“新工科”背景下融合MOOC和翻轉課堂的教學模式探索與實踐

周敏　王莉芳

摘 ?要：《計算機編碼與密碼學》是信息安全及相關專業的一門綜合性專業核心課程，具有很強的理論性和實踐性，課程內容復雜、難度高，涉及多門學科的知識，在我國該課程開設時間較短，普遍采用傳統課堂授課方式，使得目前國內大多開課院校的教學效果受到限制，達不到“新工科”專業培養目標和要求。本研究將《計算機編碼與密碼學》課程教學內容和特點，與國內外MOOC和翻轉課堂的成功教學經驗相結合，通過近幾年的摸索與實踐，提出融合MOOC和翻轉課堂的校本《計算機編碼與密碼學》課程教學模式改革新方案，符合“新工科”培養多層次、多規格、且具備多學科知識和復合型技術的信息安全人才的專業培養目標和要求。通過教學實踐，表明所提出的教學模式改革新方案能夠顯著提高教學質量，可為高等教育教學的改革與創新提供借鑒。

關鍵詞：“新工科”;MOOC;翻轉課堂;信息安全;教學模式

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2021）01-0001-06

Abstract： "Computer Coding and Cryptography" is a core course for information security and related majors. With strong theoretical and practical nature， the course content is complex and difficult， involving knowledge of multiple subjects. In China， this course has been offered for a short time， and the traditional classroom teaching method is widely adopted. As a result， the teaching effect of most courses opening colleges and universities in China is limited， which fails to meet the training objectives and requirements of "new engineering". This study combines the teaching content and characteristics of computer coding and cryptography with the successful teaching experience of MOOC and flipped classroom at home and abroad. Through the exploration and practice in recent years， this paper puts forward a new teaching mode reform plan of the school-based computer coding and cryptography which integrates MOOC and flipped classroom， which is in line with the objectives and requirements of cultivating multi-level， multi-specification information security talents with multi-disciplinary knowledge and complex technology. The two semesters of teaching practice shows that the proposed new teaching mode reform scheme can significantly improve the teaching quality and provide reference for the reform and innovation of higher education teaching.

Keywords： "New Engineering"; MOOC; flipped classroom; information security; model of teaching

隨著互聯網、人工智能、大數據、云計算等技術的發展，網絡安全已經上升為國家安全戰略，2014年2月，習近平總書記強調“沒有網絡安全，就沒有國家安全”[1]。2015 年6月，教育部和國務院學位委員會決定在“工學”門類下增設“網絡空間安全”一級學科來應對這一局面[2]。2017年2月，教育部在復旦大學召開高等工程教育發展戰略研討會，發布《新工科建設復旦公示》，“新工科”強調學科的實用、創新、交叉與融合，注重信息通訊、軟件設計、電子控制等學科與傳統學科的結合[3]。如何培養多元化、創新型且具備多學科知識的信息安全人才是教學改革的重點之一[4]。計算機編碼與密碼學是信息安全領域的核心內容，涉及數學、計算機科學、通信、信息系統和電子技術等交叉學科的綜合性專業課程，具有知識體系和內容廣泛、難度大、更新速度快、理論性和實踐性強等特點。目前國內很多高等院校的計算與信息科學類、應用數學類、計算機類、電子通訊類等專業開設了《計算機編碼與密碼學》課程，然而該課程屬于新興學科，開設時間較短，教師尚未積累足夠的教學經驗，如何在“新工科”背景下進行合理化課程教學具有重要意義。近年來MOOC（Massive Open Online Course，大規模在線開放課程）風暴席卷全球高等教育，MOOC打破原有的教育體系和組織結構，擁有優質課程資源和媒體工具，促進了世界范圍內的知識分享，為不同學科的教和學創造了大量的機會[5]。翻轉課堂（Flipped Classroom）顛倒了傳統“知識傳授”與“知識內化”的階段，體現“以學生為中心”的教育理念，被稱為大勢所趨的“課堂革命”[6]。MOOC與翻轉課堂的興起，為高等教育教學的改革與創新提供了機遇。針對《計算機編碼與密碼學》課程特點及教學現狀，結合國內外MOOC和翻轉課堂的成功教學經驗，本研究探索出融合MOOC和翻轉課堂的校本《計算機編碼與密碼學》課程教學模式改革新方案，該教學模式符合“新工科”教育理念、目標和要求，可以為高等院校課程教學改革提供借鑒。

