網絡空間安全新形勢下探析密碼學課程教學改革

何凱　任園園　張福勇

關鍵詞：網絡空間安全；密碼學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）21-0073-03

0 引言

網絡空間安全已經成為保障國家安全的重要基礎，2021年美國最大的保險公司之一CNA Financial 被勒索軟件索取4000萬美元攻擊事件、2022年英國國家醫療服務體系（NHS） 的111救助熱線遭受網絡攻擊事件等。這就要求我們要高度重視網絡空間安全，注重對網絡空間安全人才的培養。近年來，《密碼法》《數據安全法》《個人信息保護法》《關鍵信息基礎設施安全保護條例》等相繼頒發。密碼學是保障網絡空間安全的理論基礎與關鍵技術之一，密碼學教學對我國網絡空間安全人才的培養起到重要的影響[1]。因此，本文在網絡空間安全新形勢下，對密碼學課程進行改革新探索勢。

針對密碼學課程教學現狀，密碼學界提出了一些改革方案。2018年，劉楊等人[2]利用項目驅動教學方法和分層目標教學方法，提出面向網絡空間安全的密碼學課程教學模式，實踐表明，提高了教學質量的同時也極大地調動了學生的積極性。2019年，方黎明等人[3]針對密碼學教學現狀提出了具有現代特色密碼學課程體系優化的改革措施；同年，李曉偉等人[4]從密碼學課程內容改革以及密碼綜合素質提升兩個角度進行探索，提出培養應用型信息人才；2020年，秦艷琳等人[5]針對密碼學課堂灌輸式教學存在的弊端，提出“以學為中心”的探究式為教學理念，引入密碼學教學課堂。同年，吳旭光等人[6]提出了“五階段教學法”，推行開放式實驗，培養學生的密碼工程實踐技能。2021 年，周敏等人[7] 將課程教學內容和特點與國內外MOOC 和翻轉課堂相結合，引入密碼學課程教學當中。2022年，謝絨娜等人[8]將課程思政融入密碼學課程教學中，從專業精神與科學素養的培養方面進行探索，以提高學生自豪感、榮譽感，激發學生對密碼學學習的興趣。結合前人提出的教學改革與大部分高校密碼學課程教學現狀，首先，本文分析了密碼學課程的特點、其次，對密碼學課程目前存在的問題進行分析，主要包括教學內容、教學方式方法、實驗教學以及課程思政等方面，最后，對相應問題嘗試提出改革方案，比如調整教學內容、引入新的教學方法、以培養網絡空間安全新形勢下國家需要的應用型人才。

1 網絡空間安全人才需求

長久以來，我國網絡安全人才培養工作發展緩慢，2022年9月教育部最新公布的數據顯示，到2027 年，我國網絡安全人員缺口將達327萬。隨著數字化進程的加速，網絡邊界逐步消失，網絡攻擊暴露面擴大，網絡安全實戰能力，特別是攻防實戰、漏洞挖掘、工程開發等方面的能力是當下對網絡空間安全人才最急迫的需求，據教育部《網絡安全人才實戰能力白皮書》數據顯示，國內已有34所高校設立網絡空間安全一級學科，而密碼學課程是網絡空間安全學科基礎理論課程。要根據密碼學課程的特點與現狀，探索出相應的改革方案，培養新形勢下網絡空間安全所需的應用型人才。

2 密碼學課程特點與存在的不足

2.1 密碼學課程特點

密碼學分為密碼編碼學與密碼分析學，是一門研究密碼算法和安全協議設計、使用和分析的學科，密碼技術是提供網絡安全認證、保護信息安全最重要的技術手段。具體特點如下：

1） 密碼學是一門綜合性很強、知識面廣的課程，涉及計算機、通信工程以及數學等多個領域的知識。目前，國內外許多高校的網絡信息安全及相關專業均開設了密碼學課程。

2） 密碼學的理論基礎知識不僅寬廣深厚，而且是一門理論性和應用性都很強的學科，在生產、生活、軍事外交等領域都有較為廣泛的應用，例如網上銀行、衛星通信等。并且，密碼學能夠保障信息安全的核心技術，包括信息的機密性、完整性、認證性、不可偽造性以及可用性。

