途，并明確本專業(yè)未來(lái)在行業(yè)中的發(fā)展，激發(fā)學(xué)生畢業(yè)后投入本行業(yè)信息安全工作中的信心和熱情。

2.2 多樣化的課程考核方式

在應(yīng)用密碼學(xué)課程考核中，學(xué)生得到的成績(jī)是由多項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，一般包括：①學(xué)生日?？记诤驼n后作業(yè)的情況；②期末理論考試得分；③實(shí)驗(yàn)平時(shí)和期末答辯得分。實(shí)驗(yàn)期末答辯采用現(xiàn)場(chǎng)抽題、限時(shí)編程的形式進(jìn)行，以測(cè)試學(xué)生對(duì)密碼學(xué)知識(shí)的掌握情況和綜合運(yùn)用能力。另外，為了鼓勵(lì)學(xué)生在密碼學(xué)知識(shí)領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新和項(xiàng)目應(yīng)用，引入成果考核機(jī)制，對(duì)于取得相應(yīng)成果的學(xué)生，進(jìn)行加分或免試。

3 具體實(shí)施方案

3.1 課程教學(xué)內(nèi)容改革方案

應(yīng)結(jié)合當(dāng)前密碼知識(shí)特點(diǎn)、課時(shí)安排，制訂相對(duì)應(yīng)的實(shí)施方案。

（1）構(gòu)建全面的和案例化的密碼學(xué)教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合當(dāng)前密碼學(xué)的發(fā)展，增加量子密碼、格密碼、混沌密碼等新知識(shí)的教學(xué)[2]；同時(shí)結(jié)合密碼學(xué)在民航企事業(yè)單位應(yīng)用情況，凝練一批具有民航特色的教學(xué)案例，并搭建相關(guān)的應(yīng)用環(huán)境，讓學(xué)生增強(qiáng)對(duì)密碼算法或協(xié)議的理解。從內(nèi)容的廣度和民航實(shí)際應(yīng)用案例相結(jié)合兩個(gè)方面重構(gòu)密碼學(xué)教學(xué)內(nèi)容。

（2）建設(shè)工程化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例庫(kù)。目前已建設(shè)完成 Crypto++、OpenSSL、Miracl、Boten、libgcrypt、Tomcrypt、Bouncy Caslte等算法案例，下一步將帶領(lǐng)學(xué)生從閱讀源碼開(kāi)始，逐步學(xué)會(huì)獨(dú)立開(kāi)發(fā)新的教學(xué)案例，給下一屆學(xué)生學(xué)習(xí)帶來(lái)便利的同時(shí)，也進(jìn)一步提高密碼學(xué)編程實(shí)現(xiàn)能力和加深對(duì)密碼算法知識(shí)的理解，為工程應(yīng)用和理論創(chuàng)新打下良好的基礎(chǔ)。

（3）設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際的科研和當(dāng)前應(yīng)用需求，選擇一些具有一定新穎性的題目，譬如移動(dòng)數(shù)據(jù)加密、虛擬環(huán)境下的數(shù)據(jù)敏感標(biāo)記等；采用學(xué)生自發(fā)建立項(xiàng)目小組，根據(jù)能力和時(shí)間選擇合適的題目，指導(dǎo)老師參與，共同完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生把理論和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，從而把基礎(chǔ)比較好、興趣比較濃厚的學(xué)生引入科研的大門[4]。

（4）搭建密碼技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用模擬場(chǎng)景。例如電子政務(wù)網(wǎng)中SSH安全協(xié)議、飛機(jī)與地面服務(wù)器相互證書認(rèn)證，或電子簽名消息認(rèn)證的場(chǎng)景構(gòu)建，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)密碼知識(shí)的同時(shí)，了解其在行業(yè)中的具體應(yīng)用及其應(yīng)用特點(diǎn)，通過(guò)搭建環(huán)境和模擬交互，解決實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題。

3.2 課程教學(xué)方式改革方案

本課程改革在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)之外，增加了研究性教學(xué)和“項(xiàng)目+競(jìng)賽”教學(xué)兩種方式。

（1）采用研究性教學(xué)法。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異，密碼學(xué)領(lǐng)域涉及的內(nèi)容和技術(shù)也發(fā)展迅速，授課教師除了要求學(xué)生掌握傳統(tǒng)知識(shí)外，還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生及時(shí)關(guān)注密碼學(xué)各部分內(nèi)容在國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展和成果，組織課題組和興趣小組，讓對(duì)密碼學(xué)有興趣有能力的學(xué)生參加進(jìn)來(lái)，通過(guò)各種方式來(lái)支持他們的創(chuàng)新活動(dòng)，例如科研項(xiàng)目立項(xiàng)、發(fā)表學(xué)術(shù)論文等。

