網(wǎng)絡(luò)空間安全新形勢下探析密碼學(xué)課程教學(xué)改革

何凱　任園園　張福勇

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

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0073-03

0 引言

網(wǎng)絡(luò)空間安全已經(jīng)成為保障國家安全的重要基礎(chǔ)，2021年美國最大的保險公司之一CNA Financial 被勒索軟件索取4000萬美元攻擊事件、2022年英國國家醫(yī)療服務(wù)體系（NHS） 的111救助熱線遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊事件等。這就要求我們要高度重視網(wǎng)絡(luò)空間安全，注重對網(wǎng)絡(luò)空間安全人才的培養(yǎng)。近年來，《密碼法》《數(shù)據(jù)安全法》《個人信息保護(hù)法》《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護(hù)條例》等相繼頒發(fā)。密碼學(xué)是保障網(wǎng)絡(luò)空間安全的理論基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)之一，密碼學(xué)教學(xué)對我國網(wǎng)絡(luò)空間安全人才的培養(yǎng)起到重要的影響[1]。因此，本文在網(wǎng)絡(luò)空間安全新形勢下，對密碼學(xué)課程進(jìn)行改革新探索勢。

針對密碼學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀，密碼學(xué)界提出了一些改革方案。2018年，劉楊等人[2]利用項目驅(qū)動教學(xué)方法和分層目標(biāo)教學(xué)方法，提出面向網(wǎng)絡(luò)空間安全的密碼學(xué)課程教學(xué)模式，實踐表明，提高了教學(xué)質(zhì)量的同時也極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性。2019年，方黎明等人[3]針對密碼學(xué)教學(xué)現(xiàn)狀提出了具有現(xiàn)代特色密碼學(xué)課程體系優(yōu)化的改革措施；同年，李曉偉等人[4]從密碼學(xué)課程內(nèi)容改革以及密碼綜合素質(zhì)提升兩個角度進(jìn)行探索，提出培養(yǎng)應(yīng)用型信息人才；2020年，秦艷琳等人[5]針對密碼學(xué)課堂灌輸式教學(xué)存在的弊端，提出“以學(xué)為中心”的探究式為教學(xué)理念，引入密碼學(xué)教學(xué)課堂。同年，吳旭光等人[6]提出了“五階段教學(xué)法”，推行開放式實驗，培養(yǎng)學(xué)生的密碼工程實踐技能。2021 年，周敏等人[7] 將課程教學(xué)內(nèi)容和特點與國內(nèi)外MOOC 和翻轉(zhuǎn)課堂相結(jié)合，引入密碼學(xué)課程教學(xué)當(dāng)中。2022年，謝絨娜等人[8]將課程思政融入密碼學(xué)課程教學(xué)中，從專業(yè)精神與科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)方面進(jìn)行探索，以提高學(xué)生自豪感、榮譽感，激發(fā)學(xué)生對密碼學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。結(jié)合前人提出的教學(xué)改革與大部分高校密碼學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀，首先，本文分析了密碼學(xué)課程的特點、其次，對密碼學(xué)課程目前存在的問題進(jìn)行分析，主要包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法、實驗教學(xué)以及課程思政等方面，最后，對相應(yīng)問題嘗試提出改革方案，比如調(diào)整教學(xué)內(nèi)容、引入新的教學(xué)方法、以培養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)空間安全新形勢下國家需要的應(yīng)用型人才。

1 網(wǎng)絡(luò)空間安全人才需求

長久以來，我國網(wǎng)絡(luò)安全人才培養(yǎng)工作發(fā)展緩慢，2022年9月教育部最新公布的數(shù)據(jù)顯示，到2027 年，我國網(wǎng)絡(luò)安全人員缺口將達(dá)327萬。隨著數(shù)字化進(jìn)程的加速，網(wǎng)絡(luò)邊界逐步消失，網(wǎng)絡(luò)攻擊暴露面擴大，網(wǎng)絡(luò)安全實戰(zhàn)能力，特別是攻防實戰(zhàn)、漏洞挖掘、工程開發(fā)等方面的能力是當(dāng)下對網(wǎng)絡(luò)空間安全人才最急迫的需求，據(jù)教育部《網(wǎng)絡(luò)安全人才實戰(zhàn)能力白皮書》數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)已有34所高校設(shè)立網(wǎng)絡(luò)空間安全一級學(xué)科，而密碼學(xué)課程是網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科基礎(chǔ)理論課程。要根據(jù)密碼學(xué)課程的特點與現(xiàn)狀，探索出相應(yīng)的改革方案，培養(yǎng)新形勢下網(wǎng)絡(luò)空間安全所需的應(yīng)用型人才。

