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密碼學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)模式研究

2024-05-07 13:32:24束妮娜王懷習(xí)王晨吳一塵
大學(xué)·教學(xué)與教育 2024年3期
關(guān)鍵詞:在線教學(xué)教學(xué)模式

束妮娜 王懷習(xí) 王晨 吳一塵

摘? 要:文章分析密碼學(xué)課程特點(diǎn)及教學(xué)問題,構(gòu)建密碼編碼與密碼分析并重的教學(xué)內(nèi)容體系,并提出應(yīng)基于EduCoder平臺和雨課堂開展SPOC混合式教學(xué)模式改革。理論課基于BOPPPS模型,利用Educoder平臺和雨課堂,通過課前發(fā)布預(yù)習(xí)資料、課中講解重難點(diǎn)知識及隨堂測試、課后交流答疑及階段測試,固化學(xué)習(xí)內(nèi)容;實(shí)踐課利用Educoder平臺,通過發(fā)布實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,完成實(shí)踐任務(wù),提升實(shí)驗(yàn)動手能力。該模式實(shí)現(xiàn)了教師和學(xué)生在教學(xué)全周期中的多渠道實(shí)時互動和反饋,提高了學(xué)生參與課程學(xué)習(xí)的主動性,提升了課程教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生綜合能力。

關(guān)鍵詞:教學(xué)模式;在線教學(xué);BOPPPS模型;EduCoder平臺

中圖分類號:G642? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A? ? 文章編號:1673-7164(2024)08-0032-04

網(wǎng)絡(luò)空間安全事關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定和國家安全,已得到了世界各國的高度重視,紛紛將其提升為國家戰(zhàn)略。為了加強(qiáng)我國網(wǎng)絡(luò)空間安全技術(shù)研究和人才培養(yǎng),教育部批準(zhǔn)設(shè)立了網(wǎng)絡(luò)空間安全一級學(xué)科,國內(nèi)于此掀起了網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科建設(shè)浪潮。作為網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課程,密碼學(xué)為網(wǎng)絡(luò)空間安全提供了理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)踐案例。目前,多數(shù)院校在本科人才培養(yǎng)方案制訂過程中,按照突出核心課程、減輕學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)的思路,大幅壓縮了各門課程的課內(nèi)教學(xué)總學(xué)時。[1-4]在課時不充裕情況下,既要夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ),又要提升學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,亟須研究體現(xiàn)學(xué)科特色的教學(xué)內(nèi)容,改革傳統(tǒng)教學(xué)模式,從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程考核評價三個核心環(huán)節(jié)進(jìn)行研究和實(shí)踐。

一、密碼學(xué)課程特點(diǎn)

密碼學(xué)在網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科知識體系中占據(jù)重要的地位,其主要特點(diǎn)如下。

(一)發(fā)展歷史悠久,作用地位重要

密碼學(xué)發(fā)展歷史,既古老又年輕。說其古老,是因?yàn)樽詮挠辛藨?zhàn)爭,就有了密碼學(xué)。20世紀(jì)70年代以前,密碼學(xué)應(yīng)用于軍事政治領(lǐng)域。說其年輕,密碼學(xué)的大發(fā)展是隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)普及應(yīng)用而興起,自此密碼學(xué)成為實(shí)現(xiàn)數(shù)字保密通信和信息系統(tǒng)安全的主要技術(shù)手段,構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)空間安全的基石,受到各方高度重視。

(二)學(xué)科交叉融合,數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較高

密碼學(xué)是一門集數(shù)學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、復(fù)雜性理論等于一體的深度交叉與融合的學(xué)科,涉及的內(nèi)容非常廣泛。從密碼學(xué)基礎(chǔ)理論到實(shí)用算法,涉及初等數(shù)論、代數(shù)數(shù)論、計(jì)算理論、概率統(tǒng)計(jì)、組合分析等多方面的數(shù)學(xué)知識,例如基于布爾函數(shù)構(gòu)造對稱密碼,基于數(shù)論來構(gòu)建公鑰密碼算法等。

