本科院校密碼學課程體系建設研究與實踐

李德順 姚姜源 羊秋玲 黃向黨 譚毓銀 周曉誼

摘? 要：當前本科院校開設的密碼學課程存在著諸多挑戰導致學生學習難度大、掌握不扎實等問題。在文章中，教研團隊從課程教材編選、組合教學模式、模塊化實驗教學、思政入課堂和多元化過程考核等五個方面提出本科院校密碼學課程體系建設改革方案。經過三個學年的教學改革實踐，教師授課內容更易于理解，學生端正了學習態度，提升了學習積極性，普遍提高了編程實踐能力和課程考核成績。

關鍵詞：密碼學;課程體系;教學模式;教學改革;課程思政

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）36-0093-04

Abstract： The current course of Cryptography in undergraduate colleges and universities suffers from many challenges， which lead to problems that students learn the cryptography hardly and cannot master the knowledge thoroughly. In this article， the teaching and research team proposed a teaching reformation scheme for the construction of the cryptography curriculum system for undergraduate colleges and universities from five aspects as shown below： the compilation of curriculum materials combined teaching model， modular experimental teaching， applying the ideological and political education into cryptography， and diversified process assessment. After three school years of teaching reform and practice， the content of teachers' lectures is easier to understand for each student， and students had corrected their learning attitudes to cryptography with great improvement in their learning enthusiasm. As a result of the teaching reform and practice in cryptography， students generally improved their programming practice ability and course assessment results.

Keywords： Cryptography; curriculum system; teaching mode; teaching reform; the ideological and political education in all courses

密碼學作為信息安全的核心技術，是維護國家網絡空間安全的基石。培養密碼科學與技術人才是推動密碼理論創新和技術應用的基礎，而密碼學課程體系改革是培養高質量密碼學人才的必由之路[1-3]。當前本科院校密碼學課程體系存在理論基礎不牢，知識體系陳舊，教學模式固化，且考核方式單一等問題，難以激發學生學習的積極性和主動性，導致學生缺乏實踐和創新能力[4-6]。

在本文中，教研團隊從教材編選、教學模式、實驗教學、課堂思政和課程考核等五個方面闡述本科院校密碼學課程體系建設方案[3，7-9]。根據教學要求和目標綜合選取教材，單本教材難以滿足教學需求時由教研團隊進行知識內容補充;基于課程章節獨立性，授課教師根據具體教學內容選擇適合的課堂教學模式，形成組合模式理論教學;針對算法復雜性高和代碼工作量大的特點，根據密碼算法的內在邏輯提出基于模塊化任務分解的實驗教學模式;結合密碼發展史故事，在課程教學中將傳授知識和價值引導融合起來，激發學生的責任擔當和歷史使命感;根據教學要求和培養目標，采用多元化過程課程考核方式進行考核，避免一考定成績的弊端。

經過網絡空間安全和信息安全專業的4屆本科學生教學改革實踐，教師授課內容更易于理解，學生專業知識水平有了大幅提升。學生樹立起了成為網絡空間安全衛士為國鑄盾的信念，增強了專業學習中的責任擔當和歷史使命感。學生對專業理論和技術的理解更加深入，編程實踐能力有了顯著提升，并取得了良好的課程成績。這表明教研團隊提出的本科院校密碼學課程體系建設方案具有良好的實踐效果。在今后的教學改革研究和實踐中，教研團隊努力將其做成標準化模式進一步實踐和推廣。

一、教學現狀分析

密碼學課程教研團隊從事信息安全專業教學十余年，包括教授、副教授、高級實驗師和講師等十余人。教研團隊成員梯次配備得當，學緣結構合理，積累了豐富的密碼學教學和改革經驗。對當前密碼學課程教學現狀和存在的主要問題分析如下：

密碼學兼具理、工、軍等學科特點，其所依托的學科專業差異大，教學和考核要求不同，難以形成規范統一的教學體系。該專業在不同的學科門類下所采用的教材、教學方法、考核方式和課程難度差異較大[1，7]。

學生學習難度大，難以全面掌握相關知識基礎。密碼學科的交叉性強，其基礎包含數學、通信、計算機、生物和物理等交叉學科知識。工學學生缺少數論和高等代數基礎，難以形成完整和嚴謹的算法安全性證明;理學學生缺少通信和計算機實踐基礎，不能發揮密碼學應用性強的特點[8-9]。