一、MOOC和翻轉課堂的含義及優勢

1. MOOC。MOOC起源于2007年美國猶他州立大學教授David Wiley創建的一門網絡開放課程[7]。2008年，加拿大教授George Siemens和Stephen Downes設計了第一門真正意義上的MOOC課程。2012年斯坦福大學、麻省理工學院和哈佛大學創辦Coursera、Udacity和edX美國三個典型的MOOC平臺，華盛頓大學、普林斯頓大學、賓夕法尼亞大學等外國高校紛紛發布MOOC課程，2012年被《紐約時報》稱為“慕課元年”[8]。2013年香港科技大學教授Naubahar Sharif開設亞洲首門MOOC課程。2013年以來，清華大學、北京大學、復旦大學、上海交通大學等國內知名高校相繼加入MOOC的行列。近年來，中國大學 MOOC、學堂在線、網易云課堂等國內知名MOOC平臺被創建。目前，MOOC熱潮風靡全球。

MOOC具有大規模、網絡化、開放性的教學特點，以平臺為基礎，以課程為單元，提供優質教學資源、交互學習社區、有效評價機制[9]。MOOC使全球高等教育理念發生重大變革，教學過程由“教”為中心轉向“學”為中心，教學形式由單一課堂授課轉向借助多種教學資源的多種學習形式[10-12]，強調學生的興趣和能力培養[13]。

2. 翻轉課堂。翻轉課堂起源于2007年美國科羅拉多州林地公園高中的教師Jonathan Bergmann和Aaron Sams，他們對傳統課堂進行了顛覆性嘗試[14]。2011年，被稱為“傳統教育的顛覆者”的學者Salman khan在國際Technology Entertainment Design大會介紹了翻轉課堂的概念[15]，這種新型教學形式開始引起全球教育界的廣泛關注。翻轉課堂以網絡平臺為基礎，突破傳統課程教學時空的限制，變革了傳統課堂的教學結構，實現了“知識傳授”與“知識內化”的翻轉教學，將“先教后學”顛倒為“先學后教”，將“知識傳授”轉變為“問題探索和研究”。比爾·蓋茨稱，翻轉課堂預見教育的未來，引領了一場教育革命[16]。

二、《計算機編碼與密碼學》課程特點及現狀

《計算機編碼與密碼學》課程在我國開設時間較短，普遍采用傳統課堂授課方式，使得目前國內大多開課院校的教學效果受到限制，達不到“新工科”專業培養目標和要求[17-19]，主要體現在以下幾個方面：1. 知識點多、跨度大、課程時數有限。課程內容涉及數學、計算機科學、通信、信息系統和電子技術等課程的知識，需要對相關知識綜合運用。學生在先修課程中多是針對各知識點的單獨訓練，沒有綜合運用的實踐，因此在本課程的學習中經常會因為沒有掌握一個小知識點而影響后續知識點的學習。另外課程授課時數有限，既要講授理論，又要完成實驗，導致很多知識點的講授缺乏深度和廣度。2. 知識體系與內容更新速度快。縱觀計算機編碼與密碼學發展史，編碼與密碼技術從古典密碼、對稱密碼到公鑰密碼，不斷在發展更新，特別是近十年來隨著互聯網、人工智能、大數據等新一代技術的不斷推進，新的安全問題也隨之而來，為了解決這些安全問題，相關的編碼與密碼理論和技術應運而生，因此課程的知識體系和內容需要同步發展、隨時更新，這對傳統課堂教學無疑是非常大的挑戰。3. 重理論，輕實踐。由于受課堂教學的限制，目前國內高校該課程以理論教學為主，忽視實踐能力的培養。例如，在學習DES、IDEA、RSA、Rabin、MD5、SHA等加密解密算法時，突出算法的工作原理，而缺乏算法的實現和應用。《計算機編碼與密碼學》是一門理論和實踐相結合的課程，應通過改革教學模式來加強理論知識的應用能力。4. 授課方式單一。在傳統課堂教學模式下，以教師為中心，學生被動接受知識，缺乏師生互動。由于本課程涉及許多艱深晦澀的理論知識和證明方法，學生不易理解和掌握，不能激發學生學習的興趣和主動性，不利于對學生思維能力、創新能力的培養。5. 考核方式單一。課程考核是檢驗學生學習效果的主要手段，有效的考核機制能大大提高教學質量。本課程涉及理論知識多、實踐應用強，而傳統課堂教學模式下的考核方式以試卷考試為主，主要考查的是對所學內容的理解，不能客觀地體現實際應用綜合能力，實驗環節是常規的驗證性實驗，缺乏開放性、創新性和綜合性。另外傳統的考核方式，是一個靜態學習成績分析結果，不能體現學生在整個課程學習過程中的動態變化，不便于教師對學生的學習進程進行及時了解、干預和控制，持續改進課程教學方法。從以上《計算機編碼與密碼學》課程特點及現狀可以看到，傳統的教學模式急需改進，而目前國內外興起的MOOC和翻轉課堂的教學模式，為以上問題的解決提供了有效、可行的思路。