(三)應(yīng)用范圍廣,實(shí)踐性很強(qiáng)

密碼學(xué)旨在解決現(xiàn)實(shí)生活中的信息安全問題,實(shí)現(xiàn)信息保密、數(shù)據(jù)完整、身份鑒別與不可偽造等功能。密碼學(xué)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)安全等領(lǐng)域,其應(yīng)用性決定了其較強(qiáng)的實(shí)踐性。密碼學(xué)能夠提供各種安全實(shí)用的密碼算法,教學(xué)過程中理論與實(shí)際相結(jié)合。

(四)技術(shù)更新快,教學(xué)內(nèi)容迭代快

縱觀密碼學(xué)發(fā)展史,從古典密碼到對稱密碼、公鑰密碼,密碼學(xué)在每個階段都能融合當(dāng)時的先進(jìn)科技,一直在不斷更新迭代。特別是近年來,密碼學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出了大量新思想與新技術(shù),如量子密碼、區(qū)塊鏈技術(shù)、生物密碼等。為此,本課程內(nèi)容需與時俱進(jìn),及時反映密碼技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與最新成果。

二、密碼學(xué)課程教學(xué)存在的問題

密碼學(xué)課程所涉及知識繁多,如何在限定課時內(nèi)編排課程內(nèi)容,采用何種教學(xué)模式,使學(xué)生切實(shí)理解與掌握密碼學(xué)基本概念、核心算法與重要技術(shù),是一件需要深入探討的問題。

基于以上分析,研究發(fā)現(xiàn)目前密碼學(xué)教學(xué)存在以下問題:

(一)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置學(xué)科特色不明顯,缺乏有效抓手

密碼學(xué)主要研究在有敵手的環(huán)境下的安全通信問題,主要分為密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)兩個分支,密碼編碼學(xué)主要是對信息進(jìn)行編碼。而密碼分析學(xué)則主要研究如何破譯給定密碼算法或破壞信息系統(tǒng)的密碼安全功能。密碼編碼學(xué)與密碼分析學(xué)對立統(tǒng)一,密碼學(xué)天然地具備紅藍(lán)對抗特色。密碼學(xué)課程教學(xué)多偏重于密碼編碼學(xué),密碼分析學(xué)重視不夠,這與密碼學(xué)的對抗性特征并不完全契合,其顯性結(jié)果就是學(xué)生在參加信息安全技能賽中表現(xiàn)欠佳,不利于學(xué)生長遠(yuǎn)發(fā)展。

(二)教學(xué)模式較為單一,課時受限,學(xué)生畏難情緒大、興趣不高

密碼學(xué)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,但目前受限于課時,只能以課堂理論教學(xué)為主,實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?zāi)J诫y以滿足學(xué)生需求。在課堂教學(xué)方式上,主要以傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)為主。課程需要大量數(shù)學(xué)知識作為基礎(chǔ),一方面學(xué)生對先修課程掌握不牢,基礎(chǔ)不扎實(shí)。另一方面,學(xué)生普遍感覺密碼學(xué)概念和算法枯燥,興趣不高、參與度低,課堂氛圍不夠活躍。特別是對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說,存在畏難情緒,學(xué)習(xí)積極性差,整體學(xué)習(xí)效果不理想。

(三)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置不合理,缺乏優(yōu)質(zhì)的實(shí)踐平臺,學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力難以得到較大提升

由于密碼學(xué)是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的課程,本校在密碼學(xué)課程中安排了專項(xiàng)課程實(shí)驗(yàn)。但是,目前課程實(shí)驗(yàn)主要包含驗(yàn)證型、編程型和綜合型三類實(shí)驗(yàn)。[5]驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)主要使用程序或軟件對算法或技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。編程型實(shí)驗(yàn)主要是使用編程工具對算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)操作簡單,占用有限而寶貴的實(shí)驗(yàn)課時顯得浪費(fèi)。編程型實(shí)驗(yàn)中要在有限時間內(nèi)編寫密碼算法難度大,完成度不高。綜合型實(shí)驗(yàn)數(shù)目不足,無法促進(jìn)學(xué)生對密碼學(xué)新技術(shù)與新應(yīng)用的認(rèn)識和理解、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。另外,原有實(shí)驗(yàn)都是在機(jī)房實(shí)驗(yàn)環(huán)境完成,學(xué)生只能在課內(nèi)上機(jī),導(dǎo)致部分進(jìn)度較慢的學(xué)生無法高質(zhì)量完成。

