高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)研究與探索

0 引言

網(wǎng)絡空間安全是關乎百姓生命財產(chǎn)安全、關系國家安全和社會穩(wěn)定的重大戰(zhàn)略問題[1]。2015年6月，國務院學位委員會、教育部決定在工學門類下增設網(wǎng)絡空間安全一級學科，并明確指出需加強網(wǎng)絡空間安全學科建設，做好人才培養(yǎng)工作。

《2024年網(wǎng)絡安全產(chǎn)業(yè)人才發(fā)展報告》顯示，截至2024年6月，我國已有626所高校開設網(wǎng)絡空間安全專業(yè)[2]。盡管開設網(wǎng)絡空間安全的高校數(shù)量逐年攀升，我國網(wǎng)絡空間安全人才還是存在數(shù)量缺口較大、能力素質不高、結構不盡合理等問題，與維護國家網(wǎng)絡安全、建設網(wǎng)絡強國的要求不相適應。信息安全本科專業(yè)承擔著為國家網(wǎng)絡空間安全培養(yǎng)人才的根本任務。根據(jù)工程教育認證標準，信息安全專業(yè)的具體培養(yǎng)目標如下。

目標1：具有在信息安全領域進行科學研究、技術開發(fā)、應用服務的能力。

目標2：具有自然科學、密碼技術應用、數(shù)字版權保護、數(shù)字內容安全、計算機網(wǎng)絡、計算機程序設計等多學科知識，適應信息安全需求的變化。

目標3：具有良好的人文科學素養(yǎng)、職業(yè)道德、團隊合作和溝通交流能力，較強的社會責任感和創(chuàng)新精神，熟悉印刷、出版、傳媒行業(yè)的技術和規(guī)范。

目標4：具有新聞出版領域信息安全基礎理論的應用能力、數(shù)字內容中數(shù)字版權保護技術的實現(xiàn)能力。

由此可見，信息安全專業(yè)學生的培養(yǎng)尤其強調實踐能力培養(yǎng)。為此，對信息安全專業(yè)主要課程的實驗與實踐環(huán)節(jié)進行整體優(yōu)化，以數(shù)字圖像水印算法實驗為代表性實驗，設計高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)方案。

1現(xiàn)有研究基礎與分析

1.1 現(xiàn)有研究基礎

印刷學院信息安全專業(yè)教師擁有豐富的教學經(jīng)驗，現(xiàn)有研究基礎包括四個方面，如圖1所示。

1）筆者已主持印刷學院校級重點教改項目“多語言跨平臺信息安全綜合創(chuàng)新實訓項目研發(fā)”，該項目形成多項研究成果，可作為本項目的研究基礎。

2）印刷學院李子臣老師于2019年出版教材《密碼學—基礎理論與應用》[3]（電子工業(yè)出版社），筆者于2022年出版教學改革專著《數(shù)字圖像水印算法的多種語言實現(xiàn)與分析》[4]（郵電大學出版社），這兩本書的內容均可作為本項目的研究基礎。

3）印刷學院信息安全專業(yè)目前講授課程包括信息隱藏與數(shù)字水印、數(shù)字圖像處理、現(xiàn)代密碼學、數(shù)字版權管理技術、Java語言程序設計、移動應用開發(fā)等。

4）各門課程中開設多種語言、不同平臺的課內實驗：信息隱藏與數(shù)字水印課程、數(shù)字圖像處理課程各開設8個MATLAB語言實驗；現(xiàn)代密碼學課程開設8個C語言實驗；數(shù)字版權管理技術課程開設4個MATLAB語言實驗；Java語言程序設計課程開設8個Java語言實驗；移動應用開發(fā)課程開設8個移動平臺（Android平臺）下Java語言實驗。

圖1高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)項目現(xiàn)有研究基礎

1.2 現(xiàn)狀分析

信息安全專業(yè)目前已開設多門課程及實驗，但與培養(yǎng)目標中實踐能力的培養(yǎng)仍有一定差距，主要問題有：

1）講授理論較多，實驗學時較少，而且各門課程相互聯(lián)系較少；

2）學生學習課程后，C語言編程實現(xiàn)能力仍有待提高;

3）學生學習課程后，多種語言編程能力亟待加強；

4）課內實踐環(huán)節(jié)缺少混合編程能力培養(yǎng)。

1.3 項目研究目標

1）以數(shù)字圖像水印算法為代表性實驗，開發(fā)代表性實驗的C語言版實驗程序，培養(yǎng)學生基本編程實現(xiàn)的能力；

2）對代表性實驗開發(fā)擴展性實驗，培養(yǎng)學生多種語言編程的能力，本項目中包括Java擴展性實驗和Android擴展性實驗；

3）對代表性實驗開發(fā)混合編程實驗，培養(yǎng)學生混合編程的能力，本項目中包括JNI混合編程實驗和Android-JNI混合編程實驗；4）結合各實驗開發(fā)過程撰寫實訓指導書。

