工程創新型密碼人才培養模式的研究與實踐

朱曉玲，胡東輝，侯整風

(合肥工業大學 計算機與信息學院，合肥 230009)

1 密碼學工程化教育現狀

信息網絡在給人們帶來方便的同時，也帶來了不安全的隱患，目前，信息安全問題已制約了信息社會健康有序地發展。為切實保障信息社會乃至國家的安全，作為信息安全關鍵技術的密碼學，在人才培養過程中應體現較強的工程實踐性與自主創新性。然而在我國，密碼學工程化教育存在如下不足:

(1)密碼應用人才匱乏。隨著信息網絡應用的延伸，涉及密碼應用的信息安全問題日益突出，國家急需專業人才維護網絡安全。而每年全國高校的畢業生人數難以滿足市場對專業人才的需求。雖然，許多高校采取多種方式，開展校企合作培養信息安全人才，但從企業信息安全經理和技術總監的用人信息反饋可知，專業畢業生在校掌握的密碼編程和密碼應用等技能，與企業實際需求存在著較大差距。

(2)國內高校的密碼學教學方式單一。從70年代起，西安電子科技大學就開設了通信網安全與保密課程。在1994年，西安電子科技大學和解放軍信息工程大學成為我國首批的2個密碼學博士點。此后，更多高校加大對密碼學高層次創新人才的培養。2001年武漢大學率先建立信息安全本科專業，2002年我校開設信息安全專業。作為信息安全專業核心和主干課程，密碼學教學缺乏與時俱進的改革，依舊沿襲重視數理基礎的傳統教學方式，偏重于理論研究。

(3)實踐教學缺乏工程性。由于密碼學是一門實踐性較強的課程，隨著信息網絡應用向各個行業的不斷滲透，密碼學實驗更應與網絡應用相結合。然而，高校在人才培養過程中缺乏與實際項目相接軌的工程性實驗，難以培養學生的工程認知、工程設計和工程實踐的能力。

(4)知識體系需要優化。考慮到密碼學需要堅實的數理基礎，又是信息安全專業其他課程的理論基礎，充實優化現有的知識體系必要且迫切。本文一方面要探究如何從理論知識體系轉向工程實踐與理論相結合的課程體系。另一方面，探討密碼學與相關課程間的內容取舍、詳略處理和知識銜接等問題。

(5)教學方法需要改革。優秀的密碼人才培養離不開好的教師，而好的教師應積極尋找有效的教學方法。當前，傳統的課堂教學方法單一、枯燥，容易使學生失去學習的興趣，引入工程案例教學、結合“教、學、做”一體化等新的教學元素進課堂，已成為教學改革的有效途徑。

針對以上問題的分析，我們認為工程人才培養是一項系統性工作，做好密碼學工程化教育具有極大的挑戰性，對此，我們結合市場人才需求，對本校密碼人才培養進行積極地探索和實踐。

2 明確密碼人才培養定位，修訂培養方案框架

目前，《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》中提出“全面提高高等教育質量，加快世界一流大學、高水平大學和重點學科建設，擴大應用型、復合型、技能型人才培養規?！保袄喂檀_立人才培養在高等學校工作中的中心地位”，以及“切實提高高等學校教學水平”“實施“本科教學工程”，加大教學投入”等綱領性指導意見。這在人才培養定位和人才培養質量等方面對高等教育提出了明確的目標。我們于此結合本校教學研究型大學發展特點，進一步論證明確密碼人才培養定位，即以市場需求為導向，以培養工程實踐能力為教學抓手，以項目研發塑造團隊精神，在扎實掌握專業知識的基礎上拓展創新意識，為社會輸送高質量工程型密碼人才。

