应用密码学的实践教学研究

胡越梅，夏建川，刘效武，李凤银

（曲阜师范大学信息科学与工程学院，日照 276826）

应用密码学的实践教学研究

胡越梅，夏建川，刘效武，李凤银

（曲阜师范大学信息科学与工程学院，日照 276826）

应用密码学作为网络空间安全的一门基础技术课程，对整个学科的发展有重要意义。该课程理论基础复杂，又要立足应用，其实践教学的作用举足轻重。从实验内容的设计、实践教学方法、考核方法三个方面对应用密码学的实践教学进行研究革新，并给出近两年的实践效果。

应用密码学；案例演示；创新设计；竞赛驱动

0　引言

《密码学》是网络空间安全专业的重要专业基础课程，作为一门相对较新兴的课程，密码学是集数学、计算机科学、通信与信息系统以及网络等多学科为一体的交叉学科，涉及到的内容非常广泛，内容比较抽象，不易理解。很多学生在学习了《密码学》课程之后缺乏实践动手能力，知识遗忘速度快，不知道如何利用密码学进行实际问题的解决。本文就密码学实践教学进行探讨和研究，给出教学总结和思考。

1　实践课程总体设计思路

要改善整个密码学的教学效果，就要把实践课程作为整个课程的重要部分。本文从实验内容体系设计和实践教学方法两个方面对课程的实践教学进行探讨。

实验的设计上，《应用密码学》课程实践环节着力于培养学生的设计和开发能力，并把设计创新作为实践过程的一个重要环节。要求学生对一些典型的密码算法进行编程实现，并能进行一些综合性和设计创新实验项目。为此，对密码学的实验设计分为：基本验证实验、密码算法综合实验、研究创新型实验三个层次，实验难度依次增大，从而逐步提高学生的实践能力。

从实验的教授方式上，突破之前以课堂实验为主的方式，通过案例演示，项目、竞赛驱动等教学方式，从而：（1）让学生在理解密码学原理的基础上，将其应用于实践中，学以致用。（2）使学生可以在课堂之外完成大部分实验，打破由于课时有限所带来的局限性。

2　实验内容体系设计

实验内容主要包含有验证性、编程实现，综合性和设计创新性三个层次的实验类型，其中综合性和设计性实验主要考查学生对知识的理解能力以及动手编程能力，在密码学实践课程中占较大的比重。

2.1基础实验

该部分实验主要让学生在验证的基础上了解算法的效果和原理。通过编程进一步加深算法的理解，使得学生可以明确算法的每一步骤在整个算法中的作用。根据课程内容，设计该类实验如表1所示。

表1　应用密码学基础实验安排

对于这些基础实验，实验室已经配置了基于云平台的虚拟仿真实验系统，学生除了课上时间，可以在课下时间远程访问实验平台，突破了课上实验时间的限制。

2.2综合性实验

在进行综合性实验时，学生分成若干小组，指导老师将实验的题目提前公布，各小组根据兴趣和能力选择合适的题目。通过实现相应的密码算法，更好地理解算法的步骤、设计思想等，并锻炼学生的编程能力，根据课程特点，给出可选的综合设计实验如表2所示。综合实验是把握学生对课程知识接受能力的一个有力检验，通过综合性实验，可以提升学生对课本上密码算法原理和知识的更高理解。

表2　应用密码学综合实验安排

2.3设计创新性实验

教师根据实际的科研和当前应用需求，选择一些具有一定新颖性的题目，譬如移动设备文件安全防护系统，电子保密柜，基于群密钥协商协议的会议系统等。各年级不同专业的学生通过自由组合形成项目小组，根据能力和时间选择适当的题目，然后学生通过查资料，小组内定期讨论，以及教师的指导，完成实验项目。通过创新实验，可以让学生对密码学的原理和知识有更深入的理解，并通过密码学在具体实验中的应用，把理论和实践结合起来，从而把基础比较好、兴趣比较浓厚的学生引人科研的大门。

3　实践教学方法探索

密码学实践教学的根本目的是使学生在掌握课本基础知识的前提下，通过基础实验理解知识点，通过综合实验整合知识点，并通过创新设计实验运用所学知识点。本文给出了如下教学法。

3.1案例教学法

（1）教学演示案例

每次理论课都根据本次教学的知识点设计合理的演示案例。演示案例通常规模较小，功能明确，侧重功能实现，将知识点通过演示案例串联起来，让学生直观地了解知识点的原理和在实际环境中的应用，增加学生对问题的理解。

（2）优秀作品案例

从往届的学生提交的综合实践，和大赛提交作品中选择功能完善、实用性强、用户界面良好的优秀案例供学生观摩。实践证明，每次讲完对应知识点后，把往届学生的对应的优秀作品展示给学生，每次都能引发学生的兴奋点，并激起他们开发出更好作品的愿望和信心。