三、《計算機編碼與密碼學》MOOC課程教學設計

MOOC的出現為高等教育改革提供了實現平臺，為課程教學實現持續改進提供了目標和方向[6-7]。MOOC平臺提供的豐富數據來源，能夠客觀地評價學生能力和學習效果[13，20]。2016 年6月《計算機編碼與密碼學》課程團隊申請的在線課程建設項目獲得批準并與中國大學MOOC平臺簽署了合作協議，2017年8月完成《計算機編碼與密碼學》課程PPT課件的重新制作、在線課程視頻的錄制，2018年3月課程簡介、課程大綱、考核方式、教學視頻及 PPT課件完成上傳，并完成相應教學內容的作業題和測試題（選擇題、填空題、主觀題）、討論題、案例素材的制作，對學生開放進入運行狀態。本課程共分33講，學習時間為10周。教學內容包括： 信息安全面臨的威脅及密碼學基礎知識、古典密碼技術、流密碼、分組密碼體制、公鑰密碼體制、密鑰分配與密鑰管理、消息認證、數字簽字與密碼協議、網絡加密與認證。教學資源包括課程視頻、PPT課件、課程視頻、案例素材、作業題庫和測試題庫。2019年1月31日第一期課程結束，選課人數達到5000人，2019年7月31日第二期課程結束，選課人數達到4600人。

本課程圍繞“一條主線、兩個注重、三個結合、四個能夠”的教學模式，在課程體系的建設、教學內容和教學方法的改革方面進行了相應的嘗試。一條主線，圍繞技術應用這條主線。通過基礎理論的學習和項目實戰，將所學專業知識應用于信息安全的實踐中， 在信息的保密性、真實性、順序性、時間性、不可否認性等方面，實現信息安全保障。兩個注重，基礎知識的掌握，應用能力的培養。密碼技術加解密的方法、秘鑰分配與管理、加密和認證技術等方面，設計數學、信息、計算機等多方面的知識，要求學生具有較為扎實的基礎知識，本課程借鑒翻轉課堂的教學模式，通過問題解答、作業、章節測驗等方式，促進學生對知識的理解和掌握。以項目為導向，通過引入案例，培養學生對知識的應用能力。三個結合，自主學習和課程輔導相結合，理論與實際應用相結合，深度與廣度相結合。以MOOC平臺為基礎，通過課程視頻、問題解答、作業測驗等方式，實現師生互動;將密碼技術的相關內容通過算法實現，為實際應用提供平臺;既介紹密碼技術的基礎知識，又通過最新研究成果，引導學生在相關領域的發展。四個能夠，能夠將所學專業知識應用于信息安全的實踐中， 完成各種計算機安全保密任務。能夠理解并遵守工程職業道德和規范，履行責任。能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體，團隊成員以及負責人的角色。能夠就計算機編碼與密碼學問題與業界同行及社會公眾進行有效溝通和交流。

《計算機編碼與密碼學》MOOC課程教學設計主要包括四個模塊：MOOC課程目標設計、MOOC課程內容設計與資源開發、MOOC課程學習活動設計、MOOC課程學習評價設計。總體設計模型如圖1所示。

