應(yīng)用型本科院校密碼學(xué)課程教學(xué)改革探析

摘要：作為網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)的基礎(chǔ)主干課程，密碼學(xué)在實(shí)際教學(xué)過程中面臨著多學(xué)科基礎(chǔ)要求高、課程內(nèi)容量大等難點(diǎn)。密碼學(xué)課程教學(xué)改革應(yīng)結(jié)合學(xué)校專業(yè)定位和學(xué)生特點(diǎn)確定層次化的課程目標(biāo)，依據(jù)目標(biāo)遴選課程內(nèi)容，滿足專業(yè)化和體系化要求。在教學(xué)過程中通過電子教材、慕課資源、練習(xí)測驗(yàn)、仿真軟件及典型示例等立體化教學(xué)材料的建設(shè)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及效率。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)空間安全;密碼學(xué);教學(xué)目標(biāo);課程改革

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）27-0157-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ OSID）：

1 引言

習(xí)近平在全國網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作會(huì)議上曾深刻指出：“沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全，就沒有經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行，廣大人民群眾利益也難以得到保障?！备鶕?jù)國家互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)急中心（CNCERT）發(fā)布的數(shù)據(jù)，僅2019年上半年，我國境內(nèi)感染計(jì)算機(jī)惡意程序的主機(jī)數(shù)量達(dá)到240萬余臺(tái)，傳統(tǒng)的MongoDB、Elastic search等數(shù)據(jù)庫不斷曝出嚴(yán)重的安全漏洞，導(dǎo)致大量個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的泄露。密碼學(xué)的主要任務(wù)正是提供信息的機(jī)密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）、鑒別性（Authentication）和不可否認(rèn)性（Non-reputation），這與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織所發(fā)布的OSI安全體系中的數(shù)據(jù)保密性服務(wù)、數(shù)據(jù)完整性服務(wù)、鑒別服務(wù)、抗抵賴服務(wù)相對(duì)應(yīng)，使得密碼學(xué)成為國內(nèi)高校信息安全相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)主干課程或?qū)I(yè)核心課程。

2 教學(xué)現(xiàn)狀

盡管屬于專業(yè)基礎(chǔ)課程，但由于密碼學(xué)在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信及信息系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，其課程基礎(chǔ)既有概率論、隨機(jī)過程、初等數(shù)論、抽象代數(shù)等數(shù)學(xué)知識(shí)，又有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)字邏輯電路等計(jì)算機(jī)知識(shí)，更涉及信息論等知識(shí)，密碼學(xué)課程本質(zhì)而言是一個(gè)上述多門學(xué)科的綜合體。在筆者日常授課過程中的調(diào)查中，學(xué)生普遍反映密碼學(xué)涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)太高深，學(xué)習(xí)相對(duì)吃力，學(xué)習(xí)的熱情和積極性受挫。一方面與傳統(tǒng)的研究型大學(xué)相比而言，應(yīng)用型地方本科院校學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。另一方面密碼學(xué)課程自身的難度既包含各類算法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和思維模式的要求，又包括相關(guān)算法實(shí)踐編程動(dòng)手能力的要求。這是當(dāng)前應(yīng)用型地方本科院校密碼學(xué)課程教學(xué)中面臨的主要問題。

與其他專業(yè)課程相比而言，密碼學(xué)課程的開設(shè)時(shí)間短、教學(xué)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)薄弱，并且不同高校之間在師資隊(duì)伍、學(xué)生生源、課程設(shè)置、平臺(tái)建設(shè)、專業(yè)定位等方面又有著較為顯著的差異，使得密碼學(xué)課程的教學(xué)定位和教學(xué)效果差異突出。[1-2]筆者結(jié)合自身近年來的密碼學(xué)教學(xué)工作，從密碼學(xué)教學(xué)目標(biāo)的定位、教學(xué)內(nèi)容的遴選、教學(xué)材料的建設(shè)等幾個(gè)方面提出密碼學(xué)原理與實(shí)踐的教學(xué)改革路徑，以期有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力，提升密碼理論與實(shí)踐綜合水平。

