基于對戰模式的信息隱藏技術課程教學改革

汪云路 吳震東 王 慧（杭州電子科技大學網絡空間安全學院，浙江 杭州 310018）

基于對戰模式的信息隱藏技術課程教學改革

汪云路 吳震東 王 慧
（杭州電子科技大學網絡空間安全學院，浙江 杭州 310018）

針對信息隱藏技術課程交叉性極強，學習難度大、學生缺乏學習熱情等教學實際問題，分析目前開設的信息隱藏課程的現狀和癥狀，提出優化教學內容、啟發式教學方式以及以學生為中心，創建對戰模式的課堂教學改革模式，力求激發學生的學習興趣，全面提升學生的動手能力和創新能力，最終達到最優的教學效果。

信息隱藏；對戰模式；課程教學；信息安全

1 引言

當今社會在經歷了機械化、電氣化之后，進入了一個嶄新的信息化時代，信息稱為一種重要的戰略資源，信息安全已成為影響國家安全、社會穩定和經濟發展的決定性因素之一。發展信息安全技術與產業，人才是關鍵，人才培養、教育是關鍵。

信息隱藏技術是20世紀90年代興起的信息安全技術，與密碼學不同，信息隱藏技術是將秘密信息隱藏在不重要的公開信息中，然后通過公開信息的公開傳輸來傳遞秘密信息[1]。公開信息一般稱為載體，可以是文本、音頻、圖像、視頻或者其他的二進制碼流[2]。

杭州電子科技大學自 2010年開始開設“信息隱藏技術”課程，剛開始作為信息安全專業高年級學生的選修課程，是對信息安全課程體系的一個重要的完善和補充。隨著信息隱藏技術的發展，該課程也逐漸延伸到保密管理等專業高年級學生。與其他課程相比，“信息隱藏技術”課程有它自身的特點和難點，經過數年的教學實施，筆者發現，學生普遍反映學習難度大，學習效果較差，學習熱情不高。因此，在多年的教學實踐中，本文提出以學生為中心，基于對戰模式的課堂教學改革模式，進行課堂教學改革。

2 課程簡介

“信息隱藏技術”是高等院校信息安全專業、密碼學專業、計算機專業、保密等專業的一門重要的專業課。該課程一方面以信號與系統、數字信號處理、數字圖像處理及語音信號處理等課程為基礎，同時又需具備密碼學和計算機、網絡等相關課程儲備，在教學環節中適宜高年級學生學習，其教學質量的好壞直接關系到學生對網絡化多媒體信息的安全傳遞等重要概念的理解和分析解決問題的能力[3]。因此，有效地提高該課程的課堂教學質量，對提高杭州電子科技大學信息安全等專業的教學質量和學生專業素質有著重要意義。

“信息隱藏技術”課程的難點在于，是一門交叉性極強的理論課程，學生需同時具備大量信息安全和信號處理等前期課程知識，并在此課程中將之融會貫通，總體學習難度較大。杭州電子科技大學“信息隱藏技術”課程一直采用傳統教學方式，形式單一，以多媒體方式展示課程內容，以板書形式進行大量的公式推導，學生僅依靠做習題來鞏固和理解教學內容，對課程中大量的應用性較強的內容不能通過實際動手設計、調試和分析，使學生在學習這門課程時，普遍感到“信息隱藏技術”的概念抽象，對其中的分析方法和基本理論不能很好地理解和掌握，嚴重影響和制約了教學效果。因此，如何幫助學生理解和掌握課程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及綜合應用所學知識解決實際問題的能力，是“信息隱藏技術”課程教學所要解決的實際問題。

隨著杭州電子科技大學教學改革的深入，作為本課程的任職教師，立足于創新型人才培養的思考，對該課程進行啟發式教學改革的研究，轉變教學思想，除了采用傳統的教學手段之外，還應借助計算機輔助教學，更新教學方法和提高教學質量，倡導啟發式、探究式、討論式、參與式教學，緊緊圍繞以學生為中心這一關鍵點，創建對戰模式，引導學生主動參與、獨立思考，著力培養學生的自主學習、鉆研問題、探究創新的興趣和能力，不斷提高學院的本科教學水平和人才培養質量。

3 基于對戰模式的課堂教學改革

針對信息隱藏技術課程交叉性極強，學習難度大、學生缺乏學習熱情等教學實際問題，分析目前開設的信息隱藏課程的現狀和癥狀[4，5]，提出優化教學內容、啟發式教學方式以及以學生為中心，創建對戰模式的課堂教學改革模式，力求激發學生的學習興趣，全面提升學生的動手能力和創新能力，最終達到最優的教學效果。

