信息隱藏技術課程研究性教學改革研究

摘要：如何提高信息隱藏技術課程的教學水平，使學生真正學懂、學好這門課，并不斷提高分析和解決問題的能力，是該課程教學中應該重點研究和探討的問題。文章結合實際的教學情況，探討針對該課程開展研究性教學的基本思路、問題設計和實施方案。

關鍵詞：研究性教學；信息隱藏

0.引言

信息隱藏技術課程具有交叉學科的特點，學生很難快速理解和掌握；信息隱藏作為一門新興的技術，其內容和方法都在不斷地發展和完善。在該課程的教學實踐中，需要不斷研究和探索新的教學理念和方法，以使學生能夠真正理解和掌握信息隱藏的基本原理及方法，并能運用所學的知識去分析和解決實際問題。

研究性教學是目前高等教育教學研究的一個熱點方向，大量的理論研究和實踐表明，研究性教學是教學改革的一個重要途徑。2005年，教育部在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》中明確提出，大學“要積極推動研究性教學，提高大學生的創新能力”。筆者在該課程中開展研究性教學改革，將科學研究的方法和基于問題的訓練與實踐等研究性教學思路滲透到課程的各個教學環節。

1.課程特點與現狀分析

與其他課程相比，信息隱藏技術課程具有以下特點：

（1）信息隱藏是一門新的綜合性前沿學科，其內容涉及數學、信號處理、數字圖像處理、密碼學、計算機網絡等多門學科。如果高校的信息安全專業沒有開設數字圖像、數字語音處理和信號處理等課程，學生就會缺乏學習信息隱藏技術課程的前期基礎知識（尤其是不具備數字信號處理的知識，對Matlab環境下多媒體數據和信號處理基本算法的應用不熟悉），極大地影響對課程教學內容的理解和應用。

（2）該課程新技術多、內容更新快，現有的很多教材和參考書主要是對各種信息隱藏技術和方法的分析和匯總，缺乏具體實現細節，對本科學生來說理解和實現都比較困難。

2.研究性教學改革與實踐

2.1研究性教學理念

研究性教學是一種教師指導下的以學生為主體的自主學習和實踐過程，它包含了教與學兩個方面：前者以教師為主導，在課堂教學中創設一種類似科學研究的情景或途徑，把凝結在知識點背后的思想、方法和創新過程揭示出來，在引導學生學習和掌握新知識的同時，又能使其受到知識創新和科學研究方法的熏陶和訓練；后者指學生在教師指導下，以科學研究的方式查閱資料、搜集信息，并通過分組協作和討論來完成指定項目或問題的一種主動的、獨創性的學習活動。研究性教學的目的不僅是使學生掌握系統的學科知識，更重要的是使學生綜合運用知識去發現、分析和解決問題，得到思維訓練，學會知識的遷移或應用，逐步培養研究能力和實踐能力。研究性教學具有開放性、綜合性和實踐性的特點。相比于傳統教學方法，研究性教學更注重學生的感受和體驗，強調學生的親身經歷和實踐，它不是學科知識的簡單灌輸和疊加，而是有意識地激發學生的學習興趣，培養其自主學習的能力和創新意識。

2.2教學改革的目標

該課程的教學改革以研究性教學為理念，以增強學生主動學習和提高動手能力為主線展開教學，知識、能力和素質并重。通過該課程的教學，希望學生能夠理解數字圖像處理、數字信號處理的基本概念和原理，熟練掌握信息加密、置亂等預處理技術以及在數字圖像中隱藏秘密信息的常用空、頻域處理方法，并能夠采用Matlab在計算機上進行具體實現。

2.3教學改革的思路

本課程進行研究性教學改革的基本思想是使學生真正掌握課堂所學的知識，在計算機上通過具體的程序代碼再現和展示，使學生身臨其境，理解信息隱藏技術的實質和魅力，并在此過程中形成探究性學習的習慣和自主學習的能力。教學實踐通過將科學研究的方法和基于問題的訓練與實踐滲透到課程的各個教學環節來開展，具體如下：