圖1 工程創新型密碼人才培養方案框架

為了契合調整后人才培養目標定位，我們對工程創新型密碼人才培養方案也進行優化設計。首先，我們經過系統思考，認為人才培養過程中需要處理三個階段問題。一是明確人才培養的目標市場，即學校需要為誰做人才培養，這是解決專業學生的就業方向及就業出路問題。二是把握人才培養的質量控制，這是人才培養過程的核心，需要教師、學生、企業三方互動推進人才質量提升，進而解決學生專業能力培養、校企合作人才共育、教師教學能力提升三方面問題。三是做好人才培養的就業分流，密碼人才培養既可以是工程型的工程師，也可以是創新型的設計師。理清密碼人才培養整體設計框架后，重點問題落在人才培養的質量控制階段。這個階段是“教、學、做”一體化的過程。因為，教學方法模塊解決了教師的“教”問題，針對新的人才培養定位目標，教師需要探索更多的教學方法引導推動學生對專業知識的學習。課程體系模塊解決了“學”問題，通識教育、核心課程等都是專業學習內容。工程實踐模塊解決了“做”問題，引入企業進課堂、共建實訓基地等措施，目的就是解決學生的工程實踐能力。人才培養框架的構建進一步確定密碼人才培養的目標。

3 優化課程體系，擴展密碼學知識領域

培養契合企業需求的工程創新型密碼人才，首先要理清專業人才應具備的扎實專業知識能力和綜合素養。因此，本文在調研信息安全類專業指導性專業規范和國內知名大學密碼學課程基礎上［2］，同時結合本校信息安全專業對密碼人才培養特色現狀，針對人才市場需求對課程體系進行優化。

(1)引入國內外信息安全標準，推演企業成功案例，擴展密碼學知識

信息安全標準是確保有關信息安全產品和系統在設計、研發、生產、建設、使用、測評中保持一致性、可靠性、可控性、先進性和符合性的技術規范、技術依據。在課程體系中加入相關安全標準研讀，從宏觀層面開拓了專業學生的視野，另外，推演企業成功案例，真實展現密碼學知識在實踐中的應用，不僅使學生掌握基本理論，了解密碼算法、協議和標準在工程中應用，而且激發了學生對密碼學知識的學習興趣。

圖2 課程間的關聯關系

(2)制訂校企聯合培養密碼人才計劃

企業需求不僅是學校密碼人才培養的方向標，而且是校企合作的共贏基礎。校企雙方在合作育人的框架內，完成各自承擔的育人任務，學校一方面經常邀請企業技術總監和經理為學生做報告，講解最新技術、產品研發等項目，極大豐富充實密碼人才對實踐應用的理性認識。另一方面，聘請企業高級工程師，參與制定實訓計劃并指導學生工程實訓，落實校企聯合人才培養目標。

(3)建立密碼學課程群，解決知識的重疊與銜接的問題。

由于密碼學具有交叉學科的特點，數論、代數、信息論等是密碼學課程的基礎，密碼學為認證理論與技術課程、網絡安全、信息系統安全等課程提供理論與技術的支持。建立密碼學課程群，有利于理清相關課程間前驅后繼的關系，開設更加綜合創新實驗。圖2表明了密碼學概論課程和信息安全數學基礎、信息論、認證理論與技術課程間關系及關聯知識。

4 以分層設計、梯度培養為指導，構建工程實踐體系

實踐是培養工程型人才的必要環節，在密碼人才培養過程中，應把工程實踐作為“教、學、做”一體化培養的關鍵部分。我們在探索多途徑工程實踐教學的基礎上，針對專業學生的能力特征和興趣愛好，以分層設計、梯度培養為指導，逐步構建人才能力培養的工程實踐體系。

4.1 多維度、多途徑開展工程實踐

培養工程創新型密碼人才既要注重整個專業人才的統籌發展，還應針對具有學情特點開展個性化的人才培養。即在專業培養面上要加強工程實踐，在點上還應突出專長培養的特點。因此，我們通過多維度、多途徑的工程化培養思路加強人才培育。

在密碼人才培養的專業人才受眾面上，研究重點是加強校內實訓和企業實習。把工程實踐作為密碼人才能力培養的基本教學任務，這不僅在培養制度上規范了專業教學，也進一步確定工程實踐的重要地位。

