計(jì)算機(jī)密碼學(xué)課程的混合式、參與式教學(xué)研究與實(shí)踐

魏悅川，韓益亮

（武警工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院，陜西 西安 710086）

1 背景

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)空間安全被提上國(guó)家安全戰(zhàn)略高度。作為一門(mén)新興的綜合性交叉學(xué)科，網(wǎng)絡(luò)空間安全發(fā)展受到了越來(lái)越多的關(guān)注。加快網(wǎng)絡(luò)空間安全高層次人才培養(yǎng)，是國(guó)家網(wǎng)絡(luò)空間安全建設(shè)的必然要求。密碼學(xué)作為網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的核心課程和主干課程，對(duì)于深入學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)空間安全具有極其重要的作用，其教學(xué)效果極大影響人才的培養(yǎng)質(zhì)量。國(guó)內(nèi)幾乎所有院校在各自的網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)人才培養(yǎng)方案中都將密碼學(xué)作為一門(mén)專業(yè)必修課。

密碼學(xué)課程的內(nèi)容主要包括古典密碼學(xué)和現(xiàn)代密碼學(xué)中的對(duì)稱密碼學(xué)、公鑰密碼學(xué)、密碼協(xié)議等相關(guān)知識(shí)[1]，課程以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，兼具理論性與實(shí)踐性。教學(xué)內(nèi)容相對(duì)來(lái)說(shuō)比較抽象，有一定難度。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)很多高校在探索密碼學(xué)教學(xué)方法和手段的過(guò)程中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，在課程建設(shè)中提供了很多優(yōu)秀的方法，但不容否認(rèn)的是，從教學(xué)模式和提高學(xué)生素質(zhì)等方面來(lái)看，國(guó)內(nèi)相當(dāng)一部分高校的密碼學(xué)課堂還存在一些不足。因此，如何改進(jìn)教學(xué)方法、豐富教學(xué)手段，增強(qiáng)學(xué)生的積極性與參與性，是擺在任課教師面前的重要課題。

2 傳統(tǒng)教學(xué)中存在的問(wèn)題

2.1 學(xué)生主體缺位、參與性不強(qiáng)

傳統(tǒng)教學(xué)的主要形式是以教師講課為主體，學(xué)生處于被動(dòng)地位進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生更像是觀眾，特點(diǎn)是少參與、重知識(shí)、輕體驗(yàn)。密碼學(xué)的教學(xué)包含了近世代數(shù)基礎(chǔ)、初等數(shù)論等數(shù)學(xué)知識(shí)，定理和數(shù)學(xué)公式相對(duì)枯燥，導(dǎo)致學(xué)生在理解上很吃力，一旦跟不上老師的節(jié)奏，就可能在以后的學(xué)習(xí)中處于似懂非懂的狀態(tài)，降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生把精力不是放在學(xué)習(xí)而是放在考試上，往往機(jī)械式地背記知識(shí)點(diǎn)。課堂上學(xué)生的主體地位不突出，學(xué)生不能真正參與到教學(xué)中，教學(xué)效果不佳。

2.2 教學(xué)手段單一、教學(xué)模式落后

傳統(tǒng)教學(xué)中教師單純地采用板書(shū)或者幻燈片的形式進(jìn)行教學(xué)，這種灌輸式的教學(xué)模式，不能明顯區(qū)分每個(gè)學(xué)生的個(gè)體差異。教與學(xué)之間缺少互動(dòng)和交流，學(xué)生難以抓住重點(diǎn)，老師難以了解學(xué)生的掌握情況，導(dǎo)致教學(xué)效率低下，限制了學(xué)生思維的發(fā)展。

2.3 教學(xué)止于課堂，學(xué)生創(chuàng)新能力不足

現(xiàn)有密碼學(xué)課程內(nèi)容廣泛，需要在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)完成教學(xué)任務(wù)，學(xué)生很容易浮于表面，缺乏深度鉆研，這讓有興趣鉆研的學(xué)生感覺(jué)淺嘗輒止，不能盡興，創(chuàng)新實(shí)踐能力不能得到有效提升。

3 混合式、參與式教學(xué)在密碼學(xué)中的運(yùn)用

混合式教學(xué)和參與式教學(xué)是近些年來(lái)國(guó)際教育界所倡導(dǎo)的兩種教學(xué)理念。筆者依據(jù)計(jì)算機(jī)密碼學(xué)課程的特點(diǎn)，在這兩種教學(xué)理念的指導(dǎo)下，對(duì)本門(mén)課的教學(xué)進(jìn)行了一些初步的探索和嘗試。

3.1 開(kāi)展多重參與式教學(xué)，提供多元化學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)