（1）對教學內容進行整合：在課堂教學中重點、詳細講述數字信號處理的基本知識、信息隱藏預處理的常用方法、空域和DCT變換域的經典信息隱藏方法，其他內容則簡要介紹或由學生自學。

（2）嘗試新的教學方法：由于信息隱藏技術主要是利用多媒體信息的冗余性和視覺感知的不敏感性來隱藏機密信息，所以讓學生從視、聽覺上直接感受信息隱藏技術的魅力就非常重要。在課堂教學中，除傳統的黑板結合PPT的方式之外，將信息隱藏算法的原理講解、運行和效果演示等部分內容改在教學與實踐創新基地的電子教室進行，使學生能夠在真實的運行環境中按照教師的指導和要求親自動手進行實踐操作，增強學生的感性認識和切身體會，較好地激發其學習的興趣。

（3）基于問題的訓練和實踐：作為工科尤其是信息類專業的學生，只有通過動手編寫程序，在計算機上完整、準確地再現和應用所學的知識，才能真正領會和掌握課程的相關內容并形成自己的能力。本課程的研究性教學改革中，在課堂教學的基礎上著力增加一些實踐性的項目（如圖像的加噪、裁剪、旋轉、平滑、壓縮、剪切、置亂及各種典型的空域和頻域圖像信息隱藏技術的實現），對學生程序設計和調試的能力進行訓練和強化。

（4）科學研究方法的滲透：在通過課堂教學和實驗使學生掌握經典知識和內容的基礎上，讓學生對算法的性能、適用條件、優點、不足、可能的改進方法等進行分組討論，并查閱資料、思考相關的解決方案，從而使學生獲得科學研究方面的訓練和熏陶。通過科學研究方法的滲透，使學生真正具備發現問題和解決問題的能力，激發學生學習的積極性和主動性，培養其自主學習和探索、創新的精神。

（5）學習過程中的分組協作和討論：通過讓學生分組完成事先設計的實踐性項目，培養其分工協作的能力，采用各組匯報和演示的方式使學生能夠積極互動、交流和討論。

（6）全面的過程管理及考核：在課堂教學和項目實踐過程中，通過學生的課堂表現、項目設計、匯報、討論、問答等環節對學生進行全方位的過程管理和評價。

2.4研究性教學的問題設計

“問題”是研究性教學的載體和切入點，設計能夠反映課程內容并具有較強趣味性和吸引力的問題，是組織好研究性教學的一個關鍵環節。在研究型教學過程中，教師設計的問題必須能引出所學領域的相關概念和原理，吸引學生并提升其解決該問題的信心和欲望，激發其學習興趣和主動性。學生通過圍繞問題進行自主學習和研究，能夠帶著結果和疑惑在課堂上與其他學生和教師進行交流和討論。學生自學和主講是發揮學生主觀能動性的重要手段，也是提高學生學習能力、研究能力和表達能力的有效途徑。通過對問題的研究和實踐，既可以使學生掌握探究性、主動性學習的方法，又可以鍛煉學生的書面和口頭表達能力。以學習小組為單位，向全體學生展示和匯報研究成果，既能夠鍛煉小組負責人的組織能力，又能很好地培養學生之間的合作意識。

