面向信息安全專業(yè)的信息隱藏技術(shù)課程混合式教學研究與實踐

鄭淑麗，羅 珣，胡東輝，2

（1.合肥工業(yè)大學 計算機與信息、人工智能學院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學 信息化建設與發(fā)展中心，安徽 合肥 230009）

0 引言

信息隱藏技術(shù)是面向信息安全專業(yè)本科生開設的專業(yè)課程，主要研究如何將信息隱藏到各種載體中進行傳輸，實現(xiàn)隱蔽通信。隨著多媒體技術(shù)網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，信息隱藏的研究范圍不斷擴大，從保密通信到多媒體版權(quán)保護、多媒體認證、大數(shù)據(jù)版權(quán)標識、深度學習模型版權(quán)標識等，信息隱藏技術(shù)與大數(shù)據(jù)、人工智能等領域的交叉融合，在實際應用中發(fā)揮著越來越重要的作用。

信息隱藏是一門典型的多學科交叉融合課程，重理論與實踐，需要學生具備數(shù)字信號處理、多媒體技術(shù)、機器學習、通信原理、密碼學、信息論等基礎知識。作為緊跟時代發(fā)展的課程，信息隱藏應與當前研究熱點緊密結(jié)合［1-2］。為了使學生學以致用，必須要求其掌握大量相關(guān)領域知識，但受限于學時和學分設置，傳統(tǒng)教學模式（課堂講授，課下學練）存在師生互動交流較少，無法充分發(fā)揮學生主觀能動性，教學效果難以有效提升等問題。因此，必須探索新的教學模式提升學生課外自學時間與力度，突出“兩性一度”的特色，提高教學質(zhì)量［3］。

1 SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂混合式教學

MOOC與翻轉(zhuǎn)課堂的興起，為高等教育教學改革與創(chuàng)新提供了機遇［4-5］。針對傳統(tǒng)教學中存在的痛點與難點問題，線上線下混合式教學已逐步在高校應用，成為高校教學模式改革所關(guān)注的重要方向［6-7］。線上線下混合課程是圍繞同一批學生，將線上課程（MOOC或SPOC）與線下課程（實體課堂課程）相結(jié)合，既有視頻/線上課程支持，又有實體課堂。混合式教學具有線上+線下、翻轉(zhuǎn)課堂、師生高效互動及交流三大特征［8］，其目的在于推動課堂與學習革命，使學生由被動學習向主動學習轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)課堂存在課程創(chuàng)新實現(xiàn)難、分層次教學實施難、學習效果提升難等問題，混合式教學可進行課程內(nèi)涵化、內(nèi)容可視化、網(wǎng)絡課堂差異化及實體課堂互動化［9-10］解決所遇問題。該方式相較于大規(guī)模在線開放課程（Massive Open Online Course，MOOC）、小規(guī)模限制性教學（Small Private Online Course，SPOC）在實現(xiàn)網(wǎng)絡課堂差異化方面具有顯著優(yōu)勢［11］，MOOC學習群體的大規(guī)模性忽視了學習對象的個性化需求，SPOC具有小規(guī)模、限制準入、根據(jù)授課對象定制在線資源等特點，非常適合專業(yè)課小班教學。

相較于信息安全專業(yè)的其他課程［12］，信息隱藏課程的講授內(nèi)容與教學方式具有其自身特點：目前信息隱藏自身基礎理論模型尚未成熟，算法設計及應用也在不斷更新迭代中，缺少成熟穩(wěn)定的教材，各大MOOC平臺上的課程資源非常少，而且由于各校培養(yǎng)目標、課程目標與專業(yè)教師的科研能力不同，課程教學大綱與教學內(nèi)容差異較大，因此并未形成統(tǒng)一的教學內(nèi)容體系；信息隱藏技術(shù)的課程目標與課程大綱體現(xiàn)了合肥工業(yè)大學專業(yè)特色，教學內(nèi)容緊跟該領域最新研究成果，并與密碼學相輔相成，在課程群綜合設計的實踐環(huán)節(jié)，融合了加密技術(shù)、信息隱藏技術(shù)與隱私保護技術(shù)，設置了綜合性課設題目及任務要求，教學形式采取小班教學授課方式，在傳統(tǒng)教學模式下已開展了翻轉(zhuǎn)課堂研討。

綜上，本文研究SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學模式，采用SPOC平臺定制教學內(nèi)容，從課程教學整體思路、教學活動實施、教學方法、評價方法等方面，探索模式在信息隱藏課程講授中應用的成效，以拓展課外學習資源，博取眾家之所長，提升學生自主學習力度，提高課程創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)。