1. MOOC課程目標設計。為了適應專業培養目標的要求，結合“新工科”培養多元化和創新型人才的理念，《計算機編碼與密碼學》MOOC課程教學改革遵循的宗旨為：通過本課程教學，使學生掌握計算機編碼與密碼學的基本理論和相關算法，幫助學生將所學應用于信息安全的實踐中，培養解決實際問題的能力，為設計、分析和改進各種加密解密數據包提供必要的軟件基礎，更好地完成各種計算機安全保密任務。

2. MOOC課程內容設計與資源開發。基于MOOC的教學內容與傳統課堂教學相比，具有更綜合、多元和開放的特點[9-12]。MOOC課程內容包括教師的工作和學生的工作，教師的工作包括課程簡介、PPT課件、課程視頻、案例素材、作業、測試、討論、答疑、通知等方面，學生的工作包括作業、討論、互動交流、提出問題等方面。MOOC課程內容設計的核心是PPT課件的重新制作、課程視頻的錄制。根據《計算機編碼與密碼學》教學目標和教學大綱，按代表性知識點全面梳理課程的知識結構，按知識點組織網上課程內容，以20分鐘左右講透一個知識點來進行課程PPT制作和視頻錄制。本課程按教學知識點錄制了48個教學視頻，視頻的內容重點包括：信息安全面臨的威脅及密碼學基礎知識、古典密碼技術、流密碼、分組密碼體制、公鑰密碼體制、密鑰分配與密鑰管理、消息認證、數字簽字與密碼協議、網絡加密與認證。《計算機編碼與密碼學》MOOC資源除了課程團隊上傳的PPT課件、課程視頻、案例素材、作業、測試、討論、答疑、通知等外，還包括中國大學MOOC平臺的在線資源，如名師課程視頻、課件、資料、電子圖書等。

3. MOOC課程學習活動設計。《計算機編碼與密碼學》MOOC課程教學中，學習系統由教師、學生、學習環境、網絡資源四部分構成。學習活動根據基于MOOC自主學習的項目活動式開展，分為線上學習活動和線下學習活動兩部分，包括基于MOOC視頻和在線作業的課程知識點的自主學習、協作學習、討論和問答等。中國大學MOOC平臺可為每位學生提供學習空間，包括教學視頻、討論群組、論壇、個人日志等，同時可記錄每位學生的學習過程。課程學習活動中，學生為主體，教師為主導，教師要充分調動學生學習的積極性和主動性，引導學生合理利用《計算機編碼與密碼學》課程MOOC資源，完成線上和線下學習活動。

4. MOOC課程學習評價設計。《計算機編碼與密碼學》MOOC課程評價內容包括學生基于MOOC教學平臺課程的訪問情況、視頻收看情況、作業情況、測試情況、論壇發帖次數、自我評價和互評等。學習評價貫穿于整個學習過程，MOOC平臺全程記錄學習過程，實時收集并分析學習過程中所產生的數據，為評價學生學習提供依據。通過數據分析可判斷學生掌握課程知識點和技能情況，綜合出學生課程成績，頒發《計算機編碼與密碼學》MOOC課程的結業證書。

四、融合MOOC和翻轉課堂的校本《計算機編碼與密碼學》課程教學模式設計

在《計算機編碼與密碼學》課程教學模式設計過程中，重點需解決以下問題：一是根據課程單元知識體系和課程目標及學生MOOC學習過程中，如何提出富有挑戰性和探究性價值的問題，如何開展基于問題的討論式課堂。二是如何設置問題情景，創設訓練項目，引導學生根據自己的興趣、愛好針對性地選擇合適的訓練項目，開展基于項目的探究式課堂。三是在混合教學模式設計中如何體現“新工科”教育特質和理念，激發學生學習的興趣和主動性，發展學生的高層次思維能力和創新能力。針對信息安全類課程特點，基于已制作完成并開始運行的《計算機編碼與密碼學》MOOC課程，依托中國大學MOOC平臺，結合國內外典型的翻轉課堂模式[6，15，16]，構建了如圖2所示的融合MOOC和翻轉課堂的《計算機編碼與密碼學》課程教學模式。該模式由課前、課內和課程評價三個模塊構成。

