基于文獻計量分析的本科生密碼學教育現狀及趨勢

袁 科，王籽霖，程自偉，鄢英杰，湯 茜，閆永航

（1.河南大學計算機與信息工程學院；2.河南省空間信息處理工程研究中心；3.河南大學地理與環境學院，河南開封 475004）

0 引言

密碼學是用于保證信息安全三要素，即機密性、完整性和可用性的重要技術［1］。在近代以前，密碼學只考慮到信息的機密性，即如何將可理解的信息轉換成難以理解的信息，并且使得接收方可以使用密鑰解密信息，而缺乏解密密鑰的攔截者或竊聽者無法解讀。近年來，該領域已經涵蓋身份認證、信息完整性檢查、數字簽名、互動證明、安全多方計算等各類技術領域，其中最直觀的體現是身份認證。在信息化時代，當將真實世界轉移到網絡中的虛擬世界時，身份認證必不可少。

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，其已成為支撐信息安全各個研究方向的專業基礎學科之一［2］，是信息安全、電子通信和計算機等專業的必修課或選修課［3］。由于具有強大的應用背景，涉及計算理論基礎、信息論基礎、初等數論、抽象代數、概率論等多個學科，密碼學教學并非易事［4］。2015 年6 月，網絡空間安全獲批一級學科，信息安全擁有了更好的發展前景。作為信息安全的核心技術，密碼學的教學更加受重視。2020 年1 月1 日，國家實施《中華人民共和國密碼法》，重點規范了什么是密碼、誰來管密碼、怎么管密碼以及怎么用密碼等問題，體現了密碼學越來越重要的地位。2021年，教育部新增密碼學科學與技術本科專業，如何培養解決信息安全問題的專業技術人員成為教育界近年來的研究重點。

在數據庫中以“密碼學教育”等關鍵詞搜索近25 年文獻所獲得的信息是雜亂的、毫無規律的，想要從中獲得有用的信息非常困難。為此，本文對檢索文獻進行計量學分析，以期獲得更加直觀的數據展示密碼學教育領域的發展歷程。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

以中國知網（CNKI）為數據來源，其是世界上全文信息量規模最大的數字圖書館，可基本反映密碼學教育領域的發展和研究情況。以密碼學教育、密碼學課程以及信息安全教育為關鍵詞，去除無關主題，檢索時間范圍為1996-2020 年。結果共檢索到論文472 篇，以此為樣本進行分析研究。

1.2 研究方法

知識圖譜可以將復雜的知識領域通過數據挖掘、信息處理、知識計量和圖形繪制的方式展示出來，以揭示該領域的動態發展規律，為科學研究提供切實的、有價值的參考。美籍華裔學者陳超美博士設計的CiteSpace 軟件［5］是眾多知識圖譜繪制軟件中的一種。SATI 可以利用一般計量分析、貢獻分析、聚類分析、多維尺度分析、社會網絡分析等數據分析方法對期刊全文數據題錄信息進行處理，挖掘和呈現出美觀的可視化數據結果［6］。兩個軟件均為期刊文獻數據統計與分析的輔助工具，但側重點有所不同。

本文從CNKI 數據庫中共獲取兩種不同格式的數據，分別為Refworks 和EndNote。首先使用CiteSpace 對Refworks 數據進行關鍵詞的字段抽取、詞頻統計、作者分析以及作者合作分析，得到相關知識圖譜、時間線圖以及時區圖；然后將EndNote 數據導入SATI 文獻題錄信息統計分析工具，得到機構知識圖譜和論文高頻發表年份。

2 研究結果與分析

2.1 發表年份分析

對論文年度發文量進行統計分析可根據其增長及下降規律體現該領域的發展狀況，預測發展趨勢［7］。近25 年密碼學教育領域逐年發文量如圖1 所示，可以看出，我國關于密碼學本科教育的研究整體呈上升趨勢，且文獻分布具有明顯的階段性特征，可劃分為兩個階段。第一階段為1996-2006 年，該階段為密碼學的研究初期［8］，亦為密碼學教育研究的初始階段。該時期由于密碼學多應用于軍事等領域，公開技術較少，因此相關文獻數量較少，年均發表論文僅為2.64 篇。密碼學包含數學、計算機科學、通信與信息等多學科內容［9］，初期仍處于密碼學課程的基礎理論建設時期；第二階段為2007-2020 年，該階段發文量顯著增加且年發文量較為穩定，年均31.6 篇。這一時期，網絡安全被上升至國家安全體系中的重要戰略地位，且密碼學是網絡信息安全的核心技術，高等院校越來越重視密碼學科的發展，注重探索和改革密碼學課程的教學方法，將傳統密碼學與前沿技術結合深化課程體系教育改革。