3） 密碼學融合了每個時代的先進科技。從古典密碼、對稱密碼到公鑰密碼，密碼學技術不斷更新，新的密碼技術不斷涌現。例如，混沌密碼、量子密碼、DNA 密碼等也如雨后春筍般涌現[5]。

2.2 密碼學課程存在的不足

在教學過程中，針對密碼學課程發現的一些不足，分析如下：

1） 教材相對陳舊。目前，部分密碼學課程的教材主要介紹教科書式密碼，例如凱撒密碼、DES、AES等。盡管這些密碼對理解密碼學有著巨大幫助，然而由于內容陳舊，導致無法跟隨最新技術的發展。而對目前較先進的技術量子密碼、區塊鏈、人工智能等以及如何與密碼學課程相結合，很少有教材介紹。伴隨著網絡技術的迅猛發展與廣泛普及，黑客攻擊手段越來越高，經典算法已無法滿足網絡空間安全實際應用需求的安全性。甚至量子計算機一旦出現，傳統的密碼學問題也將受到攻擊，例如，大整數分解和離散對數問題，為了抵抗量子計算攻擊，科學家，需要尋找新的密碼體制[9-10]。因此，順應學科和時代的發展，培養適應社會對網絡空間安全人才的要求，對密碼學課程的教學內容，在深度和寬度進行改革是每一個教材編著者亟須思考的問題。

2） 理論教學多于實踐教學。密碼學是一門應用性很強的學科，然而，多數高校密碼學課程教學側重基礎理論，而且密碼學課程涉及較多數學知識，比如：數論、抽象代數、代數編碼、有限域、概率論等以及晦澀的安全證明方法，內容比較抽象。面對大量的數學公式和推理，學生很難對密碼算法的實際應用具有直觀的理解。對于實驗課，實驗課時一般只有12個，每周一次，每次3個課時。大部分實驗只讓學生運行經典的密碼學算法，比如：對稱加密算法DES 算法和ADS算法以及公鑰加密算法RSA加密算法和ElGamal加密算法。這些算法在網絡上隨手就可以找到大量代碼，在很大程度上，學生沒有理解算法每個過程，甚至不能理解算法真正含義。同時，學生只會加密一串數字或字母，對于加密各種文件很難實現。在某種程度上，學生沒有理解密碼學課程中的密碼算法，導致學校更難培養出適應網絡空間安全所需的人才。

3） 教學方式方法相對單一。大多數課堂主要采用傳統教學方法，采用板書和PPT灌輸式講解密碼學理論知識。由于密碼學課程牽涉大量數論和抽象代數知識，部分學生數學基礎較為薄弱，在有限學時內，部分教師將密碼學的基本內容講授式灌輸給學生，這種授課方式的課堂氛圍不夠活躍，學生參與課堂的機會較少，教學效果并不理想，導致學生畏難而不再聽課[4]。

4） 密碼學課程教學涉及極少思政。目前大部分課程都會要求講解思政內容，密碼學也不例外，然而對思政內容大部分教師都是簡單帶過。

3 密碼學課程改革探索

根據密碼學課程特點以及目前密碼學課程存在的不足，下面從密碼學教學內容、實踐教學、教學方法、課程思政方面進行探討：

1） 教學內容方面。密碼學課程是一門發展很快的學科，密碼學課程內容設計應充分考慮密碼學學科的最新研究成果和計算機技術的發展現狀，合理安排密碼學課程內容。在原有密碼學教學內容基礎上添加密碼學前沿章節，如基于身份密碼、基于屬性密碼、代理重加密、廣播加密、函數加密、可搜索加密、同態加密、安全多方計算、量子密碼等。目前，格密碼、量子密碼體制等能夠有效抵抗量子攻擊，但密碼教材很少提及，本科教學很難涉及這些內容。除此之外，密碼學教材理論知識應與實踐應用緊密銜接，讓學生掌握基本的密碼知識的同時也會應用密碼技術，例如：密碼學在萬物互聯中如何確保設備的安全性，以及如何應用在大數據隱私保護以及區塊鏈安全等問題。大部分密碼學實驗內容通常是對教材中一些密碼算法進行驗證性實驗，對于結合具體場景的信息安全應用涉及不多。我們應以培養適應社會對網絡空間人才的要求為出發點，將特色課程體系建設不斷往前推進[8-9]。