2 密碼學(xué)課程特點與存在的不足

2.1 密碼學(xué)課程特點

密碼學(xué)分為密碼編碼學(xué)與密碼分析學(xué)，是一門研究密碼算法和安全協(xié)議設(shè)計、使用和分析的學(xué)科，密碼技術(shù)是提供網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證、保護(hù)信息安全最重要的技術(shù)手段。具體特點如下：

1） 密碼學(xué)是一門綜合性很強、知識面廣的課程，涉及計算機、通信工程以及數(shù)學(xué)等多個領(lǐng)域的知識。目前，國內(nèi)外許多高校的網(wǎng)絡(luò)信息安全及相關(guān)專業(yè)均開設(shè)了密碼學(xué)課程。

2） 密碼學(xué)的理論基礎(chǔ)知識不僅寬廣深厚，而且是一門理論性和應(yīng)用性都很強的學(xué)科，在生產(chǎn)、生活、軍事外交等領(lǐng)域都有較為廣泛的應(yīng)用，例如網(wǎng)上銀行、衛(wèi)星通信等。并且，密碼學(xué)能夠保障信息安全的核心技術(shù)，包括信息的機密性、完整性、認(rèn)證性、不可偽造性以及可用性。

3） 密碼學(xué)融合了每個時代的先進(jìn)科技。從古典密碼、對稱密碼到公鑰密碼，密碼學(xué)技術(shù)不斷更新，新的密碼技術(shù)不斷涌現(xiàn)。例如，混沌密碼、量子密碼、DNA 密碼等也如雨后春筍般涌現(xiàn)[5]。

2.2 密碼學(xué)課程存在的不足

在教學(xué)過程中，針對密碼學(xué)課程發(fā)現(xiàn)的一些不足，分析如下：

1） 教材相對陳舊。目前，部分密碼學(xué)課程的教材主要介紹教科書式密碼，例如凱撒密碼、DES、AES等。盡管這些密碼對理解密碼學(xué)有著巨大幫助，然而由于內(nèi)容陳舊，導(dǎo)致無法跟隨最新技術(shù)的發(fā)展。而對目前較先進(jìn)的技術(shù)量子密碼、區(qū)塊鏈、人工智能等以及如何與密碼學(xué)課程相結(jié)合，很少有教材介紹。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展與廣泛普及，黑客攻擊手段越來越高，經(jīng)典算法已無法滿足網(wǎng)絡(luò)空間安全實際應(yīng)用需求的安全性。甚至量子計算機一旦出現(xiàn)，傳統(tǒng)的密碼學(xué)問題也將受到攻擊，例如，大整數(shù)分解和離散對數(shù)問題，為了抵抗量子計算攻擊，科學(xué)家，需要尋找新的密碼體制[9-10]。因此，順應(yīng)學(xué)科和時代的發(fā)展，培養(yǎng)適應(yīng)社會對網(wǎng)絡(luò)空間安全人才的要求，對密碼學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容，在深度和寬度進(jìn)行改革是每一個教材編著者亟須思考的問題。

2） 理論教學(xué)多于實踐教學(xué)。密碼學(xué)是一門應(yīng)用性很強的學(xué)科，然而，多數(shù)高校密碼學(xué)課程教學(xué)側(cè)重基礎(chǔ)理論，而且密碼學(xué)課程涉及較多數(shù)學(xué)知識，比如：數(shù)論、抽象代數(shù)、代數(shù)編碼、有限域、概率論等以及晦澀的安全證明方法，內(nèi)容比較抽象。面對大量的數(shù)學(xué)公式和推理，學(xué)生很難對密碼算法的實際應(yīng)用具有直觀的理解。對于實驗課，實驗課時一般只有12個，每周一次，每次3個課時。大部分實驗只讓學(xué)生運行經(jīng)典的密碼學(xué)算法，比如：對稱加密算法DES 算法和ADS算法以及公鑰加密算法RSA加密算法和ElGamal加密算法。這些算法在網(wǎng)絡(luò)上隨手就可以找到大量代碼，在很大程度上，學(xué)生沒有理解算法每個過程，甚至不能理解算法真正含義。同時，學(xué)生只會加密一串?dāng)?shù)字或字母，對于加密各種文件很難實現(xiàn)。在某種程度上，學(xué)生沒有理解密碼學(xué)課程中的密碼算法，導(dǎo)致學(xué)校更難培養(yǎng)出適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)空間安全所需的人才。

