基于文獻(xiàn)計量分析的本科生密碼學(xué)教育現(xiàn)狀及趨勢

袁 科，王籽霖，程自偉，鄢英杰，湯 茜，閆永航

（1.河南大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院；2.河南省空間信息處理工程研究中心；3.河南大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，河南開封 475004）

0 引言

密碼學(xué)是用于保證信息安全三要素，即機(jī)密性、完整性和可用性的重要技術(shù)［1］。在近代以前，密碼學(xué)只考慮到信息的機(jī)密性，即如何將可理解的信息轉(zhuǎn)換成難以理解的信息，并且使得接收方可以使用密鑰解密信息，而缺乏解密密鑰的攔截者或竊聽者無法解讀。近年來，該領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋身份認(rèn)證、信息完整性檢查、數(shù)字簽名、互動證明、安全多方計算等各類技術(shù)領(lǐng)域，其中最直觀的體現(xiàn)是身份認(rèn)證。在信息化時代，當(dāng)將真實(shí)世界轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)中的虛擬世界時，身份認(rèn)證必不可少。

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，其已成為支撐信息安全各個研究方向的專業(yè)基礎(chǔ)學(xué)科之一［2］，是信息安全、電子通信和計算機(jī)等專業(yè)的必修課或選修課［3］。由于具有強(qiáng)大的應(yīng)用背景，涉及計算理論基礎(chǔ)、信息論基礎(chǔ)、初等數(shù)論、抽象代數(shù)、概率論等多個學(xué)科，密碼學(xué)教學(xué)并非易事［4］。2015 年6 月，網(wǎng)絡(luò)空間安全獲批一級學(xué)科，信息安全擁有了更好的發(fā)展前景。作為信息安全的核心技術(shù)，密碼學(xué)的教學(xué)更加受重視。2020 年1 月1 日，國家實(shí)施《中華人民共和國密碼法》，重點(diǎn)規(guī)范了什么是密碼、誰來管密碼、怎么管密碼以及怎么用密碼等問題，體現(xiàn)了密碼學(xué)越來越重要的地位。2021年，教育部新增密碼學(xué)科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)，如何培養(yǎng)解決信息安全問題的專業(yè)技術(shù)人員成為教育界近年來的研究重點(diǎn)。

在數(shù)據(jù)庫中以“密碼學(xué)教育”等關(guān)鍵詞搜索近25 年文獻(xiàn)所獲得的信息是雜亂的、毫無規(guī)律的，想要從中獲得有用的信息非常困難。為此，本文對檢索文獻(xiàn)進(jìn)行計量學(xué)分析，以期獲得更加直觀的數(shù)據(jù)展示密碼學(xué)教育領(lǐng)域的發(fā)展歷程。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以中國知網(wǎng)（CNKI）為數(shù)據(jù)來源，其是世界上全文信息量規(guī)模最大的數(shù)字圖書館，可基本反映密碼學(xué)教育領(lǐng)域的發(fā)展和研究情況。以密碼學(xué)教育、密碼學(xué)課程以及信息安全教育為關(guān)鍵詞，去除無關(guān)主題，檢索時間范圍為1996-2020 年。結(jié)果共檢索到論文472 篇，以此為樣本進(jìn)行分析研究。

1.2 研究方法

知識圖譜可以將復(fù)雜的知識領(lǐng)域通過數(shù)據(jù)挖掘、信息處理、知識計量和圖形繪制的方式展示出來，以揭示該領(lǐng)域的動態(tài)發(fā)展規(guī)律，為科學(xué)研究提供切實(shí)的、有價值的參考。美籍華裔學(xué)者陳超美博士設(shè)計的CiteSpace 軟件［5］是眾多知識圖譜繪制軟件中的一種。SATI 可以利用一般計量分析、貢獻(xiàn)分析、聚類分析、多維尺度分析、社會網(wǎng)絡(luò)分析等數(shù)據(jù)分析方法對期刊全文數(shù)據(jù)題錄信息進(jìn)行處理，挖掘和呈現(xiàn)出美觀的可視化數(shù)據(jù)結(jié)果［6］。兩個軟件均為期刊文獻(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析的輔助工具，但側(cè)重點(diǎn)有所不同。

