王少輝 李琦 張平 王志偉

摘要：現(xiàn)代密碼學(xué)是信息安全專業(yè)教學(xué)體系中最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。在分析現(xiàn)代密碼學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀中存在不足的基礎(chǔ)上，結(jié)合OBE以“學(xué)生為中心”的輸出性教學(xué)理念，從授課內(nèi)容、教學(xué)策略、反饋考核機(jī)制等方面對(duì)現(xiàn)代密碼學(xué)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探索，以期激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提高課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：成果導(dǎo)向教育;現(xiàn)代密碼學(xué);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）21-0163-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在政府機(jī)構(gòu)、軍事系統(tǒng)、金融系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、教育系統(tǒng)等方面的普遍應(yīng)用，信息安全已成為影響社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安危的重大戰(zhàn)略性問(wèn)題。2015年6月11日，國(guó)務(wù)院學(xué)位辦正式批準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)空間安全成為一級(jí)學(xué)科，網(wǎng)絡(luò)安全及其人才培養(yǎng)被提升到歷史前所未有的高度?，F(xiàn)代密碼學(xué)作為網(wǎng)絡(luò)安全專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的探討與研究對(duì)培養(yǎng)優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)安全人才具有重要的意義。

1 現(xiàn)代密碼學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

南京郵電大學(xué)信息安全系現(xiàn)代密碼學(xué)課程開(kāi)設(shè)在大二下學(xué)期，先修專業(yè)課程包括高級(jí)程序語(yǔ)言C語(yǔ)言、信息安全數(shù)學(xué)基礎(chǔ)等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課，課程主要圍繞密碼學(xué)如何實(shí)現(xiàn)信息安全機(jī)密性、完整性、認(rèn)證性和不可否認(rèn)性四大安全目標(biāo)展開(kāi)?？偨Y(jié)數(shù)年來(lái)現(xiàn)代密碼學(xué)課程的教學(xué)工作，目前該課程在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)還存在如下的一些薄弱環(huán)節(jié)：

1） 課程教學(xué)內(nèi)容不夠前沿、知識(shí)體系更新不夠及時(shí)。這并不是說(shuō)我們上課的內(nèi)容已經(jīng)完全過(guò)時(shí)，以DES算法為例，雖然已經(jīng)不是目前的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，但其仍然具有廣泛應(yīng)用，且設(shè)計(jì)理念是介紹Feistel設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)最好的例子之一。但密碼學(xué)是一門(mén)新興的交叉性學(xué)科，不管是編碼技術(shù)、分析技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)的變化都非常快，而如果課程內(nèi)容不能緊扣當(dāng)前的密碼學(xué)研究應(yīng)用的熱點(diǎn)，知識(shí)體系落后于實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，就會(huì)使得課程不能很好地激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。如區(qū)塊鏈或電子貨幣是近幾年非常重要的熱點(diǎn)問(wèn)題，班級(jí)也有相當(dāng)一部分的學(xué)生對(duì)此好奇感興趣，如果我們能將相關(guān)的密碼學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和具體應(yīng)用很好地結(jié)合，這必然會(huì)極大地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

2） 教學(xué)過(guò)程中對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)重視不夠。我校2018年新的教學(xué)大綱征訂前，現(xiàn)代密碼學(xué)課程共48個(gè)學(xué)時(shí)，均為理論學(xué)時(shí)。雖然學(xué)生在大三年級(jí)可以在“專業(yè)課程設(shè)計(jì)”課程上，對(duì)相關(guān)的密碼算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但這已經(jīng)過(guò)去大半年的時(shí)間，對(duì)一些算法的要點(diǎn)很多學(xué)生記憶是模糊的。密碼學(xué)本身就是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，在理論教學(xué)的同時(shí)，輔之以實(shí)踐環(huán)節(jié)，可以幫助學(xué)生更好地掌握算法的原理;而算法的原理與之實(shí)現(xiàn)的方法往往并不一致，通過(guò)對(duì)密碼實(shí)現(xiàn)技術(shù)的掌握，也能更好地提高學(xué)生的動(dòng)手能力。