3.2研究性教学法

（1）注重知识的更新拓展。作为一门与实际应用紧密结合的学科，伴随着计算机和网络技术的迅速发展，密码学涉及的内容和技术发展也很快，这就对教师提出了更高要求。除了课本上的传统内容，还要多关注各部分内容在国内外的最新研究进展和成果。

（2）组织课题组和兴趣小组，让对密码学有兴趣有能力的学生参与进来，支持他们的创新活动。

3.3项目+竞赛驱动教学法

项目+竞赛驱动教学法适用于学习各种实践性和操作性较强的知识和技能。伴随国家对网络空间安全的高度重视，全国以及各省都在举办不同形式的信息安全大赛，很多项目的设计开发都是立足于密码学的，基于这样的背景，可以以项目开发的形式引导学生参与到各种竞赛中。

在项目式实验教学过程中以学生为主体，以教师为主导。通过以下几个步骤来实施项目式教学：

（1）根据大赛要求教师提供可选的项目题目或学生自选符合要求的课题。

（2）对于教师给出的题目，教师要给出明确的项目目标和要求。学生自行选择的题目，要和教师沟通汇报项目的目标设想，教师给与适度的指导，最终确定项目目标。

（3）学生查阅材料，在了解分析初步的可行条件之后，给出具体的设计实验项目方案。

（4）学生小组内讨论并检验方案的可行性，由教师审查并最终确定。

（5）学生利用开放实验室完成项目。学生按实验项目实施计划，和指导教师保持定期讨论，并在规定时间内修改完成实验项目。

（6）学生提交作品，教师进行验收。

通过建立项目让学生参与竞赛的形式，让学生作为项目的负责人，将学生成果提交到大赛中加以检验，既可以提高学生的主动性、参与性又能提高学生对密码学应用其全过程的理解和掌握。

4　考核方法

对于上文给出的三类实验项目，其功能和实验手段有较大区别，因此在考核上也要采取不同的方法。本文主要考虑基础算法验证实验和综合实验。

算法验证性实验按照学院的实验报告要求，有统一格式的，包括实验目的、实验环境、实验步骤、实验结果等。对于算法实现实验，为防止学生之间相互抄袭，要求学生在实验规定的时间内进行算法编程，给出编程的详细说明，并随堂提交给教师，对教师进行简洁的实现说明，教师可以综合课堂表现，程序编写完整性和可用性给出考核评分。

对于综合实验，最终的实验报告主要包括项目的功能介绍、实现工具，方案设计、性能测试、创新性、优缺点总结等。学生以小组为单位提交给教师，教师组织小组进行统一答辩，由教师和学生共同根据答辩情况给出实验考核。

实验教学的总成绩，最终由上述实验中基础实验和综合实验两部分加权求和来确定，权重系数分别设定为：算法验证模块0.4，算法实现模块0.6，作为最终的实践考核成绩，纳入到密码学这门课程的综合成绩中。

5　教学效果及展望

密码学作为网络空间安全这个新兴学科的重要基础学科，是一门理论知识深厚，又必须在实践中加以检验的课程，对其实践课程的教学模式进行不断的改革和探索，势在必行。本文通过几年的密码学教学经验，对实践课程的教学进行了反思和总结，目前效果良好。从去年开始组织学生参加各类网络安全相关的大赛。如：齐鲁软件设计大赛信息安全技术设计大赛，山东省大学生信息安全技能大赛，全国问鼎杯大学生信息安全大赛等，学生将所学密码学知识和实践中积累的经验，应用于竞赛中，获得国家级三等奖1项，省级二等奖2项、三等奖若干项。时间虽短，但效果明显。笔者将继续进行这方面的教学实践探索，不断总结经验，为培养学习型、研究型、创新型人才而努力。

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［3］谢绒娜，郑秀林，李子臣，李晓东.密码学课程实践教学体系探索［J］.第九届中国通信学会学术年会论文集［N］，2012：472-475.

［4］张瑞霞，唐成华，唐麟．密码学实验教学改革应用实践［J］．计算机教育，2013（5）：68-71.

HU Yue-mei，JIAN Chuan-xia，LIU Xiao-wu，LI Feng-yin
（School of Information Science and Engineering，Qufu Normal University，Rizhao 276826）

Applied Cryptography，as a basic technological course of net cyberspace security，is of great significance to the development of the whole discipline.However，considering the complex theory basis and the need for application，practice teaching should be emphasized.Studies Applied Cryptography and innovates from the following three perspectives：the design of the experiment content，the teaching method and the evaluation method followed by the results of the past two years.

Applied Cryptography；Case Demonstration；Innovation Design；Competition-Oriented

1007-1423（2016）27-0010-04DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.27.003

胡越梅（1982-），女，江苏连云港人，教师，硕士研究生，研究方向为密码算法、网络安全协议设计

2016-06-24

2016-09-10Research on Practical Teaching of Applied Cryptography

山东省2013年高校科技计划项目（No.J12LN07）、曲阜师范大学2015年校级精品实验项目（No.jp2015006）、曲阜师范大学2015年校级教学改革研究项目