本文從CNKI 數(shù)據(jù)庫中共獲取兩種不同格式的數(shù)據(jù)，分別為Refworks 和EndNote。首先使用CiteSpace 對Refworks 數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞的字段抽取、詞頻統(tǒng)計、作者分析以及作者合作分析，得到相關(guān)知識圖譜、時間線圖以及時區(qū)圖；然后將EndNote 數(shù)據(jù)導(dǎo)入SATI 文獻(xiàn)題錄信息統(tǒng)計分析工具，得到機(jī)構(gòu)知識圖譜和論文高頻發(fā)表年份。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 發(fā)表年份分析

對論文年度發(fā)文量進(jìn)行統(tǒng)計分析可根據(jù)其增長及下降規(guī)律體現(xiàn)該領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r，預(yù)測發(fā)展趨勢［7］。近25 年密碼學(xué)教育領(lǐng)域逐年發(fā)文量如圖1 所示，可以看出，我國關(guān)于密碼學(xué)本科教育的研究整體呈上升趨勢，且文獻(xiàn)分布具有明顯的階段性特征，可劃分為兩個階段。第一階段為1996-2006 年，該階段為密碼學(xué)的研究初期［8］，亦為密碼學(xué)教育研究的初始階段。該時期由于密碼學(xué)多應(yīng)用于軍事等領(lǐng)域，公開技術(shù)較少，因此相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量較少，年均發(fā)表論文僅為2.64 篇。密碼學(xué)包含數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、通信與信息等多學(xué)科內(nèi)容［9］，初期仍處于密碼學(xué)課程的基礎(chǔ)理論建設(shè)時期；第二階段為2007-2020 年，該階段發(fā)文量顯著增加且年發(fā)文量較為穩(wěn)定，年均31.6 篇。這一時期，網(wǎng)絡(luò)安全被上升至國家安全體系中的重要戰(zhàn)略地位，且密碼學(xué)是網(wǎng)絡(luò)信息安全的核心技術(shù)，高等院校越來越重視密碼學(xué)科的發(fā)展，注重探索和改革密碼學(xué)課程的教學(xué)方法，將傳統(tǒng)密碼學(xué)與前沿技術(shù)結(jié)合深化課程體系教育改革。

Fig.1 Number of literatures issued by cryptography education research from 1996 to 2020圖1 1996-2020年密碼學(xué)教育相關(guān)研究逐年發(fā)文量

2.2 核心作者分析

發(fā)文量可在一定程度上反映該領(lǐng)域有學(xué)術(shù)影響力的作者群體［10］。作者合作共現(xiàn)分析是對該領(lǐng)域發(fā)表著作的作者間合作次數(shù)的統(tǒng)計分析，可以反映作者間的合作關(guān)系與緊密程度［11］。將“Node Types”設(shè)置為Author，Thresholds分別為（2，2，20）、（4，3，20）、（3，3，20），采用CiteSpace 軟件得到密碼學(xué)本科教育領(lǐng)域的核心作者共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜。如圖2 所示，節(jié)點(diǎn)越大表示該作者發(fā)文量越多，節(jié)點(diǎn)間的連線越多表明作者間的合作越密切。可以看出，該領(lǐng)域已基本形成以張煥國、韓益亮、沈霞娟、賈忠田、朱曉玲為核心的作者群；以楊建強(qiáng)、張京良、段桂華、賈春福為核心組成的作者群合作也較為密切。各個作者群合作節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系較為分散，內(nèi)部關(guān)系較為緊密，表明在密碼學(xué)教育領(lǐng)域多為小群體合作，但小群體之間尚未形成緊密的合作關(guān)系。因此建議團(tuán)隊間加強(qiáng)合作，促進(jìn)優(yōu)勢資源互補(bǔ)。