3） 授課和考核方式忽視學(xué)生的主體地位，缺乏多樣性。傳統(tǒng)的教學(xué)組織形式以教師為中心，利用板書(shū)或PPT演示的方式從事課堂教學(xué)，由老師指定教學(xué)進(jìn)度，方法單一，缺少和學(xué)生的互動(dòng)性。南京郵電大學(xué)現(xiàn)代密碼學(xué)課程學(xué)生的最終成績(jī)以平時(shí)表現(xiàn)和閉卷考試為主，其中卷面成績(jī)占最終成績(jī)的70%，而平時(shí)表現(xiàn)主要體現(xiàn)在出勤和作業(yè)兩方面，對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和密碼知識(shí)的綜合運(yùn)用能力缺乏考量。高校教學(xué)較少的互動(dòng)性，反饋機(jī)制的缺失使得教師對(duì)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況掌握不足，雖然平時(shí)的作業(yè)能在一定程度上反映學(xué)生對(duì)課本知識(shí)的掌握情況，但很多時(shí)候是考試結(jié)束以后，才發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生并沒(méi)有很好地掌握課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

綜上，可以看出，傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程并不能充分地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，很多學(xué)生只是被動(dòng)地去死記教材上的知識(shí)，將密碼學(xué)當(dāng)作一門(mén)純背誦的課程，而不能將所講述的知識(shí)體系靈活運(yùn)動(dòng)到具體問(wèn)題的解決實(shí)踐中，無(wú)法提高學(xué)生的信息安全綜合素養(yǎng)。

2 基于OBE 的現(xiàn)代密碼學(xué)課程定位

20世紀(jì)90年代初，美國(guó)教學(xué)學(xué)家Willian G Spady[1]在《成果導(dǎo)向教學(xué)管理：以社會(huì)學(xué)的視角》一文中，首次提出了“成果導(dǎo)向教育（Outcomes-based Education，簡(jiǎn)稱OBE）”的概念。OBE倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，而成果導(dǎo)向則要明確學(xué)習(xí)達(dá)到的目標(biāo)，由專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)逆向決定畢業(yè)要求，并由畢業(yè)要求確定各專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容，組織和指導(dǎo)課程各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。OBE的教育理念在我國(guó)教育領(lǐng)域應(yīng)用較成功，為提升學(xué)生綜合能力開(kāi)發(fā)了教學(xué)新思路[2-6]。

南京郵電大學(xué)信息安全專業(yè)制定的培養(yǎng)目標(biāo)是：培養(yǎng)和造就德智體美勞全面發(fā)展的社會(huì)主義事業(yè)合格建設(shè)者和可靠接班人。培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要，具備良好的人文社會(huì)科學(xué)素養(yǎng)和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，具備扎?shí)的數(shù)學(xué)、自然科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和必備的專業(yè)知識(shí)，具有良好的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)、國(guó)際視野和團(tuán)隊(duì)合作精神，能在信息安全及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)從事相關(guān)的研究、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、應(yīng)用、維護(hù)、管理等工作的高素質(zhì)專門(mén)技術(shù)人才?，F(xiàn)代密碼學(xué)課程具有豐富的數(shù)學(xué)理論和應(yīng)用實(shí)踐背景，結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，我們希望學(xué)生通過(guò)現(xiàn)代密碼學(xué)課程，在培養(yǎng)數(shù)學(xué)邏輯思維的同時(shí)，又可以提升自身的實(shí)踐素養(yǎng)。具體而言學(xué)生需要掌握密碼學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，熟悉相關(guān)的概念、方法，培養(yǎng)學(xué)生較好地提煉問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的本領(lǐng)，能將專業(yè)知識(shí)用于分析和解決信息安全領(lǐng)域內(nèi)的工程問(wèn)題;同時(shí)，具有信息安全軟件或硬件系統(tǒng)相關(guān)的工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)能力。