1. 課前設計——知識傳遞。學生訪問中國大學MOOC平臺，觀看《計算機編碼與密碼學》課程相關知識點的MOOC視頻、PPT課件、案例素材，完成MOOC作業、測試，參與MOOC平臺上的學習討論，檢索和查閱相關資源進行自主學習。學生在學習過程中，可自主地根據自身的知識掌握情況和學習興趣來調整學習步調，沒有掌握的知識點可反復觀看、訓練，已掌握的知識點可快進或跳過，并將已經掌握、尚未掌握及想要深入了解的知識、學習過程中所遇到的問題進行詳細的記錄。任課教師登陸校本MOOC平臺，瀏覽、參與學生MOOC學習的過程，了解學生，與學生進行交流并給予指導。

2. 課內設計——知識內化。（1）設計思想。課內是學生內化知識的過程，教師設計課堂活動，利用情景、協作、會話等要素充分發揮學生的主體性，并引導和組織學生應用知識解決問題，培養學生高層次思維能力和創造能力。首先，教師梳理強化所學課程內容的重點和難點，根據學生的MOOC學習情況的反饋，有針對性地對相關知識點進行講解。指導學生學習中如何理論聯系實際，如何把握重點，并根據課程單元知識體系和課程目標及學生MOOC學習過程中存在的問題，提出一些富有挑戰性和探究性價值的問題，開展基于問題的討論式課堂。其次，教師設置問題情景，創設訓練項目，引導學生了解項目任務與目標，學生根據自己的興趣、愛好針對性地選擇合適的訓練項目，開展基于項目的探究式課堂。另外，教師將學生進行分組，4-6人組成一個學習小組，每小組推選出一名組長，組長負責、成員分工協作，共同完成某一相對復雜的任務，探究某一具體問題，同時組織各組以報告、比賽、辯論等形式展示復雜任務和探究性問題的成果，教師及時跟蹤各學習小組的訓練情況，給予點撥和指導。最后，教師對整個教學活動進行總結、評價和歸納，反饋問題至下一次教學設計中。MOOC平臺是本課程教學模式改革的基礎和前提，而課堂環節的討論和探究是本課程教學模式改革的核心，它顛覆了傳統課堂的教學，課堂教學因此變得豐富而生動。（2）教學實例。以RSA公鑰密碼系統教學過程為例。a.重點和難點講解。重點：RSA密碼系統的數學基礎：歐拉定理，密鑰產生的方法，加密和解密的方法。難點：RSA算法的有效性證明和安全性條件。b.情景設計。模仿商務往來中信息的傳遞和密碼的破譯，將學生分為進行商務往來的甲乙雙方和信息竊取者三個角色，教學模型如圖3所示。c.訓練項目。項目1：RSA密碼中涉及算法演示，如計算乘冪的模，求模運算逆元。項目2：RSA密碼的公鑰和私鑰設計的編程實現。項目3：RSA加密和解密方法的編程實現。d.分組交流。討論1：RSA密碼安全性討論。討論2：對RSA密碼系統的攻擊方法討論。

3. 課程評價設計。為保障《計算機編碼與密碼學》課程教學模式的高效運行，課程評價采用多元評價機制，科學客觀地對學生學習情況進行評價反饋，重視學習過程評價，弱化考試權重，強調學習效果，發展能力和激發潛力。本課程評價由校本《計算機編碼與密碼學》MOOC課程在線自動評價（MOOC課程的結業證書，占60%）和課堂形成性評價（占40%）兩部分組成，課堂形成性評價包括課堂作業與測試、課堂討論、課堂訓練項目、課堂展示等活動的參與情況綜合而成。

五、教學模式應用效果分析

2018-2019學年第二學期，針對計算與信息科學專業，開展了融合MOOC和翻轉課堂的校本《計算機編碼與密碼學》課程教學模式改革實踐，52名學生參與了該課程學習。本研究進行了問卷調查分析，同時利用MOOC平臺提供的分析功能對學習者的學習行為進行了數據分析。

1. 調查問卷分析。本研究對學生進行了問卷調查，調查問卷采用五點量表，按照5分制計分，問卷結果表明，學生能自主完成課前MOOC學習（均值3.78，標準差0.862），基本掌握課程的教學內容（均值4.21，標準差0.895），對新的教學模式比較感興趣（均值4.09，標準差0.817），認為利于啟發思維（均值4.11，標準差0.813），培養自主學習能力（均值3.84，標準差0.717），比傳統課堂的教學效率高（均值3.96，標準差1.064）。