3） 教學(xué)方式方法相對單一。大多數(shù)課堂主要采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，采用板書和PPT灌輸式講解密碼學(xué)理論知識。由于密碼學(xué)課程牽涉大量數(shù)論和抽象代數(shù)知識，部分學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為薄弱，在有限學(xué)時內(nèi)，部分教師將密碼學(xué)的基本內(nèi)容講授式灌輸給學(xué)生，這種授課方式的課堂氛圍不夠活躍，學(xué)生參與課堂的機會較少，教學(xué)效果并不理想，導(dǎo)致學(xué)生畏難而不再聽課[4]。

4） 密碼學(xué)課程教學(xué)涉及極少思政。目前大部分課程都會要求講解思政內(nèi)容，密碼學(xué)也不例外，然而對思政內(nèi)容大部分教師都是簡單帶過。

3 密碼學(xué)課程改革探索

根據(jù)密碼學(xué)課程特點以及目前密碼學(xué)課程存在的不足，下面從密碼學(xué)教學(xué)內(nèi)容、實踐教學(xué)、教學(xué)方法、課程思政方面進(jìn)行探討：

1） 教學(xué)內(nèi)容方面。密碼學(xué)課程是一門發(fā)展很快的學(xué)科，密碼學(xué)課程內(nèi)容設(shè)計應(yīng)充分考慮密碼學(xué)學(xué)科的最新研究成果和計算機技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，合理安排密碼學(xué)課程內(nèi)容。在原有密碼學(xué)教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上添加密碼學(xué)前沿章節(jié)，如基于身份密碼、基于屬性密碼、代理重加密、廣播加密、函數(shù)加密、可搜索加密、同態(tài)加密、安全多方計算、量子密碼等。目前，格密碼、量子密碼體制等能夠有效抵抗量子攻擊，但密碼教材很少提及，本科教學(xué)很難涉及這些內(nèi)容。除此之外，密碼學(xué)教材理論知識應(yīng)與實踐應(yīng)用緊密銜接，讓學(xué)生掌握基本的密碼知識的同時也會應(yīng)用密碼技術(shù)，例如：密碼學(xué)在萬物互聯(lián)中如何確保設(shè)備的安全性，以及如何應(yīng)用在大數(shù)據(jù)隱私保護(hù)以及區(qū)塊鏈安全等問題。大部分密碼學(xué)實驗內(nèi)容通常是對教材中一些密碼算法進(jìn)行驗證性實驗，對于結(jié)合具體場景的信息安全應(yīng)用涉及不多。我們應(yīng)以培養(yǎng)適應(yīng)社會對網(wǎng)絡(luò)空間人才的要求為出發(fā)點，將特色課程體系建設(shè)不斷往前推進(jìn)[8-9]。

2） 密碼學(xué)實踐教學(xué)探究。教師不僅需要介紹密碼學(xué)相關(guān)的理論知識，同時也應(yīng)該注意如何應(yīng)用密碼算法去解決生活問題，而不僅僅讓學(xué)生簡單驗證經(jīng)典的密碼算法如AES對稱加密算法和RSA公鑰加密算法加密和解密的正確性。例如：數(shù)字簽名與身份認(rèn)證如何解決電子商務(wù)以及電子現(xiàn)金交易問題[6]、代理重加密算法如何解決云存儲中加密數(shù)據(jù)進(jìn)行分享等問題。針對綜合性難點的實驗，可對學(xué)生進(jìn)行分組，以團(tuán)隊合作形式來完成相關(guān)實驗。以代理重加密算法為例，可以讓學(xué)生團(tuán)隊合作完成，一部分學(xué)生進(jìn)行明文數(shù)據(jù)初始加密，一部分學(xué)生對初始密文進(jìn)行轉(zhuǎn)化設(shè)計，另外一部分學(xué)生對初始密文和轉(zhuǎn)換后的密文進(jìn)行解密。這樣不僅能鍛煉學(xué)生解決實際問題，而且也能很好地培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作精神，深入理解算法核心含義。除此之外，可以多鼓勵學(xué)生參加省級以及國家級的安全攻防等競賽，為了將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用到實際，學(xué)校層面也可聯(lián)系企業(yè)共同培養(yǎng)學(xué)生，讓學(xué)生在企業(yè)中真正解決一些實際安全問題?？梢匝埰髽I(yè)或高校的專家為學(xué)生介紹密碼學(xué)如何解決實際問題，讓學(xué)生了解社會需要什么樣的安全人才，并且為將來從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)[10]。

