面向網絡空間安全新工科的密碼學教學研究

劉楊 王佰玲

摘 要：隨著網絡空間安全新工科的興起，研究面向網絡空間安全的密碼學教學方法具有越來越重要的意義。利用項目驅動教學法和分層目標教學法，提出了適合網絡空間安全方向的密碼學教學模式，構建了支撐體系模型，將教學過程分為基礎理論教學、實驗教學和實踐教學，使整個教學環節更加完善合理。實踐表明這種教學方式是可行的，不僅提高了教學效果，而且極大地調動了學生的積極性。

關鍵詞：密碼學；網絡空間安全；項目驅動教學；分層目標教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）12-0013-03

Abstract： The rise of the new engineering of cyberspace security makes it become more and more significant to make the research on the teaching method of Cryptology dealing with cyberspace security. Through project-driven teaching method and stratified teaching method， the paper proposes the teaching model suitable for cryptology applied for cyberspace security， constructs the supporting system model， and divides the process of teaching into basic theory teaching， experimental teaching and practical teaching. The practice proves that this teaching method is available， for it not only improves the teaching effect， but also gets the students motivated.

Keywords： Cryptology； cyberspace security； project-driven teaching method； stratified teaching method

引言

密碼學是一門理論性和實踐性都很強的課程，在現代信息安全領域中，密碼學已經成為支持信息安全各個方向的專業基礎學科之一。隨著網絡空間安全新工科[1]的興起，密碼學迫切需要調整傳統以信息安全專業為背景的教學模式，設計新的教學模式與教學方法，從而適合新工科的發展需求。

隨著密碼學教學改革的不斷發展，很多教師都在積極探索新的、有效的教學方法[2-7]。胡小明等人[4]利用案例教學法，從理論和實踐兩方面對密碼學課程教學進行研究，同時將密碼學最新研究成果和知識引入到課堂教學，以提高教學效果。竇本年等人[5]利用科研方法論，將密碼學教學與科研創新教育相結合，使學生在深入理解教學內容的基礎上，接受科研方法的培訓，自覺培養自己的創新精神和創新能力。朱曉玲等人[6]在優化課程體系、構建工程實踐教學及改革教學方法等方面對課程體系進行優化，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。王后珍等人[7]根據密碼學課程特點，從加強課堂教學的生動性和啟發性、加強教學實踐環節及采取靈活多樣的考核體系等方面進行了密碼學教學研究。

一、密碼學課程教學存在問題分析

作為網絡空間安全關鍵技術的密碼學課程，具有其不同于其他學科的特點：1.較強的實踐性。密碼學的最終目的是提供各種安全的應用算法，如加密保護信息的機密性，消息摘要檢測信息的完整性，數字簽名對抗信息的否認性。2.覆蓋的知識面廣。由于密碼學最初是由軍事發展而來，故而涉及到的知識非常廣，如數論、抽象代數、概率論、組合數學等。3.廣泛的橫向聯系。密碼學是由應用數學、通信、計算機應用等多個自然學科匯集而成的綜合性學科。密碼學與其他課程的關聯如圖1所示。

隨著各學科的發展，課程所涉及的知識越來越多，學科之間相互聯系和相互交叉的趨勢越來越廣泛，在有限的授課課時內，如何選擇本門課程的主要內容，采用哪些有效教學方法，使學生接收和掌握這些內容，是一件值得深入研究的問題。這也就是教學中“教什么”和“怎么教”的根本問題。因為課程所涉及知識多，且存在交叉和聯系，所以需要介紹的內容較多；又因為課時有限，不能憑借增加課時、增加課目的方法將每個分支詳細介紹。基于以上分析，發現目前密碼學教學存在以下問題：

1. 課程應用性教學不足。密碼學是一門應用性很強的學科，在網上銀行、衛星通信、網絡安全等生產生活、軍事外交領域中具有廣泛應用。目前密碼學教學在這些應用方面的內容不足，不能使學生對密碼學實際應用具有直觀的理解。

2. 科研與教學融合不夠。目前的密碼學教學僅局限于課本知識，但是密碼學是一門發展很快的學科，很多信息安全類的科學研究都要涉及密碼學知識，而目前的密碼學教學很少涉及科研項目，局限了學生的眼界和知識獲取的范圍。

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，尤其是在網絡空間安全新工科中，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能力。

4. 教學模式較為單一。當前密碼學教學模式較為單一，創新性和趣味性不足，不能適應當今學生的發展需求，需要研究適合當今學生特征的教學模式。

二、面向網絡空間安全的密碼學教學模式

作為網絡空間安全關鍵技術的密碼學課程，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。密碼學是一門綜合性學科，總體來講有一定難度，學生在前期的學習可能相對輕松，但隨著教學的深入，內容的加深，會逐步感到老師講授的知識越來越不容易理解。基于有限的教學課時及學生的接受能力，必須對教學內容進行合理編排。依據網絡空間安全對密碼學的要求，我們提出了利用科研項目驅動教學與分層目標教學的密碼學教學模式，如圖2所示。