Fig.2 Core author co-occurrence network map圖2 核心作者共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

近25 年密碼學(xué)本科教育相關(guān)領(lǐng)域發(fā)文量排名前20 位的作者如表1 所示?？梢钥闯?，發(fā)文量在5 篇以上的作者僅有2 位，占10%；發(fā)文量在4 篇以上的作者有13 位，占65%。表明該領(lǐng)域僅存在部分核心作者，尚未形成穩(wěn)定的研究群體。

Table 1 Top 20 authors of cryptography undergraduate education research from 1996 to 2020表1 1996-2020年密碼學(xué)本科教育發(fā)文量前20位作者

2.3 科研機(jī)構(gòu)分析

利用SATI 軟件抽取“研究機(jī)構(gòu)”字段，生成研究機(jī)構(gòu)合作可視化知識圖譜，結(jié)果如表2 和圖3 所示。在發(fā)文量方面，北京電子科技學(xué)院（9 篇）和武警工程大學(xué)密碼工程學(xué)院（6 篇）位居前列。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜中的連線代表機(jī)構(gòu)間的合作關(guān)系，可以看出機(jī)構(gòu)間合作僅有4 類，分別為北京交通大學(xué)計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院和北京交通大學(xué)國家保密學(xué)院、北京航空航天大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院和北京航空航天大學(xué)計算機(jī)學(xué)院、華南師范大學(xué)計算機(jī)學(xué)院和廣東商學(xué)院數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院、南開大學(xué)計算機(jī)與控制工程學(xué)院和南開大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院。由圖中節(jié)點(diǎn)可看出，高發(fā)文量研究機(jī)構(gòu)之間的合作關(guān)系較弱，且均為校內(nèi)合作。表明密碼學(xué)教育領(lǐng)域研究機(jī)構(gòu)分布較廣且機(jī)構(gòu)間的合作較少，有待加強(qiáng)。

Table 2 High-volume research institution for cryptography undergraduate education from 1996 to 2020表2 1996-2020年密碼學(xué)本科教育領(lǐng)域高發(fā)文量研究機(jī)構(gòu)

2.4 研究熱點(diǎn)分析

關(guān)鍵詞是論文中心內(nèi)容的概括，在一定程度上體現(xiàn)了文章的研究重點(diǎn)，因此對關(guān)鍵詞頻次進(jìn)行分析可以反映該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［12］。運(yùn)用CiteSpace 軟件，將節(jié)點(diǎn)類型設(shè)置為Keyword（關(guān)鍵詞），設(shè)置時間間隔為1996-2020 年，然后進(jìn)行聚類分析，得到如圖4 所示的關(guān)鍵詞聚類圖譜，其中N（節(jié)點(diǎn)）=473，E（連線）=1 007，Density（密度）=0.009。將圖中頻次排前20 位的關(guān)鍵詞列出，如表3 所示。由于“密碼學(xué)”為主要檢索關(guān)鍵詞，在接下來的分析中忽略該關(guān)鍵詞。

如圖4 所示，密碼學(xué)教育領(lǐng)域的關(guān)鍵詞主要分為5 類，分別為密碼學(xué)、信息安全、信息安全教育、網(wǎng)絡(luò)安全以及教學(xué)改革。圖中節(jié)點(diǎn)代表關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)大小代表該關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次的高低?？梢钥闯?，出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞為信息安全，其次為信息安全教育，然后為教學(xué)方法，表明近25年信息安全教育及教學(xué)方法的研究尤為突出。這是由于密碼學(xué)是信息安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，想要在信息安全方面對學(xué)生進(jìn)行教育及意識培養(yǎng)，就不可避免地要開設(shè)密碼學(xué)課程，研究其教學(xué)方法并進(jìn)行教學(xué)改革。

Fig.3 Institutional cooperation co-occurrence network map圖3 機(jī)構(gòu)合作共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜

