高效的信息安全教學模式探索
——與德國高校教學交流后的總結與反思

李功麗，彭晚紅，張聰品，湯佳梅

（1.河南師范大學 計算機與信息工程學院，河南 新鄉 453007；2.教學資源與教育質量評估大數據河南省工程實驗室，河南 新鄉 453007；3 .西藏自治區電化教育館 網絡信息中心，西藏 拉薩 850006）

0 引 言

隨著信息時代的到來以及通信技術的快速發展，信息安全已成為信息技術領域的核心問題。根據智研咨詢集團《2017—2022 年中國信息安全市場研究與未來發展趨勢報告》，2019 年中國信息安全硬件、軟件和服務市場的規模將分別達到30.02、8.84 和9.36 億元[1]。巨大的市場規模使得各個行業對信息安全人才的需求也在急劇增加。在第十屆中國信息安全大會上，方濱興院士援引《2006—2020 年的國家信息化發展戰略》，特別指出要壯大信息化人才隊伍。為了加速信息安全人才的培養，2018 年4 月，教育部在公布的最新《學位授予和人才培養學科目錄》中，新增了“網絡空間安全”一級學科。即使如此，信息安全的人才需求與供給之間還是存在巨大的缺口。沈昌祥院士提出：“預計到2020 年，信息安全人才的缺口將達到75 萬。”[2]在如此巨大的需求面前，很多學校紛紛開設信息安全專業。根據2016 年的統計結果，我國已有80 多所高校開設信息安全專業[3]。雖然國家出臺了一系列促進信息安全人才培養的政策，但是目前的人才培養質量令人擔憂。

1 信息安全課程的特點

1.1 內容多且難，理論與實踐并存

信息安全課程的教學內容主要包括密碼理論和技術、安全協議、系統安全以及應用安全4 個部分[4]。每一部分又包括了眾多內容模塊，比如密碼理論和技術以及安全協議這兩部分的內容偏理論，也相對比較抽象、枯燥，還需要學生具有一定的信息安全數學基礎；系統安全和應用安全又與實際應用聯系比較緊密，需要學生有一定的實踐和動手能力；應用安全又包括了信息安全產品、應用開發、信息安全建設、信息安全技術實踐等[5]。

1.2 內容交叉性強

信息安全課程中的教學內容不僅多，而且與其他課程內容存在較強的交叉性。例如公鑰算法，需要用到數論以及近世代數中的部分內容；應用安全中的VPN 技術又與網絡協議有關；代碼注入攻擊需要學生先熟悉SQL 語言。講到相關內容時，如果不講交叉的內容，學生可能無法理解課堂內容；如果交叉內容全部講解，則會占用大量上課時間，影響課程進度。所以如何把握好兩者之間的關系，是在課程設計時必須要解決的問題。

1.3 理論較多，容易弱化應用

因為理論內容太多，所以教師往往把大部分課堂時間都用于講解理論以及證明推導等，這無形之中會弱化應用。學生學了一個學期之后雖然明白了基本原理，掌握了一些算法，但是無法將所學內容應用到實踐中。

2 與法蘭克福應用技術大學交流后的總結

德國的應用技術大學產生于第二次世界大戰之后，目前已經發展成為德國四大主要高校類型之一（綜合性大學、應用技術大學、師范大學、藝術大學）。德國應用技術大學自創建以來培養了大批專業性強、側重實際應用的高級應用型人才。據統計，德國擁有的工程師在歐洲是最多的，其數量達到160 多萬，其中的三分之二都是德國應用技術大學培養的[6]。為了探索德國應用技術大學人才培養的過程并分析研究其在人才培養方面的特色，作者于2019 年5 月赴法蘭克福應用技術大學進行了教學交流與訪問。通過深度參與對方課堂，總結他們的教學過程特點。