（2）采用“項(xiàng)目+競(jìng)賽”教學(xué)法。該教學(xué)法適用于學(xué)習(xí)各種實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的知識(shí)和技能。伴隨國(guó)家對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間安全的高度重視，全國(guó)以及各省都在舉辦不同形式的信息安全大賽，很多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)都是立足于密碼學(xué)的，例如每年一次的全國(guó)密碼技術(shù)競(jìng)賽。基于這樣的背景，可以以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的形式引導(dǎo)學(xué)生參與到各種競(jìng)賽中。

該教學(xué)法以學(xué)生為主體，通過(guò)建立項(xiàng)目讓學(xué)生參與競(jìng)賽的形式，讓學(xué)生作為項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，將學(xué)生成果提交到大賽中加以檢驗(yàn)，既可以提高學(xué)生的主動(dòng)性、參與性又能提高學(xué)生對(duì)密碼學(xué)應(yīng)用其全過(guò)程的理解和掌握。

3.3 考核方式改革方案

考核的作用除了了解學(xué)生掌握的知識(shí)和綜合素質(zhì)之外，還應(yīng)該成為學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生將課堂上學(xué)到的基礎(chǔ)知識(shí)和技能用于解決實(shí)際問(wèn)題的能力。本改革將徹底改變 “一考定成績(jī)”的做法，防止考前突擊的行為。

（1）實(shí)行過(guò)程考核，其中期末（主要是理論）閉卷考試成績(jī)占30%，平時(shí)成績(jī)占70%。平時(shí)成績(jī)包括考勤占10%、其余90%按照知識(shí)點(diǎn)及課程過(guò)程考核方式進(jìn)行考核。

（2）實(shí)行項(xiàng)目及科研成果考核。參加密碼學(xué)相關(guān)競(jìng)賽，獲國(guó)家級(jí)別一、二等獎(jiǎng)的，本課程免試；獲國(guó)家級(jí)別三等獎(jiǎng)，其他級(jí)別競(jìng)賽一等獎(jiǎng)的，平時(shí)成績(jī)滿分；發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文，SCI檢索的，本課程免試；EI、中文核心檢索的，平時(shí)成績(jī)滿分。

4 初步成效分析

（1）課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)完成方面。在試驗(yàn)課程考核方面，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)內(nèi)容考核，由于學(xué)生能力問(wèn)題，僅以教師指定題目和教材中題目為主。值得注意的是，2017年畢業(yè)生中有2位同學(xué)考取了碩士研究生，繼續(xù)密碼學(xué)相關(guān)內(nèi)容的深入學(xué)習(xí)，有4名同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)選題是自己出密碼學(xué)相關(guān)的題目，并較好完成。

（2）項(xiàng)目創(chuàng)新和科學(xué)研究方面。課程組通過(guò)近幾年的積極努力，分別于2015年指導(dǎo)學(xué)生完成國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《基于CDF/FLASH的密碼算法動(dòng)態(tài)演示系統(tǒng)》，發(fā)表論文一篇。2014年指導(dǎo)學(xué)生完成校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《基于多素?cái)?shù)的RSA算法性能分析及標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)實(shí)現(xiàn)》，發(fā)表論文一篇。獲2017年市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目3項(xiàng)，累計(jì)30多人次參與。

（3）競(jìng)賽工作開(kāi)展順利、成果豐碩。近3年以來(lái)，計(jì)算機(jī)學(xué)院每年組織學(xué)生參加全國(guó)密碼技術(shù)競(jìng)賽、京津冀高校首屆研究生網(wǎng)絡(luò)與信息安全技術(shù)大賽，取得了多個(gè)三等獎(jiǎng)的好成績(jī)。每年組織開(kāi)展“中國(guó)民航大學(xué)‘西普杯’信息安全技術(shù)競(jìng)賽”，已連續(xù)開(kāi)展4屆，另外，還組織學(xué)生參加2016年在天津舉辦首屆民航網(wǎng)絡(luò)安全競(jìng)賽、校級(jí)信息安全技術(shù)競(jìng)賽，并獲得較好的成績(jī)。

（4）對(duì)行業(yè)信息安全工作發(fā)展支撐明顯。通過(guò)以上一系列的競(jìng)賽和項(xiàng)目實(shí)施，極大提升了學(xué)生學(xué)習(xí)密碼學(xué)知識(shí)的熱情，隨著學(xué)生的技術(shù)能力提升，越來(lái)越多的學(xué)生受到民航企事業(yè)單位的青睞。本校培養(yǎng)的信息安全專業(yè)學(xué)生，在持續(xù)從事信息安全領(lǐng)域工作和進(jìn)入民航行業(yè)工作的比例均超過(guò)30%。

5 結(jié) 語(yǔ)

在以互聯(lián)網(wǎng)為主體的網(wǎng)絡(luò)空間成為國(guó)際博弈的主戰(zhàn)場(chǎng)的背景下，行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全在一定程度上可以影響國(guó)家安全，筆者通過(guò)分析行業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)存在的問(wèn)題，提出應(yīng)用密碼學(xué)課程改革思路和具體方案，實(shí)踐檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)效果良好，可以為同類型院校網(wǎng)絡(luò)空間安全人才培養(yǎng)提供參考。