密码学课程建设及教学方法探讨*

2016-03-19王后珍张焕国武汉大学计算机学院空天信息安全与可信计算教育部重点实验室湖北武汉430079

高教学刊 2016年7期

关键词：密码学教学方法

王后珍　张焕国（武汉大学计算机学院空天信息安全与可信计算教育部重点实验室，湖北武汉430079）

密码学课程建设及教学方法探讨*

王后珍张焕国
（武汉大学计算机学院空天信息安全与可信计算教育部重点实验室，湖北武汉430079）

摘要：针对密码学课程的特点，结合密码学课程的建设体会和教学经验，对该课程的建设及教学方法提出了一些建议和设想，供同行交流探讨。

关键词：密码学；教学方法；密码学精品课程

Abstract：According to the characteristics of cryptography course，this paper analyzes the constructions and teaching experiences of cryptography course，and proposes some suggestions and ideas to give a reference for other universities.

Key words：cryptography；teaching methods；excellent course of cryptography

一、背景

近年来计算机、互联网和现代通信技术已经广泛应用于政治、军事、金融、等各个领域。其存储、传输和处理的很多信息都是至关重要的、有的甚至是国家机密，因此难免会遭遇各种信息安全问题，如信息泄漏、信息窃取、数据篡改等安全问题日益上升。伴随着信息产业发展而产生的网络信息安全问题，也已成为各国政府聚焦的热点问题。我国也是遭受网络攻击的受害者，近年来，我国政府也十分重视信息安全产业的发展及人才培养。例如，2015年6月，为实施国家安全战略，加快网络空间安全高层次人才培养，根据《学位授予和人才培养学科目录设置与管理办法》的规定和程序，经专家论证，国务院学位委员会学科评议组评议，报国务院学位委员会批准，教育部决定在“工学”门类下增设“网络空间安全”一级学科，学科代码为“0839”，授予“工学”学位。另要求各单位加强“网络空间安全”的学科建设，做好人才培养工作［1］。

二、密码学课程教学存在的问题

现今，我国有100多所高校开设了密码学课程。由于依托学科专业不同、教学要求的差异，因此，在教学大纲、教学方法及教学内容等方面很难规范统一，总的来讲，目前教学环节中的主要问题有：（1）教学手段的单一性；（2）重理论、轻应用，知识面拓展性不够；（3）课程考核形式单一。密码学是一门交叉性学科，包括了信息论、数学、通信、计算机、生物、物理等多方面的知识。同时，它又有很强实践性。如何协调理论与应用实践、合理组织教学，值得我们探索改进。

三、课程建设及教学方法探讨

（一）教学内容及教材的选取

教学内容则要根据不同学科专业对本课程的要求情况加以定位取舍。密码学及相关基础课程的衔接和课时安排可参考《高等学校信息安全专业指导性专业规范》［8］。一般的工科专业或低年级本科生，我们建议选择《应用密码学》教材，教学内容上侧重实用性讲授，只要求学生了解密码算法的基本原理，重点掌握算法的具体实现和工程应用。而对于网络空间安全学科而言，则对密码学的需求更高，因此，需要选择偏理论的教材，而教学内容方面，不仅要求学生理解密码体制的基本原理，还需要了解它的基础理论背景知识，理解相关的安全性定义、密码学困难性问题假设、严格的安全性证明方法以及相应密码分析方法等。例如讲授分组密码时，主要内容包括DES、AES、IDEA、SMS4等，对于一般工科专业的学生而言，只需要了解这些分组密码算法的基本原理即可，重点是掌握这些国内外分组密码标准算法的工程实现，教学中我们介绍一些著名的密码学工具如AESTool、CRYPTO++、Miracl等，供学生参考实现；而对于网络空间安全相关专业的学生而言，在组织教学内容时，需要进行分组密码体制的理论提升及知识拓展，例如我们需要详细讲授分组密码的设计理念（如SPN、Feistel等结构及其结构的优缺点）和相应的攻击方法（如差分攻击、线性攻击、代数攻击、积分攻击、中间相遇攻击、相关秘钥攻击等），以加深学生的理解和灵活运用能力。

（二）加强课堂教学效果

结合密码学课程本身的特点及不同专业学生的实际需求，采取相适应的教学模式、激发学生的学习兴趣、充分发挥学生学习的主动性。

1.根据课程教案内容，制作生动直观的多媒体课件。密码学教学过程中采用现代多媒体教学技术可以有效弥补传统教学模式的不足，对于密码学课程中抽象的概念、复杂理论推导，利用生动的多媒体技术课件，可以形象直观展现于学生面前，易于理解和加深印象。比如像经典DES、AES、RSA、ECC等密码算法网上都有很多优秀免费的动画演示作品，只要稍加修改借鉴便可作为我们的课堂教学素材。但对于一些经典的理论推导过程我们建议采用多媒体课件及黑板板书相结合的方法。