3.改革策略

3.1 教學(xué)目標(biāo)的定位

密碼學(xué)本身包含密碼編碼、密碼分析及密鑰管理三大模塊。通常而言，面向本科層次的密碼學(xué)課程的培養(yǎng)目標(biāo)主要包括熟悉信息安全的基本概念、了解各種密碼體制特點(diǎn)、掌握常用密碼算法的基本原理并在此基礎(chǔ)上能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇相應(yīng)的密碼體制，以保障信息安全。信息安全、網(wǎng)絡(luò)空間安全等面向安全領(lǐng)域的專業(yè)，在密碼學(xué)的課程定位上相差不大，以密碼編碼學(xué)作為重點(diǎn)內(nèi)容，即包括基本概念、算法原理等理論性內(nèi)容的講授，又含有算法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用的實(shí)踐能力培養(yǎng)。筆者認(rèn)為，以史為鑒梳理密碼學(xué)從古典到現(xiàn)代的發(fā)展歷程，培養(yǎng)并激發(fā)學(xué)生探索密碼學(xué)的興趣應(yīng)當(dāng)作為密碼學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程的首要定位。通過密碼學(xué)發(fā)展歷程的回顧、代表性人物的貢獻(xiàn)、主流算法誕生的背景等的闡述，能夠使學(xué)生對(duì)現(xiàn)代密碼學(xué)各個(gè)領(lǐng)域有整體宏觀的框架，對(duì)密碼學(xué)涉及不同學(xué)科體系有清晰的概念，并掌握主流密碼算法的思想源泉和日常應(yīng)用場景。

課程基本目標(biāo)明確后，還需結(jié)合不同院校各自的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)、專業(yè)的人才培養(yǎng)的定位以及學(xué)生學(xué)習(xí)情況的差異等進(jìn)行更加明確的把脈。密碼學(xué)課程在就業(yè)能力方面的培養(yǎng)主要涉及密碼算法的開發(fā)、密碼破譯的分析、密碼協(xié)議的設(shè)計(jì)、密碼算法的應(yīng)用以及信息安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。針對(duì)應(yīng)用型本科院校而言，可充分綜合學(xué)校行業(yè)特點(diǎn)，將課程目標(biāo)與學(xué)校優(yōu)勢(shì)緊密結(jié)合，重點(diǎn)進(jìn)行特定行業(yè)領(lǐng)域的密碼學(xué)人才培養(yǎng)。如政法類高校的密碼學(xué)課程可將與電子數(shù)據(jù)取證、密碼學(xué)法規(guī)、信息安全管理等密切相關(guān)的密碼學(xué)知識(shí)作為課程重點(diǎn)。

此外，在考慮院校特點(diǎn)和專業(yè)定位的前提下，還應(yīng)進(jìn)一步考慮學(xué)生的差異性。針對(duì)不同知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力的學(xué)生，結(jié)合學(xué)生的從業(yè)興趣和個(gè)人優(yōu)勢(shì)因材施教，發(fā)揮教育的靈活性和差異性，更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。如針對(duì)計(jì)算機(jī)能力強(qiáng)的同學(xué)，可以側(cè)重培養(yǎng)密碼體制的綜合編程實(shí)踐，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的密碼體制研究;對(duì)數(shù)學(xué)功底扎實(shí)的同學(xué)，則可以培養(yǎng)其密碼體制安全性的分析評(píng)判等。通過這種差異化的培養(yǎng)目標(biāo)，找到學(xué)生的最佳優(yōu)勢(shì)，使其成為既具有豐厚理論知識(shí)，又有特定方向?qū)嵺`技能的應(yīng)用型專業(yè)安全人才。

3.2 教學(xué)內(nèi)容的遴選

作為一門多學(xué)科交叉的綜合性課程，盡管密碼學(xué)的知識(shí)體系較為龐大，但其核心的課程內(nèi)容為模塊化的專題，通?？煞譃樾畔踩攀觥⒐诺涿艽a體制、分組密碼、非對(duì)稱密碼、序列密碼、哈希函數(shù)、數(shù)字簽名、身份鑒別、密鑰管理及前沿應(yīng)用等10個(gè)專題。從具體內(nèi)容而言，各模塊之間呈現(xiàn)出一定的獨(dú)立性，分別針對(duì)不同的應(yīng)用場景，如機(jī)密性、完整性等，提供相應(yīng)的信息安全服務(wù)。故在結(jié)合學(xué)校專業(yè)及學(xué)生特點(diǎn)確定課程教學(xué)目標(biāo)后，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行針對(duì)性的遴選，以便在有限的課時(shí)內(nèi)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，保障教學(xué)效果。