①校內實訓。校內實訓基地承擔課程實驗、課程實踐和各種實訓教學等任務。除了做好通識教育和專業基礎的相關實踐課程，還需要構建密碼工程實訓平臺。因為實訓平臺將培養專業學生基礎能力，也是工程型能力培養的基石。②企業實習。為了緊密跟進用人市場發展需求，我們還采取由學校統一安排、企業招聘實習生、學生自己聯系等多種方式，鼓勵學生進入企業實習，了解實際項目的開發流程、參與工程產品研發與測試、完成規范文檔的撰寫等一系列工作。③聯合實驗室。以校企合作項目為切入點，聯合搭建平臺，對一些動手能力強，工程項目化運作效率高的學生，吸納到校企聯合實驗室，在校內外導師的帶領下，以項目驅動的方式，參與項目開發等工作，培養特色化的學生。④創新基地。由學校建立創新基地，面向創新能力強的學生進行開放，學生可以通過提交創新項目書，申請審批后加入創新基地，開展各種創新活動。

圖3 密碼工程實訓平臺

4.2 構建密碼工程實踐平臺

如前所述，針對學情中各類特點，并結合人才市場需求，采取分層設計、梯度培養的思想，構建密碼工程實踐平臺，對密碼人才進行能力提升的細分培養。圖3平臺主要由基礎實踐、工程實踐和創新實踐三部分組成。

4.2.1 基礎實踐

基礎實踐平臺內容圍繞課程中的基礎知識和基本技能展開，側重于密碼算法的實現，重點培養學生編程能力。實驗項目具有覆蓋面廣的特點，包括古典密碼(HILL)、流密碼(RC4)和分組密碼;對稱密碼(DES、AES)和非對稱密碼實驗(RSA、DSA、ECDSA);密碼編碼與分析對抗實驗(HILL密碼及破譯、HASH及碰撞攻擊)等。基礎實踐平臺的內容作為基本要求，需要專業學生全面扎實掌握。

圖4 工程實踐環節的實踐項目

4.2.2 工程實踐

工程實踐平臺是密碼工程實訓平臺的中間層，也是核心層。該環節的設計目標是使學生掌握工程項目中常用的密碼技術如加密、簽名、認證、密鑰交換等，了解企業項目開發的流程及國際化的開發規范。從著名的密碼學工具、標準/協議、企業案例三個方面設置工程實踐環節，如圖4。(1)熟悉著名的密碼學工具。由于使用密碼工具，能夠縮短項目開發周期，減少開發成本，因此引導學生熟悉一些著名的密碼學工具的功能及其接口，在此基礎上構建簡單的應用系統。OPENSSL是開源的密碼庫，提供了功能豐富的API函數，引導學生在OPENSSL基礎上，構建較簡單的應用系統，如基于CA的證書管理;Miracl是著名的大數庫，在橢圓曲線和雙線性密碼方面，具有其他工具無法比擬的優勢，引導學生熟悉這一工具，為創新實踐打下基礎;PGP是世界著名安全軟件，利用這一工具，引導學生理解自簽發證書的特點，使用證書對郵件和文件進行加密和簽名。

(2)研讀國際和國內標準。信息安全產品的開發往往要參考國家、行業、國際的標準，企業執行標準有利于開發過程的控制和管理，便于企業間協作和交流。公鑰基礎設施PKI/X.509標準已得到廣泛應用;安全協議IPSEC、SSL/TLS、SET，分別解決了網絡層、傳輸層、電子商務應用的安全問題;WLAN中的安全標準有國際802.11i和我國的WAPI標準，這些標準在現有的無線網絡產品中都有所體現。研讀以上的標準和協議，有助于學生理解課本知識，為日后從事網絡安全產品的研發提供幫助。

(3)模擬企業的成功案例。對成功案例，從業務理解、需求分析、安全設計、編碼實現、產品監控到測試驗收進行分析，使學生全面掌握安全系統的開發流程;模擬關鍵環節，使學生快速進入項目開發的角色。基于USBKEY的支付系統在目前網上銀行已得到廣泛使用，基于手機的移動支付等新業務也具有較好的市場前景，這些系統的安全離不開密碼，剖析并模擬這些成功案例，有助于學生快速地建立起項目和系統的觀點，完成學生到員工的角色轉換，增強學生的就業市場競爭力。