2.1 教師引導、學生為主體

在德國的大學課堂，教師更多的是作為引導者，引導學生進行自主討論和思考。例如我們參與的幾次課程，都是在課程開始時，由教師介紹本節課的主要內容，大概十分鐘左右，然后就是按提前布置的任務，各組學生根據自己在課后查閱的資料進行討論，討論結束后分組闡述討論成果。闡述的時候不僅僅是語言介紹，有時還要配上板書，甚至還要現場做思維導圖，這都是對學生自主學習成果的檢驗。最后教師會對討論的內容進行總結，并布置下一節課的任務。整個教學過程，教師只是一個引導者，知識的獲取主要是通過學生在課前查閱資料、課上的討論與匯報以及課后作業，真正實現了以學生為主體的教學目標。這個過程不僅提升了學生的自主學習能力，而且結論是基于學生討論的結果自然得出的，所以學生對于相關理論更容易理解，印象也更深刻。同時，學生對于知識的掌握也不再限于表面，而是通過討論向縱深方向發展。當然如何設計討論的主題、引導討論的方向并把握好討論的節奏，這對任課教師提出了更高的要求。

2.2 教學形式多樣，學生參與度高

德國高校的教學形式不僅有小組討論式學習，還有E-Learning、翻轉課堂等靈活多變的教學形式，讓學生能夠積極融入到課堂中來。在我們參與的一次課堂中，教授現場問了一個問題：你了解的Web 應用有哪些？雖然我只是旁聽，對這樣一個問題都忍不住躍躍欲試。甚至在課堂上，教師會根據學生的表現，給予一些小獎勵，有時是在學生的板書上畫個笑臉，有時甚至是糖果、巧克力等，課堂氣氛非常活躍。德國應用技術大學的教授一般都要求有從事本專業至少兩年以上的實踐工作經歷，所以教師通過所在行業的實踐工作積累了豐富的案例素材，也更易靈活組織教學形式。比如與我們交流的Jung 教授，在進入法蘭克福應用技術大學前，曾在DHL 公司工作過多年，具有豐富的專業領域實踐經驗。

2.3 考核嚴格，淘汰率高

德國大學執行寬進嚴出的制度，考核非常嚴格。期末測試時，考核的是學生應用所學知識解決問題的能力，學生要想通過考試，必須能夠對知識融會貫通，單純靠考前突擊很難通過。最終的課程成績，教師還會參考學生平時參與課堂討論和完成作業的情況，只有考試成績和平時表現成績都合格，才能通過課程考試。嚴格的考核制作使得德國高校部分課程的通過率低于50%甚至30%。據統計，德國應用技術大學的淘汰率大約在30%左右，而一些綜合性大學的淘汰率高達70%[6]。這種嚴格的考核機制，讓學生有了學習的壓力，可能這也是促使學生在課堂上積極參與討論的重要原因。

雖然德國應用技術大學在人才培養上有諸多優點，但是我們絕不能照搬，一是兩國高等教育的客觀情況存在差別，例如德國大部分是小班制，一個班的人數大多不超過30 人，而國內因為高校擴招，一個班級的人數往往在50～80 人之間，有的班級甚至達到了一百多人，這種情況下，在討論時如何組織以及紀律維持都是個難題；另一方面是這種培養模式也存在它自己的不足，如這種培養模式是以實踐為導向，對于學科知識的系統性和抽象性方面相對較弱。所以如何針對信息安全課程的特點與需求，借鑒德國應用技術大學在人才培養方面的優勢，提升教學效率以及人才培養的成果，是我們下面要探索的問題。

3 高效的信息安全教學模式

3.1 激發學生的興趣——讓學生想學

因為信息安全課程中理論內容較多，且具有“難”“新”“抽象”的特點，所以教師要通過各種方法激發學生的學習興趣，讓學生從心底里真正想學這門程。在每次課程內容開始之前，教師可以通過多種方式進行課題導入。

1）采用形式多樣的案例故事，激起學生對所學內容的興趣。

例如可以使用西蒙· 辛格的《密碼故事》中的案例，或是像《密碼破譯者——布萊切利莊園幕后的英雄》這類紀錄片。通過不同的背景故事，讓學生融入到課堂中，從而也激起學生對故事的主角——密碼的好奇心。

2）提出問題，帶著問題去探索。

例如在講完了分組密碼算法之后，教師可以提出，要使用分組算法，要先有密鑰，可是要在公開信道上秘密地傳遞密鑰，又必須要使用分組算法。這好像進入了一個死循環，如何解開這個死循環呢？答案就是公鑰。那公鑰到底是怎么解決的呢？通過這樣一個難題，激起學生對公鑰的學習興趣。