(四)采用常規(guī)考核方式,難以全方位考查學(xué)生的學(xué)習(xí)效果

課程考核是評估學(xué)生學(xué)習(xí)效果的主要手段,科學(xué)有效的考核方法能極大地提升教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)考核方式以閉卷考試為主,僅僅考查基礎(chǔ)理論知識的掌握情況,無法全面考查學(xué)生動手實(shí)踐能力,不利于學(xué)生動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

三、密碼編碼與密碼分析并重的課程教學(xué)內(nèi)容改革

針對密碼學(xué)教學(xué)實(shí)踐中的問題,密碼學(xué)課程內(nèi)容改革的宗旨為:打牢數(shù)學(xué)基礎(chǔ),強(qiáng)化動手實(shí)踐,滲透對抗思想,使學(xué)生理解與掌握密碼學(xué)基本理論與方法,掌握密碼產(chǎn)品的基本工作原理,培養(yǎng)學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)信息安全問題的能力。[6]課程教材選取胡向東等人編著的《應(yīng)用密碼學(xué)(第4版)》,該教材內(nèi)容全面,通俗易懂,兼顧理論與應(yīng)用,但是該教材缺少密碼分析學(xué)方面的內(nèi)容,因此推薦選擇道格拉斯·斯廷森(Douglas R.Stinson)著的《密碼學(xué)原理與實(shí)踐(第三版)》作為補(bǔ)充教材。

課程除傳統(tǒng)的密碼編碼學(xué)方面的內(nèi)容之外,重點(diǎn)增加了密碼分析學(xué)方面的內(nèi)容,設(shè)置了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。增加的課程知識點(diǎn)如表1所示。新增內(nèi)容的設(shè)置,不僅體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)科的對抗性特征,而且這些知識點(diǎn)也是從近年來相關(guān)學(xué)科競賽中出現(xiàn)頻率較高的真題提煉出來的基礎(chǔ)知識,對學(xué)生參加學(xué)科競賽也起到了很好的支撐作用。

四、利用雨課堂和EduCoder平臺構(gòu)建在線課程混合式教學(xué)模式

小規(guī)模限制性在線課程(Small Private Online Cou rse, SPOC)對于校園內(nèi)受眾知識層次一致的群體具有廣泛的應(yīng)用價值,符合軍隊(duì)院校人才規(guī)模培養(yǎng)較小的實(shí)際。密碼學(xué)課程包含理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩個部分,非常適宜采用基于SPOC的混合式教學(xué)模式,如圖1所示。其中,課堂教學(xué)主要基于BOPPPS模型,輔以“雨課堂”及“EduCoder”平臺上的在線課堂來完成理論部分的教學(xué)。在線教學(xué)主要基于EduCoder平臺,利用實(shí)訓(xùn)作業(yè)及相關(guān)功能模塊來完成實(shí)踐部分的教學(xué)。

(一)基于BOPPPS模型的課堂教學(xué)

BOPPPS模型將教學(xué)過程分解為內(nèi)容導(dǎo)入(Bridge- in)、教學(xué)目標(biāo)(Objective)、課程前測(Pre-assessment)、參與式學(xué)習(xí)(Participatory Learning)、課程后測(Post- assessment)與課程總結(jié)(Summary)六個步驟,以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向,以參與式學(xué)習(xí)為核心,貫穿“以學(xué)生為中心”的理念。[7-8]值得注意的是,BOPPPS教學(xué)模型受到教學(xué)內(nèi)容尤其是課堂規(guī)模的制約,適用于小規(guī)模的課堂教學(xué),因此,也非常契合SPOC的教學(xué)模式。