4.2.3 創新實踐

創新實踐平臺的項目具有難度大、綜合性、探索性的特點，有利于培養學生的自主學習能力和創新意識。實踐項目包括安全系統的設計與實現(如認證系統)、密碼算法的硬件實現(如FPGA實現)和一些研究型課題等，為了促進個別優秀學生的能力提升，常常會吸納學生參與教師科研項目。

5 推動教學方法改革

隨著課程體系的完善和工程實踐體系的構建，教師的教學方法也需要跟進改革。對此，本研究在保留傳統教學方法的必要精華，引入算法演示、案例模擬、任務分解和項目驅動等多種教學手段，通過增強教學的互動性和可認知性，提高學生的學習效果。

(1)密碼算法演示的課堂教學法。傳統密碼算法的教學方式往往比較枯燥，將算法流程實例化，并以動畫的形式展開，由于形象直觀學生更容易接受。［4］如AES加密算法過程復雜，需要較強數學基礎，學生初次學習比較困惑。因此，教師在介紹完基本原理后，給出一個實例，以動畫演示128比特明文分組經密鑰加、字節代換、行移位、列混淆、密鑰加，完成一輪變換的過程，通俗簡化的講解知識，使學生輕松理解知識重難點。

(2)案例分析與案例模擬教學法。倡導教師注重并收集企業典型案例，運用到教學過程中。從學生的教學反饋中可知，教師通過剖析成功案例，可幫助學生深入理解項目開發的思想、全面掌握安全系統的開發流程。另外，教師還可以模擬案例的場景，分配部分關鍵問題指導學生處理解決，使學生迅速進入項目演練中，體驗項目開發者的角色，這些都極大地調動學生學習的積極性、主動性。

(3)項目驅動教學法。每學期，教師都會提出一些最新技術和本學科經典問題，形成具有獨立性的一些小項目，或從教師自己的科研課題中分離出部分小項目，提供給學生做項目設計。學生根據自己的興趣愛好，確定教師提供的選題展開研發。通常，項目小組由3-4人組成，每個課題組經歷查閱文獻、理解文獻、設計、實現、測試、撰寫報告、演示成果等整個過程。學生通過自主學習、獨立思考、創新設計、團隊協作等一系列鍛煉，專業綜合能力得到了較大提升。

6 健全人才培養的評估機制

培養高質量的工程創新型密碼人才，不僅要做好人才培養過程的跟蹤控制，還有健全人才培養的評估機制。教學評估能夠為今后教學的改進提供重要依據。針對不同的評估者和評估對象，建立不同的評估，如學生對教師教學效果的評價，教學督導組對教師的評價、教師對學生的評價，企業對畢業生的評價等。尤其是企業對畢業生評價，有利于掌握企業需求，適時調整培養方案。如何體現工程化思想，合理的設置評估指標，構建有效的企業評價機制，需要進一步研究。

7 結論

培養工程創新型的密碼人才是具有挑戰性的工作，本文在優化課程體系、構建工程實踐教學、改革教學方法等方面做了積極地嘗試。通過引入企業成功案例、引入信息安全標準和安全協議、制訂企業專家進課堂計劃和建立密碼學課程群，對課程體系進行優化。通過企業實習、聯合實驗室、創新基地、校內實訓等途徑建立工程實踐教學體系;采取分層的思想，構建由基礎實踐、工程實踐和創新實踐環節組成的密碼工程實訓平臺。在傳統教學方法的基礎上，引入算法演示、案例模擬、項目驅動等新元素。如何通過反饋與評估結果，調整和優化密碼人才培養方案是進一步研究的重點。

［1］沈昌祥.堅持自主創新加速發展可信計算［J］.計算機安全，2006(6):1-4.

［2］張煥國，等.武漢大學密碼學精品課程網站［DB/OL］.http://jpkt.whu.edu.cn/jpkc2009/mmx/description.html

［3］楊義先，等.現代密碼學精品課程建設體會［J］.計算機教育，2010(15):73-75.