教材側重各異，部分內容陳舊。因課程依托的學科門類、授課對象和教學目標不同，教材或偏重理論知識，或偏重密碼算法，或偏重實踐應用。部分密碼學教材內容陳舊，未涉及前沿研究和應用進展，難以體現密碼學對網絡空間安全的支撐作用[9-10]。

教學模式固化，難以調動學生。當前通常采用傳統教師講授-學生聽課的教學方式，教師講解大量的密碼學理論和算法知識，這種教學模式難以適應密碼學這種前沿性和應用性強的交叉學科。大量的理論、冗長的算法和嚴謹的證明導致傳統課堂教學枯燥，學生難以長時間集中注意力[11-13]。

密碼算法冗長，編程實現難度高[14-15]。密碼學算法編程實現復雜工作量大，需要較高的編程技巧，更需要嚴謹的理論計算和推理證明能力。實現密碼學算法難以給學生帶來諸如網絡攻防實戰類似的成就感和獲得感，這進一步降低了學生實踐的積極性。

考核手段單一，缺少過程性考核。當前密碼學考核通常采用“平時成績+期末成績”的方式[16-17]，其中，平時成績采用考勤情況、課堂表現和課后作業的形式賦分，期末成績采用閉卷考試形式進行考核。這種考核手段難以體現學生課程學習過程中的進步，且期末考題模式、重點和難點固化。

針對當前密碼學課程體系存在的上述問題，教研團隊從教材編選、教學模式、實驗教學、課堂思政和課程考核等五個方面闡述本科院校密碼學課程體系建設思路和實施方案。

二、課程體系建設方案設計與實施

教研團隊從課程教材選編、組合模式理論教學、模塊化實驗教學、思政入課堂和多元化過程考核等五個方面介紹密碼學課程體系教學改革方案。

（一）課程教材選編

課程教材應根據授課對象所屬學科專業的教學要求和教學目標進行綜合選取。對工學本科生，教材選擇應注重其應用性。在理解密碼學算法原理的基礎上，重點掌握算法的編碼實現過程和工程背景應用，可選擇偏重工程應用的應用密碼學和密碼工程類教材。對理學本科生，教材選擇應注重其理論性。在掌握密碼學原理的基礎上，應深入學習算法的理論背景知識，理解密碼學難題假設的困難性、算法證明的嚴謹性和算法分析的復雜性，可根據需要選擇密碼學或者現代密碼學類教材。對選修課學生，教材選擇應注重其引導性。教材應在涵蓋密碼學原理的基礎上，具有較強的吸引力和應用背景，可根據需要選擇密碼學導論或密碼學引論類教材。

當單本教材難以滿足教學內容和教學目標時，可由授課教師根據實際情況對教學內容進行增補。授課教師選擇一定數量的參考書目進行擴展以滿足不同層次學生的學習需求，工學課程應至少補充一本理論性的參考書以增強學生對基礎理論的理解，理學課程應補充偏重工程應用的參考書以加強學生對應用背景的理解，選修課學生則應補充應用前沿探索類的參考書以開拓學生視野。

（二）組合模式理論教學

密碼學課程特點是各章節理論基礎內聚性高，可形成相對獨立的教學模塊。因此，授課教師可根據每個章節的具體內容選擇適合的課堂教學模式，如傳統模式、混合模式和專題研討模式等。

傳統教學是當前教師授課普遍采用的模式。授課教師根據教學大綱和進度講解課程內容，學生通過預習、聽課和課后作業的形式進行學習和復習。該模式以教師講授-學生接收為特征，由授課教師主導整個教學過程。傳統教學模式特有的優勢使其在密碼學課程理論教學中可以發揮關鍵作用，特別是需要進行大量課堂講解和推理過程的章節內容。

混合教學是指線下課堂教學結合線上多媒體網絡教學，授課教師根據教學內容制作網絡多媒體課件，學生可通過網絡點播進行學習。這種教學模式以平臺知識內容為中心，突破了傳統教學模式的時空限制，學生在課前和課后可以通過網絡進行自主學習。通過混合教學模式，學生可以反復觀看課件，從而達到掌握學習內容的目的。

專題研討式教學是通過探究某一專題問題而在教師和學生之間共同研究討論的教學方式。該教學方式可將課程教學和前沿研究結合起來，通過研究討論調動學生自主學習的積極性，培養學生在資料收集、知識學習、觀點表達和分析總結等方面的能力。密碼學課程具有章節獨立性高和內聚性強的特點，采用專題研討式教學模式能夠發揮學生的主動性和積極性，加深對密碼學知識的理解，全方位鍛煉學生能力。