授課過程中，應(yīng)針對(duì)各知識(shí)模塊的特點(diǎn)和學(xué)生學(xué)習(xí)程度的高低，確定各模塊具體的教學(xué)內(nèi)容。就學(xué)習(xí)難度而言，信息安全概述、古典密碼體制兩部分可作為密碼學(xué)課程的必修基礎(chǔ)內(nèi)容，受學(xué)生知識(shí)水平及興趣愛好的影響較小。通過對(duì)密碼學(xué)的基本概念、密碼體制分類、密碼學(xué)組成、密碼攻擊等密碼學(xué)概述的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生構(gòu)建密碼學(xué)的整體知識(shí)框架，所有學(xué)生必須掌握。古典密碼學(xué)重在幫助學(xué)生建立一個(gè)基本的信息加解密流程，并通過簡單的實(shí)驗(yàn)完成相應(yīng)古典密碼算法的編程實(shí)踐，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。分組密碼中可以DES和AES兩種算法為主干，SM4和RC4等算法則作為能力富余學(xué)生的自學(xué)拓展。公鑰密碼以RSA和EIGamal為重點(diǎn)，并著重闡述Diffie和HeUman開創(chuàng)公鑰密碼體制的研究歷程，以此培養(yǎng)學(xué)生針對(duì)實(shí)際應(yīng)用問題開展密碼體制探索的能力。序列密碼算法以LF-SR為主，其中m序列生成多項(xiàng)式的相關(guān)內(nèi)容與AES多項(xiàng)式相呼應(yīng)，在新知識(shí)的學(xué)習(xí)中鞏固強(qiáng)化舊知識(shí)。哈希函數(shù)重在掌握其基本概念、安全性及主要應(yīng)用，可結(jié)合數(shù)字貨幣、區(qū)塊鏈等行業(yè)應(yīng)用熱點(diǎn)進(jìn)行講解。數(shù)字簽名和身份鑒別作為各種密碼體制的綜合應(yīng)用，課程內(nèi)容應(yīng)以基本原理、實(shí)現(xiàn)流程等為主，重在使學(xué)生建立相應(yīng)的安全意識(shí)。前沿應(yīng)用模塊可作為后續(xù)學(xué)生自學(xué)為主。

根據(jù)各模塊的難易程度，在教學(xué)內(nèi)容的選擇上既有各類目標(biāo)的必修基礎(chǔ)模塊，以保證完成專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的相關(guān)規(guī)定。又面向不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生，結(jié)合各自的興趣，制定以學(xué)生自學(xué)為主，教師輔導(dǎo)為輔的高階選修模塊，引導(dǎo)并培養(yǎng)能力突出學(xué)生的密碼學(xué)探索能力，達(dá)到能力導(dǎo)向的個(gè)性化因材施教，如分組密碼體制中可將分組密碼的基本思想、數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES的基本原理、流程作為基礎(chǔ)必修模塊，要求所有學(xué)生必須掌握，確保課程目標(biāo)和專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。此外，針對(duì)各模塊涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)，可結(jié)合算法講解過程中僅做各定理的應(yīng)用式講解，簡化其推導(dǎo)證明過程，以降低相應(yīng)難度。而分組密碼分析中經(jīng)典的差分分析和線性分析等難度相對(duì)較高，對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和編程能力要求較大的部分，可作為學(xué)習(xí)能力相對(duì)較強(qiáng)、具有濃厚學(xué)習(xí)興趣及一定動(dòng)手能力的學(xué)生的課程提升模塊，教師在課后注重及時(shí)的答疑輔導(dǎo)，并在課程考核評(píng)分中加以適當(dāng)?shù)膬A斜，從正面引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、培育學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

3.3 教學(xué)材料的設(shè)計(jì)

在圍繞教學(xué)目標(biāo)確定好教學(xué)核心內(nèi)容后，如何設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)材料，既能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能切實(shí)強(qiáng)化相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的掌握，是密碼學(xué)課程教學(xué)改革的重中之重。目前，從國家、教育部到各省市、高校均有不同層次的課程建設(shè)項(xiàng)目涌現(xiàn)，如一流課程“雙萬計(jì)劃”，出現(xiàn)了線上金課、虛擬金課、線上線下混合金課等一大批精品課程。特別是2020年1月份教育部下發(fā)了“停課不停學(xué)”的通知，全國各類高校紛紛開展了線上教學(xué)活動(dòng)，中國大學(xué)慕課、超星學(xué)習(xí)通、雨課堂等線上教育平臺(tái)也紛紛推出了各自的教學(xué)資源。