3） 密碼學(xué)教學(xué)方式方法探究。密碼學(xué)課程涉及大量枯燥的數(shù)學(xué)知識，以及難以理解的可證明安全部分。在教學(xué)方面應(yīng)采用多種方式，例如案例教學(xué)、小組討論式等方法。多讓學(xué)生主動參與課堂，學(xué)生不能僅是聽眾，對每個加密算法參數(shù)的設(shè)計要由學(xué)生來討論，如：RSA算法中，用戶公鑰e的選擇為什么要與大整數(shù)N的歐拉函數(shù)互素呢？如果不互素會有什么問題？與數(shù)學(xué)知識模運算的逆元有沒有關(guān)系？還有RSA加密算法中消息m的取值有要求嗎？根據(jù)前面所學(xué)的歐拉定理又有什么關(guān)系？如果消息m不滿足歐拉定理，解密算法正確性概率有多少？如果學(xué)生能把這些問題回答出來，學(xué)生才是真正地理解算法深層次的含義以及前面密碼相關(guān)數(shù)學(xué)知識的作用，這對學(xué)生學(xué)好密碼學(xué)算法至關(guān)重要。

同時，教師也可以借助優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)視頻課程進(jìn)行線下和線上相結(jié)合的方式教學(xué)[11]。受疫情影響，線上教學(xué)成為新常態(tài)，這種教學(xué)方式突破時間和地域的限制，師生互動有了新的空間和形態(tài)，學(xué)生可以起到主體地位。線下教學(xué)的最大優(yōu)勢是師生之間能夠面對面互動，并且教師能夠立刻看到學(xué)生臉部表情，反映出學(xué)生是否掌握知識。將網(wǎng)絡(luò)線上教學(xué)優(yōu)點與傳統(tǒng)課堂線下教學(xué)的優(yōu)勢相結(jié)合，成為一種高效的新的教學(xué)方式。

4） 密碼學(xué)課程思政內(nèi)容探索。密碼學(xué)課程思政改革探索大體從以下四個方面來說明：

①圍繞密碼學(xué)課程教學(xué)，融合思政氛圍與國密標(biāo)準(zhǔn)的思政創(chuàng)新教學(xué)體系，從課程育人、文化育人、實踐育人、科研育人進(jìn)行課程總體設(shè)計與實踐，打造“密碼學(xué)+區(qū)塊鏈+產(chǎn)業(yè)應(yīng)用”思政特色教學(xué)方法。

②著眼法律維度、國密維度、愛國維度三個維度，構(gòu)建價值引領(lǐng)體系，增強保障國家網(wǎng)絡(luò)空間安全的責(zé)任感；注重學(xué)生創(chuàng)新知識傳遞方法、創(chuàng)新知識衍生模式、創(chuàng)新知識升華途徑、創(chuàng)新應(yīng)用案例設(shè)計四個創(chuàng)新，豐富教學(xué)形式，因勢利導(dǎo)打造高效高質(zhì)量的教學(xué)課堂。

③統(tǒng)籌思政建設(shè)培養(yǎng)體系環(huán)節(jié)、夯實科研基礎(chǔ)環(huán)節(jié)、抓好實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)、落實多元化考評環(huán)節(jié)，構(gòu)筑立體化思政教育聯(lián)動陣地，落實潤物細(xì)無聲。

④匯聚優(yōu)質(zhì)師資力量、內(nèi)外交流力量、前沿科技力量、交叉學(xué)科力量等多方力量，激活優(yōu)質(zhì)師資團(tuán)隊，全方位引導(dǎo)活用密碼學(xué)。

4 結(jié)束語

密碼學(xué)是保障網(wǎng)絡(luò)空間安全的核心技術(shù)和基礎(chǔ)支撐，并且隨著密碼應(yīng)用的普及和發(fā)展，密碼學(xué)課程教學(xué)也越來越受到企業(yè)和大家的重視。本文針對密碼學(xué)課程教學(xué)特點與教學(xué)存在的不足，對密碼學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式方法、實踐教學(xué)以及教學(xué)思政提出了一些改革方案。以培養(yǎng)出適應(yīng)國家網(wǎng)絡(luò)空間安全戰(zhàn)略需求、具有創(chuàng)新意識、專業(yè)技能與人文素養(yǎng)的應(yīng)用型網(wǎng)絡(luò)空間安全人才。然而，對于很多高校來說，密碼學(xué)課程教學(xué)改革仍然是一個復(fù)雜的綜合過程，只有不斷總結(jié)與學(xué)習(xí)才能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、有效提高教學(xué)質(zhì)量。