Fig.1 Number of literatures issued by cryptography education research from 1996 to 2020圖1 1996-2020年密碼學教育相關研究逐年發文量

2.2 核心作者分析

發文量可在一定程度上反映該領域有學術影響力的作者群體［10］。作者合作共現分析是對該領域發表著作的作者間合作次數的統計分析，可以反映作者間的合作關系與緊密程度［11］。將“Node Types”設置為Author，Thresholds分別為（2，2，20）、（4，3，20）、（3，3，20），采用CiteSpace 軟件得到密碼學本科教育領域的核心作者共現網絡圖譜。如圖2 所示，節點越大表示該作者發文量越多，節點間的連線越多表明作者間的合作越密切。可以看出，該領域已基本形成以張煥國、韓益亮、沈霞娟、賈忠田、朱曉玲為核心的作者群；以楊建強、張京良、段桂華、賈春福為核心組成的作者群合作也較為密切。各個作者群合作節點之間的關系較為分散，內部關系較為緊密，表明在密碼學教育領域多為小群體合作，但小群體之間尚未形成緊密的合作關系。因此建議團隊間加強合作，促進優勢資源互補。

Fig.2 Core author co-occurrence network map圖2 核心作者共現網絡圖譜

近25 年密碼學本科教育相關領域發文量排名前20 位的作者如表1 所示。可以看出，發文量在5 篇以上的作者僅有2 位，占10%；發文量在4 篇以上的作者有13 位，占65%。表明該領域僅存在部分核心作者，尚未形成穩定的研究群體。

Table 1 Top 20 authors of cryptography undergraduate education research from 1996 to 2020表1 1996-2020年密碼學本科教育發文量前20位作者

2.3 科研機構分析

利用SATI 軟件抽取“研究機構”字段，生成研究機構合作可視化知識圖譜，結果如表2 和圖3 所示。在發文量方面，北京電子科技學院（9 篇）和武警工程大學密碼工程學院（6 篇）位居前列。共現網絡圖譜中的連線代表機構間的合作關系，可以看出機構間合作僅有4 類，分別為北京交通大學計算機與信息技術學院和北京交通大學國家保密學院、北京航空航天大學網絡空間安全學院和北京航空航天大學計算機學院、華南師范大學計算機學院和廣東商學院數學與計算科學學院、南開大學計算機與控制工程學院和南開大學數學科學學院。由圖中節點可看出，高發文量研究機構之間的合作關系較弱，且均為校內合作。表明密碼學教育領域研究機構分布較廣且機構間的合作較少，有待加強。

Table 2 High-volume research institution for cryptography undergraduate education from 1996 to 2020表2 1996-2020年密碼學本科教育領域高發文量研究機構

2.4 研究熱點分析

關鍵詞是論文中心內容的概括，在一定程度上體現了文章的研究重點，因此對關鍵詞頻次進行分析可以反映該領域的研究熱點［12］。運用CiteSpace 軟件，將節點類型設置為Keyword（關鍵詞），設置時間間隔為1996-2020 年，然后進行聚類分析，得到如圖4 所示的關鍵詞聚類圖譜，其中N（節點）=473，E（連線）=1 007，Density（密度）=0.009。將圖中頻次排前20 位的關鍵詞列出，如表3 所示。由于“密碼學”為主要檢索關鍵詞，在接下來的分析中忽略該關鍵詞。

如圖4 所示，密碼學教育領域的關鍵詞主要分為5 類，分別為密碼學、信息安全、信息安全教育、網絡安全以及教學改革。圖中節點代表關鍵詞，節點大小代表該關鍵詞出現頻次的高低。可以看出，出現頻次最高的關鍵詞為信息安全，其次為信息安全教育，然后為教學方法，表明近25年信息安全教育及教學方法的研究尤為突出。這是由于密碼學是信息安全的關鍵技術之一，想要在信息安全方面對學生進行教育及意識培養，就不可避免地要開設密碼學課程，研究其教學方法并進行教學改革。

Fig.3 Institutional cooperation co-occurrence network map圖3 機構合作共現網絡圖譜

Fig.4 Keywords clustering graph in cryptography education related fields圖4 密碼學教育相關領域關鍵詞聚類圖譜

Table 3 High frequency keywords in fields related to cryptography education from 1996 to 2020表3 1996-2020年密碼學教育相關領域高頻關鍵詞

運用CiteSpace 的TimeZone 功能將關鍵詞圖譜轉換為研究熱點時區分布圖譜，結果見圖5。時區圖又稱為主題路徑圖，可直觀展示某一時區的研究熱點。圖中關鍵詞的位置表示該關鍵詞首次出現的時間，兩點間存在連線表示兩者出現在同一篇文獻中［13］，可根據熱點內容將該領域研究分為3個階段。