2.加强课堂教学的生动性和启发性。密码学的课堂教学中，应尽量避免老师讲、学生听的传统“满堂灌”教学模式，而是应该采用讨论式、启迪性的教学方式。例如，讲授经典密码算法时，可以简要介绍其历史背景、发展历程、研究过程及方法、目前的研究现状及有待解决的开放问题，增加互动环节，组织学生提问讨论，启发学生的探究能力，逐步培养学生的探索能力和创造能力。同时，还可以穿插一些历史人物及相关事件介绍，以激发学生的学习兴趣，活跃课堂教学气氛。

（三）加强教学实践环节

密码学的特点决定了它是一门极具实践性的学科，密码算法是解决信息安全问题的理论基础和关键技术，因而应该高度重视密码学的实践教学环节。通过教学实验环节，让学生从工程应用的角度进一步理解相关的密码理论思想，达到理论与实践相结合的目的。例如，在教学实验中模拟应用场景，设置一些难度适中的信息安全问题，让学生能够利用所学的密码学知识加以解决，以提高学生的动手能力。同时，有条件的学校还可以组织课外科研活动，吸收部分优秀的学生参与教师的科研项目，提高学生的科研动手能力，培养拔尖的信息安全人才。

（四）采取灵活多样的课程考核体系

针对密码学课程的特点，传统“闭卷考试成绩+平时成绩”的考核评价方式体现不出学生对知识的理解和综合运用能力，而且还会导致学生以被动的学习方式来应付。不同的学校、不同的学科专业可根据自身相关专业要求探索相适应的考核评价机制。对于网络空间安全学科专业的学生而言，密码学作为为专业必修课，一般在高年级开设，此时学生已经具备了一定的理论基础及知识运用能力，因此我们可以采用灵活多样的考核方式。根据我们的教学经验，将密码学课程的考核分为四部分：命题考试成绩（50%）、平时成绩（10%）、论文阅读报告（20%）和课程设计成绩（20%）。根据学生的层次及教学要求，命题考试分为闭卷或开卷形式，闭卷侧重学生基础理论掌握情况评测，而开卷则注重学生综合分析及解决实际问题能力检测。平时成绩主要包括平时课堂作业及到课率情况。论文阅读报告主要是引导学生关注密码学的发展新动向，一般建议由教师提供本学科领域最前沿的研究热点方向论文若干、供学生选择性阅读并提交阅读报告，这种考核形式可有效避免传统提交课程小论文的网上抄袭现象，以此拓展学生的知识面及学习兴趣。课程设计即实践环节，建议将学生按3至5的规模分为若干组，以组为单位进行考核，旨在考查学生的动手实践能力及团队协同能力。

（五）教学评价及改进

课程结束后，设计密码学课程专用调查问卷，及时收集了解学生对本课程教学内容、教学方法、课件制作、考核形式等方面的意见，对学生的反馈意见进行认真整理分析，不断改进本课程的教学方法。其次，积极了解政府机构及相关企业对信息安全人才的要求情况，及时合理地调整和改进本课程的教学目标、教学内容及教学方法。另外，有条件的教师还应该积极参加国内相关单位举办的信息安全相关专业教学研讨会，探讨交流及借鉴好的教学方法及教学手段。

（六）营造良好课外学习环境

良好的课外学习环境是学生获取知识提高应用能力的重要途径，更是选拔培养拔尖信息安全人才的必要条件。

1.建设配套的密码学教材及学习素材。例如，武汉大学信息安全团队在探索改进教学方法的同时［4-6］，编写出版了“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”《密码学引论》［7］，并翻译了多部国外密码学经典教材。同时，我们还建设了密码学网站［2］，内容包括教学大纲、授课教案、课程录像、实践指导、习题及解答等资源。另外，我们建设的密码学课程于2013年入选第三批国家级精品资源共享课［3］，为学生课外自学提供了丰富的参考资料。

2.提高学生的实践动手能力。我们可以通过教学实验环节及一些课外科研活动选拔科研动手能力强的学生参与教师的科研项目，条件许可的话，还可以组队参加教育部高等教育司、工业和信息化部信息安全协调司的指导下的全国大学生信息安全竞赛，培养学生的创新能力、团队协作精神，提高学生的信息安全技术水平和综合设计能力，着力于拔尖信息安全人才的培养。