2） 密碼學實踐教學探究。教師不僅需要介紹密碼學相關的理論知識，同時也應該注意如何應用密碼算法去解決生活問題，而不僅僅讓學生簡單驗證經典的密碼算法如AES對稱加密算法和RSA公鑰加密算法加密和解密的正確性。例如：數字簽名與身份認證如何解決電子商務以及電子現金交易問題[6]、代理重加密算法如何解決云存儲中加密數據進行分享等問題。針對綜合性難點的實驗，可對學生進行分組，以團隊合作形式來完成相關實驗。以代理重加密算法為例，可以讓學生團隊合作完成，一部分學生進行明文數據初始加密，一部分學生對初始密文進行轉化設計，另外一部分學生對初始密文和轉換后的密文進行解密。這樣不僅能鍛煉學生解決實際問題，而且也能很好地培養學生團隊合作精神，深入理解算法核心含義。除此之外，可以多鼓勵學生參加省級以及國家級的安全攻防等競賽，為了將所學內容應用到實際，學校層面也可聯系企業共同培養學生，讓學生在企業中真正解決一些實際安全問題。可以邀請企業或高校的專家為學生介紹密碼學如何解決實際問題，讓學生了解社會需要什么樣的安全人才，并且為將來從事相關工作打下基礎[10]。

3） 密碼學教學方式方法探究。密碼學課程涉及大量枯燥的數學知識，以及難以理解的可證明安全部分。在教學方面應采用多種方式，例如案例教學、小組討論式等方法。多讓學生主動參與課堂，學生不能僅是聽眾，對每個加密算法參數的設計要由學生來討論，如：RSA算法中，用戶公鑰e的選擇為什么要與大整數N的歐拉函數互素呢？如果不互素會有什么問題？與數學知識模運算的逆元有沒有關系？還有RSA加密算法中消息m的取值有要求嗎？根據前面所學的歐拉定理又有什么關系？如果消息m不滿足歐拉定理，解密算法正確性概率有多少？如果學生能把這些問題回答出來，學生才是真正地理解算法深層次的含義以及前面密碼相關數學知識的作用，這對學生學好密碼學算法至關重要。

同時，教師也可以借助優秀的網絡視頻課程進行線下和線上相結合的方式教學[11]。受疫情影響，線上教學成為新常態，這種教學方式突破時間和地域的限制，師生互動有了新的空間和形態，學生可以起到主體地位。線下教學的最大優勢是師生之間能夠面對面互動，并且教師能夠立刻看到學生臉部表情，反映出學生是否掌握知識。將網絡線上教學優點與傳統課堂線下教學的優勢相結合，成為一種高效的新的教學方式。

4） 密碼學課程思政內容探索。密碼學課程思政改革探索大體從以下四個方面來說明：

①圍繞密碼學課程教學，融合思政氛圍與國密標準的思政創新教學體系，從課程育人、文化育人、實踐育人、科研育人進行課程總體設計與實踐，打造“密碼學+區塊鏈+產業應用”思政特色教學方法。

②著眼法律維度、國密維度、愛國維度三個維度，構建價值引領體系，增強保障國家網絡空間安全的責任感；注重學生創新知識傳遞方法、創新知識衍生模式、創新知識升華途徑、創新應用案例設計四個創新，豐富教學形式，因勢利導打造高效高質量的教學課堂。

③統籌思政建設培養體系環節、夯實科研基礎環節、抓好實踐應用環節、落實多元化考評環節，構筑立體化思政教育聯動陣地，落實潤物細無聲。

④匯聚優質師資力量、內外交流力量、前沿科技力量、交叉學科力量等多方力量，激活優質師資團隊，全方位引導活用密碼學。

4 結束語

密碼學是保障網絡空間安全的核心技術和基礎支撐，并且隨著密碼應用的普及和發展，密碼學課程教學也越來越受到企業和大家的重視。本文針對密碼學課程教學特點與教學存在的不足，對密碼學課程教學內容、教學方式方法、實踐教學以及教學思政提出了一些改革方案。以培養出適應國家網絡空間安全戰略需求、具有創新意識、專業技能與人文素養的應用型網絡空間安全人才。然而，對于很多高校來說，密碼學課程教學改革仍然是一個復雜的綜合過程，只有不斷總結與學習才能提升學生的學習興趣、有效提高教學質量。