以參與式教學(xué)理念開(kāi)展教學(xué)，能夠使學(xué)生參與教學(xué)過(guò)程，體驗(yàn)知識(shí)構(gòu)造。研究表明，教學(xué)效果好的教師比一般教師少花15%的時(shí)間來(lái)管理自己的教學(xué)內(nèi)容，而多花50%的時(shí)間來(lái)進(jìn)行各種互動(dòng)活動(dòng)[2]。筆者主要采用2種辦法來(lái)提高學(xué)生的參與性。

一是豐富教學(xué)形式，采用多種形式使學(xué)生參與到教學(xué)中來(lái)。在課堂上，可以加入提問(wèn)、討論、辯論、頭腦風(fēng)暴、成對(duì)交流等環(huán)節(jié)，目的是為學(xué)生提供多元化的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。例如，在講解序列的隨機(jī)性這一內(nèi)容時(shí)，筆者會(huì)給出多個(gè)二進(jìn)制序列，學(xué)生兩兩之間討論序列的特點(diǎn)，然后按照隨機(jī)性的大小進(jìn)行排序，通過(guò)組間辯論等形式提出衡量序列隨機(jī)性的指標(biāo)。

二是開(kāi)展高層次的思維活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生協(xié)作探索解決問(wèn)題。根據(jù)認(rèn)知領(lǐng)域的Bloom思維模型，單純的記憶或理解不能促進(jìn)學(xué)生高級(jí)思維的發(fā)展，還需要經(jīng)過(guò)分析、綜合、評(píng)估、設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，因此，可以設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)分工合作執(zhí)行任務(wù)進(jìn)而完成學(xué)習(xí)，最后在課堂上進(jìn)行講解交流，并由教師進(jìn)行針對(duì)性的講解和總結(jié)。例如，在學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES時(shí)，筆者將DES輪函數(shù)中的4部分組件分給4個(gè)組的學(xué)生預(yù)習(xí)討論，然后每個(gè)組派出代表為其他學(xué)生講解清楚，并評(píng)估其設(shè)計(jì)特點(diǎn)，同時(shí)接受其他學(xué)生的提問(wèn)和質(zhì)疑。這種方式可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自學(xué)能力、分析能力，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生相互學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮同伴的作用，有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)學(xué)生的潛能。

通過(guò)開(kāi)展參與式學(xué)習(xí)，突出了學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，加強(qiáng)了教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的互動(dòng)，打破了傳統(tǒng)教學(xué)中單一的教學(xué)模式，形成了多重反饋機(jī)制。

3.2 充分利用教學(xué)平臺(tái)和數(shù)字資源，探索線上線下混合教學(xué)模式

為滿足信息時(shí)代對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求，需要改變單一的班級(jí)授課制，實(shí)施課堂講授、綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)緊密結(jié)合的多維教學(xué)模式，使學(xué)生在“學(xué)中用”“用中學(xué)”，真正做到學(xué)以致用，全方位提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

一是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)資源和多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的混合。充分利用各種教學(xué)資源使教學(xué)更為生動(dòng)形象，引起學(xué)生的注意和興趣，激發(fā)他們的求知欲和學(xué)習(xí)熱情。例如，在講到AES加密的時(shí)候，單純的理論講授難以激發(fā)學(xué)生的興趣，學(xué)生自身也難以理解加密過(guò)程，但是在制作了AES加密步驟的動(dòng)畫(huà)之后，通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示，不僅勾起了學(xué)生的興趣，而且可以使學(xué)生更好地理解每一個(gè)加密步驟實(shí)現(xiàn)的效果。課程組團(tuán)隊(duì)還就古典密碼、RSA密碼、Dif fi le-Hellman密鑰交換協(xié)議等知識(shí)點(diǎn)制作了系列微課，通過(guò)多媒體技術(shù)，不僅提高了課堂效率，擴(kuò)大了教學(xué)容量，而且使學(xué)生的學(xué)習(xí)更輕松有趣，起到了事半功倍的效果。

二是借助信息化工具和教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)和信息化教學(xué)的混合。筆者在一定程度上采用了武警工程大學(xué)教學(xué)云平臺(tái)等信息化輔助教學(xué)工具來(lái)開(kāi)展教學(xué)。例如，課前通過(guò)平臺(tái)發(fā)布預(yù)習(xí)資料，學(xué)生通過(guò)終端開(kāi)展自學(xué)；課中利用平臺(tái)開(kāi)展頭腦風(fēng)暴、實(shí)時(shí)檢測(cè)；課后進(jìn)行拓展交流、復(fù)習(xí)答疑等。通過(guò)該平臺(tái)的使用，在教師和學(xué)生之間實(shí)現(xiàn)了即時(shí)的溝通，有助于幫助教師了解學(xué)生的掌握程度，多種渠道獲得教學(xué)反饋。同時(shí)，利用信息化工具有助于學(xué)生利用碎片化時(shí)間隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，拓展了學(xué)習(xí)的時(shí)間與空間。