3.1 與時俱進，優化教學內容

信息隱藏技術是一門涵蓋范圍非常廣的課程，在通信、信號處理、密碼學、保密科技等方向上都有著非常緊密的應用。因此，在教學過程中，教師與時俱進，從學生熟悉的身邊事物開始串聯，剖析其中蘊含的信息隱藏技術原理，使得學生學以致用，不再對“信息隱藏技術”這門課程抱有距離感和疏離感，使得抽象的原理變成具象的實例，使得數學公式與物理世界一一聯系起來，加深學生的理解；在此基礎上，深化教學內容，將創造性的科研引入教學，引導學生了解和接觸到學術領域中的最新成果或最新問題，剝離出其中包含的信息隱藏技術原理，激發學生奮進，啟發學生思考，使學生的創造性思維得到發展，也使他們學會運用科學方法來思考和解決問題。

3.2 啟發式教學方式，引 MATLAB入課堂

應用于數學分析和工程計算的軟件很多，但國際公認最有效的工具軟件當屬MATLAB。在“信息隱藏技術”的教學中充分利用MATLAB，可以提高教學的可視化和學生的學習積極性，從而提高教學質量[6]。

由于長期以來一直采用黑板式的單一教學方式，“信息隱藏技術”課程中大量信息隱藏算法缺乏可視化的直觀表現，使得學生將大量的精力和時間用于繁雜的手工公式推導，不能真正理解所得結果在信息隱藏中的實際應用。通過MATLAB，我們不僅可以把學生從繁雜的手工數學運算中解脫出來，又可以通過MATLAB 完備的圖形處理功能，實現信息隱藏結果的可視化。針對“信息隱藏技術”課程內容的特點，利用MATLAB 的信號處理工具箱和圖形處理及數據可視化，教師可以將結論直接用圖形來演示，從而讓學生對抽象的概念和定理以及結論有直觀的認識，并加深對一些重要概念的理解；同時學生也可以親自動手進行課題設計，從而激發學習興趣和增強借助計算機解決實際問題的能力。

3.3 以學生為中心，創建對戰模式

信息隱藏技術課程的學習有其特殊性，是一門既可以學習信息隱藏技術，又可以破解信息隱藏技術的雙面課程。因此，在學生掌握信息隱藏和隱藏檢測技術的基礎上，大膽創建對戰模式，將學生分為正反兩組進行實戰對戰，以實戰的成績作為最終成績的重要參考。課程中具體的操作是這樣的：

將學生平分為兩組，一組為隱藏組，一組為破解組。

隱藏組成員可對老師提供的載體隱藏入指定信息，并將隱藏后的載體交給破解組；破解組成員對隱藏組發來的載體進行隱藏分析，判斷其是否隱藏了秘密信息。

若破解組成員成功分析出一個隱藏載體，計一分；若分析失敗，則提供該隱藏載體的隱藏組成員得一分。

全體同學中，分析出最多隱藏載體的破解組成員獲得最高分，而能抗住最多破解組成員攻擊的隱藏組成員也將獲得并列的最高分。其他同學分別按照破解成績和隱藏成績的高低獲得相應的分數。

為取得較好的成績，隱藏組成員會對隱藏效果好的算法進行研究，而破解組成員則會更從實際出發，探討隱藏算法對載體造成的影響，以及如何加以分析。該對戰模式的實戰能夠最大限度激發學生進行課題設計的積極性，極大提高他們的學習熱情和利用計算機進行工程實踐的能力。

4 對戰模式教學改革工作

與信息安全和網絡空間安全的許多課程一樣，“信息隱藏技術”是一門操作性和實踐性很強的課程，很多理論最終要轉化為實踐，才能更加直觀。況且，在前面的課堂教學中，已經引入MATLAB入“信息隱藏技術”課堂。MATLAB強大的圖形處理功能、符號運算及計算結果可視化功能，僅需簡單的幾個語句就能完成，可以將信息隱藏技術課程中大量較為抽象、學生難以理解的概念和問題以圖形、動態畫面等展現出來，使學生易于理解和掌握。

從本科教學安排的實際情況來看，杭州電子科技大學信息安全專業高年級本科生在開設信息隱藏技術課程之前已經學習了計算機軟件基礎和C語言，具有了一定的計算機編程能力，可以接受 MATLAB軟件的編程，并且可以為后續的MATLAB編程高階段學習打下良好基礎。

“信息隱藏技術”課程最初并沒有安排上機實踐，筆者在教學中發現理論教學與實踐割裂感較為嚴重，學生學習積極性不高。因此，在教學改革中，筆者安排了共計12課時的上機實踐，主要分為兩個部分。前一部分是中規中矩的驗證性實驗，主要做兩種最常見的信息隱藏算法和一種常見的信息隱藏檢測算法；后一部分是綜合性和設計性實驗，學生需要綜合前面三個實驗的內容，甚至要自行學習更高深的信息隱藏知識，才能獲得較好的實驗結果。具體實驗內容如表 1所示。