在這種教學模式中，采用科研項目驅動教學法和分層目標教學法指導學生的具體課程學習任務，并在實際的教學過程中，使兩者有機結合起來。

（一）科研項目驅動教學

項目驅動教學法是通過實施一個完整的項目而進行的教學活動，在教學中以學生為中心，將一個相對獨立的項目交予學生完成，信息的收集、方案的設計與實施主要由學生負責。針對密碼學課程的性質，把項目驅動教學分為明確項目任務、制定項目計劃、實施項目計劃和總結評估四個階段。

1. 項目任務劃分階段：由教師根據不同的科研項目背景，提出所需要的密碼學知識，把這些密碼學知識應用到實際的科研項目中，幫助學生體驗密碼學應用的真實情景。

2. 項目計劃制定：按照工作流程把整個系統分解成一個個模塊，對每個模塊都提出具體的工作任務和所需的密碼學知識，指導學生逐步完成。

3. 項目計劃實施：教師為學生提供技術支持，適時組織討論、講解和歸納總結，及時發現學生完成項目過程中出現的問題，為學生提供解決問題的思路和方法。

項目驅動教學法的主體是學生，由教師提出開發目標，學生親身實踐，通過獨立或合作完成一個目的明確的項目而掌握相應的技能。它的特點是強調項目任務的真實性、教師指導的目標指引性、學生學習的積極主動性、實踐過程的探究性和合作性、評價的過程性和反思性等。科研項目驅動的密碼學教學過程如圖3所示。

（二）分層目標教學

分層目標教學是教師根據學生現有的知識、能力水平和潛力傾向，把學生科學地分成幾組，分層制定出不同的教學目標，提出不同的教學要求，施以不同的教學內容，以最大限度地調動每一個學生的學習積極性，充分促進學生智能發展的一種教學法。根據密碼學課程的任務，把分層目標教學分為分層制定任務、分層實施任務和分層考核評估三個階段。

1. 分層制定任務：根據學生的掌握程度以及實際的動手能力，將學生分為不同的層次，對每個層次的學生進行分層教學，對能力較強的學生可以制定較復雜的任務，而對于能力較差的學生制定較簡單的任務。

2. 分層實施任務：能力較強的學生可以要求完成較復雜的學習目標，遇到問題時鼓勵學生自己去查閱資料解決問題。而對于能力較差的學生可以要求完成較簡單的學習目標，并給予一些具體指導。

3. 分層考核評估：在考核評估階段，要體現出前兩個階段的特點，考慮到題目的難度和學生的完成情況。

三、面向網絡空間安全的密碼學教學體系

密碼學是高等院校本科生網絡空間安全專業的主干基礎課，也是各信息類專業競相開設的重要選修課。傳統的信息安全專業培養內容強調信息本身及其環境的安全，教學內容多偏重于安全技術，培養的人才大多從事信息安全的科學研究、技術開發、安全規劃、運行維護、安全防御等和技術比較相關的工作。而網絡空間安全專業的人才培養目標是，培養不僅具有扎實的網絡空間安全基礎理論和基本技術知識，而且系統掌握信息內容安全、系統安全、網絡安全等實踐技能的綜合性人才。基于密碼學課程特點及網絡空間安全新工科密碼學教學模式，提出密碼學教學體系模型，如圖4所示。

學生在學習了密碼學基礎理論、掌握了密碼學基本原理和典型加密算法之后，通過安全算法和安全系統等編程實驗加深對理論知識的理解，然后進行科研項目、校企合作等實踐教學，完成從密碼學理論到實際操作的過程。從而培養學生不僅具有扎實的理論知識，而且具有廣泛的實踐技能。在實際的密碼學教學過程中，教師依據這個體系進行教，學生依據這個體系進行學，從而完成整個教學過程。

四、結束語

本文利用操作性較強的項目驅動教學法和分層目標教學法相結合的教學模式，提出了基于網絡空間安全新工科的密碼學教學體系模型。通過提高教學方法、完善實驗教學、構建實踐教學，對課程體系進行優化。利用科研項目、企業實習、校企合作、創新基地及校企合作等途徑提高學生實踐能力。培養適合網絡空間安全新工科的密碼學人才，使學生不僅具有扎實的理論知識，而且具有廣泛的實踐能力。

參考文獻：

[1]國務院學位委員會（學位[2015]11號）.教育部關于增設網絡空間安全一級學科的通知[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/jyb-xxgk/mo

e_1777/moe-1778/2015ll/t20151127_221423.html.

[2]郭華，李舟軍，張習勇.從程序思維能力看密碼學實驗的教學[J].計算機教育，2014（13）：35-38.

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[7]王后珍，張煥國.密碼學課程建設及教學方法探討[J].高教學刊，2016（7）：78-79.