三是利用MOOC實(shí)現(xiàn)面授和e-learning的混合。MOOC資源是傳統(tǒng)教學(xué)的有效補(bǔ)充，例如，斯坦福大學(xué)Dan Boneh教授主講的密碼學(xué)深受好評(píng)，可以嘗試借助該資源將密碼學(xué)課堂做一定程度的翻轉(zhuǎn)，學(xué)生課下自己觀看視頻，課上進(jìn)行提問(wèn)、個(gè)人練習(xí)、小組練習(xí)與課堂總結(jié)，以此來(lái)提高學(xué)生的自學(xué)能力和參與性。

3.3 任務(wù)導(dǎo)引式教學(xué)，廣泛開(kāi)展實(shí)踐活動(dòng)

自主實(shí)踐是讓學(xué)生獲得親身參與實(shí)踐的真實(shí)體驗(yàn)，從中積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而使其對(duì)自身能力、專業(yè)知識(shí)等有更深刻的認(rèn)識(shí)[3]。實(shí)踐能使學(xué)生充分發(fā)揮自身的能動(dòng)性，同時(shí)提高他們運(yùn)用知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力。在密碼學(xué)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，精心為學(xué)生設(shè)計(jì)了密碼算法實(shí)現(xiàn)、古典密碼破譯、求乘法逆元等編程實(shí)踐題目，讓學(xué)生自由結(jié)組選題，通過(guò)分工合作執(zhí)行任務(wù)，最后在課堂上進(jìn)行匯報(bào)展示，由教師點(diǎn)評(píng)總結(jié)。這種方式可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐能力、自學(xué)能力、創(chuàng)新能力，培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神，而且打破了課堂上講授內(nèi)容有限的限制，提高了教學(xué)質(zhì)量。

另外，還可以借助信息安全競(jìng)賽、密碼數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)賽、密碼技術(shù)競(jìng)賽等平臺(tái)，使學(xué)生真正參與到密碼算法、安全芯片、電子商務(wù)政務(wù)等安全技術(shù)的實(shí)現(xiàn)之中，提高學(xué)生的密碼技術(shù)水平和綜合設(shè)計(jì)能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神。

4 混合式、參與式教學(xué)的實(shí)踐效果

教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變不能僅僅局限于形式，更重要的是教師自身的角色定位和職能的轉(zhuǎn)變[4]。通過(guò)開(kāi)展混合式、參與式教學(xué)，在一定程度上，突出了學(xué)生的主體地位，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，進(jìn)而增強(qiáng)了學(xué)習(xí)效果，提高了學(xué)生的能力素質(zhì)。2017年度秋季學(xué)期考試成績(jī)統(tǒng)計(jì)顯示，學(xué)生的考試及格率提高了8個(gè)百分點(diǎn)，優(yōu)秀率提高了11個(gè)百分點(diǎn)。學(xué)生的創(chuàng)新能力得到了顯著提高，獲得密碼數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)賽二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外作品競(jìng)賽三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，全國(guó)密碼技術(shù)競(jìng)賽二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

對(duì)于教師而言，教師不再只是課堂上的講授者，同時(shí)也是課堂活動(dòng)的組織者。混合式教學(xué)不但沒(méi)有讓教師的角色弱化，反而對(duì)教師的能力要求更高了。正如《如何成為高效能教師》一書(shū)中所指出，教師的角色不是覆蓋（cover）——一味地講解更多的內(nèi)容，教師的角色是揭示（uncover）[5]。教師的信息化教學(xué)能力得到了大幅提高，通過(guò)整合教學(xué)資源形成了個(gè)性化的教學(xué)。經(jīng)過(guò)改革，有2人獲得省部級(jí)教學(xué)比賽三等獎(jiǎng)，1人獲得省部級(jí)微課比賽三等獎(jiǎng)，2人主講的密碼學(xué)課程被評(píng)為武警工程大學(xué)優(yōu)質(zhì)課程。

混合式、參與式教學(xué)理念與密碼學(xué)的結(jié)合，使得這門(mén)課程真正做到了有參與、有互動(dòng)、有反饋、有反思、有意思。

5 結(jié)語(yǔ)

混合式、參與式教學(xué)作為一種新型的教學(xué)模式，把傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和信息化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生深入?yún)⑴c到教學(xué)中，從而達(dá)到有效教學(xué)的目的。筆者建議，為有效開(kāi)展混合式、參與式教學(xué)，教師應(yīng)更加注重發(fā)揮引導(dǎo)作用，精心設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，更加注重學(xué)生體驗(yàn)，及時(shí)給予學(xué)生積極的反饋。總之，該教學(xué)模式是以學(xué)生為中心的教學(xué)，要始終堅(jiān)持以學(xué)生為本的教學(xué)理念，加大學(xué)生在教學(xué)中的參與力度，最終使學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，全面提升教學(xué)效果。