將 BOPPPS 模型引入課堂教學(xué),旨在完善課堂教學(xué)設(shè)計(jì)、規(guī)范課堂教學(xué)過程、提升學(xué)生的參與度,最終提高教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。隨后,將“雨課堂”以及“EduCoder平臺”的若干功能融入BOPPPS模型的各個步驟,具體體現(xiàn)在以下幾個方面:

1. 導(dǎo)入環(huán)節(jié)是授課的必要環(huán)節(jié),旨在引出課程內(nèi)容,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。導(dǎo)入的方式有很多,需要精心設(shè)計(jì),也最考驗(yàn)功力。既可以在課堂上以講故事、提問題等方式,也可以利用EduCoder平臺上的“視頻直播”或“實(shí)驗(yàn)演示”等功能,吸引學(xué)生注意,使其產(chǎn)生興趣、激起動機(jī)。

2. 教學(xué)目標(biāo)是所有教學(xué)環(huán)節(jié)的目標(biāo)指向,是課程教學(xué)的總綱。教學(xué)目標(biāo)必須具有可操作性,通常在課堂上明確地表達(dá)出來,也可以通過雨課堂和EduCoder平臺中的“公告”功能進(jìn)行預(yù)告,讓學(xué)生心中有目標(biāo)、行動有方向。

3. 課程前測旨在掌握學(xué)生對先學(xué)知識的掌握程度,可以在課前進(jìn)行,也可以在課堂上進(jìn)行。具體來說,課前進(jìn)行的前測可以通過發(fā)布在EduCoder平臺上的少量習(xí)題來完成,課堂上進(jìn)行的前測可以利用雨課堂中的“隨堂測”功能來完成。在線統(tǒng)計(jì)和發(fā)布測試結(jié)果,使得教師可以根據(jù)測試結(jié)果及時了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況,適時給予針對性指導(dǎo)幫助。

4. 參與式學(xué)習(xí)凸顯“以學(xué)生為中心”的教育理念,促使學(xué)生主動參與整個教學(xué)過程。具體來說,主要采取“講、演、練”的方式:“講”就是針對基本理論及重難點(diǎn)問題進(jìn)行精講;“演”就是利用相關(guān)軟件進(jìn)行操作演示;“練”就是依托EduCoder平臺上的分組作業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場練習(xí)。還可以利用雨課堂的“彈幕”功能方便學(xué)生隨時提出問題。

5. 課程后測可以實(shí)時反饋學(xué)生對課堂內(nèi)容的掌握情況,是進(jìn)行有效激勵的重要一環(huán)?;谡n程后測情況,教師能夠更好地把握后續(xù)的教學(xué),學(xué)生也能及時了解自己的學(xué)習(xí)情況,有針對性地查漏補(bǔ)缺。后測成績則可以作為學(xué)生的平時成績,成為實(shí)實(shí)在在的激勵措施。

6. 課堂總結(jié)起著課程內(nèi)容回顧、梳理和歸納的作用,可以融入互動環(huán)節(jié)以加深學(xué)生對本次教學(xué)內(nèi)容的印象,幫助學(xué)生構(gòu)建長時間知識記憶。具體來說,可以將課堂總結(jié)以思維導(dǎo)圖的形式發(fā)布在雨課堂或EduCoder平臺上,利用“討論”功能引導(dǎo)學(xué)生歸納重點(diǎn)、理清知識脈絡(luò)、發(fā)展興趣、活躍思維。

BOPPPS模型簡單易懂,對提高教學(xué)質(zhì)量具有很好的指導(dǎo)意義,但在實(shí)際教學(xué)中,切實(shí)用好BOPPPS模型需要教師下一番功夫。從近些年來的教學(xué)實(shí)踐可以看出,采用BOPPPS 教學(xué)模型進(jìn)行課堂設(shè)計(jì)顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)質(zhì)量。[7-8]

(二)基于EduCoder的在線教學(xué)