根據密碼學章節內容采用具有針對性的教學模式能夠提升課程對學生的吸引力。這種組合模式教學對授課教師的備課提出了較高的要求，需要在熟悉教材內容的基礎上掌握密碼學科領域的前沿應用。

（三）模塊化實驗教學

針對密碼學課程實驗中算法復雜性高和代碼工作量大的特點，教研團隊提出模塊化實驗教學。在模塊化實驗教學中，授課教師自頂向下將密碼學算法應用分解成多個模塊，每個模塊可包含若干子模塊。學生逐步完成子模塊和模塊內容，最后組合形成完整的密碼應用算法。

以AES算法和應用為例介紹模塊化試驗教學[9]。授課教師將其分為GF（28）域上的基本運算、S盒子與S逆盒子、密鑰擴展算法、AES基本變換、加解密算法、文件加解密和程序演示等7個模塊。以其中AES基本變換為例，該模塊又可細分為字節替代、行移位、列混淆和輪密鑰加等4個子模塊。學生根據子模塊-模塊次序逐步實現各模塊功能，并最終組成AES算法完整的應用程序。

通過模塊化任務分解能夠讓學生更好地理解復雜密碼算法的實現過程，從全局和細節之間的粒度加深對密碼算法的理解。密碼實驗模塊化實現過程能夠增強學生獨立完成任務的信心，培養學生面對復雜算法時的任務分解能力。

（四）思政入課堂

課程思政是在專業課課程教學中將傳授知識和價值引導有機融合起來，在專業教學中潛移默化地培養既具有愛國主義情懷，又具有專業知識的社會主義事業接班人。

密碼學天然是融入課程思政的富礦學科，其發展史上伴隨著政治、軍事和外交等活動，俯拾皆是曲折生動的故事[18]。如清末中日“第一次絕交書”誘餌文件，二戰太平洋戰役美日“AF缺水”誘餌電報、二戰歐洲英國阿蘭·圖靈（Alan Turing）團隊對德軍Enigma密碼機的破譯以及當代各類間諜事件，都可作為密碼學融入課程思政的內容。

結合密碼學理論和技術的發展史和破譯史，在密碼史故事中隱式融入思想政治教育，不但能夠增加理論課程的趣味性也能激發學生的愛國主義情懷，讓學生理解科學技術對人類社會發展的推動作用，強化青年學生的歷史使命感和社會責任感。

（五）多元化過程考核

針對密碼學課程的教學要求和培養目標，采用面向學習全程的多元化過程考核方式，以避免一次考試決定最終成績的弊端。

多元化過程考核以學生學習過程的表現分階段分類別進行量化考核和評價，并最終得到本門課程的考核成績。多元化過程考核對學生的預習、學習和復習情況及時地給出評價，并根據結果督促學生的日常學習。理學實驗課程應注重算法實現的完備性和嚴謹性，期末考核應注重基本原理和算法證明的規范性和嚴謹性;工學實驗課程應注重算法的實用性和高效性，期末考核應注重密碼學算法基本原理和應用實現的規范性和實用性。在考核中，根據學生的表現給予過程成績評價，結合期末考試給出密碼學課程的考核成績。

多元化過程性考核能夠全面考核學生學習過程中的理論知識、編程能力和創新能力等綜合素質，激發學生進行持之以恒學習的自覺性。

三、實踐效果

在省教育廳、學校和學院的支持和資助下，教研團隊成功對網絡空間安全和信息安全專業進行了三個學年的教學改革實踐，密碼學課程體系建設和實施取得了良好的初步改革成果。

學生學習態度更加端正。密碼發展史和課程思政背景知識深化了學生對密碼理論和技術在促進社會發展中催化作用的認知，激發了學生勇于承擔社會歷史責任的使命感和投身實現民族復興的愛國主義情懷。在學習過程中，學生不再抱著成為黑客或駭客的想法，而是樹立起成為網絡空間安全衛士為國鑄劍為國鑄盾的信念。

學生學習積極性提升。自密碼學課程體系教學改革實踐以來，學生學習的目標更加明確。以前學生學習更多是為了一考而定的期末成績，改革后進行多元化過程性考核，學生更加重視日常學習過程和每個課時的學習所得，課前課后分別投入更多精力進行預習和復習，學生課堂參與力度更大，提問和研討思路更加靈活。

教學內容更易理解。教材內容整合給學生提供了多角度理解密碼學原理和算法的基礎，從而使嚴謹的密碼學原理和復雜的密碼學算法更易于理解。針對各章節內容設定的教學模式，模塊化實驗分解，再結合密碼發展史，使得教師授課時能夠做到深入淺出，在不失嚴謹性的同時增加了課堂吸引力。