Fig.4 Keywords clustering graph in cryptography education related fields圖4 密碼學(xué)教育相關(guān)領(lǐng)域關(guān)鍵詞聚類圖譜

Table 3 High frequency keywords in fields related to cryptography education from 1996 to 2020表3 1996-2020年密碼學(xué)教育相關(guān)領(lǐng)域高頻關(guān)鍵詞

運(yùn)用CiteSpace 的TimeZone 功能將關(guān)鍵詞圖譜轉(zhuǎn)換為研究熱點(diǎn)時區(qū)分布圖譜，結(jié)果見圖5。時區(qū)圖又稱為主題路徑圖，可直觀展示某一時區(qū)的研究熱點(diǎn)。圖中關(guān)鍵詞的位置表示該關(guān)鍵詞首次出現(xiàn)的時間，兩點(diǎn)間存在連線表示兩者出現(xiàn)在同一篇文獻(xiàn)中［13］，可根據(jù)熱點(diǎn)內(nèi)容將該領(lǐng)域研究分為3個階段。

Fig.5 Time zone distribution map of cryptography education research hot topics from 1996 to 2020圖5 1996-2020年密碼學(xué)教育研究熱點(diǎn)時區(qū)分布圖

第一階段（1996-2005 年）比較注重密碼學(xué)以及信息安全的教育，亦是密碼學(xué)以及密碼學(xué)教育的發(fā)展初期階段。在該階段，密碼學(xué)多用于信息安全、保密通信、秘密分享等，其應(yīng)用領(lǐng)域較為特殊且專業(yè)要求較高，因此需要培養(yǎng)專業(yè)人才。信息安全事關(guān)國家安全，甚至可能涉及信息戰(zhàn)，因此需要專業(yè)人員掌握信息安全技術(shù)，開展信息安全工作。密碼學(xué)是保障信息安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，該課程涉及的領(lǐng)域較多，如密碼協(xié)議、密碼算法設(shè)計以及密碼分析，并且需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，如線性代數(shù)、信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、數(shù)論、概率論、圖論、數(shù)理統(tǒng)計、近世代數(shù)等［14］。因此，在本科教學(xué)方面，改革的不僅僅是密碼學(xué)一門課程，更需要對其基礎(chǔ)課程進(jìn)行改革，以完善密碼學(xué)學(xué)習(xí)中所需要的基礎(chǔ)知識［15］。

第二階段（2006-2015 年）密碼學(xué)的應(yīng)用更加面向大眾，發(fā)展到了全面實(shí)踐應(yīng)用階段。在人們的日常生活中，無處不在的身份認(rèn)證成為重中之重，而密碼學(xué)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著信息化和數(shù)字化社會的發(fā)展，人們對信息安全和保密的重要性認(rèn)識不斷提高，網(wǎng)絡(luò)安全從信息安全中脫穎而出，以學(xué)生為起點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)安全教育也隨之而來［16］。因此在這一階段，密碼學(xué)專業(yè)的本科生教學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)大規(guī)模改革，教學(xué)方法、教學(xué)設(shè)計以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為該階段的研究熱點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式以及引導(dǎo)其樹立正確的職業(yè)價值觀亦十分重要［17-18］。

第三階段（2016-2020 年）與前兩個階段的迅速發(fā)展不同，開始趨于穩(wěn)定，研究熱點(diǎn)主要圍繞云計算安全、教育信息化以及教學(xué)模式展開。該階段進(jìn)入大數(shù)據(jù)時代，出現(xiàn)了許多需要加密或身份認(rèn)證的領(lǐng)域，因此課程要求有所改變，需緊跟時代熱點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)［19］。各高校根據(jù)新時代、新形勢的要求，開展新一輪教學(xué)改革以及專業(yè)課程和基礎(chǔ)課程建設(shè)。

Fig.6 Map of emerging words in fields related to cryptography education圖6 密碼學(xué)教育相關(guān)領(lǐng)域突現(xiàn)詞圖譜