3 基于OBE 的現(xiàn)代密碼學(xué)課程教學(xué)改革

為了達(dá)成信息安全專業(yè)的畢業(yè)要求，我們從授課內(nèi)容、授課方法、反饋評(píng)估機(jī)制等幾個(gè)方面對(duì)現(xiàn)代密碼學(xué)課程的教學(xué)改革進(jìn)行了探討。

3.1 課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)

作為一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課，基礎(chǔ)知識(shí)的講授至關(guān)重要也不可或缺，密碼學(xué)的授課內(nèi)容圍繞密碼學(xué)在信息安全中的作用展開(kāi)，即密碼學(xué)提供怎樣的解決方案以實(shí)現(xiàn)機(jī)密性、完整性、認(rèn)證性和不可否認(rèn)性。課程的主要內(nèi)容包括：①密碼學(xué)基礎(chǔ)與古典密碼學(xué)：介紹消息傳輸安全模型，密碼學(xué)相關(guān)基本概念，古典代碼和置換密碼等;②對(duì)稱和非對(duì)稱加密機(jī)制：加密方案可以提供機(jī)密性保護(hù)。對(duì)稱加密部分分別介紹分組密碼和序列密碼算法及加密模式，其中分組密碼部分別以DES和AES兩個(gè)算法，印證Feistel結(jié)構(gòu)和SPN結(jié)構(gòu)這兩種最重要的分組密碼設(shè)計(jì)架構(gòu);序列密碼重點(diǎn)介紹RC4算法和基于線性反饋移位寄存器的序列密碼的設(shè)計(jì);而非對(duì)稱加密則重點(diǎn)介紹目前使用最廣泛的RSA算法、ElGamal算法和橢圓曲線算法，該部分涉及較多的數(shù)學(xué)算法，是課程的難點(diǎn);③提供完整性與認(rèn)證性的Hash函數(shù)及消息認(rèn)證碼MAC：重點(diǎn)介紹安全要求，Hash函數(shù)部分重點(diǎn)介紹MD5和SHA-1算法，而MAC部分則介紹HMAC和CBC-MAC;④數(shù)字簽名：其可提供完整性、認(rèn)證性及不可否認(rèn)性，我們重點(diǎn)介紹基于RSA和ElGamal的簽名方案，特別是ElGamal簽名、Schnorr簽名及DSS三者之間的區(qū)別;⑤密鑰管理：介紹密鑰管理方面的原則要求，及秘密共享、密鑰協(xié)商、密鑰分發(fā)等問(wèn)題。

同時(shí)，為了更好地了解我國(guó)在密碼學(xué)領(lǐng)域的成果和解決方法，我們還重點(diǎn)介紹國(guó)家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標(biāo)準(zhǔn)，如SM2橢圓曲線公鑰密碼算法、SM3雜湊算法、SM4對(duì)稱算法、ZUC祖沖之算法等，這對(duì)于拓寬學(xué)生的知識(shí)面、培養(yǎng)學(xué)生的愛(ài)國(guó)意識(shí)具有重要的作用。

課時(shí)方面，我們由原來(lái)的48個(gè)課時(shí)增加至56個(gè)學(xué)時(shí)，增加了8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)，實(shí)驗(yàn)主要涉及：實(shí)現(xiàn)古典密碼輪轉(zhuǎn)機(jī)的加密和解密算法;實(shí)現(xiàn)AES算法的加解密，并對(duì)算法的擴(kuò)散性、混淆性及密文的隨機(jī)性進(jìn)行驗(yàn)證;編程實(shí)現(xiàn)Hash算法MD5，對(duì)算法的擴(kuò)散性進(jìn)行驗(yàn)證;對(duì)公鑰密碼RSA涉及的算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如素判定算法、擴(kuò)展的歐幾里得算法、偽隨機(jī)數(shù)生成算法、快速模指數(shù)算法等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生進(jìn)一步驗(yàn)證算法的原理，并尋求數(shù)學(xué)原理的落地方法，進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)踐素養(yǎng)和動(dòng)手能力。

3.2 教學(xué)方法的設(shè)計(jì)