頭歌平臺(EduCoder)將開放共享、群體協(xié)同、持續(xù)評估的互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)機(jī)理引入實(shí)踐教學(xué)平臺構(gòu)建過程,形成了一種支持大規(guī)模開放在線實(shí)踐(Massive Open Online Practice,MOOP)的教學(xué)資源共建共享新型教學(xué)模式與平臺,突破了自動化評測等一系列難題,為科研院所與創(chuàng)新企業(yè)實(shí)踐教學(xué)與培訓(xùn)模式升級提供了重要方法和途徑。[9-10]

EduCoder設(shè)計(jì)了多樣化的用戶使用模式和自動化評測機(jī)制以滿足不同課程實(shí)踐教學(xué)需求,其中在線編程模式主要為用戶提供在線編程窗口,用戶針對實(shí)訓(xùn)作業(yè)中的開發(fā)任務(wù)進(jìn)行在線代碼補(bǔ)全,完成相應(yīng)的功能要求,非常適合本課程模塊化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念,[11]因此,這里主要介紹基于EduCoder平臺的實(shí)踐教學(xué)過程,如圖2所示。

整個教學(xué)過程分為課前、課中和課后3個階段。課前,教師在平臺創(chuàng)建課堂,并布置課前學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生登錄平臺加入教師所創(chuàng)建的課堂,完成課前學(xué)習(xí)任務(wù),平臺對任務(wù)完成情況進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì)分析;教師根據(jù)平臺的數(shù)據(jù)分析情況,充分掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ),對課程實(shí)施進(jìn)度節(jié)奏進(jìn)行調(diào)控。課中,教師在信息化教室完成實(shí)訓(xùn)原理講授后,通過平臺發(fā)布實(shí)訓(xùn)闖關(guān)挑戰(zhàn),實(shí)訓(xùn)內(nèi)容可以由教師在課前創(chuàng)建,也可以來自平臺資源,可有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過闖關(guān)挑戰(zhàn),獲得經(jīng)驗(yàn)積分。教師可以實(shí)時掌握學(xué)生闖關(guān)任務(wù)完成情況,動態(tài)調(diào)整教學(xué)策略,有的放矢。課后,教師基于學(xué)生完成實(shí)訓(xùn)作業(yè)情況,選拔有競賽潛力的學(xué)生,定向發(fā)布競賽闖關(guān)作業(yè),再根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)開展專題指導(dǎo),幫助學(xué)生提升競賽能力。

基于EduCoder的在線實(shí)踐教學(xué)提供了一種全新的學(xué)習(xí)模式,促使學(xué)生學(xué)習(xí)變被動為主動,有效激發(fā)學(xué)生的興趣與參與熱情,提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力,提升學(xué)生學(xué)科競賽成績。

(三)基于信息化平臺開展過程性考核

雨課堂和Educoder平臺為教師提供了全過程教學(xué)數(shù)據(jù),包括課程預(yù)習(xí)、課堂表現(xiàn)、在線答題、交流討論、作業(yè)表現(xiàn)、階段測試情況等,系統(tǒng)會自動開展統(tǒng)計(jì)分析,教師基于系統(tǒng)數(shù)據(jù)科學(xué)給定學(xué)生形成性考核成績,形成性考核成績占到總成績的60%。教學(xué)全過程的數(shù)據(jù)分析讓教師能夠隨時掌控學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)與效果,讓教與學(xué)過程透明化,形成性考核調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性,讓學(xué)生真正成為課堂的主體。

五、結(jié)語

課程教學(xué)加強(qiáng)密碼分析內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)密碼分析與密碼編碼內(nèi)容的相對平衡,突出創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)?;贐OPPPS模型將雨課堂和Educoder實(shí)訓(xùn)平臺用于教學(xué)實(shí)踐中,凸顯“以學(xué)生為中心”的教育理念,把學(xué)生置于課堂舞臺的主角位置,最大化地釋放“教與學(xué)”的活力,科學(xué)地設(shè)計(jì)“課前-課中-課后”每一個教學(xué)環(huán)節(jié),保證了教學(xué)過程的高效實(shí)施,提升密碼學(xué)教學(xué)的整體效果。

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(責(zé)任編輯:邵秋露)

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