2 課程建設整體思路

依據(jù)合肥工業(yè)大學信息安全專業(yè)的定位與培養(yǎng)目標，遵循制定具有專業(yè)特色的課程整體建設思路，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)+競賽為導向，將教學內(nèi)容劃分為基礎知識模塊、算法設計模塊與案例研討模塊，如圖1所示。

Fig.1 Construction system of information hiding course圖1 信息隱藏技術(shù)課程建設體系

2.1 基礎知識模塊

講授課程前期基礎知識，包含多媒體技術(shù)、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、密碼學等。然而，有限的課堂學時無法涵蓋大量基礎知識回顧，故該部分內(nèi)容以線上教學為主，線下課堂為輔。

學生通過定制的MOOC視頻復習回顧相關(guān)基礎知識，線下課堂則聚焦信息隱藏的發(fā)展推動力（融入課程思政）、信息隱藏的理論模型及評價指標進行講授和討論，以解決課時少、教學廣度難以覆蓋的問題。

2.2 算法設計模塊

信息隱藏是一門對抗發(fā)展的學科，隱寫與隱寫分析一直在對抗博弈中共同發(fā)展，特別在深度學習、對抗生成模型等技術(shù)出現(xiàn)后，該領域研究方向及研究成果急速更新，內(nèi)容較多。

因此，部分內(nèi)容以線下課堂為主，線上學習為輔。線上發(fā)布與相關(guān)課堂相關(guān)的最新會議期刊論文，拓寬學生視野。線下側(cè)重引導式、研討式教學，圍繞算法設計、性能指標，通過對抗發(fā)展及可證明安全性進行學習討論，以激發(fā)學生的批判性與創(chuàng)新性思維。

2.3 案例研討模塊

信息隱藏的實際應用領域在不斷擴大，從最初的隱秘通信到大數(shù)據(jù)和短視頻版權(quán)保護、數(shù)據(jù)泄密追蹤等。該部分教學通過選取針對性的案例，將思政教育貫穿課堂教學中，培養(yǎng)學生保衛(wèi)國家網(wǎng)絡及信息安全的意識和決心，采取線上線下并重的方式，線上發(fā)布相關(guān)案例的學習資料，線下則由學生進行案例講解和研討，對學有余力的學生提供實際項目課題進行分析、設計與實現(xiàn)，培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力與高級思維。

2.4 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)+競賽

信息隱藏已逐漸成為一門獨立的學科，與密碼學并列成為信息安全領域兩大核心基礎安全技術(shù)，算法設計模塊、案例綜合模塊的教學大綱均以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)+競賽為導向，持續(xù)跟蹤創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)+競賽方面的相關(guān)領域案例，并及時反饋到下一學年教學中調(diào)整模塊教學內(nèi)容，優(yōu)化知識點結(jié)構(gòu)與能力培養(yǎng)方案。

3 教學活動實施

具體實施過程中，結(jié)合信息安全專業(yè)的人才培養(yǎng)方案及課程教學大綱，定制合肥工業(yè)大學信息安全專業(yè)特色的教學內(nèi)容，采取SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂的混合教學模式，即線上/課下講教，線下/課堂學練［8］。授課采用常規(guī)的3段式教學如圖2所示。

Fig.2 Blending teaching mode of information hiding course圖2 信息隱藏課程的混合教學模式

由圖2可見，課前/線上、課后/線上專注教師的講和教，采用SPOC平臺導入MOOC資源包，將線上學習資料推送到學生端。通過QQ教學班級群、SPOC平臺互動區(qū)實時答疑學生在預習過程中所遇問題。課中/線下采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，開啟雨課堂教學，專注學生學與練。

3.1 教學方法設計

本文設置的課程中3個教學模塊由淺入深，層次遞進，根據(jù)模塊內(nèi)容不同，教學方法也存在明顯差異，如表1所示。

Table 1 Comparison of teaching method of different module表1 不同模塊的教學方法比較

由表1可知，3個模塊的核心內(nèi)容分別為安全范式的轉(zhuǎn)變、對抗算法的博弈及應用案例。各模塊內(nèi)容難度不同，對學生的要求也不同。具體為，模塊1難度較低以線上學習為主，課堂/線下側(cè)重討論，輔助學生理解理論基礎知識；模塊2難度中等以線上學習為輔，課堂/線下通過啟發(fā)式教學，幫助學生理解算法間的博弈關(guān)系；模塊3難度較大，結(jié)合了目前最新的研究與應用成果，因此線上和線下并重，線上注重熟悉案例的實際應用場景及業(yè)務需求，線下采用分組辯論方式圍繞某一具體案例進行辯論和測評。