為更加明確地掌握密碼學(xué)教育領(lǐng)域在每個階段的趨勢轉(zhuǎn)變，運(yùn)用CiteSpace 軟件對近25 年該領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行突現(xiàn)檢測，并按照突現(xiàn)年份排序得到如圖6 所示的突現(xiàn)詞圖譜。突現(xiàn)詞是指在發(fā)表文獻(xiàn)中驟增的關(guān)鍵詞，可以體現(xiàn)未來的研究趨勢［20］?？梢钥闯觯滑F(xiàn)值最高的關(guān)鍵詞為網(wǎng)絡(luò)信息安全，為3.23；其次為突現(xiàn)值為2.81 的課程改革以及突現(xiàn)值為2.73 的信息安全教育。為了解密碼學(xué)教育領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)，選取近5 年的突現(xiàn)詞進(jìn)行分析，分別為教育信息化、網(wǎng)絡(luò)安全、課程改革、現(xiàn)代密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)信息安全以及課程體系?？梢钥闯觯n程改革以及課程體系成為近年研究熱點(diǎn)。對于各高校來說，如何使改革創(chuàng)新適應(yīng)新環(huán)境而不流于形式，加強(qiáng)密碼學(xué)基礎(chǔ)課程建設(shè)，從本質(zhì)上提高密碼學(xué)專業(yè)學(xué)生的綜合能力成為研究重點(diǎn)。隨著新一代網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的出現(xiàn)，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全新認(rèn)識、了解網(wǎng)絡(luò)信息多樣化等成為重中之重，如何在教學(xué)改革中融入新技術(shù)也值得進(jìn)一步探討。

3 結(jié)語

本文采用CiteSpace 和SATI 兩種可視化工具對CNKI數(shù)據(jù)庫1996-2020 年收錄的密碼學(xué)教育相關(guān)領(lǐng)域的472 篇文獻(xiàn)進(jìn)行了計量分析，展示了密碼學(xué)教育研究的總體概況，得出以下結(jié)論：①從年度發(fā)文量可以看出，密碼學(xué)教育相關(guān)研究從初期逐步增長到現(xiàn)在穩(wěn)步發(fā)展，被越來越多的人關(guān)注并重視，可以預(yù)測其未來將會保持平穩(wěn)發(fā)展甚至逐步增長；②從核心作者發(fā)文量可以看出該領(lǐng)域研究仍處于初步階段，發(fā)文量較高的作者仍在少數(shù)；從作者以及機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)看出，機(jī)構(gòu)間合作亟待加強(qiáng)；③從關(guān)鍵詞分析可以看出，在對本科生進(jìn)行基礎(chǔ)密碼學(xué)教育的同時，需結(jié)合最新發(fā)展趨勢不斷進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式的改革。

密碼學(xué)教育領(lǐng)域的研究主要呈現(xiàn)出3 個階段的動態(tài)變化，早期研究更多關(guān)注信息安全教育、基礎(chǔ)通訊領(lǐng)域的密碼學(xué)應(yīng)用、信息素質(zhì)培養(yǎng)等；近期研究主題主要圍繞網(wǎng)絡(luò)安全中的密碼學(xué)、教學(xué)內(nèi)容改革、教學(xué)方式改進(jìn)以及基礎(chǔ)專業(yè)設(shè)立展開。

密碼學(xué)教育是一門需要根據(jù)時代發(fā)展不斷調(diào)整的學(xué)科，應(yīng)加快學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，建立密碼學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科、應(yīng)用學(xué)科、交叉學(xué)科分類發(fā)展機(jī)制，才會有更好的發(fā)展前景。如何在不斷發(fā)展的背景下建設(shè)高質(zhì)量密碼學(xué)學(xué)科、培養(yǎng)專業(yè)密碼學(xué)人才，是密碼學(xué)教育領(lǐng)域未來研究的重點(diǎn)。