2 項目研究內容

2.1設計高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)項目實施方案

本項目開發(fā)需要用到C語言和Java語言，涉及開發(fā)平臺包括Windows平臺和Android平臺，還需要采用JNI技術和Android-JNI技術。本項目的實施方案按照采用開發(fā)語言和開發(fā)技術的順序，先開發(fā)對應程序，并結合效果編寫實訓指導書，實施方案見圖2。

2.2開發(fā)C語言版常用圖像水印算法程序

本項目在Windows平臺采用C語言實現(xiàn)常用圖像水印程序。具體來說，本項目選擇基于DFT（離散傅里葉變換）的頻域圖像水印算法，先打開圖像，將圖像數(shù)據(jù)進行DFT變換，通過修改頻域數(shù)據(jù)實現(xiàn)水印信息嵌入，再進行DFT反變換，得到空域圖像數(shù)據(jù)，保存圖像得到載有水印信息的圖像文件。

2.3編寫C語言版常用圖像水印算法實訓指導書

結合已有的C語言版常用圖像水印算法程序，編寫實訓指導書，該指導書主要包括整體程序操作流程、程序主流程圖及描述、程序主要模塊實現(xiàn)流程及描述、實驗程序修改及效果。

2.4采用JNI技術實現(xiàn)Java開發(fā)環(huán)境下C語言版圖像水印算法程序

本項目采用JNI技術，將C語言版程序按照JNI的函數(shù)封裝格式，通過JNI編譯生成動態(tài)鏈接庫文件，采用Java語言開發(fā)界面，在Java程序中調用動態(tài)鏈接庫文件，調用C語言中函數(shù)實現(xiàn)圖像水印程序。

2.5編寫JNI技術實現(xiàn)Java環(huán)境下C語言版圖像水印的實訓指導書

結合已有的JNI技術實現(xiàn)圖像水印算法程序，編寫實訓指導書，該指導書主要包括整體程序的操作流程、JNI技術介紹、JNI技術開發(fā)流程、JNI技術開發(fā)例程。

2.6開發(fā)Java語言版常用圖像水印算法程序

本項目在Windows平臺采用Java語言實現(xiàn)常用圖像水印程序。具體來說，本項目選擇基于DFT的頻域圖像水印算法，先打開圖像，將圖像數(shù)據(jù)進行DFT變換，通過修改頻域數(shù)據(jù)實現(xiàn)水印信息嵌入，再進行DFT反變換，得到空域圖像數(shù)據(jù)，保存圖像得到載有水印信息的圖像文件。

2.7編寫Java語言版常用圖像水印算法實訓指導書

結合已有的Java語言版常用圖像水印算法程序，編寫實訓指導書，該指導書主要包括整體程序操作流程、程序主流程圖及描述、程序主要模塊實現(xiàn)流程及描述、實驗程序修改及效果。

2.8采用Android-JNI技術實現(xiàn)Android平臺下C語言版圖像水印算法程序

本項目采用Android-JNI技術，將C語言版程序按照Android-JNI的函數(shù)封裝格式，通過Cygwin編譯生成動態(tài)鏈接庫文件，采用Android語言開發(fā)界面，在Android程序中調用動態(tài)鏈接庫文件，調用C語言中函數(shù)實現(xiàn)圖像水印程序。

2.9編寫Android-JNI技術實現(xiàn)Android平臺下C語言版圖像水印算法實訓指導書

結合已有的Android-JNI技術實現(xiàn)的圖像水印算法程序，編寫實訓指導書，該指導書主要包括整體程序操作流程、Android-JNI技術介紹、Android-JNI技術開發(fā)流程、Android-JNI技術開發(fā)例程

2.10開發(fā)Android平臺圖像水印算法程序

本項目在Android平臺采用Java語言實現(xiàn)常用圖像水印程序。具體來說，本項目選擇基于DFT的頻域圖像水印算法，先打開圖像，將圖像數(shù)據(jù)進行DFT變換，通過修改頻域數(shù)據(jù)實現(xiàn)水印信息嵌入，再進行DFT反變換，得到空域圖像數(shù)據(jù)，保存圖像得到載有水印信息的圖像文件。

2.11編寫Android平臺圖像水印算法實訓指導書

結合已有的Android平臺常用圖像水印算法程序，編寫實訓指導書，該指導書主要包括整體程序操作流程、程序主流程圖及描述、程序主要模塊實現(xiàn)流程及描述、實驗程序修改及效果。