3）激發學生責任心。

通過介紹熱點安全事件，讓學生意識到信息安全的重要性，同時激發作為一名信息安全學習者的責任心。教師可以篩選出近年來影響廣泛的安全案例，例如Facebook 用戶信息泄露事件、勒索病毒、心臟出血漏洞以及Wifi 密碼破解等，這些案例形式多樣，給社會和個人造成了巨大的損失，從而激起學生對于信息安全重要性的認識以及如何解決相關問題的濃厚興趣。

3.2 以學生為主體——讓學生會學

聯合國教科文組織在世界首屆高等教育大會宣言中提出，高等教育需要轉向以學生為中心，要求國際高等教育決策者把學生及其需要作為關注的重點，把學生視為教育改革的主要參與者。如何才能以學生為中心呢？那就需要在教學模式設計與課程的組織時都從學生的實際出發，根據學生學習過程的特點，針對性地實施教學過程。

1）根據注意力曲線，把握教學節奏。

美國西雅圖太平洋大學腦應用研究中心主任約翰· 梅迪納提出了“注意力10 分鐘法則”，即學生在聽講時，注意力在10 分鐘左右會降到最低點[7]，具體的注意力變化過程如圖1 所示。筆者通過與學生的交流，也證實了這一點。學生說每次來上課時都信心滿滿，但是因為信息安全課程的信息量太大，而且內容相對抽象，聽了一會兒后往往不自覺地走神。所以根據學生注意力的規律，教師可以把主要內容的介紹放在課程開始的前10 分鐘，這一段時間學生的注意力更集中，對信息的獲取率也更高。然后，在注意力達到谷底時，組織學生進行討論和匯報，讓他們轉換角色，成為課堂的主角。因為學生面臨著討論之后要進行現場講解的壓力，所以更有利于他們再次集中注意力進行課堂內容的討論。最后，在即將下課前，教師根據學生匯報的結果，對內容進行總結與升華。在整個教學過程中，教師要以學生為中心，時刻觀察學生的注意力變化，基于注意力曲線，把握好教學節奏，通過不同教學形式的靈活轉換，讓學生對整個教學過程保持高度集中的注意力，提高課堂教學效率。

圖1 課堂教學中的學生注意力變化曲線

2）根據學習金字塔原理，讓學生主動學習。

埃德加·戴爾通過對學生的學習過程進行追蹤，發現對于一個知識點，主動學習的學生在2周之后能夠掌握90%的知識，而被動聽講的學生僅能夠記住20%的知識，這即是“學習金字塔（cone of learning）”理論[8]。顯然，如果能夠把只是作為觀眾的被動學習者“逼迫”為親自動手學習，那學生的學習效率必將大大提升。在整個學習的過程中，首先由教師提供相關素材并提出問題，學生在課前根據問題先了解相關內容，然后在上課時，教師可以提問學生，檢查學生課前自學的情況。針對重點和難點的內容，組織課堂上的分組討論，討論結束后，再由學生對討論結果進行總結。可以看到，無論是討論，還是最后的總結陳述，都是學生進行主動學習的過程。

3）精心設計教學案例。

精心設計的教學案例可以讓教學效果事半功倍。在教學案例設計時，不僅要突出重點，而且需要注意前后內容的聯系，讓整個課堂變得緊湊。下面以信息安全中AES 分組密碼算法為例，介紹課程的具體實施過程。AES 算法是目前使用最為廣泛也是最典型的一類分組算法，所以教學目標是掌握AES 的算法流程，掌握每個操作的運算原理并理解每個操作的作用。在實現這個算法時，還需要知道每一輪的子密鑰是如何生成的，所以了解AES 輪密鑰的生成算法，還可以比較它與加密算法之間操作的關系。在深入掌握了AES 算法之后，進一步討論它的應用以及它與其他分組算法進行比較，實現對課上內容的擴展。每一部分的具體設計見表1（以45 分鐘+45分鐘的課堂為例）。