Fig.5 Time zone distribution map of cryptography education research hot topics from 1996 to 2020圖5 1996-2020年密碼學教育研究熱點時區分布圖

第一階段（1996-2005 年）比較注重密碼學以及信息安全的教育，亦是密碼學以及密碼學教育的發展初期階段。在該階段，密碼學多用于信息安全、保密通信、秘密分享等，其應用領域較為特殊且專業要求較高，因此需要培養專業人才。信息安全事關國家安全，甚至可能涉及信息戰，因此需要專業人員掌握信息安全技術，開展信息安全工作。密碼學是保障信息安全的關鍵技術之一，該課程涉及的領域較多，如密碼協議、密碼算法設計以及密碼分析，并且需要較強的數學基礎，如線性代數、信息安全數學基礎、數論、概率論、圖論、數理統計、近世代數等［14］。因此，在本科教學方面，改革的不僅僅是密碼學一門課程，更需要對其基礎課程進行改革，以完善密碼學學習中所需要的基礎知識［15］。

第二階段（2006-2015 年）密碼學的應用更加面向大眾，發展到了全面實踐應用階段。在人們的日常生活中，無處不在的身份認證成為重中之重，而密碼學是其中的關鍵技術。隨著信息化和數字化社會的發展，人們對信息安全和保密的重要性認識不斷提高，網絡安全從信息安全中脫穎而出，以學生為起點的網絡安全教育也隨之而來［16］。因此在這一階段，密碼學專業的本科生教學領域出現大規模改革，教學方法、教學設計以及實驗教學成為該階段的研究熱點，培養學生科學的思維方式以及引導其樹立正確的職業價值觀亦十分重要［17-18］。

第三階段（2016-2020 年）與前兩個階段的迅速發展不同，開始趨于穩定，研究熱點主要圍繞云計算安全、教育信息化以及教學模式展開。該階段進入大數據時代，出現了許多需要加密或身份認證的領域，因此課程要求有所改變，需緊跟時代熱點進行學習［19］。各高校根據新時代、新形勢的要求，開展新一輪教學改革以及專業課程和基礎課程建設。

Fig.6 Map of emerging words in fields related to cryptography education圖6 密碼學教育相關領域突現詞圖譜

為更加明確地掌握密碼學教育領域在每個階段的趨勢轉變，運用CiteSpace 軟件對近25 年該領域的關鍵詞進行突現檢測，并按照突現年份排序得到如圖6 所示的突現詞圖譜。突現詞是指在發表文獻中驟增的關鍵詞，可以體現未來的研究趨勢［20］。可以看出，突現值最高的關鍵詞為網絡信息安全，為3.23；其次為突現值為2.81 的課程改革以及突現值為2.73 的信息安全教育。為了解密碼學教育領域近年來的研究熱點，選取近5 年的突現詞進行分析，分別為教育信息化、網絡安全、課程改革、現代密碼學、網絡信息安全以及課程體系。可以看出，課程改革以及課程體系成為近年研究熱點。對于各高校來說，如何使改革創新適應新環境而不流于形式，加強密碼學基礎課程建設，從本質上提高密碼學專業學生的綜合能力成為研究重點。隨著新一代網絡環境的出現，加強網絡安全新認識、了解網絡信息多樣化等成為重中之重，如何在教學改革中融入新技術也值得進一步探討。

3 結語

本文采用CiteSpace 和SATI 兩種可視化工具對CNKI數據庫1996-2020 年收錄的密碼學教育相關領域的472 篇文獻進行了計量分析，展示了密碼學教育研究的總體概況，得出以下結論：①從年度發文量可以看出，密碼學教育相關研究從初期逐步增長到現在穩步發展，被越來越多的人關注并重視，可以預測其未來將會保持平穩發展甚至逐步增長；②從核心作者發文量可以看出該領域研究仍處于初步階段，發文量較高的作者仍在少數；從作者以及機構間的數據看出，機構間合作亟待加強；③從關鍵詞分析可以看出，在對本科生進行基礎密碼學教育的同時，需結合最新發展趨勢不斷進行教學內容與教學方式的改革。

密碼學教育領域的研究主要呈現出3 個階段的動態變化，早期研究更多關注信息安全教育、基礎通訊領域的密碼學應用、信息素質培養等；近期研究主題主要圍繞網絡安全中的密碼學、教學內容改革、教學方式改進以及基礎專業設立展開。

密碼學教育是一門需要根據時代發展不斷調整的學科，應加快學科專業結構調整，建立密碼學基礎學科、應用學科、交叉學科分類發展機制，才會有更好的發展前景。如何在不斷發展的背景下建設高質量密碼學學科、培養專業密碼學人才，是密碼學教育領域未來研究的重點。