在教學資源與工具方面，線上采用SPOC平臺+QQ進行講授和交流互動。教師通過SPOC教學平臺推送豐富的線上信息資源，既保證課程內(nèi)容的前沿性，又為學生的自主學習提供服務，避免學生盲目搜索資料。同時，SPOC平臺提供了一個良好的線上互動性氛圍，教師通過發(fā)布討論主題，組織學生進行協(xié)作式學習，引導學生深入理解知識點。線下實體課堂采用雨課堂教學工具，通過雨課堂的交互功能開展討論與辯論式教學，引導學生真正參與教與學的活動中，做到學以致用。

3.2 教學評價設計

完整的教學評價體系包括學生考核方式、學生評教、教師自評3個方面。

（1）學生考核方式?；旌鲜浇虒W采用多元化的評價指標，能較為真實反應學生的學習能力與參與度。在具體實施過程中，該課程對信息安全專業(yè)畢業(yè)要求的支撐指標點主要體現(xiàn)在運用專業(yè)理論，并采用科學方法解決復雜信息安全領域工程問題，偏重學生能力方面的培養(yǎng)，故考核方式側(cè)重學習過程性評價，弱化了結(jié)果性考核。過程性評價主要包括SPOC作業(yè)成績、研討成績、課堂互動成績、案例演示成績，視頻觀看時間等。線下課堂出勤率雖不作為考核項目，但作為督促學生線上學習的一個參考指標。結(jié)果性考核包括實驗報告與期末報告。

（2）學生評教與教師自評。學生評教與教師自評的結(jié)果作為課程持續(xù)改進的依據(jù)，根據(jù)教務處發(fā)布的學生評教統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可了解學生對課程的詳細評價，包括教學方法、課堂調(diào)控及課堂效果等。教師自評需要詳細分析線上線下每個考核指標的分數(shù)分布，細化考核指標與能力培養(yǎng)間對應的關(guān)系，從而分析課程教學在能力培養(yǎng)方面存在的問題并進行改進。

3.3 教學實踐與效果分析

針對合肥工業(yè)大學信息安全專業(yè)2019、2020級本科生，開展兩個教學周期的混合式教學模式改革與實踐。線上平臺采用學堂云SPOC（https：//hfut.yuketang.cn），MOOC資源選取南開大學信息隱藏技術(shù)線上課程，推送擴展資源采用中科院信息工程研究所的信息隱藏課件，共計94名學生參與此次學習。教學數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2所示。

Table 2 Comparison of statistic data in teaching process表2 教學過程統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比

由表2可知，2020級相較于2019級學生充分利用了SPOC平臺的討論區(qū)功能，在講授期間動態(tài)發(fā)布討論題目，學生通過回帖發(fā)布自身觀點，并對其他學生的觀點進行點評，進行生生互動。雖然，采用互動討論環(huán)節(jié)會使隨機點名及提問的師生互動次數(shù)有所下降，但由于課堂上更傾向于生生互動環(huán)節(jié)，可充分發(fā)揮學生學習的積極性與主觀能動性。

兩個教學周期均設置了6個學時的翻轉(zhuǎn)課堂，圍繞大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目進行分組討論與匯報，采用生講生評的方式進行學習。從課堂效果可知，學生提問與發(fā)言積極性相較于傳統(tǒng)教學模式均有所較高，能對目前信息隱藏的發(fā)展提出自身看法與見解。從期末報告質(zhì)量角度分析，報告質(zhì)量具有顯著提升，通過課堂討論拓展資源學習，期末報告的主題不再局限于傳統(tǒng)信息隱藏成果，而聚焦于最新發(fā)展成果。學生評教方面，通過發(fā)放包含教學內(nèi)容與目標匹配度等10個指標的問卷44份，回收41份，按照百分制計分，平均分為94.44，標準差為9.92，所得結(jié)果相較于傳統(tǒng)教學略有提升。此外，混合教學模式在教學技術(shù)與教學方法、教學效果、知識拓展與延伸等指標的評分均高于傳統(tǒng)教學評分。

4 結(jié)語

信息安全專業(yè)作為培養(yǎng)服務國家安全的特殊專門人才的新興專業(yè)，需要立足學校優(yōu)勢基礎，打造專業(yè)培養(yǎng)的特色方向和特殊技能。在此背景下，如何提高信息安全專業(yè)本科人才的培養(yǎng)質(zhì)量仍存在許多問題亟待研究與解決。

本文從教學模式改革角度出發(fā)，研究、探索SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂混合教學模式，以合肥工業(yè)大學信息安全專業(yè)的專業(yè)課程信息隱藏技術(shù)為例，探討混合式教學模式的設計與實現(xiàn)，旨在以學生為中心培養(yǎng)學生的思維與創(chuàng)新能力，為信息安全專業(yè)其他課程的教學改革提供一個可行方案。