表1 AES 算法的案例構建

對于AES 算法，教學的重點是AES 算法的基本流程以及算法如何實現和應用的問題，在整個教學過程中，注意內容前后之間的相互聯系，激勵學生運用所學知識解決所提出的問題，通過“學習—應用—再學習”的過程，培養學生的創新思維與應用能力。

3.3 利用在線學習平臺、慕課、微課等資源——讓學生高效地學

在前面的分析中，我們知道這種討論為主的教學方式可以把被動學習變為主動學習，學習效率更高。但是它更適用于小班制。面對動輒五十甚至上百人的班級，如何有效組織討論呢？例如有的學生不參與討論，或者討論時聊天，教師如何發現？而且討論結束后要進行總結，如果每個人都發言，有限的課堂時間必然無法滿足。面對這些問題，可以借助于先進的手機在線課堂。比如作者所在的河南師范大學計算機與信息工程學院開發了移動教學平臺，在課堂上，教師可以提前設置好討論主題，然后每個學生都可以通過手機端把討論結果發送給教師。教師可以從中選擇部分學生陳述討論結果。在這種情況下，學生是否認真參與了討論，教師通過手機端可以全面掌握。同時，教師還可以利用該平臺進行課堂測試，教學效果與學生掌握情況可以立刻進行檢驗。通過這類平臺可以讓學生在線上與教師充分互動，教師也可以更好地了解和掌握每個學生的學習情況，并對教學過程做出靈活的調整。

目前慕課、微課等在線課程發展迅速[9-10]，各類信息安全課程的在線資源非常豐富，比如哈爾濱工程大學孫建國老師的“信息安全技術”、上海交大陳恭亮老師的“信息安全數學基礎”等。教師可以充分利用這些資源，提高課堂效率。比如在講公鑰時，需要用到中國剩余定理，如果在課堂上講，可能需要一節課甚至更多的時間，但是利用網絡上已有的微課資源，只需要十分鐘左右，學生就可以快速了解其具體內容。當然這類資源要靈活利用，對于了解而不需要深入講解的內容，可以借助內容精練的慕課、微課等資源，而對于一些重點內容，則仍然需要通過學生的主動學習來掌握。

3.4 多維度考核機制——讓學生不得不學

在高校，考試依然是學生學習的指揮棒，考試內容、形式和評價方法對學生的學習選擇有極強的引導作用，不僅直接影響到學生學習方法、學習能力和思維能力，并最終影響學校人才培養目標的發展和方向[11]。教學模式改變后，考核方式必須做出相應的變化，才能激發學生學習方式的根本轉變。因為教學過程中是以學生為主體，那么主體在這個階段的表現必須體現在最終的成績中，所以提出了面向過程的多維度考核機制。多維考核機制是根據學生在學習過程中不同方面的綜合表現，細化考核規則，從多個維度制定評分標準。表2 是本學期信息安全課程的多維評分表格。

表2 中給出的是每個維度的最高分值，根據不同的表現，教師給出相應的成績。然后在期末時把每個人的積分按照百分制進行量化，并把上述評分與期末成績按5：5 的比例計算得到本門課程的最終成績。通過上述多維度的細化評分，將傳統的“一考定成績”的考核方式向全過程考核轉變，注重平時每一次的課堂表現，提高學生的課堂參與度，激勵學生把功夫下在平時，而不僅是考前突擊。同時可以定期公布學生的評分，讓他們實時了解自己的表現。當然上述工作需要大量的時間，可以尋找學生助教參與到日常的教學活動中來，這樣既可以減輕教師的工作量，同時也能提升學生的能力。

表2 多維度評分表

以上是結合德國應用型高校的教學特點，并根據我國的教學實際，對信息安全高效的課堂教學模式進行了幾點探索。當然，除了課上的教學模式設計，課后布置針對性的實驗練習，進行校企合作、鼓勵學生參加信息安全競賽等，都可以作為提升教學效果的有效輔助措施。

4 結 語

通過研究信息安全教學的特點以及學生的學習規律曲線，針對課前引導、教學設計以及考核制度等幾方進行精心設計，可以最大程度激發學生學習的主動性，提升信息安全課堂的教學效率，實現從學生想學到會學并最終會用的轉化，從而培養出適應行業實際需要的優秀信息安全人才。