2. 平臺數據分析。MOOC平臺提供了多元統計功能，包括學生訪問課程次數、課程視頻觀看情況、觀看時長、視頻配套作業題和章節配套作業題完成情況、單元測試情況等。這些數據可以反映和解釋學生的課前自主學習行為。MOOC平臺統計了52名學生觀看課程48個視頻的時長，本研究按照學生觀看視頻時長與視頻自身長度之比，即平均視頻反芻比，來統計觀看視頻人數占比，數據如表1所示。

表1 學生觀看視頻情況統計

圖3 商務往來中信息傳遞和密碼破譯

從表1可以看出，除了個別學生在個別視頻上未完成觀看外，絕大部分學生（85.8%）花費了1.5倍以上的時間反復學習，說明學生的課前自主學習情況良好。以“Rabin密碼系統”這節MOOC課為例，視頻長度21.65分鐘，統計數據表明學生平均觀看時間38.28分鐘，平均視頻反芻比是1.84。反芻比越高說明學生觀看視頻時間越長，次數越多，同時可以反映出學生認為該知識點難度較大，在翻轉課堂上教師應該重點講解，組織討論，以便學生能更好地掌握。MOOC平臺統計了52名學生完成視頻配套作業題和章節配套作業情況以及單元測試情況。視頻配套作業一般為5道題，形式包括選擇、填空和判斷對錯。章節配套作業一般為3道題，主要以計算、編程和分析題為主。基本要求是視頻配套作業題至少完成3道，章節配套作業題至少完成2道。統計表明視頻配套作業38.2%的學生能完成3題，42.3%的學生能完成4題，17.1%的學生能完成5題。章節配套作業學生能夠按要求去做，70.6%的學生能完成2題，26.3%的學生能完成3題，計算題80.5%的學生能夠正確完成，分析題62.2%的學生能夠正確完成，其余學生存在的問題是分析不夠全面，編程題71.4%的學生能夠正確完成。數據分析表明學生完成作業情況良好。每個教學單元配一套測試題，重點考核學生對本單元知識的理解、掌握和靈活運用情況，允許學生多次答題，記錄最高分。由于融合MOOC和翻轉課堂的教學模式注重學生課前學習時間和效果，學生課前自主學習時間比改革前有很大幅度的提升，同時通過課前與課內的師生互動，使學生能夠更好地理解和掌握所學課程。《計算機編碼與密碼學》課程設計注重理論教學與實踐教學內容緊密結合，基礎理論教學內容與學科前沿緊密結合，實踐教學的基礎性與綜合性、設計性緊密結合，考核手段多樣性與激勵目的緊密結合。通過本課程的學習，使學生對計算機編碼與密碼學當前主要研究方向和應用領域有一定的了解，培養了學習者在科學研究和事務處理上百折不撓、持之以恒的毅力和意志，促進了專業素質和專業修養的提高。

六、結束語

網絡安全已經上升為國家安全戰略，如何培養多層次、多規格且具備多學科知識和復合型技術的信息安全人才是“新工科”教學建設和教學改革的重點。本研究提出融合MOOC和翻轉課堂的校本《計算機編碼與密碼學》課程教學模式改革新方案，旨在促進知識的應用、分析與評價，強調學生自主學習，強調師生之間、生生之間的互動，提升學生的高層次思維能力和創新能力，遵循應用型人才應具備的知識、能力、素質標準，符合“新工科”信息安全人才培養理念。

2019年《計算機編碼與密碼學》被評為陜西省精品在線開放課程。

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基金項目：陜西高等教育教學改革研究項目“新工科人才培養模式研究與探索”（編號：19BY012）;西北工業大學教育教學改革研究項目“計算機編碼與密碼學課程教學改革探索”（編號：2018020）

作者簡介：周敏（1966-），女，漢族，浙江寧波人，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向：數學與信息科學;王莉芳（1965-），女，漢族，陜西西安人，博士，教授，博士研究生導師，研究方向：管理科學與工程。