除了在課堂上將課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真講解，我們也充分利用網(wǎng)絡(luò)資源以豐富課堂教學(xué)。利用慕課、雨課堂、國(guó)家精品在線課程等資源，從不同的角度對(duì)一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行闡述，汲取兄弟院校在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法上的優(yōu)點(diǎn)。以北京郵電大學(xué)現(xiàn)代密碼學(xué)國(guó)家精品課程資源共享課程為例，除了與教材相匹配的課堂授課視頻外，網(wǎng)站整理了豐富的密碼學(xué)學(xué)習(xí)資料以及課后作業(yè);歷史背景故事激發(fā)學(xué)生的興趣;豐富的實(shí)驗(yàn)安排配有具體的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)代碼，方便學(xué)生驗(yàn)證自己的實(shí)驗(yàn)成果。

在作業(yè)的安排上，我們借鑒MIT開(kāi)設(shè)的線上計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全課程。雖然這門(mén)課程名稱不是密碼學(xué)，但授課的內(nèi)容以密碼學(xué)為主，基本可以作為密碼學(xué)課程使用。該在線課程緊扣網(wǎng)絡(luò)安全的熱門(mén)問(wèn)題，具有非常高的實(shí)用性，當(dāng)然也具有一定的難度。其制定的課后作業(yè)，需要學(xué)生投入更多的精力去搜集查閱、思考整理相關(guān)資料，我們選擇布置適用于我們課堂教學(xué)的課后作業(yè)，如CBC加密模式安全性的討論、側(cè)信道分析對(duì)分組密碼安全性的影響、比特承諾和同態(tài)加密的應(yīng)用等問(wèn)題，以期培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和對(duì)問(wèn)題的分析與解決能力。

3.3 持續(xù)有效的反饋評(píng)估機(jī)制的建立

OBE要求教師清楚課程結(jié)束時(shí)應(yīng)達(dá)到什么樣的結(jié)果，然后尋找并設(shè)計(jì)適宜且有效的方法達(dá)到目的，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)和學(xué)生之間的溝通，建立長(zhǎng)期有效的反饋機(jī)制。我們進(jìn)一步深化傳統(tǒng)的考核評(píng)估方法，通過(guò)課堂練習(xí)、課后習(xí)題對(duì)學(xué)生授課內(nèi)容的掌握情況有基本的了解，實(shí)踐課程中通過(guò)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的講解，實(shí)驗(yàn)報(bào)告的書(shū)寫(xiě)，從實(shí)驗(yàn)的完成度、各組之間的互評(píng)對(duì)比，取長(zhǎng)補(bǔ)短，能更好地對(duì)學(xué)生掌握知識(shí)的情況進(jìn)行摸底;而問(wèn)卷調(diào)查也是反饋評(píng)估機(jī)制的重要渠道。通過(guò)定期的問(wèn)卷調(diào)查，對(duì)授課內(nèi)容和難點(diǎn)、授課方法、感興趣的安全問(wèn)題等進(jìn)行細(xì)致的調(diào)研，對(duì)反饋問(wèn)題進(jìn)行反思，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并動(dòng)態(tài)地調(diào)整優(yōu)化教學(xué)方法和手段，更好地提高教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

4 結(jié)束語(yǔ)

密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是信息安全本科專業(yè)的一門(mén)重要專業(yè)基礎(chǔ)課。作為教師應(yīng)在正確教學(xué)理念的指導(dǎo)下，不斷探索和嘗試新的教學(xué)方法，充分激發(fā)并維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能取得良好的教學(xué)效果。基于OBE的現(xiàn)代密碼學(xué)課程教學(xué)改革理念符合高校人才培養(yǎng)的特點(diǎn)，創(chuàng)新了課程教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)教學(xué)模式下的課程體系設(shè)置、實(shí)施模式和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。我們的教學(xué)改革還在初始階段，而教學(xué)改革是一個(gè)長(zhǎng)期探索不斷精進(jìn)的過(guò)程，需要在與學(xué)生的交互中，不斷借鑒和創(chuàng)新適合不同學(xué)生主體的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和教學(xué)手段，提升我們后繼的教學(xué)質(zhì)量。

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【通聯(lián)編輯：王力】