實踐能力普遍提升。通過自頂向下的模塊化實驗任務分解，學生能夠對子模塊各個擊破，逐步提升了學生對復雜算法和程序的問題分解能力和工程實踐能力。密碼算法應用編程實踐能力的提升，促進了學生對基礎理論的進一步理解。部分同學通過實驗課程代碼實現形成了具有一定規模的基礎代碼庫。學生參加各類競賽的積極性大幅提高，并有多名本科生獲得了國家網絡安全獎學金。

考核成績普遍提高。多元化過程性考核增加了學生學習過程中反饋修正的機會，學生能夠根據不足之處及時調整學習策略，并保持得分記錄良好的學習方法，最終形成良性循環。及時糾正學生學習過程中的偏差，使得學生能夠更好地掌握學習內容，取得優良的過程性考核成績和期末考核成績。

教學改革實踐過程中的不足主要是授課教師難以兼顧授課、反饋和評價的均衡，需要配備課程助教協助進行成績統計整理，以便授課教師專注于課程教學和指導。相信經過多屆學生的教學實踐磨合，教研團隊能夠逐漸積累教學改革經驗和資料，逐步減輕授課教師工作負擔。

四、結束語

針對當前本科院校密碼學課程體系存在的問題和不足，教研團隊從教材編選、教學模式、實驗教學、課堂思政和課程考核等五個方面綜合闡述了本科院校密碼學課程體系建設和實施方案。三個學年的實踐表明，通過課程教材選編、組合模式理論教學、模塊化實驗教學、思政入課堂和多元化過程考核進行的教學改革和實踐，能夠樹立起學生的責任擔當和歷史使命感，夯實密碼學課程理論基礎，強化算法編程實踐能力，進一步提升創新型密碼科技和應用人才培養質量。

參考文獻：

[1]侍偉敏，周藝華，楊宇光，等.信息安全專業密碼學課程體系的建設[J].計算機教育，2018（3）：124-127.

[2]任奎，卜凱，韓勁松.網絡空間安全復合型人才培養體系探索[J].工業和信息化教育，2020（3）：12-17+28.

[3]李艷俊，劉冰，鄭秀林.密碼學課程體系建設探討[J].北京電子科技學院學報，2016，24（3）：68-74.

[4]張寧，譚示崇，傅曉彤，等.基于SPOC和翻轉課堂的現代密碼學課程改革總結與分析[J].網絡與信息安全學報，2019，5（3）：89-95.

[5]汪潔，李敏，何小賢.“信息與網絡安全”課程思政建設研究[J].工業和信息化教育，2020（11）：6-10.

[6]路秀華，張全雷，周霞，等.現代密碼學課程的課題化教學方法研究[J].計算機教育，2020（3）：1-3+7.

[7]李艷俊，歐海文.特色院校密碼學優質課程建設研究[J].北京電子科技學院學報，2020，28（3）：74-80.

[8]楊波.現代密碼學[M].北京：清華大學出版社，2017.

[9]William Stallings.密碼編碼學與網絡安全：原理與實踐（第七版）[M].北京：電子工業出版社，2017.

[10]BruceSchneier.應用密碼學：協議、算法與C源程序[M].北京：機械工業出版社，2013.

[11]解男男，從立鋼，祁暉，等.現代密碼學在線對分課堂設計[J].計算機教育，2020（11）：157-160.

[12]周敏，王莉芳.“新工科”背景下融合MOOC和翻轉課堂的教學模式探索與實踐——以西北工業大學《計算機編碼與密碼學》課程為例[J].高教學刊，2021（1）：1-6.

[13]李瑾，張寧，云霄.新工科背景下工科生自主學習力的深度構建——以X大學“現代密碼學”SPOC翻轉課堂為例[J].高等工程教育研究，2018（5）：71-77.

[14]吳旭光，韓益亮，朱率率，等.密碼應用與實踐課程建設探討[J].計算機教育，2020（3）：8-11.

[15]曾光，王洪，段乾恒，等.新工科背景下密碼學實踐教學建設探索[J].計算機教育，2019（3）：16-18+22.

[16]吳萬青，杜瑞忠.基于網絡平臺的混合式教學法在密碼學教學中的效果評價[J].網絡與信息安全學報，2019，5（3）：96-101.

[17]秦艷琳，胡衛.密碼學探究式課堂教學設計實例與分析[J].計算機教育，2020（1）：112-115.

[18]Stephen Pincock.破譯者[M].北京：商務印書館，2017.