3項目的先進性與創(chuàng)新性

該項目的先進性和創(chuàng)新性體現(xiàn)在三個方面。

3.1 提高學生動手編程和解決具體安全問題的能力

以常用圖像水印算法為例，在MATLAB程序實現(xiàn)的基礎上，開發(fā)C語言版圖像水印程序，并編寫實訓指導書，通過該項目的實訓，提高學生動手編程和解決具體安全問題的能力。

3.2使學生具備C語言和Java語言混合編程能力

以常用圖像水印算法為例，開發(fā)Java語言版常用圖像水印算法程序，并且采用JNI技術實現(xiàn)Java開發(fā)環(huán)境下C語言版圖像水印算法程序，通過該項目實訓，使學生具備C語言和Java語言混合編程能力。

3.3使學生具備Windows平臺和Android平臺混合編程能力

以常用圖像水印算法為例，開發(fā)Android平臺圖像水印算法程序，并且采用Android-JNI技術實現(xiàn)Android平臺下C語言版圖像水印算法程序，通過該項目實訓，使學生具備Windows平臺和Android平臺混合編程能力。

4研究成果與應用

4.1 研究成果

通過本項目前期研究，形成以下成果：

1）高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)項目實驗程序一套；

2）高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)項目實驗指導書一套；

3）項目研究總結報告一份；

4）出版教學改革專著一部，即《數(shù)字圖像水印算法的多種語言實現(xiàn)與分析》[4]；

5）申請國內發(fā)明專利一項；

6）指導學生取得軟件著作權兩項。

4.2 成果應用

高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)項目的研究成果，已經(jīng)應用到信息安全專業(yè)本科教學及筆者的研究生指導工作中，具體包括以下成果。1）在數(shù)字圖像處理課程中增設VC圖像水印程序實驗，該實驗已在學校2018級、2019級、2020級、2021級信息安全本科專業(yè)開設，實驗2學時，累計實驗100人次。2）在信息隱藏與數(shù)字水印課程中開展DFT域圖像水印實驗，該實驗已在學校2018級、2019級、2020級、2021級信息安全本科專業(yè)開設，實驗2學時，累計實驗100人次。3）在信息安全綜合實訓課程中使用該項目開發(fā)出的實驗程序擴展學生選題，該實訓課程已在學校2018級、2019級、2020級信息安全本科專業(yè)開設，實訓時間為2周，累計實訓75人次。4）結合該項目研究成果，指導研究生撰寫科研論文《基于Android的變換域數(shù)字水印算法》已發(fā)表在《通信技術》上[5]。

總之，該項目研究成果的應用與推廣，能夠提高學生的動手編程能力，指導學生將理論進行C語言編程實現(xiàn)，使他們具備C語言和Java語言混合編程能力，具備Windows平臺和Android平臺混合編程能力。

5 改進與完善

本項目以培養(yǎng)高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力為目標，以數(shù)字圖像水印算法程序為代表性實驗，設計高素質網(wǎng)絡空間安全專業(yè)人才實踐能力培養(yǎng)項目，取得豐富的研究成果，并通過成果應用與推廣，提高學生的動手編程能力，豐富學生編程實現(xiàn)理論知識的技術手段。該項目研究仍然存在不足，應不斷加以改進。1）該項目在圖像水印算法上只針對DFT變換域實現(xiàn)，在未來的使用中可以加入多種水印算法，如基于DCT變換的圖像水印算法、基于DWT變換的圖像水印算法等。2）該項目的編程語言沒有結合Python語言，在以后的研究過程中可以補充Python語言實驗和基于ctypes技術的混合編程實驗。3）該項目應研究線上線下混合教學模式，將SP0C⁺ 翻轉課堂應用于面向信息安全專業(yè)本科生開設的核心課程教學[6]。

6參考文獻

[1]馮登國.準確把握網(wǎng)絡空間安全技術發(fā)展的新特征全力助推國家安全體系和能力現(xiàn)代化［J].中國科學院院刊，2022，37（11）：1539-1542.

[2]網(wǎng)絡安全人才需求正旺，全國已有626所高校開設相關專業(yè)[EB/0L].（2024-09-20）[2024-11-21].https：//www.nisp.org.cn/NewsDetail/5175378.html.

[3]李子臣.密碼學：基礎理論與應用[M].：電子工業(yè)出版社，2019.

[4]丁海洋，數(shù)字圖像水印算法的多種語言實現(xiàn)與分析[M].：郵電大學出版社，2022.

[5]秦定武，丁海洋，張凡，等．基于Android的變換域數(shù)字圖像水印算法[J].通信技術，2023，56（1）：119-125.

[6]鄭淑麗，羅珣，胡東輝.面向信息安全專業(yè)的信息隱藏技術課程混合式教學研究與實踐［J].軟件導刊，2023，22（6） ：110-113.