在本課程的研究性教學改革中，突出教學內容的實踐性要求，設計如下6個與課程相關的問題：

（1）通過Matlab對選定的圖像添加均勻噪聲、高斯噪聲，并能進行平滑、旋轉、裁剪、JPG壓縮等處理。

（2）用傅里葉變換分析信號的頻譜，并對其分別進行過采樣、欠采樣及其重構，計算和展示原信號和重構信號的誤差。

（3）對自行錄制或下載的音頻數據，采用離散傅里葉變換的方法分析其頻率成分，然后對其進行加噪和濾波處理。

（4）對選定的秘密圖像進行對稱流密碼加密、Amold置亂、幻方置亂等預處理和復原。

（5）在選定的圖像中采用最低有效位替換技術，隱藏經過預處理后的秘密信息，并對攜密載體進行加噪、平滑、壓縮、裁剪、旋轉等攻擊，然后提取秘密信息并進行復原。

（6）在選定圖像的離散余弦變換域隱藏經預處理后的秘密信息，并對攜密載體進行加噪、平滑、壓縮、裁剪、旋轉等攻擊，然后提取秘密信息并進行復原。

2.5研究性教學過程的實施

本課程研究性教學過程的具體實施方案如下：

（1）首先由教師講授緒論、數字圖像和數字信號處理的基本知識。

（2）學生自學Maflab相關知識，掌握在Matlab環境下進行數字圖像和數字信號處理的基本方法和技能，完成問題（1）、（2）和（3），并在創新實踐基地進行演示、匯報和討論。

（3）在創新實驗基地采用交互式方式講授秘密信息的加密、置亂等預處理技術，學生在課堂上完成問題（4），并進行分組演示和匯報。

（4）在教室由教師講授基于文件格式的信息隱藏技術、基于最低有效位替換的信息隱藏技術、二值圖像信息隱藏、基于調色板的彩色圖像信息隱藏技術和基于離散余弦變換的數字圖像信息隱藏方法的基本原理。

（5）學生在創新實驗基地完成問題（5）和（6），撰寫實驗報告并進行演示和匯報，教師和其他學生進行提問和講評。

2.6全面的過程管理及考核

考試是檢驗教學效果的重要手段之一，也是教學過程中的重要環節。適宜的考試方法有利于調動學生學習的主動性和積極性，對提高學生綜合素質和建立良好學風有重要作用。研究性教學課程的考核應該具有靈活性和綜合性，既要考查學生的理解記憶能力和基本技能，又要考查學生的認知能力、動手能力和知識轉化能力。本課程在教學改革中，采用綜合性的、全程性的過程管理及考核。課堂教學和項目實踐過程中，在出勤、項目設計、實現及討論、問答、演示、匯報、實驗報告撰寫等各個環節對學生的表現進行記錄和評價，較好地實現教與學的步步為營，對學生學習起到良好的督促和激勵作用。

3.研究性教學效果分析

在該課程的研究性教學過程中，學生通過課堂教學、課下自學和實驗課程完成6個教學項目規定的內容，撰寫實驗報告并進行匯報和演示，極大地鍛煉和提高了學生的自學和實踐能力。為了提高學生學習的主動性和自學能力，安排學生自學并在課堂上通過PPT講述傅里葉級數、傅里葉變換、采樣定理、離散傅里葉變換、基于最低有效位的數字圖像信息隱藏等方法，學生通過自學、PPT講解、同學提問及補充、老師講評，較好地理解和掌握了這部分知識并能靈活地運用，部分學生還理解和掌握了可視密碼、疊像術、基于奇異值分解的信息隱藏方法等難度較大的內容。另外，實踐教學基地的互動式教學提高了學生參與討論的積極性，這種隨學隨練的教學方式也加強了學生對知識的掌握和理解。學生還通過空域和頻域的不同方法，將選定的秘密信息隱藏到感興趣的載體圖像中，并進行攻擊和提取，很好地體驗和感受了信息隱藏技術的魅力。

4.結語

通過開展信息隱藏技術課程的研究性教學改革，拓寬了學生的知識面，較好地培養了學生分析問題和應用所學知識解決實際問題的能力，加強了對學生查閱資料、撰寫實驗報告、自學和口頭宣講等方面能力的培養；同時，教師在與學生的互動和討論中，也提高了自身的教學水平和對課程內容理解的層次和深度，真正實現了教學相長。

課程的進一步建設還需要吸收其他課程教學改革和建設的成功經驗，不斷補充和完善教學內容、改進教學方法，從而更好地提升人才培養的質量。