表1 “信息隱藏技術”課程的上機實驗內容

本課程改革首先設在2014年底，在12級信息安全專業學生中開展實施，取得良好成效。在最后一次對戰實驗中，1班和2班的學生按照班級展開攻防實驗，負責攻擊的1班學生表現出色，攻擊成功率較高，其中幾組學生充分發揮主觀能動性，對 2班所有的信息隱藏載體進行猛烈攻擊，取得良好成果。最終這幾組學生的綜合成績評定都在90分以上。其他同學也都較好完成了實驗內容，對學習內容的掌握也有了進一步的深化。

在2015年的教學中，13級信息安全專業學生在課堂上分好隱藏組和破解組。大多數同學已經表現出極大的學習積極性，隱藏組主動與老師討論隨機化、加密、混沌化等課堂上沒有教過的信息隱藏內容，以期提高信息隱藏的魯棒性和安全性；破解組則不滿足于課堂所學，積極尋找效果更好的信息隱藏攻擊算法，并在課外進行編程實現。其攻防實驗相比上一年，更加激烈精彩。所有同學分為42組進行比拼，其中21組為隱藏組，根據老師指定的圖像嵌入水印；然后老師將隱藏前圖像和水印圖像重新打亂，要求21組破解組成員從42幅圖像中找出嵌入水印的21幅圖像，這些圖像都是極為相似的，使得學生無法采用對照攻擊等方式進行試探，無疑大大增加了破解組的難度。42幅圖像如圖1所示。

圖1 破解組需攻擊的圖像，其中一半隱藏水印

最后，根據破解組的成功率（包含虛警率和誤警率），給破解組打出從高到低的分數；而隱藏組也根據他們的圖像被成功攻破的次數，給出相應分數。其中，一些同學表現出了極大的學習熱情，主動要求從隱藏組更換到破解組，攻擊同學的實驗結果。更有隱藏組同學在提交了本組隱藏的圖像之后，不滿足實驗就此結束，主動要求自己也加入破解的行列，并當場破解了很多圖像，成功率高達75%。

信息隱藏課程進行教學模式改革之后，比以前單純的課堂教學，極大提高學生的學習熱情，增強了學生利用計算機進行工程實踐的能力和自主解決問題的能力，并在雙方的攻防對戰中不斷切磋提高。

5 總結與展望

作為網絡空間安全學院信息安全專業的一門重要的專業課，“信息安全技術”課程的開設對增強信息安全專業學生的專業技能和實際操作能力有著極為重要的意義。針對目前開設的信息隱藏課程的現狀和癥狀，在實際教學中，嘗試優化教學內容，采用啟發式教學方式，并以學生為中心，創建對戰模式，與編程環節相輔相成，互相促進。幾年的教學實踐表明，教學改革能夠激發學生的學習興趣，提升學生的動手能力、操作能力和創新能力，教學效果達到預期目標。目前，杭州電子科技大學信息安全專業在進行專業調整，在以后的教學中，還將進一步搜集學生反饋，不斷調整教學和實驗內容。

[1] 鈕心忻.信息隱藏與數字水印[M].北京:北京郵電大學出版社,2004.

[2] 王麗娜,張煥國.信息隱藏技術與應用[M].武漢:武漢大學出版社,2003.

[3] 杜瑞穎,張煥國,彭國軍,等.武漢大學信息安全專業實踐教學體系的探索與研究[J].計算機教育,2007(10):22-26.

[4] 董晨,劉臻,陳智罡,等.《網絡與信息安全》課程中信息隱藏技術的教學探索與實踐[J].中國信息技術教育, 2014(11):106-108.

[5] 鄭淑麗,胡東輝,侯整風,等.信息安全專業“信息隱藏”課程的教學研究[J].計算機教育,2010(2):105-108.

[6] 張湛,瞿芳.基于 Matlab平臺的《信息隱藏》教學改革研究[J].科學時代,2012(3):327-330.

Curriculum teaching reform of information hiding technology based on battle mode

The present situation and symptoms of information hiding courses are analyzed aiming at the problems of information hiding technology, such as strong cross-training, difficulty in learning, lack of students' passion for learning, etc. The curriculum teaching reform mode includes optimizing teaching content, heuristic teaching method and student-centered of creating the battle mode. And strive to stimulate students' interest in learning, and comprehensively enhance the students hands-on ability and innovation, and ultimately achieve the best teaching results.

information hiding; battle mode; curriculum teaching; information security

G42

A

1008-1151(2016)12-0091-03

2016-11-11

杭州電子科技大學高教課題“以學生為中心的啟發式信息隱藏技術課程教學模式改革研究”（YB1443）。

汪云路（1981－），女，安徽無為人，杭州電子科技大學講師，研究方向為信息安全。