身處大數(shù)據(jù)時(shí)代，老師和學(xué)生可以借助網(wǎng)絡(luò)獲取海量的學(xué)習(xí)資源。由于密碼學(xué)本身的知識(shí)體系已較為龐大，在密碼學(xué)課程的授課中需格外注意教學(xué)資源的聚焦、統(tǒng)一，積極提供立體化、層次化的教學(xué)資源，便于學(xué)生進(jìn)行多視角的學(xué)習(xí)。新時(shí)代的教學(xué)，對(duì)教師在教學(xué)資料的篩選方面提出了新的要求。一方面可充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)共享資源，如各大教育平臺(tái)的相關(guān)慕課視頻，以提高備課效率及資源利用率。另一方面在資料的選取上，更要結(jié)合學(xué)校專業(yè)及學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，制定與其相適宜的教學(xué)材料，如針對(duì)基礎(chǔ)較為薄弱的同學(xué)，提供額外的數(shù)學(xué)及編程指導(dǎo)資料。同時(shí)，在教學(xué)材料的形式上應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)立體化的展示，除傳統(tǒng)的用于課前預(yù)習(xí)和自學(xué)的PPT課件、教材章節(jié)外，更要注重示例程序、仿真軟件、動(dòng)畫演示、習(xí)題測驗(yàn)、前沿文獻(xiàn)等有助于學(xué)生課后進(jìn)行復(fù)習(xí)鞏固和拓展提升的教學(xué)資料。

以古典密碼為例，在教學(xué)材料的組織上，既要有中國大學(xué)慕課、超星學(xué)習(xí)通相關(guān)精品課程的內(nèi)容分享，便于學(xué)生提前預(yù)習(xí)及課后的復(fù)習(xí);更要結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)注重補(bǔ)充歐幾里得算法、擴(kuò)展的歐幾里得算法的原理及證明推導(dǎo)，并輔以其在密碼學(xué)中的逆元求解應(yīng)用示例，針對(duì)其數(shù)學(xué)原理的推導(dǎo)證明，在教學(xué)材料的組織形式上應(yīng)以課件為主，視頻講解為輔，以便學(xué)生進(jìn)行有效得理解消化吸收。同時(shí)，輔以必要的測驗(yàn)題目及相應(yīng)的參考答案，用于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握情況的自我測驗(yàn)。針對(duì)實(shí)踐動(dòng)手能力的培養(yǎng)，要有相應(yīng)的程序代碼示例及動(dòng)畫演示，其中代碼部分應(yīng)以參考為主，避免算法完整代碼的呈現(xiàn)，注重培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和實(shí)際動(dòng)手能力。通過這些立體化、層次化的教學(xué)資源，能夠引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，便于其進(jìn)行相應(yīng)的練習(xí)操作。學(xué)生也借助這些多視角的學(xué)習(xí)，加深其相關(guān)算法原理的掌握。

4 結(jié)束語

密碼學(xué)作為信息安全、網(wǎng)絡(luò)空間安全的專業(yè)核心課程，其涉及基礎(chǔ)課程數(shù)量多、課程內(nèi)容范圍廣、難度大。在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)圍繞密碼學(xué)機(jī)密性、完整性、鑒別性及不可否認(rèn)性四大屬性，提出依據(jù)學(xué)校發(fā)展定位、學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)并結(jié)合學(xué)生各自特點(diǎn).明確相應(yīng)層次清晰、難易適中、貼合實(shí)際的課程培養(yǎng)目標(biāo)。結(jié)合培養(yǎng)目標(biāo)，進(jìn)行針對(duì)性的教學(xué)內(nèi)容遴選，確立密碼學(xué)基本原理的“信息安全概述、古典密碼、分組密碼、非對(duì)稱密碼、序列密碼、哈希函數(shù)、鑒別認(rèn)證、數(shù)字簽名、密鑰管理、前沿應(yīng)用”等10大教學(xué)模塊，依據(jù)相應(yīng)的培養(yǎng)目標(biāo)，從課設(shè)分配、考核重點(diǎn)等方面既要在模塊之間進(jìn)行難易的取舍，更要注重各模塊自身基礎(chǔ)內(nèi)容與進(jìn)階內(nèi)容的遴選。針對(duì)具體的教學(xué)內(nèi)容，通過構(gòu)建教學(xué)大綱、慕課視頻、課件講義、習(xí)題作業(yè)、課堂測驗(yàn)、動(dòng)畫演示、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)和延伸拓展等立體化的教學(xué)材料，聚焦實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

新時(shí)代對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間安全人才的能力從創(chuàng)新意識(shí)、思維能力、實(shí)踐應(yīng)用等都提出了新要求，對(duì)密碼學(xué)課程教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。應(yīng)用型本科院校的密碼學(xué)課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)以人才培養(yǎng)目標(biāo)為導(dǎo)向，靈活調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，合理組織教學(xué)材料，豐富強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)方式，進(jìn)而夯實(shí)理論基礎(chǔ)、培養(yǎng)應(yīng)用能力，增強(qiáng)密碼學(xué)人才培養(yǎng)實(shí)效。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

作者簡介：張國偉（1982-），男，山東臨朐人，講師，博士，主要從事信息安全、無線通信、大數(shù)據(jù)處理、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)研究。